5G專(zhuān)網(wǎng)的三大部署攻略

新一代的制造模式，例如工業(yè)自動(dòng)化，通常伴隨著(zhù)嚴苛的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，不論是工廠(chǎng)的制造流程，或是廠(chǎng)房?jì)炔渴褂玫耐ㄓ嵪到y，都要遵守業(yè)界規范。因此，制造商對無(wú)線(xiàn)通信業(yè)者寄予厚望，亟需具備超高可靠性、網(wǎng)絡(luò )備援、進(jìn)階安全功能與全年高效運轉的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

然而，運用現有的公用網(wǎng)絡(luò )基礎設施，要確保維持電信商用等級的服務(wù)質(zhì)量，實(shí)非易事。因此，電信服務(wù)業(yè)者的企業(yè)用戶(hù)陸續開(kāi)始轉向私人專(zhuān)網(wǎng)帶來(lái)的全新機會(huì )。

5G網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具備性能與架構設計的優(yōu)勢，勢必成為新一代（無(wú)線(xiàn)）專(zhuān)網(wǎng)的關(guān)鍵推手，但其實(shí)還有其他的競爭對手。新一代的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )，例如Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）與即將推出的Wi-Fi 7（IEEE 802.11be）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，持續跟緊5G步伐升級效能，不僅提升數據傳輸率，更把延遲、時(shí)間同步誤差與可靠度納入考慮。本文仔細衡量上述兩項網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的優(yōu)缺，并為了提前部署無(wú)線(xiàn)通信專(zhuān)網(wǎng)，統整出三大攻略。

不僅如此，在網(wǎng)絡(luò )架構的另一端，一段全新發(fā)展甚至是革命正在展開(kāi)。常規的行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )終端裝置，尤其是其內建的芯片組，有可能會(huì )被可依照企業(yè)用戶(hù)個(gè)別需求與業(yè)務(wù)考慮進(jìn)行量身訂制的芯片與裝置取代。一直以來(lái)，通訊網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)僅由少數幾家芯片廠(chǎng)商把持，這會(huì )是吸引不同業(yè)者進(jìn)軍的契機嗎？

攻略一：基于電信商公用網(wǎng)絡(luò )設施的5G專(zhuān)網(wǎng)部署
行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)者（mobile network operator）在競標5G頻譜的時(shí)候，通常目標是盡可能地擴大各自的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)范圍。因此，他們具備一定的優(yōu)勢來(lái)滿(mǎn)足企業(yè)用戶(hù)部署專(zhuān)網(wǎng)的需求，包含網(wǎng)絡(luò )切片、虛擬化，以及開(kāi)放租用5G基礎設施以提供非公用網(wǎng)絡(luò )（non-public network）服務(wù)。


 
圖一 : 5G非公用網(wǎng)絡(luò )（non-public network）服務(wù)架構示意。

關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò )切片
5G網(wǎng)絡(luò )特別適合用來(lái)支持企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)應用。5G技術(shù)具備多項特點(diǎn)，像是網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)。行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)者把從公用網(wǎng)絡(luò )分割出來(lái)的「網(wǎng)絡(luò )切片」，作為獨立且供私人使用的子網(wǎng)，專(zhuān)門(mén)分配給單一（企業(yè)）用戶(hù)，還能進(jìn)行客制化，設定所需的帶寬、延遲與服務(wù)質(zhì)量等。

這種部署策略能夠創(chuàng )造雙贏(yíng)局面。對電信商而言的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)，企業(yè)應用案例不僅建立在其（現有）的基礎設施上，還能導入自家專(zhuān)業(yè)技術(shù)與所屬頻段，另提供語(yǔ)音、寬帶網(wǎng)絡(luò )或是托管服務(wù)。同時(shí)，企業(yè)也能從中獲益良多，因為他們就可以不必投資那些昂貴設備，像是無(wú)線(xiàn)電接取與核心網(wǎng)絡(luò )，也不用親自處理架設與管理私人5G專(zhuān)網(wǎng)的繁復工作。

