面向工业园区的5G专网解决方案浅析

面向工业园区的5G专网解决方案浅析

孙鹏飞

中国通信建设集团设计院 河南郑州 450000

摘要：5G专网是驱动5G+行业应用发展的重要载体，工业园区的5G专网建设是重中之重，驱动工业数字化转型的重要推动力。本文介绍了5G专网的建设现状及面临的挑战，基于分析专网建设需求，对面向工业园区的5G专网提出了一体化的解决方案，能够更好的指导工业园区场景下5G专网的建设。

关键词：5G专网；工业园区；解决方案

当前，5G网络的建设已进入商用加速期，5G成为推动行业数字化转型的重要载体。据毕马威公司预测，5G技术在垂直行业的市场潜在价值超过4万亿。国家高度重视5G在工业方面的垂直应用，过去几年，国内已涌现出大量5G工业专网的优秀案例。但对于5G工业专网的一体化解决方案还较少，本文将结合对5G网络建设的思考，浅析面向工业园区的5G专网一体化解决方案。

一、5G专网发展现状及面临挑战

2021年开始全球许多行业和企业都建立了自己的私有5G网络。Grand View Research预计全球专用5G网络市场规模在 2020年至2027年期间的复合年增长率（CAGR）为37.8％，

到2027年将达到71亿美元。2020年国内三大运营商都发布了自己的5G专网白皮书。目前我国建成的混合专网和虚拟专网已达数千个。

5G专网建设虽已取得初步成效，但在业务推广过程中，还面临各种各样的困难和挑战，包括：

（1）业务场景对5G的刚需不足，大部分场景5G价值体现较弱。

按照HMS的统计数据，尽管近几年均保持高速增长，2020年工业网络中无线网络的占比仅7%，而其中4%为工业WiFi。目前5G在行业的应用也主要集中在基于视频/图像的应用，如机器视觉、无人巡检/维护、视频监控等，深入生产业务的业务拓展刚起步。

（2）产品能力不足，基于公网的架构和产品在面向行业时匹配度不高。

当前阶段的专网体系架构和产品均以公网标准和集采产品为主，而行业由于其部署环境、成本要求等，如矿山井下特有的部署场景，工业高可靠高安全要求等，需要如小型化核心网、本安型设备、云网业一体化产品等，而建设专门针对用户的小型化核心网成本非常高。

（3）项目差异性大，产品标准化不足，使得项目周期较长。在拓展行业时存在两方面为题。一方面是行业项目需求差异性较大，尽管中国电信提出了能力体系——产品体系的组合，但针对具体项目，仍难以快速构建解决方案并快速开通。

（4）缺少行业标准，即使技术上可行，商用部署仍存在障碍。由于现有业务系统规划建设的惯性，部分5G应用尽管证明了技术上的可行性，但由于缺少对应的行业规划、建设、部署、维护、安全标准，也缺少升级支持5G的装备，使得行业部署的积极性不足。

（5）产业链和商业模式不成熟，行业客户付费意愿不强。场景价值低、5G能力和产品匹配度不高、产业链不完备，导致现阶段能部署的5G应用数量较少，使得整体拥有成本较高，行业客户试点、测试的多，付费的较少。

二、工业园区5G专网典型场景需求分析

工业园区一般实现厂房全景现场、生产线全程可视、远程专家诊断三大工业园区典型应用场景。

1)厂房全景现场

通过5G和智能感知设施，依托三维信息模型，对厂房内网络、楼宇、交通、安防等基础设施进行收集、处理和分析，构建与物理园区虚实映射、融合共生的数字孪生园区，对园区的人、车、企业、资产 设施进行全连接，实现数据全融合、状态全可视、业务全可管、事件全可控，将全方位重塑园区的安全、体验、成本和效率。

