5G專網的三大部署攻略

新一代的制造模式，例如工業自動化，通常伴隨著嚴苛的服務質量（QoS）要求，不論是工廠的制造流程，或是廠房內部使用的通訊系統，都要遵守業界規范。因此，制造商對無線通信業者寄予厚望，亟需具備超高可靠性、網絡備援、進階安全功能與全年高效運轉的網絡服務。

然而，運用現有的公用網絡基礎設施，要確保維持電信商用等級的服務質量，實非易事。因此，電信服務業者的企業用戶陸續開始轉向私人專網帶來的全新機會。

5G網絡技術具備性能與架構設計的優勢，勢必成為新一代（無線）專網的關鍵推手，但其實還有其他的競爭對手。新一代的Wi-Fi網絡，例如Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）與即將推出的Wi-Fi 7（IEEE 802.11be）無線網絡標準，持續跟緊5G步伐升級效能，不僅提升數據傳輸率，更把延遲、時間同步誤差與可靠度納入考慮。本文仔細衡量上述兩項網絡技術的優缺，并為了提前部署無線通信專網，統整出三大攻略。

不僅如此，在網絡架構的另一端，一段全新發展甚至是革命正在展開。常規的行動網絡終端裝置，尤其是其內建的芯片組，有可能會被可依照企業用戶個別需求與業務考慮進行量身訂制的芯片與裝置取代。一直以來，通訊網絡市場僅由少數幾家芯片廠商把持，這會是吸引不同業者進軍的契機嗎？

攻略一：基于電信商公用網絡設施的5G專網部署
行動網絡業者（mobile network operator）在競標5G頻譜的時候，通常目標是盡可能地擴大各自的網絡服務范圍。因此，他們具備一定的優勢來滿足企業用戶部署專網的需求，包含網絡切片、虛擬化，以及開放租用5G基礎設施以提供非公用網絡（non-public network）服務。


 
圖一 : 5G非公用網絡（non-public network）服務架構示意。

關鍵技術：網絡切片
5G網絡特別適合用來支持企業專網應用。5G技術具備多項特點，像是網絡切片技術。行動網絡業者把從公用網絡分割出來的「網絡切片」，作為獨立且供私人使用的子網，專門分配給單一（企業）用戶，還能進行客制化，設定所需的帶寬、延遲與服務質量等。

這種部署策略能夠創造雙贏局面。對電信商而言的優勢顯而易見，企業應用案例不僅建立在其（現有）的基礎設施上，還能導入自家專業技術與所屬頻段，另提供語音、寬帶網絡或是托管服務。同時，企業也能從中獲益良多，因為他們就可以不必投資那些昂貴設備，像是無線電接取與核心網絡，也不用親自處理架設與管理私人5G專網的繁復工作。

這套作法乍看似乎萬無一失，但其實也有一體兩面。最要緊的是，企業最終必須把具時效性且與關鍵業務或任務有關的數據傳送到他人所有且無法親自控制的網絡上，這不僅帶來資安風險，還可能延長訊號傳輸時間。

其他替代方案
盡管「專網即服務（private networks-as-a-service）」的商業模式有其潛在弱點，但卻很適合那些位在某電信商現有5G網絡服務范圍內，又幾乎毫無部署與管理行動網絡經驗的企業使用。

除了網絡切片，還有一套5G專網的替代部署方案，同樣建立在行動網絡業者的公用網絡基礎設施上。不同的是，企業可以選擇只用電信商的無線電存取設備，隨后立刻將所有數據流量連接到企業網絡上，如此就能避免資安漏洞。電信商一樣會負責所有部署安排，包含啟用網絡、支持SIM卡、網絡管理等，但是所有數據仍由企業用戶直接控管。

企業甚至可以進一步考慮單獨選用電信商的無線電塔，也就是整個網絡架構中最昂貴的硬設備，進行客制化部署后，就能獨立管理與運營自己的專網。最后，企業還能選擇自行建置5G專網，與當地行動網絡業者協商取得專用頻譜。

換言之，要借助公用網絡業者的專業技術與基礎設施來建立5G專網有不同的部署模式，多半取決于企業愿意投入多少成本，還有是否具備（行動）網絡架設與管理的專業知識。

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

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）上組合與運作網絡的主要功能，還能結合管理系統。需要擴充網絡容量或功能時，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法避免，例如安裝天線，另外，用戶終端設備也必須內建最先進的芯片組，才能支持5G網絡進行高速編譯碼與實現超可靠低延遲通訊標準（URLLC）的功能。

