运营商通过5G公网提供专网服务

刘光毅 发表于 2020-08-06 08:51:05 收藏 已收藏
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运营商通过5G公网提供专网服务

刘光毅 发表于 2020-08-06 08:51:05
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从全球4G发展现状来看,不限量套餐已经成为主流的资费模式,随着用户月均流量的快速增长,网络不断扩容并不能带来相应的收入增长,个人市场传统的流量经营模式遭遇瓶颈。为了支持自身的持续发展,运营商需要“开源节流”,寻找新的市场空间,培育新的增长模式,同时节约成本以降低网络运维和建设的成本。NB-IoT/eMTC是运营商在4G时代面向低速率、低成本和低功耗的物联网市场的一次尝试,试图突破一个海量的市场空间。面对差异化和碎片化的物联网应用市场,NB-IoT/eMTC难以完全满足需求,5G通过全新的空口能力(低时延、高可靠等)、灵活的网络架构、端到端的网络切片和移动边缘计算等,将进一步深度赋能垂直行业应用。本文结合5G标准的发展和演进,分析5G如何满足垂直行业的差异化业务需求。

1 引言

4G和智能手机的快速发展给我们的日常工作和生活带来了极大的便利,使社会运行管理更加高效。4G的快速发展促进了互联网应用的繁荣,即时消息、网上购物、导航、网上支付、视频等应用层出不穷。智能手机已不仅是一种交流工具,同时也是个人和社交平台。手握智能手机,可以自由选择网购或者使用手机支付进行线下购物,使我们的日常生活变得比以往更加方便,改变了我们的消费行为和日常行为。4G的快速普及结合消费类电子产品的突破正在培育新的业务和应用,给移动通信网络自身带来了新的挑战。增强现实技术(AR),虚拟现实技术(VR)、高清晰度视频技术(4K/8K)、裸眼3D,这些梦幻般的应用对移动通信网络的能力、容量和效率提出了更高的要求。

另一方面,从全球运营商的4G发展现状来看,不限量套餐已经成为主流的资费模式,随着用户月均流量的快速增长,网络不断扩容并不能带来相应的收入增长,个人市场传统的流量经营模式遭遇瓶颈。为了支持整个行业的持续发展,运营商需要“开源节流”,“开源”即是寻找新的市场空间,培育新的增长模式,“节流”则是节约成本,降低网络运维和建设的成本。为了拓展新的业务模式,运营商在4G网络上也试图利用边缘计算(MEC)、eMBMS、V2X等技术来拓展新的行业和新的商业模式,但都由于4G网络架构固化、商业模式不清晰等原因而仅仅停留在示范和演示阶段。NB-IoT/eMTC是运营商在4G时代面向低速率、低成本和低功耗的物联网市场的一次尝试,试图突破一个海量的市场空间,带来新的增长。

4G在行业和企业级应用中的拓展为我们提供了很好的经验和教训。首先,服务和内容应尽可能靠近用户部署,这样可以减少业务获取的延迟,提高用户体验;其次,新服务和应用的部署应该是快速和低成本的;此外,网络应支持灵活可重构的部署,满足差异化的应用场景和需求;而工业互联网和自动驾驶则要求更低的时延和更高的可靠性。

面对以上的应用需求,4G难以满足,这就让我们把期望寄托在新一代移动通信系统,即5G。5G的目标是通过自身能力的拓展成为新一代信息基础设施,通过万物互联,如图1所示,赋能社会各行各业,促进社会的信息化和数字化发展,提升经济发展的效率和质量,提升社会运行和治理的效率。

回顾移动通信技术发展的历史,1G、2G解决了在移动中打电话的问题,3G、4G着重解决了快速上网和看视频的问题,而5G则第一次把重点转向了对垂直行业市场需求的支持,面对差异化和碎片化的业务需求,5G通过全新的空口能力(低时延、高可靠等)、服务化的网络架构、端到端的网络切片、和移动边缘计算,将进一步深度赋能垂直行业应用。

5G愿景:万物互联,赋能垂直行业

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2 5G定义新能力,全面赋能垂直行业

5G标准的第一阶段(Rel-15)主要聚焦5G商用初期个人和行业的迫切需求,重点关注eMBB以及简化的URLLC场景,暂时没有针对mMTC场景设计标准。为此,Rel-15定义了5G系统的核心构架,包括5GC新的核心网、SA独立组网和NSA非独立组网方案,同时也针对5G系统的基本框架和核心功能进行了定义。下面我们从网络运营和业务提供的角度,全面阐释5G的全新空口能力、服务化的网络架构和网络切片、边缘计算等新特征。

