私有5G網(wǎng)絡(luò)悄然興起，一文看懂專網(wǎng)優(yōu)勢

為滿足公共安全、工業(yè)自動化和基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵要求，私有5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。這些非公共無線網(wǎng)絡(luò)將為企業(yè)、私人場所和政府用戶提供基礎(chǔ)設(shè)施，從而優(yōu)化和重新定義在當(dāng)今以太網(wǎng)、4G LTE和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)限制下無法實現(xiàn)的流程。本文將詳細(xì)介紹搭建私有5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和復(fù)雜性。

5G初探

5G是下一代蜂窩電信。它在許多方面已經(jīng)擴展了蜂窩電信的應(yīng)用和可行性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了前幾代的使用范圍。早期的蜂窩系統(tǒng)主要用于一個手機用戶通過短信或語音與另一個手機用戶進行通信。而5G的設(shè)計理念是，上述通信方式只是為數(shù)不多的其中一種，甚至可能不是最重要的電信支持形式。

三種主要的5G應(yīng)用場景/模式

在4G LTE時代，圖像與視頻消息、流媒體以及一般互聯(lián)網(wǎng)通信迅速成為該服務(wù)的高數(shù)據(jù)速率用途。到了5G，這些形式的數(shù)據(jù)流量預(yù)計要擴大很多倍。另外，移動用戶設(shè)備還普遍需要更快、更可靠、響應(yīng)更迅捷的數(shù)據(jù)服務(wù)。這些參數(shù)是5G三個主要應(yīng)用場景之一，增強型移動寬帶（eMMB）的主要屬性（圖1)。eMMB的骨干網(wǎng)通常能夠提供高數(shù)據(jù)速率，更快速地訪問高速數(shù)據(jù)，同時服務(wù)數(shù)百名用戶，甚至在繁忙都市以外的地區(qū)也是如此。

超可靠的低延遲通信（URLLC）是5G的另一個關(guān)鍵應(yīng)用場景。這種5G模式旨在提供極低延遲的響應(yīng)，以更好地輔助不希望延遲或延遲有危險的應(yīng)用，例如自動機器、車對車（V2V）和車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信。無論是從人類用戶的角度，還是從機器的角度，URLLC 5G的另一面都是對可靠性的期望。5G的目標(biāo)是讓無線通信服務(wù)獲得類似于有線通信的可靠性和確定性。

最后，也是5G在私有設(shè)施中重要的潛在用途之一，是海量機器類通信（mMTC）。有了mMTC 5G，機器將與眾多要求各異的數(shù)據(jù)有效載荷互相通信，且5G應(yīng)支持這些各式各樣的通信方式。5G的這種應(yīng)用旨在使機器能夠有效地進行通信，而無需依賴可能需要點對點（P2P）甚至網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能的集中式基礎(chǔ)設(shè)施。

同構(gòu)與異構(gòu)5G部署對比

前幾代蜂窩通信選擇了同構(gòu)“蜂窩”拓?fù)?。隨著4G LTE的發(fā)展，這種情況發(fā)生了變化，為適應(yīng)高頻使用區(qū)域，城市環(huán)境中開始出現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在5G時代，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的混合只會越來越多，包括宏基站、微基站、一體化皮基站、皮基站甚至飛基站，所有這些基站都可能有自己的各種服務(wù)。這種無線接入多樣性的興起，源于更多空間組合的多樣化需求，例如辦公室、體育場館、私人場所、交通樞紐和大學(xué)/商業(yè)園區(qū)等。

典型的同構(gòu)基站無法滿足這些新興空間的需求，并且電信服務(wù)提供商（telcos）也不一定能在這些空間安裝蜂窩服務(wù)，因為其中許多是私人擁有和運營的場所。因此，公共蜂窩電信系統(tǒng)無法覆蓋諸多私人空間，例如購物中心、辦公大樓、工廠/倉庫和工業(yè)環(huán)境（農(nóng)業(yè)、石油/天然氣、建筑和采礦）等。

Wi-Fi、以太網(wǎng)和4G LTE的局限性

現(xiàn)有的眾多通信解決方案可能無法滿足私有空間的所有傳統(tǒng)與新興要求。例如，以太網(wǎng)服務(wù)僅適用于物理連接的系統(tǒng)。雖然Wi-Fi無疑更具移動性，新一代Wi-Fi設(shè)備（Wi-Fi 6e）不僅提高了移動性，還擴大了覆蓋范圍，但Wi-Fi依然飽受移動性、延遲以及可靠性等問題的困擾。

