部署5G专网的四个关键步骤

Jessy Cavazos, Keysight Technologies, Santa Rosa, Calif.

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5G专网成为热门话题是有原因的。5G专网的收入将从2021年的16亿美元增长到2030年的650亿美元。¹ 然而，通往5G专网的道路上充满了挑战，制造商与合作伙伴必须克服这些挑战，以确保网络的覆盖、连接和稳定性。

制造业将通过应用5G专网获得最大收益，未来的智能工厂将需要实施以下应用以实现这一潜力：

·         无线、实时、闭环控制和过程自动化

·         利用人工智能（AI）进行生产控制

·         使用增强和虚拟现实技术（AR/VR）进行设计和生产

·         无线和协作型机器人，包括自动导引车和自主移动机器人等

·         大量的无线传感器

·         基于VR的远程团队的支持和培训

·         先进的预测性维护，在工厂内和运输过程中对时间敏感的资产进行监测和跟踪

·         大数据分析使商业决策实时化。

为了提高运营效率，制造业将在工厂车间使用大量的无线连接，每个连接都需要超可靠、稳定的覆盖和连接、超低延迟以及高下行和上行数据速率。需要高上行数据速率和超低延迟的应用在无线消费市场上很少见，但这些要求在工业4.0应用中是最重要的，并且可以通过5G无线网络实现。

虽然我们经常听到5G专网的实施挑战，但成功部署始于生命周期的早期，并持续到安装之后。所有的组件——设备、无线接入网络（RAN）、O-RAN、5G核心、多接入边缘计算（MEC）——都必须以峰值性能协同工作，并且端到端的网络性能要达到最佳。在现场验收时仅测试RAN是不够的，可能会导致盲点。本文解释了优化5G专网性能所需的四个步骤，首先概述了5G专网部署模式、标准和5G赋能功能的背景。

部署模式

在工厂部署5G可以采取不同的形式。一个典型的网络包含三个要素：1）终端设备，包括连接的传感器、相机和控制器；2）RAN，即基站和用户设备的无线连接；3）核心网络，在移动客户端和边缘网元之间路由信息、处理计费和认证，并跟踪移动客户端的位置以维持无线链接。

5G专网可以使用专用和隔离的设置进行部署，即独立的或通过使用公共无线服务提供商。核心网络可以在现场或在云中，网络可以由第三方或移动网络运营商管理。每种方案都提供不同的安全级别，并有具体的服务和网络管理需求。选择一个部署模式需要仔细考虑使用情况、制造商的技术知识和商业战略。研究表明，三分之二的制造商倾向于完全拥有和运营专有网络，这是因为安全问题，需将生产数据保存在内部。²

图1展示了5G专网的四种部署方案。最独立的专网实施方案是在工厂内实施无线电、控制平面和数据平面。它不与公共网络共享资源，是实施专网的最安全方式。图中所示的另一种模式包括在公共无线网络供应商那里保留一个“网络切片”来创建专网。网络切片使运营商能够为应用分配其网络资源的一部分。这些资源专门用于制造商，以保证对延迟、可靠性、移动性和吞吐量的要求。

图1 工业5G网络的部署方案。资料来源：5G-ACIA。

标准和用例

5G进入工业领域的基础是标准的制定。5G专网还需要政府的参与，以分配频谱和规范民用和军用应用，并需要工业界参与试验、测试平台和生态系统解决方案。

许多行业组织参与了5G专网的标准制定。最引人注目的是3GPP和5G-ACIA。第一个5G标准版本（3GPP第15版）专注于消费者服务。最近的版本（第16版）和即将推出的第17版为工业领域提供了能力。第16版介绍了实现低延迟的重大改进，第17版将增加5G与时间敏感网络（TSN）的整合。5G-ACIA通过定义5G在工业应用中的用例，在制定5G性能目标方面发挥了重要作用。图2列出了用例、其关键要求和这些要求的关键性能指标（KPI）。

