私有5G网络悄然兴起，一文看懂专网优势

描述

图源：plmpartner.com    

为满足公共安全、工业自动化和基础设施的关键要求，私有5G网络应运而生。这些非公共无线网络将为企业、私人场所和政府用户提供基础设施，从而优化和重新定义在当今以太网、4G LTE和Wi-Fi网络限制下无法实现的流程。本文将详细介绍搭建私有5G网络的优势和复杂性。

5G初探

5G是下一代蜂窝电信。它在许多方面已经扩展了蜂窝电信的应用和可行性，远远超出了前几代的使用范围。早期的蜂窝系统主要用于一个手机用户通过短信或语音与另一个手机用户进行通信。而5G的设计理念是，上述通信方式只是为数不多的其中一种，甚至可能不是最重要的电信支持形式。

三种主要的5G应用场景/模式

在4G LTE时代，图像与视频消息、流媒体以及一般互联网通信迅速成为该服务的高数据速率用途。到了5G，这些形式的数据流量预计要扩大很多倍。另外，移动用户设备还普遍需要更快、更可靠、响应更迅捷的数据服务。这些参数是5G三个主要应用场景之一，增强型移动宽带（eMMB）的主要属性（图1)。eMMB的骨干网通常能够提供高数据速率，更快速地访问高速数据，同时服务数百名用户，甚至在繁忙都市以外的地区也是如此。

超可靠的低延迟通信（URLLC）是5G的另一个关键应用场景。这种5G模式旨在提供极低延迟的响应，以更好地辅助不希望延迟或延迟有危险的应用，例如自动机器、车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信。无论是从人类用户的角度，还是从机器的角度，URLLC 5G的另一面都是对可靠性的期望。5G的目标是让无线通信服务获得类似于有线通信的可靠性和确定性。

最后，也是5G在私有设施中重要的潜在用途之一，是海量机器类通信（mMTC）。有了mMTC 5G，机器将与众多要求各异的数据有效载荷互相通信，且5G应支持这些各式各样的通信方式。5G的这种应用旨在使机器能够有效地进行通信，而无需依赖可能需要点对点（P2P）甚至网状网络功能的集中式基础设施。

图1：5G的各种应用场景 （图源：leremy/stock.adobe.com）

同构与异构5G部署对比

前几代蜂窝通信选择了同构“蜂窝”拓扑。随着4G LTE的发展，这种情况发生了变化，为适应高频使用区域，城市环境中开始出现异构网络。在5G时代，异构网络的混合只会越来越多，包括宏基站、微基站、一体化皮基站、皮基站甚至飞基站，所有这些基站都可能有自己的各种服务。这种无线接入多样性的兴起，源于更多空间组合的多样化需求，例如办公室、体育场馆、私人场所、交通枢纽和大学/商业园区等。

典型的同构基站无法满足这些新兴空间的需求，并且电信服务提供商（telcos）也不一定能在这些空间安装蜂窝服务，因为其中许多是私人拥有和运营的场所。因此，公共蜂窝电信系统无法覆盖诸多私人空间，例如购物中心、办公大楼、工厂/仓库和工业环境（农业、石油/天然气、建筑和采矿）等。

Wi-Fi、以太网和4G LTE的局限性

现有的众多通信解决方案可能无法满足私有空间的所有传统与新兴要求。例如，以太网服务仅适用于物理连接的系统。虽然Wi-Fi无疑更具移动性，新一代Wi-Fi设备（Wi-Fi 6e）不仅提高了移动性，还扩大了覆盖范围，但Wi-Fi依然饱受移动性、延迟以及可靠性等问题的困扰。

此外，Wi-Fi通信采用尚未得到许可的ISM频段，因此势必会受到其他服务的干扰，在一些重要应用场景中，可靠性无法得到保证。4G LTE，与前几代蜂窝通信一样，主要采用设备对基础设施的通信方式，无益于点对点通信。更有甚者，4G LTE标准甚至连尽量缩短延迟或确保可靠性的模式都没有。

私有5G网络的优势

私有5G网络不仅有公共5G的全部优势，还可以根据空间需求增加额外的功能和优势。尽管与其他无线标准相比，5G标准通常有更出色的安全性、延迟、可靠性、带宽/频谱和移动性，但还可以部署私有网络来进一步优化某些功能以实现服务目标。

安全性

尽管公共5G网络可用于公共电信网络和telco和/或ISP互联网，但配置私有5G网络可提供额外的选项或功能优化。可以搭建私有5G网络专门处理内联网或内部网络的加密流量。私有5G网络中，还可以更改5G无线信号调制类型和加密，可设计为仅使用经批准/专门提供的5G设备。具有关键用途的运营（例如政府、工业或特定公司环境）不再使用公共接口，因此可确保完备的内部安全。另外，还可以严密监控私有5G网络，确保快速识别和预防任何可疑活动。一些私有5G网络产品声称，该网络可实时加密，经认证100%可信。

