為滿足公共安全、工業自動化和基礎設施的關鍵要求，私有5G網絡應運而生。這些非公共無線網絡將為企業、私人場所和政府用戶提供基礎設施，從而優化和重新定義在當今以太網、4G LTE和Wi-Fi網絡限制下無法實現的流程。本文將詳細介紹搭建私有5G網絡的優勢和復雜性。

5G初探

5G是下一代蜂窩電信。它在許多方面已經擴展了蜂窩電信的應用和可行性，遠遠超出了前幾代的使用范圍。早期的蜂窩系統主要用于一個手機用戶通過短信或語音與另一個手機用戶進行通信。而5G的設計理念是，上述通信方式只是為數不多的其中一種，甚至可能不是最重要的電信支持形式。

三種主要的5G應用場景/模式

在4G LTE時代，圖像與視頻消息、流媒體以及一般互聯網通信迅速成為該服務的高數據速率用途。到了5G，這些形式的數據流量預計要擴大很多倍。另外，移動用戶設備還普遍需要更快、更可靠、響應更迅捷的數據服務。這些參數是5G三個主要應用場景之一，增強型移動寬帶（eMMB）的主要屬性（圖1)。eMMB的骨干網通常能夠提供高數據速率，更快速地訪問高速數據，同時服務數百名用戶，甚至在繁忙都市以外的地區也是如此。

超可靠的低延遲通信（URLLC）是5G的另一個關鍵應用場景。這種5G模式旨在提供極低延遲的響應，以更好地輔助不希望延遲或延遲有危險的應用，例如自動機器、車對車（V2V）和車對基礎設施（V2I）通信。無論是從人類用戶的角度，還是從機器的角度，URLLC 5G的另一面都是對可靠性的期望。5G的目標是讓無線通信服務獲得類似于有線通信的可靠性和確定性。

最后，也是5G在私有設施中重要的潛在用途之一，是海量機器類通信（mMTC）。有了mMTC 5G，機器將與眾多要求各異的數據有效載荷互相通信，且5G應支持這些各式各樣的通信方式。5G的這種應用旨在使機器能夠有效地進行通信，而無需依賴可能需要點對點（P2P）甚至網狀網絡功能的集中式基礎設施。

同構與異構5G部署對比

前幾代蜂窩通信選擇了同構“蜂窩”拓撲。隨著4G LTE的發展，這種情況發生了變化，為適應高頻使用區域，城市環境中開始出現異構網絡。在5G時代，異構網絡的混合只會越來越多，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。這種無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、體育場館、私人場所、交通樞紐和大學/商業園區等。

典型的同構基站無法滿足這些新興空間的需求，并且電信服務提供商（telcos）也不一定能在這些空間安裝蜂窩服務，因為其中許多是私人擁有和運營的場所。因此，公共蜂窩電信系統無法覆蓋諸多私人空間，例如購物中心、辦公大樓、工廠/倉庫和工業環境（農業、石油/天然氣、建筑和采礦）等。

Wi-Fi、以太網和4G LTE的局限性

現有的眾多通信解決方案可能無法滿足私有空間的所有傳統與新興要求。例如，以太網服務僅適用于物理連接的系統。雖然Wi-Fi無疑更具移動性，新一代Wi-Fi設備（Wi-Fi 6e）不僅提高了移動性，還擴大了覆蓋范圍，但Wi-Fi依然飽受移動性、延遲以及可靠性等問題的困擾。

此外，Wi-Fi通信采用尚未得到許可的ISM頻段，因此勢必會受到其他服務的干擾，在一些重要應用場景中，可靠性無法得到保證。4G LTE，與前幾代蜂窩通信一樣，主要采用設備對基礎設施的通信方式，無益于點對點通信。更有甚者，4G LTE標準甚至連盡量縮短延遲或確保可靠性的模式都沒有。

私有5G網絡的優勢

私有5G網絡不僅有公共5G的全部優勢，還可以根據空間需求增加額外的功能和優勢。盡管與其他無線標準相比，5G標準通常有更出色的安全性、延遲、可靠性、帶寬/頻譜和移動性，但還可以部署私有網絡來進一步優化某些功能以實現服務目標。

安全性

盡管公共5G網絡可用于公共電信網絡和telco和/或ISP互聯網，但配置私有5G網絡可提供額外的選項或功能優化。可以搭建私有5G網絡專門處理內聯網或內部網絡的加密流量。私有5G網絡中，還可以更改5G無線信號調制類型和加密，可設計為僅使用經批準/專門提供的5G設備。具有關鍵用途的運營（例如政府、工業或特定公司環境）不再使用公共接口，因此可確保完備的內部安全。另外，還可以嚴密監控私有5G網絡，確保快速識別和預防任何可疑活動。一些私有5G網絡產品聲稱，該網絡可實時加密，經認證100%可信。