這套作法乍看似乎萬(wàn)無(wú)一失，但其實(shí)也有一體兩面。最要緊的是，企業(yè)最終必須把具時(shí)效性且與關(guān)鍵業(yè)務(wù)或任務(wù)有關(guān)的數據傳送到他人所有且無(wú)法親自控制的網(wǎng)絡(luò )上，這不僅帶來(lái)資安風(fēng)險，還可能延長(cháng)訊號傳輸時(shí)間。

其他替代方案
盡管「專(zhuān)網(wǎng)即服務(wù)（private networks-as-a-service）」的商業(yè)模式有其潛在弱點(diǎn)，但卻很適合那些位在某電信商現有5G網(wǎng)絡(luò )服務(wù)范圍內，又幾乎毫無(wú)部署與管理行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )經(jīng)驗的企業(yè)使用。

除了網(wǎng)絡(luò )切片，還有一套5G專(zhuān)網(wǎng)的替代部署方案，同樣建立在行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)者的公用網(wǎng)絡(luò )基礎設施上。不同的是，企業(yè)可以選擇只用電信商的無(wú)線(xiàn)電存取設備，隨后立刻將所有數據流量連接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò )上，如此就能避免資安漏洞。電信商一樣會(huì )負責所有部署安排，包含啟用網(wǎng)絡(luò )、支持SIM卡、網(wǎng)絡(luò )管理等，但是所有數據仍由企業(yè)用戶(hù)直接控管。

企業(yè)甚至可以進(jìn)一步考慮單獨選用電信商的無(wú)線(xiàn)電塔，也就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )架構中最昂貴的硬設備，進(jìn)行客制化部署后，就能獨立管理與運營(yíng)自己的專(zhuān)網(wǎng)。最后，企業(yè)還能選擇自行建置5G專(zhuān)網(wǎng)，與當地行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)者協(xié)商取得專(zhuān)用頻譜。

換言之，要借助公用網(wǎng)絡(luò )業(yè)者的專(zhuān)業(yè)技術(shù)與基礎設施來(lái)建立5G專(zhuān)網(wǎng)有不同的部署模式，多半取決于企業(yè)愿意投入多少成本，還有是否具備（行動(dòng)）網(wǎng)絡(luò )架設與管理的專(zhuān)業(yè)知識。

硬件規格需求（網(wǎng)絡(luò )虛擬化概念）
5G網(wǎng)絡(luò )的部署內容小至天線(xiàn)，大到核心網(wǎng)絡(luò )，需要龐大的資本投資。好在5G網(wǎng)絡(luò )本身支持網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化（network function virtualization），這樣一來(lái)，軟件就能取代多數昂貴的網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用設備，在一般商用的服務(wù)器上運作。

這不僅更節省成本，還能增加部署彈性。虛擬化的概念是在虛擬機或軟件套件（容器）上組合與運作網(wǎng)絡(luò )的主要功能，還能結合管理系統。需要擴充網(wǎng)絡(luò )容量或功能時(shí)，這些虛擬機或容器也能方便復制或升級。

然而，客制化硬設備的需求還是無(wú)法避免，例如安裝天線(xiàn)，另外，用戶(hù)終端設備也必須內建最先進(jìn)的芯片組，才能支持5G網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行高速編譯碼與實(shí)現超可靠低延遲通訊標準（URLLC）的功能。

目前5G芯片組的生產(chǎn)還在起步階段，現有產(chǎn)品都是依據3GPP R16標準開(kāi)發(fā)的預備商用化研發(fā)成果，能夠支持URLLC標準的功能有限。這也不禁引發(fā)猜想，究竟5G終端設備市場(chǎng)會(huì )如何發(fā)展？是一貫落入少數幾家芯片廠(chǎng)商的手中嗎？但他們的優(yōu)先考慮或許并非開(kāi)發(fā)符合URLLC標準的客制化芯片組。那么，這是不是其他廠(chǎng)商進(jìn)駐市場(chǎng)的良機？他們可以趁機著(zhù)手研發(fā)鎖定企業(yè)用戶(hù)專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)的5G無(wú)線(xiàn)調制解調器芯片。