此外，Wi-Fi通信采用尚未得到許可的ISM頻段，因此勢必會受到其他服務(wù)的干擾，在一些重要應(yīng)用場景中，可靠性無法得到保證。4G LTE，與前幾代蜂窩通信一樣，主要采用設(shè)備對基礎(chǔ)設(shè)施的通信方式，無益于點對點通信。更有甚者，4G LTE標(biāo)準(zhǔn)甚至連盡量縮短延遲或確保可靠性的模式都沒有。

私有5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

私有5G網(wǎng)絡(luò)不僅有公共5G的全部優(yōu)勢，還可以根據(jù)空間需求增加額外的功能和優(yōu)勢。盡管與其他無線標(biāo)準(zhǔn)相比，5G標(biāo)準(zhǔn)通常有更出色的安全性、延遲、可靠性、帶寬/頻譜和移動性，但還可以部署私有網(wǎng)絡(luò)來進一步優(yōu)化某些功能以實現(xiàn)服務(wù)目標(biāo)。

安全性

盡管公共5G網(wǎng)絡(luò)可用于公共電信網(wǎng)絡(luò)和telco和/或ISP互聯(lián)網(wǎng)，但配置私有5G網(wǎng)絡(luò)可提供額外的選項或功能優(yōu)化?？梢源罱ㄋ接?G網(wǎng)絡(luò)專門處理內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的加密流量。私有5G網(wǎng)絡(luò)中，還可以更改5G無線信號調(diào)制類型和加密，可設(shè)計為僅使用經(jīng)批準(zhǔn)/專門提供的5G設(shè)備。具有關(guān)鍵用途的運營（例如政府、工業(yè)或特定公司環(huán)境）不再使用公共接口，因此可確保完備的內(nèi)部安全。另外，還可以嚴(yán)密監(jiān)控私有5G網(wǎng)絡(luò)，確?？焖僮R別和預(yù)防任何可疑活動。一些私有5G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品聲稱，該網(wǎng)絡(luò)可實時加密，經(jīng)認(rèn)證100%可信。

延遲

普通5G網(wǎng)絡(luò)需要通過用戶設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施進行通信，而私有5G網(wǎng)絡(luò)可配置為與同一場所內(nèi)的中央服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫直接通信。這樣可以大大降低與服務(wù)器的通信延遲，而且還可以優(yōu)化5G基礎(chǔ)設(shè)施硬件的布局，以盡量減少延遲，滿足需要此類性能的應(yīng)用的需求。在私有5G網(wǎng)絡(luò)中完全有可能實現(xiàn)亞毫秒級延遲，而對于4G LTE和Wi-Fi，即便是私有專網(wǎng)，通常也只能實現(xiàn)幾十毫秒延遲。

此外，如果目標(biāo)是盡量縮短延遲，那么5G標(biāo)準(zhǔn)還擁有可以減少通信開銷的功能。通常情況下，并非所有5G應(yīng)用都需要這些功能，但私有5G定制對某些應(yīng)用很有吸引力。

可用性/可靠性

許多私有無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)就是可用性。使用公共蜂窩服務(wù)甚至私有Wi-Fi時，可用性無法得到保證，這通常是無法接受的。可用性沒有充分保證，許多關(guān)鍵應(yīng)用就無法使用，因為安全性以及對關(guān)閉或新指令的響應(yīng)無法得到保證。5G URLLC具有六個九可靠性（99.9999%）的標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)，可提供以往只能通過有線通信解決方案實現(xiàn)的可靠性和正常運行時間保證。

帶寬分配和服務(wù)質(zhì)量（QoS）

頻譜使用和帶寬分配通常對無線服務(wù)的效用有很大影響。例如，Wi-Fi僅依賴于頻譜2.4GHz、5GHz和6GHz部分的未授權(quán)ISM頻段。這些頻段本質(zhì)上有帶寬限制，并且必須與在這些頻率內(nèi)運行的所有其他服務(wù)共享頻譜。4G LTE也僅限于sub-6 GHz頻段，該頻段頻譜擁塞和潛在干擾問題嚴(yán)重。 對于5G New Radio（NR），授權(quán)和非授權(quán)頻譜可在sub-1GHz、sub-6GHz、24GHz至29 GHz、37GHz至43GHz內(nèi)。具體來說，毫米波（mmWave）或“高”頻段頻譜中可能有數(shù)百兆赫的可用帶寬。由于毫米波范圍內(nèi)的高方向性和大氣損耗，共源甚至共享相同頻譜的服務(wù)的干擾也少得多。因此，與私有LTE裝置相比，5G可以通過其他增強的QoS指標(biāo)提供更可靠的服務(wù)。

