為滿足公共安全、工業(yè)自動(dòng)化和基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵要求，私有5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。這些非公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將為企業(yè)、私人場(chǎng)所和政府用戶提供基礎(chǔ)設(shè)施，從而優(yōu)化和重新定義在當(dāng)今以太網(wǎng)、4G LTE和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)限制下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的流程。本文將詳細(xì)介紹搭建私有5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)和復(fù)雜性。

5G初探

5G是下一代蜂窩電信。它在許多方面已經(jīng)擴(kuò)展了蜂窩電信的應(yīng)用和可行性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了前幾代的使用范圍。早期的蜂窩系統(tǒng)主要用于一個(gè)手機(jī)用戶通過(guò)短信或語(yǔ)音與另一個(gè)手機(jī)用戶進(jìn)行通信。而5G的設(shè)計(jì)理念是，上述通信方式只是為數(shù)不多的其中一種，甚至可能不是最重要的電信支持形式。

三種主要的5G應(yīng)用場(chǎng)景/模式

在4G LTE時(shí)代，圖像與視頻消息、流媒體以及一般互聯(lián)網(wǎng)通信迅速成為該服務(wù)的高數(shù)據(jù)速率用途。到了5G，這些形式的數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)要擴(kuò)大很多倍。另外，移動(dòng)用戶設(shè)備還普遍需要更快、更可靠、響應(yīng)更迅捷的數(shù)據(jù)服務(wù)。這些參數(shù)是5G三個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景之一，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMMB）的主要屬性（圖1)。eMMB的骨干網(wǎng)通常能夠提供高數(shù)據(jù)速率，更快速地訪問(wèn)高速數(shù)據(jù)，同時(shí)服務(wù)數(shù)百名用戶，甚至在繁忙都市以外的地區(qū)也是如此。

超可靠的低延遲通信（URLLC）是5G的另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景。這種5G模式旨在提供極低延遲的響應(yīng)，以更好地輔助不希望延遲或延遲有危險(xiǎn)的應(yīng)用，例如自動(dòng)機(jī)器、車對(duì)車（V2V）和車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信。無(wú)論是從人類用戶的角度，還是從機(jī)器的角度，URLLC 5G的另一面都是對(duì)可靠性的期望。5G的目標(biāo)是讓無(wú)線通信服務(wù)獲得類似于有線通信的可靠性和確定性。

最后，也是5G在私有設(shè)施中重要的潛在用途之一，是海量機(jī)器類通信（mMTC）。有了mMTC 5G，機(jī)器將與眾多要求各異的數(shù)據(jù)有效載荷互相通信，且5G應(yīng)支持這些各式各樣的通信方式。5G的這種應(yīng)用旨在使機(jī)器能夠有效地進(jìn)行通信，而無(wú)需依賴可能需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）甚至網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能的集中式基礎(chǔ)設(shè)施。

同構(gòu)與異構(gòu)5G部署對(duì)比

前幾代蜂窩通信選擇了同構(gòu)“蜂窩”拓?fù)?。隨著4G LTE的發(fā)展，這種情況發(fā)生了變化，為適應(yīng)高頻使用區(qū)域，城市環(huán)境中開始出現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在5G時(shí)代，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的混合只會(huì)越來(lái)越多，包括宏基站、微基站、一體化皮基站、皮基站甚至飛基站，所有這些基站都可能有自己的各種服務(wù)。這種無(wú)線接入多樣性的興起，源于更多空間組合的多樣化需求，例如辦公室、體育場(chǎng)館、私人場(chǎng)所、交通樞紐和大學(xué)/商業(yè)園區(qū)等。

典型的同構(gòu)基站無(wú)法滿足這些新興空間的需求，并且電信服務(wù)提供商（telcos）也不一定能在這些空間安裝蜂窩服務(wù)，因?yàn)槠渲性S多是私人擁有和運(yùn)營(yíng)的場(chǎng)所。因此，公共蜂窩電信系統(tǒng)無(wú)法覆蓋諸多私人空間，例如購(gòu)物中心、辦公大樓、工廠/倉(cāng)庫(kù)和工業(yè)環(huán)境（農(nóng)業(yè)、石油/天然氣、建筑和采礦）等。

Wi-Fi、以太網(wǎng)和4G LTE的局限性

現(xiàn)有的眾多通信解決方案可能無(wú)法滿足私有空間的所有傳統(tǒng)與新興要求。例如，以太網(wǎng)服務(wù)僅適用于物理連接的系統(tǒng)。雖然Wi-Fi無(wú)疑更具移動(dòng)性，新一代Wi-Fi設(shè)備（Wi-Fi 6e）不僅提高了移動(dòng)性，還擴(kuò)大了覆蓋范圍，但Wi-Fi依然飽受移動(dòng)性、延遲以及可靠性等問(wèn)題的困擾。

