5G技術 AR VR FWA 智慧家庭 醫療健康 車聯網

基於CORE原則規畫布建 5G確定性網路發展突飛猛進

2020-06-15
2019年作為5G商用元年,全球有348家運營商投資5G網路。其中61家運營商已商用發布虛擬實境(VR)/擴增實境(AR)、固定無線接入(FWA)等面向消費者的5G服務,推動了5G消費者應用的快速發展。

 

而5G網路不僅能夠豐富個人生活,也作為平台技術為產業數位化帶來廣闊的空間,加速推動各產業的數位化轉型。

產業數位化浪潮加速到來

據Keystone Strategy & Huawei SPO Lab的研究分析,產業數位化領域投資逐年穩步成長。預計2025年全球與ICT相關的產業數位化收入將達到4.7兆美元,所涉及的10個主要產業是:製造/供應鏈、智慧城市、能源/公用事業、AR/VR、智慧家庭、醫療健康、智慧農業、智慧零售、車聯網和無人機。其中,5G相關的市場總空間超過1.6兆美元,而運營商可參與的部分占比超過50%達到8,400億美元。

上兆規模產業數位化到來 5G消費者應用快速發展

在5G產業鏈中,運營商以先進的通訊及連接技術為錨點,並根據自己的策略和資源稟賦承擔各種不同的角色和更多的責任。運營商可提供的服務從連接基礎設施、連接服務到數位化平台,甚至是產業應用相關的服務。到2025年,運營商5G消費者市場空間將平緩成長至2,380億美元。而5G相關2B產業數位化的總規模則將超過6,000億美元,其中包含產業連接機會2,320億美元,及非連接的應用部分市場空間3,700億美元(圖1)。

圖1  2025年全球ICT投資市場規模預測
資料來源:Keystone Strategy & Huawei SPO Lab

與消費者市場不同,產業市場中的產業鏈合作夥伴基於不同的分工和角色,其價值獲取的範圍各不相同。以無人機產業為例,網路連接部分作為基礎及使能創新的關鍵部件,市場空間占比為11%。而其所支撐的資料收集、資料管理、安全儲存和分析服務等這些連接之上的平台與服務,價值空間占比達到53%,遠超連接部分(圖2)。

圖2  無人機市場價值鏈分析
資料來源:Keystone Strategy & Huawei SPO Lab

基於這個參考模型,運營商可選擇不同的活動範圍參與價值鏈的分配(表1)。

* 傳統運營商:提供無差別的連接基礎設施,重點參與11%的連接市場;

* 智慧管道運營商:提供差異化連接、特定數位化產品及服務,參與比例14~27%;

* 綜合服務提供者:全面提供基礎設施、網路連接、及相關數位化服務,參與範圍從23~34%不等。

聯合調研資料顯示,智慧管道運營商的資本回報率普遍高於業界均值12.7%,達到15%;營業利潤率同樣高於業界均值15.6%,達到16.4%。

5G產業數位化構建3+4+X應用體系

在產業數位化浪潮中,千行百業都在積極探索5G,並將5G作為產業數位化的重要工具。其中,中國運營商及產業合作夥伴對5G產業的探索走在了世界前列。2019年由中國工業和資訊化部指導的「綻放杯」5G應用大賽中,參賽作品覆蓋10多個產業總計3,731個,涉及智慧化生活、數位化治理、產業數位化3類應用方向。智慧化生活方面,集中在沉浸式體驗以及新的生活和工作方式的創新;數位化治理類應用關注社會治理能力和效率的提升;產業數位化的焦點是各產業如何與5G深度融合發揮裂變效應,如何完成產業數位化轉型實現企業的新成長(圖3)。

圖3  「綻放杯」三類5G創新應用
資料來源:CAICT

在這3類應用方向中,5G產業場景逐步收斂為4+X,即四類通用場景及其衍生出的X類創新產業應用。 

「5G+產業」創新率先發生在具有「大頻寬/低延遲+環境惡劣/戶外+移動性要求+部署快捷」特點的典型場景。4K/8K超高解析度影像、VR/AR、機器人、無人機/車/船四大類通用應用正逐步成為各個產業應用的重要元件。其中,4K/8K超高解析度影像場景可進一步分解為超高解析度影像娛樂場景和超高解析度影像監控場景;機器人包括無人搬運車(AGV)場景;無人機/車/船可進一步分解為無人機場景和遠端控制場景(含車、船等各類遠程控制載體)。

