浅谈5G专网发展的机遇与挑战
1 引言
作为新基建的重要组成部分，5G正受到越来越多的关注。5G高速率、低时延及广连接的三大特性与诸多行业场景的融合应用给经济社会发展带来了巨大的变革机会。除5G公众通信外，5G更大的市场空间和商业价值则需要扎根于垂直行业，赋能各行各业数字化转型升级。通过近些年的5G行业实践，许多行业及项目已经提出了明确的网络专用需求，需要多元化的专用网络能力与安全保障，5G专网已然来临。本文阐述了5G专网的建设模式以及专网发展的机遇与挑战。
2 5G专网概述
5G专网，称为5G private network，或者local 5G network，指区别于公众使用的运营商移动通信公网，专用于特定企业或垂直行业的5G移动网络。
专网并不是5G时代特有的，军用专网、政务专网等物理隔离专用网络或MPLS VPN、VPDN等逻辑隔离专网早就存在，4G时代更是出现了大量的LTE专网。新基建时代工业互联网的兴起以及智能制造、工业园区等大量垂直行业的实践过程中，对网络的确定性、可靠性、定位精度以及数据处理的安全性等都提出了更高的要求，脱胎5G的专网应运而生。
可以这样说，5G的全云化、微服务、NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）、MEC（Multiaccess Edge Computing，多接入边缘计算）、切片等特性功能，使得5G是通信史上首个原生支持专网的移动网络，是最佳的云网融合实践。5G核心网原生于云，软件定义网络，通过NFV网络功能虚拟化替代了昂贵的专用硬件设备，各种网络功能以微服务方式呈现，并可以灵活部署于垂直行业自己的通用云基础设施上。同时，5G核心网实现了控制面与用户面的分离，用户面与MEC的N4接口解耦，使得UPF（用户面功能）轻量化和下沉分布式部署，与MEC共同在企业、园区、区县等各个层面分流和隔离数据、构建本地应用生态，保障数据不出企业或园区，确保数据安全与隐私以及垂直行业的各种超低时延应用。
3 5G专网的模式探讨
5G标准的研发过程中，业界尤其是垂直行业领军企业就对5G专网寄予了厚望与期待。
近期冻结的3GPP 5G R16标准中，Stand-alone NR-U（独立非授权新空口）与NPN（NonPublic Network，非公共网络）是其中的重要组成部分。所谓NR-U，是工作于非授权频谱的5G NR，基于NR-U Stand alone，只要任何网络符合3GPP接口规范，就可以接入5G网络，这一点也更直接地推动了万物互联进程。而NPN，则是在传统的移动通信公共网络之上将5G扩展到了为垂直行业提供5G专属网络服务。NPN有两种部署模式：独立部署与非独立部署。其中，独立部署模式为垂直行业自行构建部署从基站到核心网及相关平台的整个5G网络，这种模式与运营商的5G公网隔离，企业或园区内的数据流量、信令流量等都不会离开园区，以满足行业严格的本地数据安全、高可靠低时延需求；非独立部署模式则是垂直行业与运营商共享全部或部分网络资源，如RAN无线接入网、核心网控制面等，或者采用如端到端网络切片等各类5G技术实现逻辑隔离。
参考5G标准及行业实践，为垂直行业提供服务的5G专网可以有多种分类方式。按照行业是否采用了5G专网频段或非授权频谱，我们可以把5G专网分为专用频谱5G专网和授权频谱5G专网；而按照垂直行业是否共享运营商网络资源及共享的程度，我们把5G专网分为独立5G专网、共享5G专网、端到端虚拟专网等类别。
按照与运营商相关性的依次递增以及网络资源共享的不同程度，5G专网的具体部署模式分为以下几种：
3.1 专用频谱5G独立专网
专用频谱5G专网指垂直行业采用5G专用频谱，部署完全独立于运营商5G公网的5G专网，这张网完整包含了基站、核心网、MEC，与运营商无关。如图1所示，图中所示gNB(next generation Node B，5G基站)、UDM（Unified Data Management，统一数据管理）等为简化了的5G网络网元，功能含义本文不赘述。
