运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书（2019）

目录前言行业需求分析运营商5G行业虚拟专网优势分析5G行业网无线能力体系5G行业案例分享总结和展望主要贡献单位P1P2P3P4P14P18P19IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书 1IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书前言经济社会的数字化转型进程正在加速，并呈现出“五纵三横”的新特征。5G作为“新基建”之首，将有效使能行业的数字化转型，5G与行业的融合也必将成为数字经济发展的主战场。行业要求5G网络能够承载多域多类业务、实现分域隔离的数据保障，建设成本足够低，可以简单自主的运维。我国正在积极建设5G网络，目前三大运营商已在全国建设50万5G基站，初步实现了全国所有地级及以上城市的覆盖。基于运营商频率的5G行业网具有优质频率资源、极致专网性能、专业网络部署、高性价比、成熟运维5点优势，可快速为行业提供最高性价比的网络和运维服务，将成为行业5G数字化转型的首选。无线网是5G行业网的核心，是为行业提供优质服务的关键。面对5G行业场景化、差异化、高端化、个性化的需求，无线网需要具备怎样的能力体系？能够提供怎样的差异化服务？这是产业界急需解答的问题。本白皮书系统梳理和阐述运营商5G行业虚拟专网无线能力体系，并从多样化网络部署、分级的网络能力和自主的服务支撑能力三方面展开介绍，给出了各种技术手段组合达到的效果以及可能的应用场景。本白皮书一方面为5G行业无线网的发展和技术攻关指明了方向，有利于广泛凝聚运营商和设备商等通信产业的共识，持续提升行业网能力；另一方面为垂直行业呈现运营商5G行业虚拟专网能力，加深行业对5G的了解，增强行业客户引入5G的信心；通过匹配行业需求和网络能力，将更好的促进通信产业和垂直行业的融合发展，充分发挥我国频谱集中、产业完备等优势，加速运营商5G行业虚拟专网成熟，助力我国5G的全面引领。 2IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书近年来，全球数字经济蓬勃发展，数字经济对GDP的整体带动作用日益凸显。同时，行业数字化转型升级成为全球各国战略布局的关键，美国、英国、德国、欧盟、日本等多个国家和地区纷纷加大支持力度，大力推进产业数字化变革。在此背景下，我国更是面临着发达国家高端产业回流、低端产业向第三世界搬移等多重挑战，加速各行业数字化、网络化、智能化转型，提升我国各类产品的全球竞争力，更显迫切。5G技术不仅面向公众消费场景，更面向行业生产场景，在速率、时延、可靠性、业务保障、安全等关键能力方面均有显著提升，作为“新基建”之首，将有效使能行业的数字化转型，5G与行业的融合也必将成为数字经济发展的主战场。行业对5G网络的需求可归纳出以下四点[1]： 第一，5G网络要能够承载多域多类业务。多域指的是包含广域业务和园区局域业务，不仅要覆盖工业园区内的业务，也要能够覆盖工业园区外的广域业务，比如园区间的物流，供应链的协同等。多类指的是不同类型的业务，如大带宽的高清视频检测、低时延的机器人控制、大连接的设备信息采集等，不同业务对网络性能的要求不同，这就要求5G网络要能够同时满足多类业务的传输需求。第二，5G要能够实现分域隔离的数据保障。为了提高同一地区5G 网络的利用率，降低5G网络的使用成本，5G在为公众用户提供服务的同时，也要为行业提供服务，那么5G网络要能够将公网业务和企业业务安全隔离开，实现双方的互不混淆。此外，一般行业企业都有信息域（IT）和生产控制域（OT），生产控制域业务主要在园区内进行，涉及企业核心业务较多，因此对安全保障要求较高，如核心业务不出园区等；信息域业务包括园区内信息传递和园区外信息交互，相对于生产业务，其安全级别相对较低。5G网络要能够满足IT和OT的安全隔离要求，将两种不同的业务独立安全传输，比如：对于电网来说，5G网络就要能够实现信息大区和生产大区业务安全隔离的传输。