2.1全新空口能力[1]

5G第一次将服务的重点转向了垂直行业,所以从5G研发之初,业界就对5G需要覆盖的应用场景达成了共识,即包括增强移动宽带(eMBB)、低成本低功耗的大规模连接(mMTC)、超高可靠性和超低延迟通信(URLLC)。针对上述应用场景,ITU-R和3GPP详细定义了相应的性能需求,例如, 20Gbps的峰值数据速率、0.5ms空口传输时延、比4G提高3?5倍的频谱效率、每平方公里千兆的连接密度、每平方公里10Tbps的业务密度、以及100倍的功效提升等。为了保持整个生态系统的可持续发展,我们期望5G具有极低成本特性,每比特性价比能提高1000倍。

5G标准的第一个版本(Rel-15)通过灵活统一的5G新空口设计满足5G多场景和多样化的业务需求,与垂直行业应用需求相关的能力有:

-低时延:5G要求达到0.5ms单向空口时延,对网络调度时延及系统灵活性提出更高要求。Rel-15标准通过引入灵活帧结构、短时域调度单元、免调度传输、移动边缘计算MEC (端到端时延可降至10ms)等技术满足低时延需求。

-高可靠:5G通过提高编码冗余度、提高调度优先级、降低编码阶数、多次传输等,已可以支持数据包大小小于32字节的99.999%的高可靠应用。

-高速率:5G面临高速率、高容量等要求,频谱效率需提升至4G的3~5倍以满足用户需求。Rel-15标准通过大带宽(100MHz, 400MHz)、大规模天线和MU-MIMO增强、取消CRS参考信号、信道信息反馈设计、Polar/LDPC编码、及毫米波(5G商用初期未引入)等技术提升5G峰值速率和容量。

-广覆盖:5G部署频段较高,基于现网4G站址进行建设实现连续覆盖存在一定困难。Rel-15标准通过大规模天线设计、广播信道波束扫描、控制信道覆盖增强、高功率终端等技术扩展了5G网络覆盖能力。

-高速移动:针对高铁等特定场景,抑制500km/h高速场景下信道时变快、频率偏移大、切换频繁的影响。Rel-15通过参考信号设计、随机接入流程设计、系统参数优化等技术保证高速移动的性能。

5G标准的第二个版本(Rel-16),对5G网络的性能和能力进行了持续的优化和提升,拓展支持更广阔的垂直行业应用。一是解决5G网络的个性化问题,如5G远端基站的干扰管理、高频无线回传(IAB)、大规模天线增强、终端功耗的降低等;二是增强垂直行业应用,如面向低成本、中高速率的物联网,进一步增强V2X、URLLC和IIoT应用;三是深度挖潜5G网络能力,包括5G空口定位、大数据采集与应用等新能力。与垂直行业赋能相关的能力增强包括如下:

-实现米级定位(室外水平定位精度10m,室内水平定位精度3m),并与卫星、蓝牙、传感器等技术结合进一步实现亚米级定位;

-通过终端节能,延长电池工作时间,可以在中等业务负载下,节约空口能耗35%左右,节约整机能耗11%左右;

-移动性增强方面,“0”ms方案能避免切换中的用户面数据中断,保证UE在切换过程中一致性的速率体验,而基于条件切换的鲁棒性增强方案能提升控制面的鲁棒性,提升切换的成功率;

-URLLC增强,在满足空口低时延需求(如0.5-1ms)的同时,增加对更大数据速率的支持,将端到端可靠性从99.999%提高到99.9999%;

-5G车联网V2X,满足业务3-10ms端到端时延、99.999%的可靠性、10-1000 Mbps高速率等需求,实现5G V2X与LTE V2X车联网的互补共存;

-空天地一体通信,为后续面向5G演进的空天地一体互联网络的关键技术研究打牢基础。

总体而言,Rel-16技术演进将有助于进一步提升5G网络服务质量、提升用户体验,扩大5G产业规模,更好地赋能各行各业转型和能力升级。

5G Rel-17标准会引入面向垂直行业应用的进一步能力提升,如车联网V2X增强、工业互联网IIoT增强、空口定位能力增强、NTN空天一体通信等;另一方面,Rel-17标准也会考虑新增一些新的功能,来满足新场景下的新需求,使得5G网络功能更加完备、网络性能更加稳健,比如支持更高速率要求的大规模物联网(mMTC)解决方案、经量级NR设计、简化的多播广播传输(MBMS)、无线网络切片增强、公共安全等等。