歐盟于今年2月發(fā)布的《芯片法案》（Chips Acts）能在此時(shí)推波助瀾。例如，歐洲在20年前因為人力成本高昂，因而淡出芯片制造市場(chǎng)，但在最新法案的助力下，局勢可能在數月甚至數月內反轉，開(kāi)啟全新局面。

攻略二：設置獨立組網(wǎng)架構的5G專(zhuān)網(wǎng)
采用電信商的公用網(wǎng)絡(luò )基礎設施可能導致資安漏洞與延遲問(wèn)題，因此不少組織偏好設置獨立組網(wǎng)（standalone）的5G專(zhuān)網(wǎng)，像是5G工業(yè)聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化聯(lián)盟（5G-ACIA）。這些獨立專(zhuān)網(wǎng)可以與電信商的公用網(wǎng)絡(luò )系統完全分隔并單獨運作。

5G小型基地臺的愿景
5G獨立專(zhuān)網(wǎng)適合布建在港口、大型工業(yè)園區，或是任何其他地方，只要有企業(yè)愿意互相合作，與專(zhuān)業(yè)的或具備競爭優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)商簽約來(lái)進(jìn)行專(zhuān)網(wǎng)部署與管理。

公網(wǎng)與專(zhuān)網(wǎng)必須面臨相同的硬件挑戰，都與電信商有關(guān)，主要是用戶(hù)終端設備問(wèn)題。不過(guò)公網(wǎng)主要采用大型基地臺來(lái)覆蓋戶(hù)外的網(wǎng)絡(luò )使用區域，而專(zhuān)網(wǎng)特別采用小型基地臺的新興技術(shù)。

小型基地臺的設計目的是提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)至戶(hù)外小型區域與室內場(chǎng)地，與傳統的無(wú)線(xiàn)基地站相較，不僅更方便部署，還能降低成本。通常會(huì )結合與ORAN兼容的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，這樣就能彈性配置與配對不同廠(chǎng)商提供的無(wú)線(xiàn)電存取設備與軟件，只要使用標準化的開(kāi)放式接口，就能確?；ネㄟ\作。

因此，在針對企業(yè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)與關(guān)鍵任務(wù)的聯(lián)機需求而部署行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，必須達到成本效益。然而，要施行這套部署方案有個(gè)前提，就是網(wǎng)絡(luò )服務(wù)商必須成功取得用來(lái)部署當地專(zhuān)網(wǎng)的5G頻譜，但目前全球僅有少數國家釋出這類(lèi)頻譜。


 
圖二 : 小型基地臺的設計目的是提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)至戶(hù)外小型區域與室內場(chǎng)地。

校園5G專(zhuān)網(wǎng)的頻譜規劃：法規限制
目前，全球多數國家的5G頻譜競標都著(zhù)重在全國各地的網(wǎng)絡(luò )部署，幾乎沒(méi)有預留任何頻段給5G區域專(zhuān)網(wǎng)使用，所以目前的校園網(wǎng)絡(luò )部署案例多半是理論實(shí)驗，只有德國是例外，該國為了校園專(zhuān)網(wǎng)應用釋出了100MHz的3.70GHz~3.8GHz頻段。其他還正在觀(guān)望是否跟進(jìn)的國家包含澳洲、西班牙和美國。

攻略三：5G大型基地臺結合Wi-Fi 快速且低成本的室內網(wǎng)絡(luò )部署
談到啟用專(zhuān)網(wǎng)服務(wù)時(shí)，5G產(chǎn)業(yè)全都押注在5G URLLC功能，也就是訊號延遲低于1毫秒，同步誤差小于1微秒，可靠度高達99.999%。