其中,每一個通用應用均可促進多類創新產業應用,如無人機可用於物流快遞、農藥噴灑、土地勘測、鐳射測繪、直播影像回傳等多種場景。同時,一個產業也會調用多個通用應用,如智慧港口調用智慧監控部署於港口園區、調用VR應用於設備維修、調用遠端操作控制起重機、調用AGV解決貨櫃運輸效率。共同推進通用型應用在技術、商業和生態方面的快速成熟,是運營商和合作夥伴優化創新投入、縮短創新週期,加快5G創新步伐的有效手段(圖4)。

圖4  4+X產業應用場景
資料來源:CAICT

5G應用到工業、醫療、教育、港口、電力等領域,還將產生X類創新型產業應用。5G正在越來越大的範圍、愈來愈深的層次參與千行百業數位化轉型實踐。

基於全球10個產業的調研和分析,5G作為平台技術給各個產業數位化轉型帶來廣闊的市場空間。各產業中,連接服務的占比從10~24%不等。且連接份額較高的智慧城市、能源與公用事業、汽車、製造/供應鏈等產業應用也均更為成熟,產業數位化轉型的意願更強烈(圖5)。

圖5  2025年5G使能的產業ICT投資預測
資料來源:Huawei CLab & SPO Lab

差異化/專屬/可自訂 產業數位化網路三訴求

綜合10多個產業100+應用場景的解析和實踐,產業數位化對5G網路的訴求可收斂為3個維度,即能力可編排的差異化(Differentiated)網路,資料安全有保障的專屬(Dedicated)網路,以及自主管理可自助服務的DIY網路。

差異化網路是產業數位化的關鍵訴求。不同於公眾用戶One-Size-Fits-All的普遍需求,產業應用的需求天然是千差萬別、多維度的。比如遠端抄表,需要的網路連接很多,對頻寬和延遲並不敏感;而遠端醫療、自動駕駛等業務對網路的確定性低延遲、安全可靠提出更高的要求,甚至要達到6個9,每年的故障時間只有幾秒鐘。5G為產業數位化打開想像空間,源於5G可以提供多維度的有體驗保證的網路能力。

專屬網路保證資料安全隔離和資料隱私的保護,是產業應用的普遍要求。對於工業互聯網、智慧電網等產業,網路安全、分權分域管理、資源的隔離、資料及訊令的保護,是這類嚴苛類產業應用場景基本的要求。使用者資料以及業務資料不出園區,要求做到公網專用,是產業應用的共性需求。

可DIY的自助網路,是產業敏捷創新不可或缺的部分。回應快速變化的業務需求,產業用戶希望自訂、按需設計、DIY自己的網路。以園區物聯網場景為例,客戶希望可以自主完成物聯網路服務能力的編排/調度/管理,靈活的組網並部署創新應用,隨時添加或刪除設備(圖6)。

圖6  產業數位化對網路SLA的3D要求
資料來源:Huawei CLab & CAICT

基於這三個維度構築確定性能力的網路,就是運營商推動各產業在5G時代實現數位化轉型的核心資產,也就是5G確定性網路(5G Deterministic Networking, 5GDN)。5GDN所能夠提供的差異化程度越高、越靈活,則5G網路就能夠被應用於更多的潛在市場;5GDN可達到的SLA確定性越強,則可以進入更高端、潛在收入空間更大的細分市場(如工業自動化)。

5G確定性網路實現要素

5G確定性網路是指利用5G網路資源打造可預期、可規畫、可驗證,有確定性能力的行動專網,提供差異化的業務體驗。

「CORE」為核心價值 5G確定性網路構建

5G之前的行動寬頻MBB網路是一個「盡力而為」的網路。而相對應的,固定網路的專線則有明確的SLA要求。相同頻寬的企業專線與個人或家庭套餐相比,除了頻寬需要獲得保障外,更重要的是其安全可靠、業務可用性、專業服務等必須具有明確的SLA等級保障。在更為嚴格的工業互聯網中,IEEE定義了TSN標準,隨後IETF成立與DetNet工作組來進一步研究工業自動化、場景下的確定性通訊路徑問題(表2)。