第三，5G网络建设成本足够低。随着行业信息化程度不断提高，满足网络互联需求的通信网络成本越来越高。通信网络成本包括网络设备成本、网络建设成本、网络运营运维成本（包括流量资费成本、网络维护成本）以及原有网络的改造成本（硬件和软件）等。考虑到行业业务对网络升级的需求，通信网络系统需保障兼容性和扩展性，这也直接提高了网络的整体成本。因此，这就要求5G行业网支持灵活、差异化的部署策略，充分利用或者复用运营商的公网网络，通过网络共建共维、通信资源共享、业务本地化处理以及运营商的规模性效益等能力，有效降低行业客户的通信网络成本。行业需求分析 3IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书第四，行业企业要能够简单自主的运维5G网络[2]。行业企业希望对部署在企业内部的网络有一定的运营管理权限，一方面能根据自己的业务需求随时调整网络，另一方面，也能够实时查看网络的运行质量和终端运行状态，在网络突发异常或设备无法正常运转时，可以第一时间对网络做出反应，及时调整生产策略，最大限度的保证生产的连续性。但是目前5G的网络运维过于复杂，对于行业企业中非专业5G网络运维人员来说，操作难度极大。这就需要运营商将复杂的网络运维过程进行屏蔽，满足行业用户对企业网络简单运维的要求。运营商5G行业虚拟专网优势分析4G时代，我国建设了全球规模最大的精品4G网络，有力的支撑和促进了移动互联网的蓬勃发展。5G时代，我国三大运营商也正在积极建设5G网络，目前全国已经建设超过50万基站，实现了全国所有地级及以上城市的覆盖，网络规模和用户规模全球领先。5G网络从设计之初就充分考虑了垂直行业的需求，支持“一网双用”，即5G网络既可以满足公网用户的需求，也能很好的承载行业应用。基于运营商网络服务垂直行业具有以下5点优势：• 优质频率资源：运营商丰富频率资源及高效的频率协同管理机制，明显优于窄带行业频谱和非授权公共频谱。由运营商统一提供服务，可以有效避免宝贵的频谱资源碎片化，提升频谱资源利用率；• 极致专网性能：运营商多频段多级别技术打造专属安全专网，满足移动、广域及局域、室外及室内、特殊覆盖等多种场景需求；• 专业网络部署：运营商丰富的光纤资源和专业的极端环境部署经验满足各类行业客户个性能需求；• 高性价比：依托公网，运营商多年打造的端到端产业链不仅能够快速提供一站式综合解决方案，并且集采规模有效平摊客户成本；• 成熟运维：运营商长期运营管理全球最大蜂窝网络，网络监管、故障处理、能力开放等基础良好，可快速为行业提供运维保障。因此，运营商的5G行业网是垂直行业的首选。但传统的运营商网络主要面向公众用户，为了更好的满足行业场景化、差异化、高端化、个性化需求，需要进一步完善面向行业的5G能力体系，为行业提供场景化的分级的业务保障。 4IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书5G行业网无线能力体系3.1 分级无线能力体系从第一章节描述的4点行业对5G网络的需求中，可以提炼归纳出以下几点行业对无线网络的需求：• 复用公网需求：为了提供低建设成本的5G网络给行业客户，对无线网络提出了复用公网设备和频段的需求• 资源和业务隔离需求：为了提供分域隔离的数据保障，对无线网络提出了资源和业务隔离的需求• 确定性网络体验需求：为了提供分域隔离的数据保障，同时满足多类业务的体验保障需求，无线网络需提供确定性网络体验能力• 多样化网络部署需求：为了满足行业业务的多域分布，无线网络需提供广域覆盖、局域覆盖等多种网络部署方式• 差异化网络能力需求：为了满足多类业务的差异化网络需求，无线网络需提供差异化的网络能力• 网络能力开放需求：为了满足行业客户自主运维的需求，无线网络需开放网络能力，结合无线网络状态、业务信息等，联合优化业务体验图3-1 行业需求和行业对无线需求的映射关系针对上述5G无线网络所面临的需求和挑战，本白皮书提出了分级无线能力体系： 5IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书• 多样化的网络部署：针对不同的场景，通过复用公网和定制建网两种方式，为行业客户提供优质的网络覆盖，奠定网络基础性能。