总之,从5G新空口的标准发展可以看出,5G系统对垂直行业的支持正在不断完善和增强,必将能够更好地支持5G与垂直行业应用的结合。

2.2服务化和网络切片

传统的4G网络是一张结构固化的网络,各个功能一应俱全。但是对于差异化的企业级和垂直行业的应用,对网络功能的要求千差万别,采用这种传统的大而全的网络建设方式,必将导致资源的巨大浪费,以及由于固化的网络结构而不能对时延和路由拓扑等进行必要的优化,难以满足个性化的业务拓展需求。

5G网络通过功能解耦的模块化设计、控制与承载分离、功能间以服务的方式进行调用、底层云化等颠覆性的设计支持端到端切片能力、能力按需位置部署等,实现网络的定制化、开放化、服务化。服务化的架构使得业务和功能的部署非常地灵活,基于SDN/NFV的平台之上的核心网使得网络的功能可以按需要灵活部署和容量的弹性伸缩。

网络切片示意图

对于5G网络来说,可以根据不同场景下的部署需求和业务需求,选择性地部署相关的网络功能,以及灵活地选择网络功能的部署位置,最佳地适应业务和客户的需求,同时做到网络投资的性价比最高。从图中的不同场景的功能选择可以看出,不同场景所需要部署和配置的功能因需求的不同而不同,在优化性能的同时并不需要对整个网络的功能全集进行部署,从而可以实现差异化的服务保证,也节约了网络投资。同时,在同一个物理区域的多个不同的应用场景重叠的情况下,网络基础设施还可以实现动态共享,通过切片的动态生成和按需编排、部署,满足不同业务的需求,避免硬件资源的浪费。

2.3边缘计算(MEC)

MEC将计算、存储和路由等能力引入到网络的边缘(可以是单独的网元,也可以和无线基站合设),可以为网络带来如下好处:

-将业务和内容部署在尽可能靠近用户的位置,最小化业务访问的时延;

-将路由功能下放到距离用户尽可能近的位置,实现用户数据的快速路由和本地交换,缩短数据交互时延;

-将计算能力部署在靠近用户的位置,从而将用户端的计算转移到云端,同时也可以保证数据和处理结果的快速交互,从而简化终端的实现,降低其尺寸、重量、功耗和成本。比如,对于AR/VR类应用,如果将内容处理和渲染的功能上移到MEC,则可以大大降低AR/VR设备开发的门槛,同时也大大降低成本和重量等,使得设备更轻便和易于普及;

-将核心网的UPF功能下放到MEC,支持必要的计费、安全等功能,可以提供用户数据的高度隔离,实现用户数据的隐私性保护;

-通过标准的API接口,可以实现无线网络的能力开放,如位置定位等,将网络能力开放给第三方,进而培育新的业务和新的商业模式。

所以,MEC可以根据实际业务部署的需求而灵活配置,其平台能力和位置都可以灵活地按需选择,以适应差异化的部署和业务需求。

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 MEC原理

2.4能力开放

对于新一代移动通信系统,人们总是期望着出现一种或者多种杀手级的应用来支持网络的大规模发展。但是从3G开始,我们就发现所谓杀手级的应用很难提早预测到,也很难像当年的话音和短消息那样再出现,所以5G网络的建设和发展更应该致力于构建基本的网络能力开放平台[6] [7],通过网络能力的开放,让更多的合作伙伴去围绕5G的业务进行创新和拓展,构建一个多赢的生态体系,联合培育和孵化新的业务、应用和新的商业模式,通过量变到质变的积累,加速5G网络的普及和应用,实现5G网络能力的变现,以及5G网络的可持续发展。

无线网网络能力开放示意

所以,未来5G网络需要构建一个网络能力开放的平台,如图4所示,通过标准的开放API,把网络能力提供给第三方调用,用于生成其自身的业务和应用,通过收入分成的形式实现共赢。5G网络可以开放的能力范围非常广,可以是传统的一些核心网的能力,如短信生成等,也可以是更广泛的用户泛化和统计信息等,还可以是无线侧的位置能力、云平台的计算能力和存储能力、人工智能的计算能力等等。通过这些能力的开放,可以大大降低业务创新的门槛,让更多的企业和个人参与到5G的业务和应用的创新当中,带来5G业务的快速发展。

3 5G垂直行业应用拓展的思考

提起5G规模商用,就不得不提到业内人士一直在讨论的5G杀手级应用。我们通常上说的5G杀手级应用主要是面向个人消费市场来说的,类似于短信、电话、微信、直播这种拥有庞大用户群体的应用,但也需要继续去培育和摸索。而面向垂直行业市场,由于各垂直行业之间存在较大的差异,行业与行业之间的需求可能是完全不一样的,在这种情况下,一种应用很难得到全部市场的响应,很难爆发出类似于个人消费市场规模的杀手级应用,需要逐行业的突破,聚少成多,从量变到质变。