图1行业独立自建专用频谱5G专网
该部署方式优缺点鲜明，优点是网络自主可控、数据绝对安全、网络时延低，缺点则是频谱申请困难、网络部署、运维成本非常高。
5G专用频谱，运营商一般不能使用，是各国政府专门为特定行业和领域分配和预留的5G专网频段。频谱作为一种国家自然资源，其分配和使用受到政府主管部门的管控。自2019年末开始，德国正式对外开放3700-3800 MHz的5G专网频段申请，英国分配了3.8-4.2GHz频段，日本分配了2575-2595MHz、28.2-28.3GHz、4.6-4.8GHz和28.3-29.1GHz频段等。工信部今年发布的《关于推动5G加快发展的通知》中也已经提出组织开展5G行业虚拟专网研究和试点以及5G行业（含工业互联网）专用频率规划研究，并适时实施技术试验频率许可，探索我国5G专用频谱的可行性与模式。广东省工信厅等9部门前期也提出申请1.4G专用频段建设10个以上的5G专网，在多个重点领域探索5G专网试点应用、5G专网设备研发。
3.2 非授权频谱或共享频谱5G独立专网
专用频谱资源有限难以获取，非授权频谱或共享频谱资源同样可以用来建立独立的5G专网。共享频谱是一种类似“轻授权”的频谱使用方式，垂直行业可以基于监管机构的频谱使用规范采用共享频谱部署5G专网。而NR-U类的非授权频谱则是公共资源，包括垂直行业的组织机构可以都可以像WiFi一样部署自己的5G网络。
除采用的频谱不同外，其部署方式与图1类似。在考虑这类部署时，需要有着更精细的频谱规划技术方案以减少各行业领域直接的相互干扰。
3.3 公网授权频谱5G独立专网
在运营商的帮助下，垂直行业采用运营商5G公网的授权频谱，使用运营商许可的5G频段（可以采用运营商频谱租用方式）部署和运行一张独立于5G公网的也包括基站、核心网、MEC等的完整5G专网。
除频谱不同，这种专用5G网络架构与图1部署方式类似。
3.4 仅共享RAN的5G专网
基于运营商的授权频谱，5G专网和运营商公网之间仅共享RAN（gNB，5G基站），垂直行业企业专网内部独立部署核心网和MEC（包括UPF、UDM和MEC等），并与运营商公网实现物理隔离。
图2仅共享RAN的5G专网
该部署模式可以帮助垂直行业充分利用5G公网无线接入网的广覆盖优势，减少较高的基站成本投入。
归属于公网的数据流量传输到运营商边缘云UPF，而属于5G专网的数据流量则被交付到企业中的专网UPF。即垂直行业内部设备控制的专用网络流量保持在企业本地，而像访问公网、语音之类的公共网络服务流量则被传输到运营商的网络。
3.5 共享RAN和核心网控制面的5G专网
基于运营商的授权频谱，5G专网和运营商公网之间共享RAN和核心网控制面，垂直行业企业专网内部部署核心网用户面UPF和MEC。
图3共享RAN和核心网控制面的5G专网
该部署模式从运营商角度来讲是将核心网UPF联同MEC下沉到企业或园区，企业专网的gNB和UPF通过N2、N4接口与运营商5G公网相连接并受其管理。这种模式依然可以确保网络低时延和数据不出园区，并可进一步节省企业专网部署成本。不过，企业专网的设备信息没有存储在企业内部，而是储存在运营商的服务器中，这种模式的安全保密性相对前述稍弱。
3.6 完全共享的端到端5G虚拟专网
基于运营商的授权频谱，5G专网从核心网到基站完全共享运营商5G公网网络资源。
图4 完全共享的端到端5G虚拟专网
该部署模式，从无线、承载到核心网通过端到端网络切片实现虚拟5G专网，垂直行业的用户信息及数据流量安全取决于网络切片的能力。对于行业来讲，端到端切片虚拟专网是几种5G专网模式中部署成本最低的，如何尽快实现切片产品化也是运营商联同设备商一直在努力的方向。
