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5G專網的三大部署攻略
 

【作者: imec】   2022年06月07日 星期二

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新一代的製造模式,例如工業自動化,通常伴隨著嚴苛的服務品質(QoS)要求,不論是工廠的製造流程,或是廠房內部使用的通訊系統,都要遵守業界規範。因此,製造商對無線通訊業者寄予厚望,亟需具備超高可靠性、網路備援、進階安全功能與全年高效運轉的網路服務。


然而,運用現有的公用網路基礎設施,要確保維持電信商用等級的服務品質,實非易事。因此,電信服務業者的企業用戶陸續開始轉向私人專網帶來的全新機會。



5G網路技術具備性能與架構設計的優勢,勢必成為新一代(無線)專網的關鍵推手,但其實還有其他的競爭對手。新一代的Wi-Fi網路,例如Wi-Fi 6(IEEE 802.11ax)與即將推出的Wi-Fi 7(IEEE 802.11be)無線網路標準,持續跟緊5G步伐升級效能,不僅提升資料傳輸率,更把延遲、時間同步誤差與可靠度納入考量。本文仔細衡量上述兩項網路技術的優缺,並為了提前部署無線通訊專網,統整出三大攻略。


不僅如此,在網路架構的另一端,一段全新發展甚至是革命正在展開。常規的行動網路終端裝置,尤其是其內建的晶片組,有可能會被可依照企業用戶個別需求與業務考量進行量身訂製的晶片與裝置取代。一直以來,通訊網路市場僅由少數幾家晶片廠商把持,這會是吸引不同業者進軍的契機嗎?


攻略一:基於電信商公用網路設施的5G專網部署

行動網路業者(mobile network operator)在競標5G頻譜的時候,通常目標是盡可能地擴大各自的網路服務範圍。因此,他們具備一定的優勢來滿足企業用戶部署專網的需求,包含網路切片、虛擬化,以及開放租用5G基礎設施以提供非公用網路(non-public network)服務。



圖一 : 5G非公用網路(non-public network)服務架構示意。
圖一 : 5G非公用網路(non-public network)服務架構示意。

關鍵技術:網路切片

5G網路特別適合用來支援企業專網應用。5G技術具備多項特點,像是網路切片技術。行動網路業者把從公用網路分割出來的「網路切片」,作為獨立且供私人使用的子網路,專門分配給單一(企業)用戶,還能進行客製化,設定所需的頻寬、延遲與服務品質等。


這種部署策略能夠創造雙贏局面。對電信商而言的優勢顯而易見,企業應用案例不僅建立在其(現有)的基礎設施上,還能導入自家專業技術與所屬頻段,另提供語音、寬頻網路或是託管服務。同時,企業也能從中獲益良多,因為他們就可以不必投資那些昂貴設備,像是無線電接取與核心網路,也不用親自處理架設與管理私人5G專網的繁複工作。


這套作法乍看似乎萬無一失,但其實也有一體兩面。最要緊的是,企業最終必須把具時效性且與關鍵業務或任務有關的資料傳送到他人所有且無法親自控制的網路上,這不僅帶來資安風險,還可能延長訊號傳輸時間。


其他替代方案

儘管「專網即服務(private networks-as-a-service)」的商業模式有其潛在弱點,但卻很適合那些位在某電信商現有5G網路服務範圍內,又幾乎毫無部署與管理行動網路經驗的企業使用。


除了網路切片,還有一套5G專網的替代部署方案,同樣建立在行動網路業者的公用網路基礎設施上。不同的是,企業可以選擇只用電信商的無線電存取設備,隨後立刻將所有資料流量連接到企業網路上,如此就能避免資安漏洞。電信商一樣會負責所有部署安排,包含啟用網路、支援SIM卡、網路管理等,但是所有資料仍由企業用戶直接控管。


企業甚至可以進一步考慮單獨選用電信商的無線電塔,也就是整個網路架構中最昂貴的硬體設備,進行客製化部署後,就能獨立管理與運營自己的專網。最後,企業還能選擇自行建置5G專網,與當地行動網路業者協商取得專用頻譜。


換言之,要借助公用網路業者的專業技術與基礎設施來建立5G專網有不同的部署模式,多半取決於企業願意投入多少成本,還有是否具備(行動)網路架設與管理的專業知識。


硬體規格需求(網路虛擬化概念)

5G網路的部署內容小至天線,大到核心網路,需要龐大的資本投資。好在5G網路本身支援網路功能虛擬化(network function virtualization),這樣一來,軟體就能取代多數昂貴的網路專用設備,在一般商用的伺服器上運作。


這不僅更節省成本,還能增加部署彈性。虛擬化的概念是在虛擬機器或軟體套件(容器)上組合與運作網路的主要功能,還能結合管理系統。需要擴充網路容量或功能時,這些虛擬機器或容器也能方便複製或升級。


然而,客製化硬體設備的需求還是無法避免,例如安裝天線,另外,用戶終端設備也必須內建最先進的晶片組,才能支援5G網路進行高速編解碼與實現超可靠低延遲通訊標準(URLLC)的功能。


目前5G晶片組的生產還在起步階段,現有產品都是依據3GPP R16標準開發的預備商用化研發成果,能夠支援URLLC標準的功能有限。這也不禁引發猜想,究竟5G終端設備市場會如何發展?是一貫落入少數幾家晶片廠商的手中嗎?但他們的優先考量或許並非開發符合URLLC標準的客製化晶片組。那麼,這是不是其他廠商進駐市場的良機?他們可以趁機著手研發鎖定企業用戶專業市場的5G無線數據機晶片。


