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5G专网为“江南皮革厂”带来了什么?

简介: 今年6月底,通信领域迎来了一个重磅消息,负责制定5G通信标准的国际组织3GPP公布了Release 16的5G标准,这也是5G的第二版标准。如果说5G的第一版标准Release 15主要面向的是消费者市场,那么5G的第二版标准则是将5G网络的边界拓展到了垂直行业,是面向工业的5G。那么这些标准将如何赋能工业企业,满足企业主的需求呢?本文试图从一个制造业企业“江南皮革厂”的实际需求出发,看5G R16标准是如何让传统企业乘风破浪的。

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3GPP R16冻结

3GPP Release 16标准已经于今年6月底完成,最后的总结报告也在7月31号上传到了FTP[1]。此前,2019年完成的R15 5G标准,主要是面向消费者市场,针对智能手机等产品提出了一系列eMBB的增强特性,使用户可以感受到1Gbps的超高速体验。这次的R16标准所定义的内容,除了对R15已有特性的增强外,更令人关注的是为了满足垂直行业需求所定义的新技术。有了这些关键技术,5G网络的边界得到了进一步的拓展,5G的网络形态,也将会从单一服务普通消费者的to C网络,逐渐扩展到to B的垂直行业专网。

面向垂直行业的新特性

以下是R16中所给出的新特性:

  • Enhancement of Ultra-Reliable (UR) Low Latency Communications (URLLC)
  • 5GS Enhanced support of Vertical and LAN Services
  • Cellular IoT support and evolution
  • Advanced V2X support
  • 5G Location and Positioning Services
  • UE radio capability signalling optimization
  • Satellite Access in 5G
  • Enablers for Network Automation Architecture for 5G
  • Wireless and Wireline Convergence Enhancement
  • Mission Critical, Public Warning, Railways and Maritime
  • Streaming and TV
  • User Identities, Authentication, multi-device
  • (Network) Slicing
  • Other cross-TSG Release 16 Features
  • NR-related Release 16 Features
  • Release 16 Features impacting both LTE and NR
  • LTE-related Release 16 Features

其中和5G垂直行业密切相关的特性有:

(1)Enhancement of Ultra-Reliable (UR) Low Latency Communications (URLLC)

< 1毫秒的超低空口时延,加上99.9999%的超高可靠性,为5G远程医疗、工业自动化控制、远程教育、V2X等场景提供了解决方案。

(2)5GS Enhanced support of Vertical and LAN Services

对垂直行业和局域网的增强为企业的对通信的及时性需求和数据的保密性需求提供了可能。

(3)5G Location and Positioning Services

基于5G的定位服务,使用5G网满足垂直行业对定位的需求,并不需要额外部署其他定位服务。

(4)Satellite Access in 5G

满足部分企业对卫星通信的需求。

(5)(Network) Slicing

基于网络切片的端到端资源隔离网络,用来满足垂直行业中不同应用与应用间的隔离需求。

但是3GPP的这些特性是否能够满足垂直行业,特别是一些制造业企业的需求呢?下面就着重来谈一谈5G LAN和NPN这两个特性能为传统制造企业“江南皮革厂”带来什么。

现有网络的不足

传统企业现有的工作网络,通常工作在非授权频段,一般以Wi-Fi,蓝牙,RFID射频、工业无线技术为主,存在网络性能不稳定、终端移动性差、覆盖有限等问题。由于这些系统来自不同供应商,并在不同的时期进行部署,也会遇到后台无法连通,频段存在干扰等问题。此外,制造业工厂一般地理位置处在郊区地带,4G/5G的蜂窝网络本身覆盖不足,又因为厂房、设备导致屏蔽严重,使得厂区内的信号质量进一步下降,因此授权频段也存在覆盖弱、性能差等问题。

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R16通过定义独立专网(SNPN,Standalone Non-Public Network),工厂可以定制从基站,核心网,到管理系统的一整套方案,自成体系,并独立于运营商公众网络。专网通过分配NPN ID给NPN网络,RAN(Radio Access Network,无线接入网)广播PLMN(Public Land Mobile Network,公共陆地移动网)+ NPN ID。基于NPN ID,可以进行小区、网络选择和接入控制,并通过网关以非3GPP方式和公众网互通,使得园区内的网络性能可控,并与外部网络硬隔离。

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此外,R16还定义了非3GPP接入(Non-3GPP Access),通过定义TNGF(Trusted Non-3GPP Gateway Function,可信任非3GPP接入网关)和N3IWF(Non-3GPP InterWorking Function,非3GPP互通功能), 使得非3GPP的网络(例如WI-FI或是有线网)可以接入5G核心网,将多张分割的网络由5G核心网统一进行鉴权、计费和移动性管理,并对工厂已有设备做统一管理。

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保密与跨地域组网需求

电信产业的竞争力来源于专利,是一种以公开换保护的策略;而在制造业中,核心竞争力往往来源于Know How的商业秘密,这类商业秘密通常不复杂,但是人无我有的技术壁垒却能显著提高生产力、降低生产成本,直接为企业带来利润,因此是各个企业需要严密保护的对象。为了窃取商业机密引发的案件[2]也层出不穷,甚至出现了董事长偷拍专利产线的事件[3],因此各类企业一般都会禁止在车间内使用通信设备[4],这会为员工的协作带来一定的障碍,从而提升沟通的成本。此外大型企业往往不止一个生产地点,因此在多个厂区之间形成互联互通的5G专网也是企业主的基本需求。