此外，Wi-Fi通信采用尚未得到許可的ISM頻段，因此勢(shì)必會(huì)受到其他服務(wù)的干擾，在一些重要應(yīng)用場(chǎng)景中，可靠性無(wú)法得到保證。4G LTE，與前幾代蜂窩通信一樣，主要采用設(shè)備對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的通信方式，無(wú)益于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。更有甚者，4G LTE標(biāo)準(zhǔn)甚至連盡量縮短延遲或確保可靠性的模式都沒有。

私有5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

私有5G網(wǎng)絡(luò)不僅有公共5G的全部?jī)?yōu)勢(shì)，還可以根據(jù)空間需求增加額外的功能和優(yōu)勢(shì)。盡管與其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)相比，5G標(biāo)準(zhǔn)通常有更出色的安全性、延遲、可靠性、帶寬/頻譜和移動(dòng)性，但還可以部署私有網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化某些功能以實(shí)現(xiàn)服務(wù)目標(biāo)。

安全性

盡管公共5G網(wǎng)絡(luò)可用于公共電信網(wǎng)絡(luò)和telco和/或ISP互聯(lián)網(wǎng)，但配置私有5G網(wǎng)絡(luò)可提供額外的選項(xiàng)或功能優(yōu)化。可以搭建私有5G網(wǎng)絡(luò)專門處理內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的加密流量。私有5G網(wǎng)絡(luò)中，還可以更改5G無(wú)線信號(hào)調(diào)制類型和加密，可設(shè)計(jì)為僅使用經(jīng)批準(zhǔn)/專門提供的5G設(shè)備。具有關(guān)鍵用途的運(yùn)營(yíng)（例如政府、工業(yè)或特定公司環(huán)境）不再使用公共接口，因此可確保完備的內(nèi)部安全。另外，還可以嚴(yán)密監(jiān)控私有5G網(wǎng)絡(luò)，確保快速識(shí)別和預(yù)防任何可疑活動(dòng)。一些私有5G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品聲稱，該網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)加密，經(jīng)認(rèn)證100%可信。

延遲

普通5G網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)用戶設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信，而私有5G網(wǎng)絡(luò)可配置為與同一場(chǎng)所內(nèi)的中央服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫(kù)直接通信。這樣可以大大降低與服務(wù)器的通信延遲，而且還可以優(yōu)化5G基礎(chǔ)設(shè)施硬件的布局，以盡量減少延遲，滿足需要此類性能的應(yīng)用的需求。在私有5G網(wǎng)絡(luò)中完全有可能實(shí)現(xiàn)亞毫秒級(jí)延遲，而對(duì)于4G LTE和Wi-Fi，即便是私有專網(wǎng)，通常也只能實(shí)現(xiàn)幾十毫秒延遲。

此外，如果目標(biāo)是盡量縮短延遲，那么5G標(biāo)準(zhǔn)還擁有可以減少通信開銷的功能。通常情況下，并非所有5G應(yīng)用都需要這些功能，但私有5G定制對(duì)某些應(yīng)用很有吸引力。

可用性/可靠性

許多私有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)就是可用性。使用公共蜂窩服務(wù)甚至私有Wi-Fi時(shí)，可用性無(wú)法得到保證，這通常是無(wú)法接受的。可用性沒有充分保證，許多關(guān)鍵應(yīng)用就無(wú)法使用，因?yàn)榘踩砸约皩?duì)關(guān)閉或新指令的響應(yīng)無(wú)法得到保證。5G URLLC具有六個(gè)九可靠性（99.9999%）的標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)，可提供以往只能通過(guò)有線通信解決方案實(shí)現(xiàn)的可靠性和正常運(yùn)行時(shí)間保證。

帶寬分配和服務(wù)質(zhì)量（QoS）

頻譜使用和帶寬分配通常對(duì)無(wú)線服務(wù)的效用有很大影響。例如，Wi-Fi僅依賴于頻譜2.4GHz、5GHz和6GHz部分的未授權(quán)ISM頻段。這些頻段本質(zhì)上有帶寬限制，并且必須與在這些頻率內(nèi)運(yùn)行的所有其他服務(wù)共享頻譜。4G LTE也僅限于sub-6 GHz頻段，該頻段頻譜擁塞和潛在干擾問(wèn)題嚴(yán)重。 對(duì)于5G New Radio（NR），授權(quán)和非授權(quán)頻譜可在sub-1GHz、sub-6GHz、24GHz至29 GHz、37GHz至43GHz內(nèi)。具體來(lái)說(shuō)，毫米波（mmWave）或“高”頻段頻譜中可能有數(shù)百兆赫的可用帶寬。由于毫米波范圍內(nèi)的高方向性和大氣損耗，共源甚至共享相同頻譜的服務(wù)的干擾也少得多。因此，與私有LTE裝置相比，5G可以通過(guò)其他增強(qiáng)的QoS指標(biāo)提供更可靠的服務(wù)。