延遲

普通5G網絡需要通過用戶設備與基礎設施進行通信，而私有5G網絡可配置為與同一場所內的中央服務器/數據庫直接通信。這樣可以大大降低與服務器的通信延遲，而且還可以優化5G基礎設施硬件的布局，以盡量減少延遲，滿足需要此類性能的應用的需求。在私有5G網絡中完全有可能實現亞毫秒級延遲，而對于4G LTE和Wi-Fi，即便是私有專網，通常也只能實現幾十毫秒延遲。

此外，如果目標是盡量縮短延遲，那么5G標準還擁有可以減少通信開銷的功能。通常情況下，并非所有5G應用都需要這些功能，但私有5G定制對某些應用很有吸引力。

可用性/可靠性

許多私有無線通信網絡的主要目標就是可用性。使用公共蜂窩服務甚至私有Wi-Fi時，可用性無法得到保證，這通常是無法接受的。可用性沒有充分保證，許多關鍵應用就無法使用，因為安全性以及對關閉或新指令的響應無法得到保證。5G URLLC具有六個九可靠性（99.9999%）的標準化目標，可提供以往只能通過有線通信解決方案實現的可靠性和正常運行時間保證。

帶寬分配和服務質量（QoS）

頻譜使用和帶寬分配通常對無線服務的效用有很大影響。例如，Wi-Fi僅依賴于頻譜2.4GHz、5GHz和6GHz部分的未授權ISM頻段。這些頻段本質上有帶寬限制，并且必須與在這些頻率內運行的所有其他服務共享頻譜。4G LTE也僅限于sub-6 GHz頻段，該頻段頻譜擁塞和潛在干擾問題嚴重。 對于5G New Radio（NR），授權和非授權頻譜可在sub-1GHz、sub-6GHz、24GHz至29 GHz、37GHz至43GHz內。具體來說，毫米波（mmWave）或“高”頻段頻譜中可能有數百兆赫的可用帶寬。由于毫米波范圍內的高方向性和大氣損耗，共源甚至共享相同頻譜的服務的干擾也少得多。因此，與私有LTE裝置相比，5G可以通過其他增強的QoS指標提供更可靠的服務。

移動和通信類型多樣性

可用于5G服務的廣泛頻譜可實現多種潛在的服務組合，用戶無需在無線服務與更少的頻譜選項之間權衡。例如，對于距離極遠但數據速率要求相對較低的地方，sub-1GHz 5G可用有限的基礎設施覆蓋大片區域。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，包括面向人類和機器用戶的大規模多用戶多輸入多輸出（mMu-MIMO），能夠服務大量高速移動或靜止的用戶。此外，新版的5G標準還支持機器類通信（低數據速率和低占空比），具有支持云服務所需的高數據速率和靈敏響應服務，如增強現實與虛擬現實 (AR/VR) 培訓或疑難解答。

搭建非公有5G網絡

私有5G網絡沒有統一的解決方案。5G硬件和配置的類型最終將取決于5G網絡的計劃用途和要求。幸運的是，隨著5G網絡與日俱增，5G硬件解決方案提供商和私有網絡安裝商正在不斷擴展其產品范圍與功能。私有5G網絡確實有一些通用指南，即網絡架構注意事項，說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網絡時，作為私有IP網絡的一部分，網絡安裝的需求可能最為迫切。在這種情況下，私有5G網絡也可成為私有VPN的一部分，由通常使用的一般路由器和交換機提供支持。雖然5G網絡可能更需要低延遲和高可用性硬件，但一般IoT網絡也是如此。

對于大多數網絡而言，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。我們需要主機服務器、中間件和軟件來支持這些功能，并且這些設備最好符合各項標準，以便于監控、維護和未來的改造。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器上。在某些情況下，用戶面/控制面功能可共享并節省服務器。如果還需要服務其他流量類型，則可以使用白盒來運行用戶面功能。對于5G核心用戶面功能，若這些功能將支持大流量，則應運行在白盒上，因為額外增加容量更加有益，而且，這些服務將獲得更高的可用性和更低的延遲。

最后，需使用5G無線電收發器將5G基礎設施無線連接到5G用戶或IoT設備（圖2）。從頭開始設計5G射頻硬件是一項昂貴且耗時的工作，需要匯集各種工程技術人才與設施。為設計和部署私有5G系統，可能需要一些軟件定制工作，但幸運的是，具有通用高速數字接口的5G收發器硬件平臺可與O-RAN無線解決方案輕松集成（圖3）。5G原型設計平臺的范例之一就是采用ADRV9026-HB/PCBZ或ADRV9026-MB/PCBZ無線網卡的ADI ADRV9026評估板。該評估板中的無線網卡提供用于設備快速評估和開發的4x4收發器平臺。

圖2：完整的5G收發器信號鏈

（圖源：Analog Devices）

圖3：可重新綁定射頻前端的5G原型平臺

（圖源：Analog Devices）

結語

用于企業、政府和工業應用的私有5G網絡即將迎來黎明時刻。除了之前無線通信技術可提供的網絡之外，私有5G網絡也可確保高安全性、低延遲、高可用性以及多樣化的無線服務。

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