目前5G芯片組的生產還在起步階段，現有產品都是依據3GPP R16標準開發的預備商用化研發成果，能夠支持URLLC標準的功能有限。這也不禁引發猜想，究竟5G終端設備市場會如何發展？是一貫落入少數幾家芯片廠商的手中嗎？但他們的優先考慮或許并非開發符合URLLC標準的客制化芯片組。那么，這是不是其他廠商進駐市場的良機？他們可以趁機著手研發鎖定企業用戶專業市場的5G無線調制解調器芯片。

歐盟于今年2月發布的《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，局勢可能在數月甚至數月內反轉，開啟全新局面。

攻略二：設置獨立組網架構的5G專網
采用電信商的公用網絡基礎設施可能導致資安漏洞與延遲問題，因此不少組織偏好設置獨立組網（standalone）的5G專網，像是5G工業聯網自動化聯盟（5G-ACIA）。這些獨立專網可以與電信商的公用網絡系統完全分隔并單獨運作。

5G小型基地臺的愿景
5G獨立專網適合布建在港口、大型工業園區，或是任何其他地方，只要有企業愿意互相合作，與專業的或具備競爭優勢的網絡服務商簽約來進行專網部署與管理。

公網與專網必須面臨相同的硬件挑戰，都與電信商有關，主要是用戶終端設備問題。不過公網主要采用大型基地臺來覆蓋戶外的網絡使用區域，而專網特別采用小型基地臺的新興技術。

小型基地臺的設計目的是提供網絡服務至戶外小型區域與室內場地，與傳統的無線基地站相較，不僅更方便部署，還能降低成本。通常會結合與ORAN兼容的網絡技術，這樣就能彈性配置與配對不同廠商提供的無線電存取設備與軟件，只要使用標準化的開放式接口，就能確?；ネㄟ\作。

因此，在針對企業關鍵業務與關鍵任務的聯機需求而部署行動網絡時，必須達到成本效益。然而，要施行這套部署方案有個前提，就是網絡服務商必須成功取得用來部署當地專網的5G頻譜，但目前全球僅有少數國家釋出這類頻譜。


 
圖二 : 小型基地臺的設計目的是提供網絡服務至戶外小型區域與室內場地。

校園5G專網的頻譜規劃：法規限制
目前，全球多數國家的5G頻譜競標都著重在全國各地的網絡部署，幾乎沒有預留任何頻段給5G區域專網使用，所以目前的校園網絡部署案例多半是理論實驗，只有德國是例外，該國為了校園專網應用釋出了100MHz的3.70GHz~3.8GHz頻段。其他還正在觀望是否跟進的國家包含澳洲、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絡部署
談到啟用專網服務時，5G產業全都押注在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%。

換句話說，Wi-Fi具備一定優勢，尤其是在室內網絡應用。一方面，Wi-Fi網絡的安裝比行動網絡還要簡便、快速，成本也更低。另一方面，Wi-Fi網絡（IEEE 802.11）還有兼容性優勢，能與以太網絡（IEEE 802.3）相連，后者為企業熟知，而上述兩者被歸在同一網絡標準系列。

5G與Wi-Fi的差異
5G與Wi-Fi的技術相似，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標準相似的網絡效能。

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

不過，既然無線頻譜適用于不同的網絡技術，那么把某些頻段分給Wi-Fi技術使用也是可行，這就和配合5G專網應用而釋出該地區的部分頻譜一樣。如此一來，Wi-Fi網絡就能不再受限于那些嚴苛規則。

實際上，Wi-Fi與5G爭奪頻譜的劇情已經上演。一方面，5G R16標準就開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，已經踏入6GHz頻段，比起目前開放給校園使用的100MHz專網頻段，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，就算是在支持專網的應用領域。行動網絡像是5G受惠于其廣泛的覆蓋范圍，在戶外網絡部署略占優勢，而Wi-Fi順勢導入室內網絡應用。



 
圖三 : Wi-Fi版本的技術演進表。

Wi-Fi硬件：向下兼容性議題與商機
對Wi-Fi而言，包含無線電終端設備在內的所有硬件設計都越來越復雜。在開發一般消費市場的Wi-Fi存取裝置時，設計人員必須確保裝置能與歷來所有的Wi-Fi標準向下兼容，這使得新一代Wi-Fi芯片的研發工作更趨繁瑣，成本高昂。

然而，在鎖定企業用戶的專業市場，向下兼容性并非必需。這反而開啟了全新的藍海市場，有興趣進駐的業者可以開發優化性能的終端裝置，而有意購買客制化與高效能產品的消費者也能滿足個別企業需求。

（本文作者Ingrid Moerman、Jeroen Hoebek與Dries Naudts任職于imec網絡技術與資料科學實驗室（IDLab），為設于比利時根特大學與安特衛普大學的研究團隊；編譯／吳雅婷）