延迟

普通5G网络需要通过用户设备与基础设施进行通信，而私有5G网络可配置为与同一场所内的中央服务器/数据库直接通信。这样可以大大降低与服务器的通信延迟，而且还可以优化5G基础设施硬件的布局，以尽量减少延迟，满足需要此类性能的应用的需求。在私有5G网络中完全有可能实现亚毫秒级延迟，而对于4G LTE和Wi-Fi，即便是私有专网，通常也只能实现几十毫秒延迟。

此外，如果目标是尽量缩短延迟，那么5G标准还拥有可以减少通信开销的功能。通常情况下，并非所有5G应用都需要这些功能，但私有5G定制对某些应用很有吸引力。

可用性/可靠性

许多私有无线通信网络的主要目标就是可用性。使用公共蜂窝服务甚至私有Wi-Fi时，可用性无法得到保证，这通常是无法接受的。可用性没有充分保证，许多关键应用就无法使用，因为安全性以及对关闭或新指令的响应无法得到保证。5G URLLC具有六个九可靠性（99.9999%）的标准化目标，可提供以往只能通过有线通信解决方案实现的可靠性和正常运行时间保证。

带宽分配和服务质量（QoS）

频谱使用和带宽分配通常对无线服务的效用有很大影响。例如，Wi-Fi仅依赖于频谱2.4GHz、5GHz和6GHz部分的未授权ISM频段。这些频段本质上有带宽限制，并且必须与在这些频率内运行的所有其他服务共享频谱。4G LTE也仅限于sub-6 GHz频段，该频段频谱拥塞和潜在干扰问题严重。   对于5G New Radio（NR），授权和非授权频谱可在sub-1GHz、sub-6GHz、24GHz至29 GHz、37GHz至43GHz内。具体来说，毫米波（mmWave）或“高”频段频谱中可能有数百兆赫的可用带宽。由于毫米波范围内的高方向性和大气损耗，共源甚至共享相同频谱的服务的干扰也少得多。因此，与私有LTE装置相比，5G可以通过其他增强的QoS指标提供更可靠的服务。

移动和通信类型多样性

可用于5G服务的广泛频谱可实现多种潜在的服务组合，用户无需在无线服务与更少的频谱选项之间权衡。例如，对于距离极远但数据速率要求相对较低的地方，sub-1GHz 5G可用有限的基础设施覆盖大片区域。而毫米波5G覆盖的距离较短，但延迟更低、吞吐量更高。

5G支持的各种通信类型，包括面向人类和机器用户的大规模多用户多输入多输出（mMu-MIMO），能够服务大量高速移动或静止的用户。此外，新版的5G标准还支持机器类通信（低数据速率和低占空比），具有支持云服务所需的高数据速率和灵敏响应服务，如增强现实与虚拟现实 (AR/VR) 培训或疑难解答。

搭建非公有5G网络

私有5G网络没有统一的解决方案。5G硬件和配置的类型最终将取决于5G网络的计划用途和要求。幸运的是，随着5G网络与日俱增，5G硬件解决方案提供商和私有网络安装商正在不断扩展其产品范围与功能。私有5G网络确实有一些通用指南，即网络架构注意事项，说明如何托管控制面功能以及如何托管用户面功能。

搭建私有5G网络时，作为私有IP网络的一部分，网络安装的需求可能最为迫切。在这种情况下，私有5G网络也可成为私有VPN的一部分，由通常使用的一般路由器和交换机提供支持。虽然5G网络可能更需要低延迟和高可用性硬件，但一般IoT网络也是如此。

对于大多数网络而言，最好将5G RAN和O-RAN控制面元素放在尽可能靠近5G基站的位置，最好是集中在5G功能需求最大的地方。我们需要主机服务器、中间件和软件来支持这些功能，并且这些设备最好符合各项标准，以便于监控、维护和未来的改造。同样，5G核心用户面功能也可以放在至少与5G RAN控制面功能位于同一位置的服务器上。在某些情况下，用户面/控制面功能可共享并节省服务器。如果还需要服务其他流量类型，则可以使用白盒来运行用户面功能。对于5G核心用户面功能，若这些功能将支持大流量，则应运行在白盒上，因为额外增加容量更加有益，而且，这些服务将获得更高的可用性和更低的延迟。

最后，需使用5G无线电收发器将5G基础设施无线连接到5G用户或IoT设备（图2）。从头开始设计5G射频硬件是一项昂贵且耗时的工作，需要汇集各种工程技术人才与设施。为设计和部署私有5G系统，可能需要一些软件定制工作，但幸运的是，具有通用高速数字接口的5G收发器硬件平台可与O-RAN无线解决方案轻松集成（图3）。5G原型设计平台的范例之一就是采用ADRV9026-HB/PCBZ或ADRV9026-MB/PCBZ无线网卡的ADI ADRV9026评估板。该评估板中的无线网卡提供用于设备快速评估和开发的4x4收发器平台。

图2：完整的5G收发器信号链（图源：Analog Devices）


图3：可重新绑定射频前端的5G原型平台（图源：Analog Devices）

结语

用于企业、政府和工业应用的私有5G网络即将迎来黎明时刻。除了之前无线通信技术可提供的网络之外，私有5G网络也可确保高安全性、低延迟、高可用性以及多样化的无线服务。

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