5G專網(wǎng)的三大部署攻略

新一代的制造模式，例如工業(yè)自動化，通常伴隨著嚴(yán)苛的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，不論是工廠的制造流程，或是廠房內(nèi)部使用的通訊系統(tǒng)，都要遵守業(yè)界規(guī)范。因此，制造商對無線通信業(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(yùn)轉(zhuǎn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

然而，運(yùn)用現(xiàn)有的公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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)用戶陸續(xù)開始轉(zhuǎn)向私人專網(wǎng)帶來的全新機(jī)會。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備性能與架構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢，勢必成為新一代（無線）專網(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）無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)跟緊5G步伐升級效能，不僅提升數(shù)據(jù)傳輸率，更把延遲、時間同步誤差與可靠度納入考慮。本文仔細(xì)衡量上述兩項網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)缺，并為了提前部署無線通信專網(wǎng)，統(tǒng)整出三大攻略。

不僅如此，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的另一端，一段全新發(fā)展甚至是革命正在展開。常規(guī)的行動網(wǎng)絡(luò)終端裝置，尤其是其內(nèi)建的芯片組，有可能會被可依照企業(yè)用戶個別需求與業(yè)務(wù)考慮進(jìn)行量身訂制的芯片與裝置取代。一直以來，通訊網(wǎng)絡(luò)市場僅由少數(shù)幾家芯片廠商把持，這會是吸引不同業(yè)者進(jìn)軍的契機(jī)嗎？

攻略一：基于電信商公用網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的5G專網(wǎng)部署
行動網(wǎng)絡(luò)業(yè)者（mobile network operator）在競標(biāo)5G頻譜的時候，通常目標(biāo)是盡可能地擴(kuò)大各自的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍。因此，他們具備一定的優(yōu)勢來滿足企業(yè)用戶部署專網(wǎng)的需求，包含網(wǎng)絡(luò)切片、虛擬化，以及開放租用5G基礎(chǔ)設(shè)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(gòu)示意。

關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)切片
5G網(wǎng)絡(luò)特別適合用來支持企業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用。5G技術(shù)具備多項特點(diǎn)，像是網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。行動網(wǎng)絡(luò)業(yè)者把從公用網(wǎng)絡(luò)分割出來的「網(wǎng)絡(luò)切片」，作為獨(dú)立且供私人使用的子網(wǎng)，專門分配給單一（企業(yè)）用戶，還能進(jìn)行客制化，設(shè)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)造雙贏局面。對電信商而言的優(yōu)勢顯而易見，企業(yè)應(yīng)用案例不僅建立在其（現(xiàn)有）的基礎(chǔ)設(shè)施上，還能導(dǎo)入自家專業(yè)技術(shù)與所屬頻段，另提供語音、寬帶網(wǎng)絡(luò)或是托管服務(wù)。同時，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(shè)備，像是無線電接取與核心網(wǎng)絡(luò)，也不用親自處理架設(shè)與管理私人5G專網(wǎng)的繁復(fù)工作。

這套作法乍看似乎萬無一失，但其實(shí)也有一體兩面。最要緊的是，企業(yè)最終必須把具時效性且與關(guān)鍵業(yè)務(wù)或任務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)傳送到他人所有且無法親自控制的網(wǎng)絡(luò)上，這不僅帶來資安風(fēng)險，還可能延長訊號傳輸時間。

其他替代方案
盡管「專網(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(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍內(nèi)，又幾乎毫無部署與管理行動網(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專網(wǎng)的替代部署方案，同樣建立在行動網(wǎng)絡(luò)業(yè)者的公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上。不同的是，企業(yè)可以選擇只用電信商的無線電存取設(shè)備，隨后立刻將所有數(shù)據(jù)流量連接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)上，如此就能避免資安漏洞。電信商一樣會負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)仍由企業(yè)用戶直接控管。

企業(yè)甚至可以進(jìn)一步考慮單獨(dú)選用電信商的無線電塔，也就是整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中最昂貴的硬設(shè)備，進(jìn)行客制化部署后，就能獨(dú)立管理與運(yùn)營自己的專網(wǎng)。最后，企業(yè)還能選擇自行建置5G專網(wǎng)，與當(dāng)?shù)匦袆泳W(wǎng)絡(luò)業(yè)者協(xié)商取得專用頻譜。

換言之，要借助公用網(wǎng)絡(luò)業(yè)者的專業(yè)技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施來建立5G專網(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）網(wǎng)絡(luò)架設(shè)與管理的專業(yè)知識。

硬件規(guī)格需求（網(wǎng)絡(luò)虛擬化概念）
5G網(wǎng)絡(luò)的部署內(nèi)容小至天線，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，軟件就能取代多數(shù)昂貴的網(wǎng)絡(luò)專用設(shè)備，在一般商用的服務(wù)器上運(yùn)作。

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

然而，客制化硬設(shè)備的需求還是無法避免，例如安裝天線，另外，用戶終端設(shè)備也必須內(nèi)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(xiàn)超可靠低延遲通訊標(biāo)準(zhǔn)（URLLC）的功能。

目前5G芯片組的生產(chǎn)還在起步階段，現(xiàn)有產(chǎn)品都是依據(jù)3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的預(yù)備商用化研發(fā)成果，能夠支持URLLC標(biāo)準(zhǔn)的功能有限。這也不禁引發(fā)猜想，究竟5G終端設(shè)備市場會如何發(fā)展？是一貫落入少數(shù)幾家芯片廠商的手中嗎？但他們的優(yōu)先考慮或許并非開發(fā)符合URLLC標(biāo)準(zhǔn)的客制化芯片組。那么，這是不是其他廠商進(jìn)駐市場的良機(jī)？他們可以趁機(jī)著手研發(fā)鎖定企業(yè)用戶專業(yè)市場的5G無線調(diào)制解調(diào)器芯片。