传统垂直领域的发展模式是“烟囱式”的,各行各业都有自己的生态系统和行业壁垒,很多领域是运营商之前没有尝试过的。在5G时代,由于垂直行业市场的碎片化和业务需求的差异化,传统的2C的模式很难复制到垂直行业。如何核算成本?如何定价?如何满足差异化的业务和部署需求?如何拓展用户?运营商现有的运营和管理体系如何适应2B市场的变化?这些都是运营商正在面临的挑战。

面对上述挑战,除运营商自己布局相关业务的开发、拓展、运营和管理上的转变之外,运营商还需要在几个方面布局:一是尽快构建端到端5G网络能力,通过5G网络的全新能力和网络切片、边缘计算相结合,实现对差异化和碎片化的垂直行业需求的支持;二是构建5G网络能力开放平台,将运营商网络的各种能力开放给第三方使用,鼓励更多的应用开发者基于5G能力去开发和创造创新的业务;三是构建面向垂直行业应用的APP Store,并以此为支撑,构建网络运营商、应用开发商和应用使用者的生态系统,实现网络能力、应用工具和被服务对象的多方对接,创造多赢的商业模式。

3.1通过5G公网提供专网服务

5G SA具备端到端的5G全新能力,可以基于网络切片和边缘计算,通过虚拟化和软件定制,把网络能力按需聚合在逻辑的或者是物理的网元上,比如聚合在基站或者服务器上,来满足不同行业的特定业务需求。这样可以很好地适应垂直行业应用的需求差异化和碎片化、部署灵活快速的需求。

以传统的专网方式去满足垂直行业的个性化需求存在用户规模过小、成本过高的问题。5G时代,这种模式需要改变,这是5G和4G不同的地方之一。差异化的服务必须要有灵活的网络支持,能力也要灵活地部署,通过和庞大的个人用户群去分摊建网和维护成本,才能降低运营商的网络部署成本,构建运营商解决方案的竞争力。所以,利用网络切片和边缘计算等技术来实现公网的“专网化”应该是运营商的服务垂直行业的首选解决方案,在必要的场景下,可以以物理专网为补充,满足差异化和碎片化的市场需求,这样整个业务的发展才会成本可控,快速实现从量变到质变的跨越。

3.2打造5G的能力开放平台和应用平台

在企业用户和垂直行业的拓展上,运营商未来的方向是开放网络能力和做平台,但仅仅发动运营商自身资源去开发新业务是不够的,需要将各行各业的应用开发者动员起来,因为他们更接近企业和垂直行业的需求,更有创新的思维和基因,结合运营商的网络能力开放平台和统一的API接口,去开发和创造适合企业级应用和垂直行业应用的第三方5G应用,例如,通过运营商能力开放平台和接口,向用户提供5G蜂窝定位、大数据采集与应用等服务。这样,围绕运营商的5G网络这样一个“智能硬件”,运营商的能力开放平台上就会聚集大量的5G“应用软件”,供垂直行业按需使用,在这个过程中三方的商业模式就可以在应用订阅和下载中形成。

这种全新的5G业务模式设想具有两点优势。第一,平台是共享、开放的,可以形成规模效应。第二,很多对垂直行业十分熟悉的企业和专家还没有完全参与到5G业务拓展中,运营商可以通过能力的开放,鼓励和支持这个群体去开发面向垂直行业的应用,而不仅仅依赖于自身研发资源的开发,从而创造新的合作模式。

这种新的模式会让整个产业更加繁荣、开放和更具活力。将来,不论是虚拟运营商、垂直行业的合作伙伴、开发者,都可以从运营商的开放平台中找到机会,也间接帮助国家实现大众创业、万众创新。

4 结语

5G的成功在于与社会各行各业的充分结合,通过5G的赋能,实现整个社会的信息化和数字化,提升经济发展和社会治理的质量和效率。面向垂直行业的拓展,5G系统正在构建全新的端到端能力,以适应需求差异化和碎片化的行业特征,通过全新的空口能力、网络切片和边缘计算来满足垂直行业应用场景的灵活、快速的部署要求。面向2B市场的挑战,运营商传统的经营和管理模式也需要转型与变革,除加强自身研发资源外,还需明确思路,在垂直行业应用的平台和生态建设方面提前布局,利用社会资源加快5G应用的发展。
       责任编辑:pj

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