移動和通信類型多樣性

可用于5G服務(wù)的廣泛頻譜可實現(xiàn)多種潛在的服務(wù)組合，用戶無需在無線服務(wù)與更少的頻譜選項之間權(quán)衡。例如，對于距離極遠(yuǎn)但數(shù)據(jù)速率要求相對較低的地方，sub-1GHz 5G可用有限的基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋大片區(qū)域。而毫米波5G覆蓋的距離較短，但延遲更低、吞吐量更高。

5G支持的各種通信類型，包括面向人類和機器用戶的大規(guī)模多用戶多輸入多輸出（mMu-MIMO），能夠服務(wù)大量高速移動或靜止的用戶。此外，新版的5G標(biāo)準(zhǔn)還支持機器類通信（低數(shù)據(jù)速率和低占空比），具有支持云服務(wù)所需的高數(shù)據(jù)速率和靈敏響應(yīng)服務(wù)，如增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實 (AR/VR) 培訓(xùn)或疑難解答。

搭建非公有5G網(wǎng)絡(luò)

私有5G網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的解決方案。5G硬件和配置的類型最終將取決于5G網(wǎng)絡(luò)的計劃用途和要求。幸運的是，隨著5G網(wǎng)絡(luò)與日俱增，5G硬件解決方案提供商和私有網(wǎng)絡(luò)安裝商正在不斷擴展其產(chǎn)品范圍與功能。私有5G網(wǎng)絡(luò)確實有一些通用指南，即網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)注意事項，說明如何托管控制面功能以及如何托管用戶面功能。

搭建私有5G網(wǎng)絡(luò)時，作為私有IP網(wǎng)絡(luò)的一部分，網(wǎng)絡(luò)安裝的需求可能最為迫切。在這種情況下，私有5G網(wǎng)絡(luò)也可成為私有VPN的一部分，由通常使用的一般路由器和交換機提供支持。雖然5G網(wǎng)絡(luò)可能更需要低延遲和高可用性硬件，但一般IoT網(wǎng)絡(luò)也是如此。

對于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)而言，最好將5G RAN和O-RAN控制面元素放在盡可能靠近5G基站的位置，最好是集中在5G功能需求最大的地方。我們需要主機服務(wù)器、中間件和軟件來支持這些功能，并且這些設(shè)備最好符合各項標(biāo)準(zhǔn)，以便于監(jiān)控、維護和未來的改造。同樣，5G核心用戶面功能也可以放在至少與5G RAN控制面功能位于同一位置的服務(wù)器上。在某些情況下，用戶面/控制面功能可共享并節(jié)省服務(wù)器。如果還需要服務(wù)其他流量類型，則可以使用白盒來運行用戶面功能。對于5G核心用戶面功能，若這些功能將支持大流量，則應(yīng)運行在白盒上，因為額外增加容量更加有益，而且，這些服務(wù)將獲得更高的可用性和更低的延遲。

最后，需使用5G無線電收發(fā)器將5G基礎(chǔ)設(shè)施無線連接到5G用戶或IoT設(shè)備（圖2）。從頭開始設(shè)計5G射頻硬件是一項昂貴且耗時的工作，需要匯集各種工程技術(shù)人才與設(shè)施。為設(shè)計和部署私有5G系統(tǒng)，可能需要一些軟件定制工作，但幸運的是，具有通用高速數(shù)字接口的5G收發(fā)器硬件平臺可與O-RAN無線解決方案輕松集成（圖3）。5G原型設(shè)計平臺的范例之一就是采用ADRV9026-HB/PCBZ或ADRV9026-MB/PCBZ無線網(wǎng)卡的ADI ADRV9026評估板。該評估板中的無線網(wǎng)卡提供用于設(shè)備快速評估和開發(fā)的4x4收發(fā)器平臺。

圖2：完整的5G收發(fā)器信號鏈

（圖源：Analog Devices）

圖3：可重新綁定射頻前端的5G原型平臺

（圖源：Analog Devices）

結(jié)語

用于企業(yè)、政府和工業(yè)應(yīng)用的私有5G網(wǎng)絡(luò)即將迎來黎明時刻。除了之前無線通信技術(shù)可提供的網(wǎng)絡(luò)之外，私有5G網(wǎng)絡(luò)也可確保高安全性、低延遲、高可用性以及多樣化的無線服務(wù)。

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