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R16引入的5G LAN作为解决这一问题的特性,通过5G接入网和核心网的支持,使得多个园区间可以构建专属局域网,通过N19接口实现企业不同车间、不同工厂之间跨地域协作,组成广域专网,统一的核心网控制用户的接入、鉴权、计费和移动性管理,保证多个园区内网络的统一,并且与外部网络做到有效的隔离。

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专网频谱和使用现状

上述的NPN独立部署场景需要厂区拥有专网频段,这部分频段在国内尚未确定。但是制造业强国德国早已先人一步,德国联邦网络局在2019年11月开启了本地5G频段的申请,将为本地5G网络提供3.7-3.8GHz频段,用于工业4.0、农业及林业。这个计划初期旨在为企业提供一个10年的频段使用许可。本地频谱的使用费用的公式为[6]:
  

费用 = 1000 + B * t * 5 * (6a1 + a2)

其中,费用的单位为欧元,1000欧为基础费率,B表示以MHz为单位的带宽(最小10、最大100 MHz),t为分配期限(以年为单位),a1和a2是使用的区域面积,以km² 为单位,a1和a2分别表示居住及交通区域和其他区域。

从公式中可以看出,基础使用费率比较低,但费用随着使用频带宽度、覆盖面积的增加而逐渐增加,这种计费方式为初创公司和中小企业降低了门槛;同时费用和使用时长呈线性关系也有助于企业适时接入,从而降低费用。最后将居住区与其他区域(郊区)分别计费(前者是后者的6倍),也倾向于让企业避开覆盖密集地区进行组网,降低频谱协调难度,提高频率利用率。

在推出这项政策之后,已经有博世、宝马、大众汽车、巴斯夫(BASF)、汉莎航空等33个公司申请了5G专网频谱[7],并开展了以下业务:

  • 宝马在其巴伐利亚州的一个园区建立了5G专网,并由德国一家电信软件公司M3connect GmbH设置网络并建立实验室去测试不同供应商的设备。
  • 汉莎航空的维修子公司汉莎航空技术公司(Lufthansa Technik AG)和运营商沃达丰(Vodafone)合作,建立了用于远程发动机监测和远程3D机舱设计的5G专网。相比于公众网络,专网拥有更高的安全性和可配置能力,使得公司可以灵活的为不同项目调整带宽和上下行传输配比。
  • 化工巨头巴斯夫(BASF)正在讨论建立5G专网,并在2020年年底之前决定哪些网络由运营商或是设备供应商进行管理,该5G网络将主要用于生产设施和物流。
  • 大众汽车希望在带宽密集型工厂配置5G专网,比如其位于沃尔夫斯堡的工厂,此处拥有5000台连接到internet的机器人。后期大众希望也使用5G来协调生产机器人和无人驾驶汽车,同时实时传输大量数据。

在国内,目前分配给垂直行业使用的频谱还在研究中,企业只能使用运营商频段进行组网,例如中国移动的的专网频段n79 (4.8-4.9GHz)。此时专网的部署形式就无法使用上述的NPN独立部署模式,而只能使用基于运营商网络的部署模式,例如共享基站的Shared radio access network,共享基站和控制面的Shared radio access network and control plane和基于公众网络的NPN hosted by the public network,具体细节可以在[8]中找到。

R16之后

R16标准已经冻结,为5G专网的建立提供了技术保障。3GPP为垂直行业提供了一个高屋建瓴的视角,然而如何用这些技术满足企业需求,并与企业原有的OT,IT,CT系统对接,为企业做到真正的降本增效,却是任重而道远。一如普通企业的数字化转型,5G专网的发展,对工业企业、电信运营商、及整个工业产业的影响也将是巨大的。

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最后

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参考文献
[1] 3GPP, 22.261, Summary of Rel-16 Work Items, http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/21_series/21.916/21916-050.zip
[2] 杨漾,澎湃新闻,"远景能源回应前员工涉窃取商业机密:法院判定系个人行为, " https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_8043318
[3] 蒋佩芳, 国际金融报, "翻进同行厂区盗拍专利产线,中电电机前董事长被扭送派出所, " https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7046500
[4] 薛京律师, 知乎专栏,"能否辞退进车间带手机的员工?" https://zhuanlan.zhihu.com/p/136352928
[5] 3GPP, 23.501, System architecture for the 5G System, http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.501/23501-g51.zip
[6] Jochen Homann: "Kick-off for 5G local campus networks strengthens Germany as a location for business and investment," https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/EN/2019/20191031_LokalesBreitband.html
[7] Catherine Stupp, "German Industrial Firms Plan to Build Private 5G Networks," https://www.wsj.com/articles/german-industrial-firms-plan-to-build-private-5g-networks-11586191739
[8] 5G ACIA, "5G Non-Public Networks for Industrial Scenarios," https://www.5g-acia.org/fileadmin/5G-ACIA/Publikationen/5G-ACIA_White_Paper_5G_for_Non-Public_Networks_for_Industrial_Scenarios/WP_5G_NPN_2019_01.pdf

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