行動網路與固定網路存在這樣對SLA保障的差異的原因是由於行動通訊網路整體由「無線接入網(RAN)+傳輸網(TN)+核心網(CN)」三部分組成。這三個環節中,無線接入網先天存在環境開放易干擾、資源稀缺性導致的部分不可預期性,使實現確定性具有挑戰。而核心網由於能夠瞭解整個網路拓撲並對全域資源進行調度;能夠提供網路服務的編排、調度和管理;能夠基於業務感知提供業務應用與管道的確定性體驗(含延遲),因此可以從一定程度上輔助無線接入網提升確定性能力。因此可以說核心網是5GDN甚至整個5G時代真正的核心。運營商可以基於「CORE」四要素的能力來進行規畫和建設,提升網路確定性。

・全雲化(Cloud Native)

Cloud Native是所有方案的基石。與傳統產業市場「專線專用」不同,Cloud Native的5G移動網路可以基於移動性「變專線為專網」,基於雲化靈活的資源可編排性帶來的「虛擬化專線網」。而Cloud Native所提供的微服務、容器等技術使得整個網路更具有可靠性、靈活性,業務部署更敏捷。例如,專線業務需要有具體的可靠性SLA保障。在傳統網路中,可靠性極大地依賴於對硬體資源的獨占。但在全雲化的系統中,運營商可以通過「主機組硬體(HA)隔離」、「虛擬資源池(VDC或VPC)隔離」、「網路切片隔離」、「共用資源」等多級多種方式對SLA進行差異化的定義及動態的調整。

其次,雲化的基礎設施也是5G確定性網路的重要組成部分。由於產業場景的部署環境可能比較複雜,對功能和性能也有產業獨特的要求。因此傳統的產業網路往往採用專用硬體和專用協定堆疊。但專用方案不具備通用和可擴展性,成本往往很高。因此5GDN需要採用雲化的基礎設施來應對部署環境及上層應用的多樣性,實現5G網路一網多用。

・全融合(One Core)

5G確定性網路中不可避免的會涉及到原有的2/3/4G終端和業務,5GDN必須是能夠支援所有接入制式的全融合網路。此外,由於部分產業應用中對於語音及簡訊類業務有著很高的依賴性,因此全融合的語音網路以及高效的語音編解碼能力也非常重要。

・全自動(Real-time Operation)

動態網路切片作為5GDN的主要呈現方式之一需要整個網路的部署、開通、運維等具備極高的自動化能力。運營商在傳統網路中的工單式流程模式已經不能滿足產業業務的高效開展,因此必須通過Portal方式將相應的自主權交給產業客戶。每個產業使用者通過網上商城模式客製並購買所需要的切片,隨後通過一鍵式開通,遠端監控運維的模式對切片網路自行管理。例如對重大事件的影像直播業務,媒體公司無需提前布線,只要提前在運營商門戶網站對特定區域特定時間內購買切片資源,就可以在現場進行採訪、拍攝,並通過5G網路高效的將影像傳送到導播系統。

・全業務(Edge Computing)

最後,5GDN需要採用MEC邊緣部署的能力為企業產業提供差異化連接及SLA保障。運營商還可以進一步在MEC的高性能連接能力基礎上,針對各產業存在的差異化業務需求及SLA需求提供各類「連接+」的能力。例如針對媒體直播類提供「連接+影像渲染」能力,針對製造產業提供「連接+機器視覺」能力,針對智慧交通提供「連接+車隊管理」能力等。

為了實現「CORE」的架構與功能,需要從3GPP標準與運營商網路規畫兩方面入手。3GPP標準提供基本的確定性能力。而網路規畫節奏與方案則是關鍵,需要按照場景逐步推進,並構建起靈活敏捷的5G確定性網路能力。

5GDN發展穩步前行  3GPP標準制定不停歇

3GPP在定義5G之前就對相關產業的需求進行了分析,引入若干關鍵技術與業務來補充5GS的參考架構,並在R16中明確提出支援TSC延遲敏感通訊,提供確定性通訊能力(表3)。