复用公网提供广覆盖、低成本网络，定制建网提供高性能、定制化网络。• 分级的网络能力：通过引入系列增强技术，提升网络的上行能力，降低网络的空口时延和传输时延，提升网络的可靠性，通过不同技术的灵活组合，为行业客户提供分级的网络能力，满足行业个性化、高端化需求；通过引入QoS、切片、资源专用（接入控制）等技术，面对不同客户不同业务，提供不同等级的体验保障，增强网络性能的确定性，实现不同业务的差异化保障。• 自主的服务支撑能力：在多样化的网络部署、分级的网络能力的基础上，结合大数据、人工智能等手段，提供基础资源开放、网络信息开放、无线能力定制等。图3-2 分级无线能力体系3.2 多样化的网络部署基于优质的频谱，运营商提供的公专融合5G行业网不仅性能领先，还能共享公网产业链有效降低成本，是5G垂直行业的首选。对于广域场景和普通局域场景，可通过复用公网来提供广覆盖、低成本的优质专网；对于部分局域场景，可通过定制建网提供高性能、高确定性的精品专网。根据与5G公网的无线资源共享程度不同，5G无线行业网可分为虚拟专网、混合专网、物理专网三种网络部署模式[3]。• 虚拟专网：行业网完全复用基站和频率等公网无线资源，利用QoS、端到端切片等方式保障专网业务数据与公网数据逻辑隔离，部署快、成本低，主要适用于隔离度、敏感度要求不高的行业应用 6IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书场景，如广域物联网采集、云游戏、车联网等。图3-3 虚拟专网架构• 混合专网：行业网与公网共享无线基站，但占用单独频率资源，可结合本地分流技术实现公网和专网数据的高度隔离，网络的安全性、可靠性大幅提升，覆盖成本略高，主要适用于能源、工业等园区行业应用场景。图3-4 混合专网架构• 物理专网：行业网采用专用无线设备和频率资源，与公网完全隔离，网络安全性、确定性极高，但成本也较高，主要面向可靠性、私密性要求极高的行业应用场景，如矿山、核电站等。图3-5 物理专网架构 7IMT-2020(5G)推进组运营商5G行业虚拟专网无线能力体系白皮书虚拟专网、混合专网、物理专网三者灵活选用，可为行业客户提供多样化的网络部署，满足行业对无线网络的多样化部署需求和低成本建设需求。3.3 分级的网络能力不同行业客户不同类型业务对网络能力的要求存在较大差异，主要体现在速率、时延、可靠性三个维度。同时，行业客户对网络的确定性有较高要求，希望能够充分保障业务体验。因此，通过分级上行能力、分级时延能力、分级可靠性能力、分级的体验保障能力四个方面提供分级的网络能力，满足行业需求。3.3.1 分级上行能力与公网业务下行流量为主不同，行业应用普遍存在大上行需求，部分场景上行峰值速率要求较高，如工厂机器视觉质检业务，单终端上行速率可达1Gbps；部分场景终端密度大上行速率高，如港口龙门吊远程作业，上行容量可达500Mbps以上。为满足行业客户对上行峰值速率、上行容量、上行边缘速率的高要求，5G行业网可引入3U1D帧结构、上行载波聚合、补充上行（SUL，Supplementary Uplink）技术等三种增强技术。1、3U1D帧结构5G网络采用灵活帧结构设计，行业网可按需采用上行时隙配比多的帧结构。以中国移动为例，行业网如采用3U1D帧结构，上行资源较公网典型配置增加3倍，可显著提升网络的上行速率和上行容量，现网实测单载波上行峰值可达747Mbps。图3-6 2.5ms 3U1D帧结构2、上行载波聚合载波聚合（CA，Carrier Aggregation）是4/5G增强技术之一，通过将多个载波聚合起来同时传输，大幅提升上下行性能。CA包括频带内和频带间，R16协议进一步增强，支持非同步的载波间聚合和终端1T到2T间的天线轮发。以中国移动为例，2.6GHz频段共有160MHz带宽，两载波聚合上行理论 8IMT-202