移動(dòng)和通信類型多樣性

可用于5G服務(wù)的廣泛頻譜可實(shí)現(xiàn)多種潛在的服務(wù)組合，用戶無(wú)需在無(wú)線服務(wù)與更少的頻譜選項(xiàng)之間權(quán)衡。例如，對(duì)于距離極遠(yuǎn)但數(shù)據(jù)速率要求相對(duì)較低的地方，sub-1GHz 5G可用有限的基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋大片區(qū)域。而毫米波5G覆蓋的距離較短，但延遲更低、吞吐量更高。

5G支持的各種通信類型，包括面向人類和機(jī)器用戶的大規(guī)模多用戶多輸入多輸出（mMu-MIMO），能夠服務(wù)大量高速移動(dòng)或靜止的用戶。此外，新版的5G標(biāo)準(zhǔn)還支持機(jī)器類通信（低數(shù)據(jù)速率和低占空比），具有支持云服務(wù)所需的高數(shù)據(jù)速率和靈敏響應(yīng)服務(wù)，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí) (AR/VR) 培訓(xùn)或疑難解答。

搭建非公有5G網(wǎng)絡(luò)

私有5G網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的解決方案。5G硬件和配置的類型最終將取決于5G網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃用途和要求。幸運(yùn)的是，隨著5G網(wǎng)絡(luò)與日俱增，5G硬件解決方案提供商和私有網(wǎng)絡(luò)安裝商正在不斷擴(kuò)展其產(chǎn)品范圍與功能。私有5G網(wǎng)絡(luò)確實(shí)有一些通用指南，即網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)注意事項(xiàng)，說(shuō)明如何托管控制面功能以及如何托管用戶面功能。

搭建私有5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，作為私有IP網(wǎng)絡(luò)的一部分，網(wǎng)絡(luò)安裝的需求可能最為迫切。在這種情況下，私有5G網(wǎng)絡(luò)也可成為私有VPN的一部分，由通常使用的一般路由器和交換機(jī)提供支持。雖然5G網(wǎng)絡(luò)可能更需要低延遲和高可用性硬件，但一般IoT網(wǎng)絡(luò)也是如此。

對(duì)于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)而言，最好將5G RAN和O-RAN控制面元素放在盡可能靠近5G基站的位置，最好是集中在5G功能需求最大的地方。我們需要主機(jī)服務(wù)器、中間件和軟件來(lái)支持這些功能，并且這些設(shè)備最好符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便于監(jiān)控、維護(hù)和未來(lái)的改造。同樣，5G核心用戶面功能也可以放在至少與5G RAN控制面功能位于同一位置的服務(wù)器上。在某些情況下，用戶面/控制面功能可共享并節(jié)省服務(wù)器。如果還需要服務(wù)其他流量類型，則可以使用白盒來(lái)運(yùn)行用戶面功能。對(duì)于5G核心用戶面功能，若這些功能將支持大流量，則應(yīng)運(yùn)行在白盒上，因?yàn)轭~外增加容量更加有益，而且，這些服務(wù)將獲得更高的可用性和更低的延遲。

最后，需使用5G無(wú)線電收發(fā)器將5G基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)線連接到5G用戶或IoT設(shè)備（圖2）。從頭開始設(shè)計(jì)5G射頻硬件是一項(xiàng)昂貴且耗時(shí)的工作，需要匯集各種工程技術(shù)人才與設(shè)施。為設(shè)計(jì)和部署私有5G系統(tǒng)，可能需要一些軟件定制工作，但幸運(yùn)的是，具有通用高速數(shù)字接口的5G收發(fā)器硬件平臺(tái)可與O-RAN無(wú)線解決方案輕松集成（圖3）。5G原型設(shè)計(jì)平臺(tái)的范例之一就是采用ADRV9026-HB/PCBZ或ADRV9026-MB/PCBZ無(wú)線網(wǎng)卡的ADI ADRV9026評(píng)估板。該評(píng)估板中的無(wú)線網(wǎng)卡提供用于設(shè)備快速評(píng)估和開發(fā)的4x4收發(fā)器平臺(tái)。

圖2：完整的5G收發(fā)器信號(hào)鏈

（圖源：Analog Devices）

圖3：可重新綁定射頻前端的5G原型平臺(tái)

（圖源：Analog Devices）

結(jié)語(yǔ)

用于企業(yè)、政府和工業(yè)應(yīng)用的私有5G網(wǎng)絡(luò)即將迎來(lái)黎明時(shí)刻。除了之前無(wú)線通信技術(shù)可提供的網(wǎng)絡(luò)之外，私有5G網(wǎng)絡(luò)也可確保高安全性、低延遲、高可用性以及多樣化的無(wú)線服務(wù)。

關(guān)于貿(mào)澤電子

貿(mào)澤電子（Mouser Electronics）是一家全球授權(quán)半導(dǎo)體和電子元器件授權(quán)分銷商，服務(wù)全球廣大電子設(shè)計(jì)群體。貿(mào)澤電子原廠授權(quán)分銷近1,200家知名品牌，可訂購(gòu)數(shù)百萬(wàn)種在線產(chǎn)品，為客戶提供一站式采購(gòu)平臺(tái)，歡迎關(guān)注我們，獲取第一手的設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)資訊信息！