歐盟于今年2月發(fā)布的《芯片法案》（Chips Acts）能在此時推波助瀾。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，但在最新法案的助力下，局勢可能在數(shù)月甚至數(shù)月內(nèi)反轉(zhuǎn)，開啟全新局面。

攻略二：設(shè)置獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)的5G專網(wǎng)
采用電信商的公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可能導(dǎo)致資安漏洞與延遲問題，因此不少組織偏好設(shè)置獨(dú)立組網(wǎng)（standalone）的5G專網(wǎng)，像是5G工業(yè)聯(lián)網(wǎng)自動化聯(lián)盟（5G-ACIA）。這些獨(dú)立專網(wǎng)可以與電信商的公用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完全分隔并單獨(dú)運(yùn)作。

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

公網(wǎng)與專網(wǎng)必須面臨相同的硬件挑戰(zhàn)，都與電信商有關(guān)，主要是用戶終端設(shè)備問題。不過公網(wǎng)主要采用大型基地臺來覆蓋戶外的網(wǎng)絡(luò)使用區(qū)域，而專網(wǎng)特別采用小型基地臺的新興技術(shù)。

小型基地臺的設(shè)計目的是提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)至戶外小型區(qū)域與室內(nèi)場地，與傳統(tǒng)的無線基地站相較，不僅更方便部署，還能降低成本。通常會結(jié)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商提供的無線電存取設(shè)備與軟件，只要使用標(biāo)準(zhǔn)化的開放式接口，就能確?；ネㄟ\(yùn)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(jī)需求而部署行動網(wǎng)絡(luò)時，必須達(dá)到成本效益。然而，要施行這套部署方案有個前提，就是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商必須成功取得用來部署當(dāng)?shù)貙＞W(wǎng)的5G頻譜，但目前全球僅有少數(shù)國家釋出這類頻譜。


 
圖二 : 小型基地臺的設(shè)計目的是提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)至戶外小型區(qū)域與室內(nèi)場地。

校園5G專網(wǎng)的頻譜規(guī)劃：法規(guī)限制
目前，全球多數(shù)國家的5G頻譜競標(biāo)都著重在全國各地的網(wǎng)絡(luò)部署，幾乎沒有預(yù)留任何頻段給5G區(qū)域?qū)＞W(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，該國為了校園專網(wǎng)應(yīng)用釋出了100MHz的3.70GHz~3.8GHz頻段。其他還正在觀望是否跟進(jìn)的國家包含澳洲、西班牙和美國。

攻略三：5G大型基地臺結(jié)合Wi-Fi 快速且低成本的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)部署
談到啟用專網(wǎng)服務(wù)時，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(dá)99.999%。

換句話說，Wi-Fi具備一定優(yōu)勢，尤其是在室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。一方面，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的安裝比行動網(wǎng)絡(luò)還要簡便、快速，成本也更低。另一方面，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)（IEEE 802.11）還有兼容性優(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(biāo)準(zhǔn)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(jī)制，全都雷同。兩者支持的比特率大致相同，而且根據(jù)概念驗證測試，Wi-Fi 顯然能夠提供與URCCL標(biāo)準(zhǔn)相似的網(wǎng)絡(luò)效能。

主要差別在于5G使用的是經(jīng)過授權(quán)的頻譜，專門分配頻段給電信商，而Wi-Fi技術(shù)則在開放的頻譜上運(yùn)作，因此需要遵守相對嚴(yán)格的業(yè)界規(guī)則。Wi-Fi裝置必須檢驗其他裝置或技術(shù)，確認(rèn)沒有使用相同的無線電頻段后才能運(yùn)作，因此，每當(dāng)無線封包開始傳遞，Wi-Fi傳輸必定會面臨或短或長的停頓，這就會導(dǎo)致延遲增加。

不過，既然無線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專網(wǎng)應(yīng)用而釋出該地區(qū)的部分頻譜一樣。如此一來，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)就能不再受限于那些嚴(yán)苛規(guī)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(biāo)準(zhǔn)就開放了一些全球未授權(quán)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，比起目前開放給校園使用的100MHz專網(wǎng)頻段，Wi-Fi傳輸效能更佳且穩(wěn)定，速度也較快。

因此，5G和Wi-Fi最終極有可能共同存在，就算是在支持專網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。行動網(wǎng)絡(luò)像是5G受惠于其廣泛的覆蓋范圍，在戶外網(wǎng)絡(luò)部署略占優(yōu)勢，而Wi-Fi順勢導(dǎo)入室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(jī)
對Wi-Fi而言，包含無線電終端設(shè)備在內(nèi)的所有硬件設(shè)計都越來越復(fù)雜。在開發(fā)一般消費(fèi)市場的Wi-Fi存取裝置時，設(shè)計人員必須確保裝置能與歷來所有的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)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)用戶的專業(yè)市場，向下兼容性并非必需。這反而開啟了全新的藍(lán)海市場，有興趣進(jìn)駐的業(yè)者可以開發(fā)優(yōu)化性能的終端裝置，而有意購買客制化與高效能產(chǎn)品的消費(fèi)者也能滿足個別企業(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(shè)于比利時根特大學(xué)與安特衛(wèi)普大學(xué)的研究團(tuán)隊；編譯／吳雅婷）