首先在架構上,5G提供了網路切片(R15定義架構,R16實現)將同一張移動網路隔離為不同的虛擬網路,並在各切片中提供不同業務所需的差異化SLA及各切片之間的安全隔離性。切片的邏輯框架由RAN+TN+CN共同構成,由網路切片管理功能(NSMF)進行端到端管理。但考慮到不同領域實現切片的難度和必要性各有不同,又可以由各領域網路切片子網管理功能(NSSMF)對切片進行分段設計。其中由於核心網是業務交互的集中點,更需要儘早部署網路切片。此外,貼近業務本地部署的MEC(R15)的引入,則進一步強化和保障了各切片中低延遲的可獲得性(圖7)。

圖7  網路切片架構

其次在確定性通訊業務功能上,3GPP也通過R15、R16及後續的R17版本逐步定義和增強。R15中3GPP以5G 5QI為基礎框架,配合空口更小的調度單位和週期、uRLLC高優先順序搶占、以及上行免調度降低延遲等關鍵技術,實現了對E2E低延遲和大頻寬的基本支援。隨後R16 uRLLC專案中通過冗餘傳輸特性,提供了E2E對傳輸可靠的確定性保障。同時R16中引入TSN機制,進一步加強對延遲抖動和可靠性的保障能力,從而可以為工業控制為代表的典型場景提供確定性通訊服務。R17版本中3GPP繼續通過IIoT特性引入UE-UE模式確定性能力,以此拓展支援智慧電網等更廣泛的2B應用場景,並能為垂直產業開放5G確定性能力,提供確定性通訊服務(圖8)。

圖8  5GS中對TSN的支援

此外,針對企業網路或工業乙太互聯網,5GS從R16中引入對5G-LAN模式的支援,極大的加強了5G在企業、產業等場景的實用性。

但僅採用3GPP的功能組合,所提供的確定性能力只是基本的、靜態的,僅用以支援特定場景所需要的各種SLA組合。 但是如何在有限網路資源的前提下更為有效的支援豐富場景中各不相同的SLA,支援業務中各類動態調整、潛在的突發情況,就需要通過運營商的網路部署規畫和完善的商業產品解決方案來解決。此外,即使業務所需的性能SLA與業務功能相同,但面對不同的安全、管理需求,對於5G確定性網路來說也會有極大的區別。

5G確定性網路部署四步驟

從目前階段來看,5G確定性網路的部署不會是一蹴而就。而且全球運營商的5G部署尚處在早期,無法支援5GDN進行大範圍廣覆蓋部署。因此運營商需要選擇合適的產業與場景並結合自身的網路規畫節奏作為5GDN早期的切入點。

首先,由於5G基礎網路目前覆蓋尚不完整,因此可以結合MEC對5GDN進行區域化的部署。例如企業園區、港口碼頭等獨立性較強的區域可以作為優先選擇。

在應用場景上,5GDN應該選擇3GPP標準相對成熟,且與運營商的連接管道能力強相關的產業。例如娛樂影像、媒體直播等。而工業場景中與影像結合度較高的機器視覺也是一個很好的早期場景。

從另一方面看,產業本身也可以選擇5GDN的部署節奏,部分對SLA確定性要求較高的產業可優先選擇部署。以電力產業為例,其本身迫切需要數位化轉型,且電力網路應用場景天然要求高度隔離、支援確定性延遲,因此也是當前進行5GDN部署的優選目標(圖9)。

圖9  5GDN部署階段計畫

5G確定性網路蔓延全球

2019年5G確定性網路在全球各區域均開展了廣泛的試點部署。特別在中國市場上,由運營商、產業廠商和電信設備提供商一起在很多領域都進行非常深入的合作研究並獲得了顯著的成果。這些成果一方面論證了5GDN技術在部分產業已經具備了部署應用的條件,另一方面也展示出了方案所能夠帶來的商業價值。以下重點介紹5GDN在智慧港口、智慧電網、智慧製造、AR/VR產業的應用(表4)。