歐盟於今年2月發布的《晶片法案》(Chips Acts)能在此時推波助瀾。例如,歐洲在20年前因為人力成本高昂,因而淡出晶片製造市場,但在最新法案的助力下,局勢可能在數月甚至數月內反轉,開啟全新局面。


攻略二:設置獨立組網架構的5G專網

採用電信商的公用網路基礎設施可能導致資安漏洞與延遲問題,因此不少組織偏好設置獨立組網(standalone)的5G專網,像是5G工業聯網自動化聯盟(5G-ACIA)。這些獨立專網可以與電信商的公用網路系統完全分隔並單獨運作。


5G小型基地台的願景

5G獨立專網適合佈建在港口、大型工業園區,或是任何其他地方,只要有企業願意互相合作,與專業的或具備競爭優勢的網路服務商簽約來進行專網部署與管理。


公網與專網必須面臨相同的硬體挑戰,都與電信商有關,主要是用戶終端設備問題。不過公網主要採用大型基地台來覆蓋戶外的網路使用區域,而專網特別採用小型基地台的新興技術。


小型基地台的設計目的是提供網路服務至戶外小型區域與室內場地,與傳統的無線基地站相較,不僅更方便部署,還能降低成本。通常會結合與ORAN相容的網路技術,這樣就能彈性配置與配對不同廠商提供的無線電存取設備與軟體,只要使用標準化的開放式介面,就能確保互通運作。


因此,在針對企業關鍵業務與關鍵任務的連線需求而部署行動網路時,必須達到成本效益。然而,要施行這套部署方案有個前提,就是網路服務商必須成功取得用來部署當地專網的5G頻譜,但目前全球僅有少數國家釋出這類頻譜。



圖二 : 小型基地台的設計目的是提供網路服務至戶外小型區域與室內場地。
圖二 : 小型基地台的設計目的是提供網路服務至戶外小型區域與室內場地。

校園5G專網的頻譜規劃:法規限制

目前,全球多數國家的5G頻譜競標都著重在全國各地的網路部署,幾乎沒有預留任何頻段給5G區域專網使用,所以目前的校園網路部署案例多半是理論實驗,只有德國是例外,該國為了校園專網應用釋出了100MHz的3.70GHz~3.8GHz頻段。其他還正在觀望是否跟進的國家包含澳洲、西班牙和美國。


攻略三:5G大型基地台結合Wi-Fi 快速且低成本的室內網路部署

談到啟用專網服務時,5G產業全都押注在5G URLLC功能,也就是訊號延遲低於1毫秒,同步誤差小於1微秒,可靠度高達99.999%。


換句話說,Wi-Fi具備一定優勢,尤其是在室內網路應用。一方面,Wi-Fi網路的安裝比行動網路還要簡便、快速,成本也更低。另一方面,Wi-Fi網路(IEEE 802.11)還有相容性優勢,能與乙太網路(IEEE 802.3)相連,後者為企業熟知,而上述兩者被歸在同一網路標準系列。


5G與Wi-Fi的差異

5G與Wi-Fi的技術相似,包含使用的實體層、訊號波、編解碼方案與通訊支援機制,全都雷同。兩者支援的位元率大致相同,而且根據概念驗證測試,Wi-Fi 顯然能夠提供與URCCL標準相似的網路效能。


主要差別在於5G使用的是經過授權的頻譜,專門分配頻段給電信商,而Wi-Fi技術則在開放的頻譜上運作,因此需要遵守相對嚴格的業界規則。Wi-Fi裝置必須檢驗其他裝置或技術,確認沒有使用相同的無線電頻段後才能運作,因此,每當無線封包開始傳遞,Wi-Fi傳輸必定會面臨或短或長的停頓,這就會導致延遲增加。


不過,既然無線頻譜適用於不同的網路技術,那麼把某些頻段分給Wi-Fi技術使用也是可行,這就和配合5G專網應用而釋出該地區的部分頻譜一樣。如此一來,Wi-Fi網路就能不再受限於那些嚴苛規則。


實際上,Wi-Fi與5G爭奪頻譜的劇情已經上演。一方面,5G R16標準就開放了一些全球未授權的頻段(NR-U)給5G使用,另一方面,Wi-Fi也在延伸使用頻段範圍,除了2.4GHz和5GHz,Wi-Fi 6E亦即Wi-Fi 6的延伸版本,已經踏入6GHz頻段,比起目前開放給校園使用的100MHz專網頻段,Wi-Fi傳輸效能更佳且穩定,速度也較快。


因此,5G和Wi-Fi最終極有可能共同存在,就算是在支援專網的應用領域。行動網路像是5G受惠於其廣泛的覆蓋範圍,在戶外網路部署略佔優勢,而Wi-Fi順勢導入室內網路應用。



圖三 : Wi-Fi版本的技術演進表。
圖三 : Wi-Fi版本的技術演進表。

Wi-Fi硬體:向下相容性議題與商機

對Wi-Fi而言,包含無線電終端設備在內的所有硬體設計都越來越複雜。在開發一般消費市場的Wi-Fi存取裝置時,設計人員必須確保裝置能與歷來所有的Wi-Fi標準向下相容,這使得新一代Wi-Fi晶片的研發工作更趨繁瑣,成本高昂。


然而,在鎖定企業用戶的專業市場,向下相容性並非必需。這反而開啟了全新的藍海市場,有興趣進駐的業者可以開發優化性能的終端裝置,而有意購買客製化與高效能產品的消費者也能滿足個別企業需求。


(本文作者Ingrid Moerman、Jeroen Hoebek與Dries Naudts任職於imec網路技術與資料科學實驗室(IDLab),為設於比利時根特大學與安特衛普大學的研究團隊;編譯/吳雅婷)


**刊頭圖(source:Adobe Stock)


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