图2 工业4.0用例、要求和关键性能指标。

5G的赋能功能

MEC——MEC对许多工业用例来说是必不可少的，因为它使计算在物理上更接近用户，并有助于实现更低的延迟。MEC能够为需要大量计算资源的设备减轻计算需求，如AR眼镜和无线机器人。5G数据链路可以将这些设备的计算需求转移到边缘计算机上，使眼镜和机器人更轻、更节能。

图3展示了一个使用5G专网的AR设备。集成在AR眼镜中的相机拍摄图像并将其发送到服务器，该服务器确定相机的当前视野和先前在当前图像中注册的增强物的最佳位置。服务器渲染增强的图像，将其发回给AR眼镜显示。视图中的增强需要紧跟AR眼镜的运动，而不引入失真。这个用例需要大量的计算能力、高上行和下行数据速率和低延迟。

图3 使用带有边缘计算的5G专网的AR用例。资料来源：韩国电子技术研究所。

TSN——支持TSN是5G专网的另一个重要功能，是工厂自动化的关键推动因素。5G的低延迟能力可以创建一个跨越端到端基础设施的时间敏感的信道。许多5G专网将被部署在现有的工厂中，使用有线TSN的有线通信基础设施。如图4所示，将有线TSN能力转化到5G，反之亦然，是很重要和复杂的。

图4 集成了TSN的5G网络。

安全——安全是5G专网的一个重要方面。与前几代蜂窝技术相比，5G包括重大的安全改进，包括更高能力和安全的加密和认证（图5）。5G网络架构旨在为网络提供的不同服务实施必要的安全措施，无论是语音通话、控制机器人还是从数百个传感器收集数据。

图5 3GPP 5G安全架构。

专网的生命周期

各种部署方案、严格的KPI要求和对安全的需求使得5G专网的部署相当复杂。成功需要从设计、验证到运营的网络生命周期的整体观。

第1步：工业设备的验证和一致性

设计5G专网在设计和安装真正的网络之前就开始了，首先是工业设备的设计、验证和一致性测试。工业4.0应用为5G专网设备带来了新的挑战，因为它们具有特殊的品质，并且经常被集成到工业设备中。这些设备在不断发展，变得更加复杂。例如，未来的工厂机械臂将有多个蜂窝连接，以提高定位精度和多功能性，嵌入式蜂窝设备将直接或通过网关连接到5G基站（图6）。

图6 嵌入蜂窝的机器人手臂与5G基站连接：直接（a）和通过网关（b）。来源：5G-ACIA。

工业设备的独特能力和不断增长的复杂性以及它们的集成要求需要进行以下测试：

·         工业设备中模块的蜂窝式集成

·         连接性、可靠性和稳定性

·         功能和性能

·         符合3GPP和运营商标准

·         安全问题

·         TSN/5G整合

·         超可靠和低延迟的通信(URLLC)

·         定位精度高。

除设备外，RAN和核心设备需要验证功能、性能、可靠性和互操作性；设备还必须满足行业标准、安全和TSN/5G整合要求。

工厂信道建模

在了解了工业设备的具体情况后，必须考虑工业网络环境的特点。工厂使用金属和高速旋转的机器，在小范围内有许多射频的障碍物。这些表面增加了信号的反射、折射和衰减（图7）。用信号传播模型验证工业设备，尽可能接近实际的工厂信道模型，对全面实施时高性能的专网非常重要。

图7 工厂中潜在的干扰源。

第2步：网络设计与规划

下一阶段开始开发、设计和安装一个物理网络。这些步骤包括：

·            现场勘察、无线电规划和频谱清理，包括干扰和干扰评估

·            部署建模、分片和隔离

·            设计MEC

·            超额配置和优化。

频谱清理是设计和规划期间的一个重要方面，以确保附近没有其他系统会使用分配给专网的频率。确保充分的RAN性能需要核实频谱并确定潜在的干扰源，如当地的电气和工厂设备、附近发射器的强信号和有缺陷的设备。识别潜在的干扰源也很重要。消除或至少最大限度地减少干扰和清除干扰源出于法律原因是至关重要的，也是必须的。