5GDN@智慧港口

港口是實現海陸物流輸送的樞紐,世界貿易總額的2/3經過港口。全球海洋港口數量800+,其中Top 10有7個在中國。預計到2025年,全球港口每年5G通訊服務空間可達24億美金;國內港口每年5G通訊服務空間可達7億美金。以對產業升級最為迫切的起重機遠端控制為例,作為港口運營的關鍵業務,對於通訊和控制網路有著嚴格的要求,傳統的港口網路解決方有一定局限性。面向產業的5G專屬、差異化網路、可自訂等特性也為港口提供了一種新的選擇可能:

1、遠端操控員通過傳回到控制中心的多路影像,對起重機實施遠端控制,需要差異化網路滿足高上行頻寬(當前單台起重機需要約35Mbps上行頻寬,後期會持續優化降低)、穩定的低延遲;

2、起重機運行資料是港口的關鍵資料,需要專屬網路保證資料隔離,實現資料不出港口;

3、當前港口通訊和控制網路存在調測和開通週期長,網路運行情況無法追蹤等問題,需要可DIY的自助網路,以回應快速變化的業務需求以及滿足網路監測的便利性。

綜合來看,港口需要實現的智慧化首要場景是遠端控制,其他場景包括IGV通訊、影像監控、機器人/無人機巡檢等。

為了滿足港口業主方對於網路的嚴格需求,運營商在為港口部署網路的時候需要採用新的部署和服務架構,逐步實現「CORE」的網路價值,為港口數位化轉型保駕護航。運營商部署Cloud Native的5G行動網路,可以分配專用資源,定制針對起重機遠端控制訊號的SLA;部署MEC邊緣,使得起重機的控制訊號延遲滿足PLC控制的穩定性要求,真正使得起重機遠端控制具備商用條件,同時滿足港口業主方資料不出園區的要求。

5GDN@智慧電網

自愛迪生用1,000盞電燈點亮門羅公園開始,持續穩定的電力供應就成為整個工業經濟最重要的基礎設施服務。在數位經濟的浪潮中,電網同樣面臨著數位化、網路化、智慧化轉型的挑戰,能源互聯網、泛在電力物聯網等電力產業轉型升級戰略應運而生。

基於電流走向,電網業務可以分為發電、輸電、變電、配電、用電5大主要環節,其中對應發電、輸電、變電的電力通訊網稱為骨幹通訊網,在中國已實現光纖專網的全面覆蓋;對應配電及用電的電力通訊網稱為終端接入網,具有點多面廣、全程全域全覆蓋的特徵,而傳統光纖專網的建設成本高、業務開通時間長,在橋樑、高架等特殊地形場景下有較大局限性,無法滿足廣域的泛在接入需求,決定了目前仍存在相當大的覆蓋盲區,存在電力業務因為通訊網路產生瓶頸的問題;同時變電站機器人巡檢、輸配電線路無人機巡檢等移動性場景也對無線通訊有著剛性需求,因此智慧配用電網亟需泛在、靈活、經濟、可靠的無線通訊技術使能。 5GDN基於網路切片技術可以虛擬出一個「無線專網」,進行更高強度的安全隔離,客製化按需分配資源;基於5GMEC、5G TSN等技術則可以實現更低延遲和更確定性的連接,從而能夠作為現有電力通訊專網的有效補充,解決智慧配電網及智慧巡檢等無線通訊業務的瓶頸問題。

以配網差動保護場景為例,5GDN的差異化網路能力可滿足超低延遲抖動、超高授時精度和可靠性需求。5GDN的專屬網路能力服務可以滿足電力準虛擬專網的嚴格安全隔離需求。同時,5GDN的自助網路能力可以通過北向API能力開放,滿足電力客戶對於切片KPI視覺化、切片內用戶管理等一定許可權的自運維自管理需求。因此,基於5G確定性網路的配網差動保護解決方案,在滿足電力產業高安全高隔離的前提下,能夠提供更加高效靈活的接入方案,相比傳統光纖可有效節省部署成本,並大幅提升業務開通效率。

5GDN@智慧製造

新一輪的科技革命以來,全球製造業呈現出智慧化、柔性化、服務化、高端化等發展趨勢。智慧製造對高性能、具有靈活組網能力的無線網路需求日益迫切。5G網路將為智慧製造生產系統提供多樣化和高品質的通訊保障,促進各個環節海量資訊的融合貫通。預計2025年5G在智慧製造領域的市場空間將達到2,320億美元。