換句話(huà)說(shuō)，Wi-Fi具備一定優(yōu)勢，尤其是在室內網(wǎng)絡(luò )應用。一方面，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )的安裝比行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )還要簡(jiǎn)便、快速，成本也更低。另一方面，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )（IEEE 802.11）還有兼容性?xún)?yōu)勢，能與以太網(wǎng)絡(luò )（IEEE 802.3）相連，后者為企業(yè)熟知，而上述兩者被歸在同一網(wǎng)絡(luò )標準系列。

5G與Wi-Fi的差異
5G與Wi-Fi的技術(shù)相似，包含使用的物理層、訊號波、編譯碼方案與通訊支持機制，全都雷同。兩者支持的比特率大致相同，而且根據概念驗證測試，Wi-Fi 顯然能夠提供與URCCL標準相似的網(wǎng)絡(luò )效能。

主要差別在于5G使用的是經(jīng)過(guò)授權的頻譜，專(zhuān)門(mén)分配頻段給電信商，而Wi-Fi技術(shù)則在開(kāi)放的頻譜上運作，因此需要遵守相對嚴格的業(yè)界規則。Wi-Fi裝置必須檢驗其他裝置或技術(shù)，確認沒(méi)有使用相同的無(wú)線(xiàn)電頻段后才能運作，因此，每當無(wú)線(xiàn)封包開(kāi)始傳遞，Wi-Fi傳輸必定會(huì )面臨或短或長(cháng)的停頓，這就會(huì )導致延遲增加。

不過(guò)，既然無(wú)線(xiàn)頻譜適用于不同的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，那么把某些頻段分給Wi-Fi技術(shù)使用也是可行，這就和配合5G專(zhuān)網(wǎng)應用而釋出該地區的部分頻譜一樣。如此一來(lái)，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )就能不再受限于那些嚴苛規則。

實(shí)際上，Wi-Fi與5G爭奪頻譜的劇情已經(jīng)上演。一方面，5G R16標準就開(kāi)放了一些全球未授權的頻段（NR-U）給5G使用，另一方面，Wi-Fi也在延伸使用頻段范圍，除了2.4GHz和5GHz，Wi-Fi 6E亦即Wi-Fi 6的延伸版本，已經(jīng)踏入6GHz頻段，比起目前開(kāi)放給校園使用的100MHz專(zhuān)網(wǎng)頻段，Wi-Fi傳輸效能更佳且穩定，速度也較快。

因此，5G和Wi-Fi最終極有可能共同存在，就算是在支持專(zhuān)網(wǎng)的應用領(lǐng)域。行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )像是5G受惠于其廣泛的覆蓋范圍，在戶(hù)外網(wǎng)絡(luò )部署略占優(yōu)勢，而Wi-Fi順勢導入室內網(wǎng)絡(luò )應用。



 
圖三 : Wi-Fi版本的技術(shù)演進(jìn)表。

Wi-Fi硬件：向下兼容性議題與商機
對Wi-Fi而言，包含無(wú)線(xiàn)電終端設備在內的所有硬件設計都越來(lái)越復雜。在開(kāi)發(fā)一般消費市場(chǎng)的Wi-Fi存取裝置時(shí)，設計人員必須確保裝置能與歷來(lái)所有的Wi-Fi標準向下兼容，這使得新一代Wi-Fi芯片的研發(fā)工作更趨繁瑣，成本高昂。

然而，在鎖定企業(yè)用戶(hù)的專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)，向下兼容性并非必需。這反而開(kāi)啟了全新的藍海市場(chǎng)，有興趣進(jìn)駐的業(yè)者可以開(kāi)發(fā)優(yōu)化性能的終端裝置，而有意購買(mǎi)客制化與高效能產(chǎn)品的消費者也能滿(mǎn)足個(gè)別企業(yè)需求。

（本文作者Ingrid Moerman、Jeroen Hoebek與Dries Naudts任職于imec網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與資料科學(xué)實(shí)驗室（IDLab），為設于比利時(shí)根特大學(xué)與安特衛普大學(xué)的研究團隊；編譯／吳雅婷）