专网的网络设计将采用图1所示的模式之一：与公共网络不共享资源的独立网络、共享一些资源的混合网络或公共运营商的专用5G切片。为了避免高峰负荷时的拥堵，应考虑超额配置网络。避免网络拥堵包括将高峰期的工作负荷转移到边缘云数据中心，并牢记计算、网络和存储需求。

第3步：网络部署

一旦设计完成，流程就会转向验收和性能测试。现场验收测试有助于验证网络的安装，必须包括RAN或O-RAN、5G核心和MEC，以及跨越端到端网络。功能测试应包括独立的和互连的网元，以及整合了所有网元的端到端网络。

RAN的现场验收测试包括：连接和标准一致性的功能测试；覆盖范围、速度、延迟和服务质量（QoS）方面的性能测试；可用性、可靠性和稳定性测试；以及空中信号验证。核心网络测试包括：连接性和标准一致性的功能测试；覆盖范围、速度、延迟、定位和QoS方面的性能测试；以及可用性、可靠性和稳定性测试。端到端测试包括：互操作性测试；连接性和标准一致性的功能测试；覆盖范围、速度、延时和QoS方面的性能测试；可用性、可靠性和稳定性测试；以及安全测试。

性能测试需要评估所有设备、RAN、核心网和MEC，以及网络的端到端性能。虽然测试互操作性在复杂的端到端网络中特别具有挑战性，但持续集成和持续部署（CI/CD）工具可以使大部分的测试自动化。测试方法方面的专业知识也有助于加速互操作性测试。

安全——工厂中产生的数据必须确保安全，不应离开数据中心，除非是工厂需要。应测试以下领域的漏洞：

·         终端设备，因为这些设备是抵御网络攻击的第一道和最后一道防线。

·         核心网络，包括网络接入（NAS/认证，用于将安全的UE添加到5G网络）、网络域（边缘核心周界防御和安全执行）、应用域（加密/解密和深度包检测，用于安全执行）和基于服务的架构域（针对模糊攻击和大规模拒绝服务攻击的安全性）

·         O-RAN，包括分解和虚拟化RAN的安全性

·         边缘云，应用程序、关键数据应用和关键数据的安全性。

MEC——在MEC的背景下，验证数据中心基础设施是否满足存储、网络和计算机功率的要求非常重要。必须对网络功能虚拟化基础设施（NFVi）进行测试，确保其满足性能需求。数据处理和存储应该在工厂内部或附近，分析结果要发送到用户或机器上以便迅速采取行动。这需要一个高性能的云。

例如，在基于视觉的质量分析中，装配线上的摄像头可能会在不同的照明条件下拍摄照片，图像被上传到边缘云，在那里，一个应用程序使用人工智能处理它们，以评估产品质量。然后，工厂车间的机器人根据结果接受或拒绝产品。所有这些任务必须快速进行。

第4步：网络运行和优化

运营是5G专网生命周期的最后阶段。在这个阶段，网络监测对于保证安全、评估网络和云的性能、监测关键和非关键的通信以及识别干扰和死机非常重要。

专网的用户数量比商业网络少得多，然而，确保数据安全是关键。这促使我们需要一个端到端的生命周期战略（图8）。

图8 5G专网的生命周期。

小结

5G专网给制造商及其合作伙伴带来了许多挑战。有几种网络架构是可行的。选择哪种架构需要仔细考虑用例、内部可用的专业知识和制造商的业务战略。对MEC和TSN的需求也是影响网络设计的重要因素。无论选择哪种配置，安全都必须贯穿于整个专网的设计和部署阶段，从设备验证到持续的网络监控。

参考文献

1. ABI Research, “Monetizing 5G Edge Networks,” Application Analyst Report AN-5285, 3Q 2021.
2. ABI Research and Nokia, “Enterprise Digital Transformation Through Industry 4.0,” Web, onestore.nokia.com/asset/207305.