傳統模式下,製造商大多依靠有線技術來連接生產設施。目前固定線路在工業互聯網中仍占主導。但相對於有線網路,無線技術更適合複雜的製造環境,並降低線路升級需要花費的成本。近年來Wi-Fi、藍牙等短距無線通訊技術都在製造業中有所應用。但基於其盡力而為的傳輸機制,存在延遲、丟包等問題,在時間敏感型場景無法使用,且存在資料孤島、安全風險等問題。所以,製造業本身自發驅動了對無線網路的確定性需求,要求網路具備高可靠、低延遲和安全性等一系列的條件,促使其在工廠場景的落地。

智慧製造的場景包括機器視覺、AR協作、遠端控制、雲化AGV等。例如,機器視覺作為智慧製造的典型場景,需要上行頻寬超過50Mbps甚至200Mbps,端到端通訊延遲小於10ms,可靠性要求大於99.9999%,這些都能通過5GDN的差異化網路能力得到滿足。同時,5GDN提供機器視覺場景所需的LAN組網服務,以及專屬網路能力服務保證工業企業資料的安全,並通過自助網路能力實現靈活運維和敏捷自管理。因此,基於5G確定性網路的機器視覺解決方案,能實現5GDN雲化控制、演算法自優化、企業資料不出園區的安全性保障,並突破傳統機器視覺的成本高、效率上限和品質不穩定等瓶頸,讓投資成本大幅節約,作業效率明顯提升。


・5GDN@AR/VR

隨著AR/VR技術的發展,當前諸多產業市場將被顛覆和重新定義,包括遊戲娛樂、影像直播、教育培訓、戶外廣告等。而當5G作為基礎平台技術,和AR/VR技術相融合後能催生出種類豐富的擴增實境和虛擬實境應用。預計2025年由5G技術使能的AR/VR產業空間將達1,370億美金。

AR/VR終端設備的輕量化發展、AR/VR應用的渲染密集程度的提高、以及AR/VR應用智慧化因素的增多,要求AR/VR計算能力上移。同時AR/VR應用的沉浸式體驗要求低延遲(總延遲低於20ms時,體驗最佳)、高頻寬(5G流媒體頻寬高於100M)。而傳統有線網路面臨組網複雜、週期長、Wi-Fi連接不穩定、移動性差、雲化AR互動延遲太大等挑戰。基於此,未來AR/VR應用場景中,5GDN將是滿足市場需求的關鍵解決方案。

VR全景影像直播業務,整個過程包括影像採集、影像拼接、投影、編碼、分發及解碼環節,基於5GDN,使用VR直播專屬切片,VR影像採集端將多路畫面上傳至MEC節點,進行多錄影像拼接成全景畫面,然後投影處理進行編碼分發,使用者通過羽量級終端實現身臨其境的觀看體驗。基於5GDN的VR直播已在央視春晚、咪咕音樂會、CBA總決賽、重慶國際馬拉松等活動中成功應用。

AR互動應用中,即時性要求和位置識別能力至關重要。將攝影機拍攝到的真實場景,上傳到就近MEC節點,進行畫面識別,即時關聯出相應內容疊加到真實場景中,實現擴增實境沉浸式體驗。這一應用可廣泛用於AR教育、科技文旅、戶外廣告等產業。目前已成功用於深圳機場智慧廣告螢幕、世園會大型AR互動科技文旅、海爾智慧工廠AR協作等應用。

促進產業數位化轉型 5GDN發揮網路連接價值

對於電信產業而言,5G帶來的變化與機遇是前所未有的。是否能夠抓住產業數位化轉型的市場機會,是電信運營商突破成長瓶頸的關鍵動作。而對產業來說,5G所帶來的強大連接能力也是產業提升自身效率,進一步提升競爭力的契機。其中,5GDN說明運營商充分發揮網路連接的價值,促進產業數位化轉型,是電信運營商和產業市場之間的紐帶。從技術上來看,3GPP已經定義了5GDN的基本框架及確定性能力相關的功能,後續也將隨著新的R17版本繼續深化。在實際部署上則需要各方進一步聯合探索、逐步推進,真正將「CORE」的能力發揮出來,形成差異化的、專屬的、可DIY的5G確定性網路。

(本文由華為提供)

 

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