厂房全景现场对5G定制网性能需求如下：

表1  厂房全景现场对5G定制网性能需求

2)生产线全程可视

工业相机和各类数采设备，通过5G网络将生产线上各类生产数据实时传送至管理端，通过在管理端对生产线建模并加载生产数据，实现生产线全程可视。生产线全程可视，极大的提高了管理效率，同时可依托相关生产模型为管理人员提供生产决策，提高生产效率。

生产线全程可视对5G定制网性能需求如下：

表2  生产线全程可视对5G定制网性能需求

3)远程专家诊断

通过在园区建立5G通信网络，利用AR技术实现远程专家诊断。园区操作人员佩戴AR眼镜，通过5G网络将现场环境及故障情况实时反馈至异地专家，异地专家通过视频画面，对现场人员进行指导，最大化复用专家的能力。远程专家诊断既节省了维护成本，也实现了专家的技能复制，解决了技术专家紧缺的难题。

远程专家诊断对5G定制网性能需求如下：

表3 远程专家诊断对5G定制网性能需求

三、总体建设方案

根据不同的场景，选择采用不同的定制网模式，如新建园区室分覆盖，通过下沉轻量级UPF及MEC，为客户提供5G定制化服务，满足客户需求。

图1  园区5G定制网总体方案图

3.1 无线网部署方案

以某工业园区为例，该工业园区面积9平方公里，其中厂房4栋，每栋占地面积1万平方米，办公楼2栋，每栋9层楼，每层2000平方米。根据调研，客户计划实现厂房全景现场、生产线全程可视、远程专家诊断三大工业园区典型应用场景。因此，需实现厂房和办公楼5G室内覆盖。

综合考虑竞争、效率、成本、收益、资源利用率、运维、管控等多维度因素，建议采用以下方式实现5G无线网络覆盖。 工业厂房，需要实现厂房全景现场，生产线全程可视，需要安装较多的高清摄像头等视频采集设备，容量需求较大。而厂房一般都比较空旷，隔断就好，因此建议采用5G微基站进行覆盖，每栋厂房设置2个微基站，两端各一个，4栋厂房共计需要8台5G微基站设备，可满足厂房全景现场、生产线全程可视等应用需求。

3.2 承载网部署方案

本期考虑建设2台STN-A设备。园区A设备就近双路由接入电信机楼中的STN-B设备，通过STN网络实现园区UPF与5GC互通。光缆建设需求分两部分：一是BBU至微站、HUB的前传光缆，二是STN网络设备间的回传光缆。

图2  STN设备组网方案

3.3 UPF部署方案

结合客户对本企业数据管控的要求（生产数据不出园区），且远程专家诊断中远程控制对时延要求高，因此本项目采用“比邻模式”进行5G定制网建设，基于下沉园区级UPF，通过N6接口访问园区网络。

图3  定制网整体网络架构

3.4 MEC部署方案

边缘MEC建设采用模式三中的ECX进行部署，即：IaaS层、PaaS层均由云公司提供。根据下沉边缘位置、承载容量规模综合考虑，本次采用小型MEC节点进行建设，即云GW、Spine、leaf合设在一起。

四、结束语

工业园区5G专网场景繁多，需求各异。需要以客户业务场景为驱动，以5G网络为基础，打造云网边安一体化的5G专网。在实践中，面向不同的工业应用场景，还考虑边缘MEC及安全平台的建设，还需要开展大量的试点应用和实践探索。

参考文献：

[1]王梦晓,方琰崴.5G ToB行业专网建设方案和关键技术[J].移动通信,2021,(2):48-52.

[2]黄蓉，唐雄燕，付月霞，裴郁彬，范彬，王友祥.5G专网架构和关键技术探析[J].移动通信,2022,(8):8-14.

[3]胡世良.我国5G专网发展的现状分析[J].通信世界，2021,(7):20-22.

[4]张力方，程奥林，赵雪聪，肖晓丽.5G专网关键技术及设计部署方案研究[J].邮电设计技术,2021,(10):13-19.