除此之外，还有一些如LBO（Local Breakout，本地疏导）方式等，与4G MEC类似，无需UPF下沉，企业通过引入MEC DP（MEC DataPlane，MEC数据平面）和MEC应用，并利用运营商的MEC边缘平台MEP将流量规则发送至MEC DP从而将数据流量路由到企业内部专网。韩国SK Telecom等运营商有过应用。
共享的5G公网资源 | 专用频谱5G独立专网 | 非授权频谱或共享频谱5G独立专网 | 公网授权频谱5G独立专网 | 仅共享RAN的5G专网 | 共享RAN和核心网控制面的5G专网 | 完全共享的端到端5G虚拟专网 |
频谱资源 | √ | √ | √ | √ | ||
基站 | √ | √ | √ | |||
核心网控制面 | √ | √ | ||||
核心网用户面 | √ | |||||
部署成本 | 最高 | 较高 | 高 | 低 | 较低 | 最低 |
安全性 | 最高 | 较高 | 高 | 低 | 较低 | 最低 |
图5 各类5G专网模式的比较
上述5G专网模式各有优劣，垂直行业可以根据自身需求与预算、频谱政策和运营商的产品服务能力选择最佳方案。
4 机遇与挑战
2019年诺基亚曾做过统计，全世界有将近1500万家企业和场区有着潜在的的4G/5G专网需求，相关机构预测2020年全球5G专网市场规模将达到9.197亿美元，至2027年间的复合年增长率将达到37.8％，北美则会以31.2％的份额在5G专网市场中占主导地位。
ABIResearch等机构曾经预测，至2036年全球5G专网支出将超过5G公网。5G专网市场将先从授权频谱专网启动，这意味着运营商在这一阶段将拥有绝对的市场先发优势，因此初期的5G专网市场将是运营商的重要收入来源。
近年来，涌现出一批5G专网案例，如中国电信联合华为在国网南京电力、青岛供电公司等开发测试的5G SA切片、5G智能电网工程；中国移动联合阿里巴巴合作建设的基于EAC（企业接入控制器）的5G智慧园区专网；富士通在新川崎科技广场推出的日本首个商业5G专网以及海尔基于运营商5G网络推出的5G MEC虚拟专网。
5G专网市场空间巨大，部署的案例数量也在不断增加。同时，也面临着一些挑战，一方面，如前所述的专用频谱资源的稀缺与管控、垂直行业自建5G专网的成本与人力；另一方面，作为5G公网、专网建设运营主力军的运营商们也面临着外部、内部的多重挑战，垂直行业自建5G专网完全不依赖于运营商，AWS、阿里巴巴、微软、新华三等云巨头和服务商同样可以逐鹿5G专网市场，运营商5G ToB的收入会被瓜分，而运营商目前内部的网络建设、端到端切片等能力产品打造以及前后端联动、商业探索等还待进一步明晰。
从运营商角度，具体来讲，包括：1）做好UPF的解耦与轻量化，做好MEC与边缘云、CDN的同步建设以及MEP能力应用的开发，UPF与MEC协同部署，把MEC/UPF作为5G虚拟专网的云网融合点、边缘云生态的关键点做大做强，实现多量纲商业收费；2）做好终端、无线频谱划分、QoS、承载网SRv6（Segment Routing v6）/Flex-E（Flexible Ethernet，灵活以太网）、核心网切片等各5G网络各段各专业的优化与协同，尽快实现端到端的切片管理与运营能力，打造完全的5G虚拟专网；3）真正地深入垂直行业诉求，洞察行业，谋求能力、平台、生态的结合，打造OT、IT、CT的融合。
5 展望与结束语
近期，中国移动在此前的ENS（企业专网解决方案）基础上，发布了优享、专享、尊享三类5G专网服务模式，这三类5G专网属性逐级提高，包括了基于移动通信公网的虚拟专网服务也包括了专网专用的网络基础设施。预计很快，各大运营商们都会发布其自有的5G专网产品体系，垂直行业对于5G专网的应用部署将更加迫切与广泛。
5G时代，专网已经成为运营商业务转型、收入增长的重要手段，新基建中重要的组成部分与底层建筑，也是赋能垂直行业促进社会发展的推动力。