借助私有蜂窝网络实现对5G部署的完全掌控_Stuart Cording.pdf

敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2 0 2 3年第4期 1 借助私有蜂窝网络实现对5 G部署的完全掌控作者 S t u a r t C o r d i n g(E l e k t o r)译者 君谦0 引 言近年来,一般公众对5 G的理解大多仅仅是能够更快地加载视频内容,而商业领域则对5 G的其他优势更加热衷(包括低延迟、高可靠性和大规模连接),即便如此,他们也并没有准备好将其敏感数据放在公共移动网络上。幸运的是,还有其他选择。无线电频谱可用于部署私有蜂窝网络,使之能够在利用5 G系统的同时实现对工厂、体育场馆、展览中心和机场等场景的完全掌控。正如很多新鲜事物一样,5 G背后的营销机制一直走在技术部署的前面。那些生活在英国的人几乎可以相信,演员兼移动网络运营商E E1品牌大使凯文培根会亲自为客户推荐新的5 G智能手机。但是,在远离消费者的领域,5 G正在不断展示其令人难以置信的性能优势。之前,蜂窝网络技术从2 G转移到3 G、再转移到4 G时迭代升级的做法是提升用户吞吐量和改善用户体验,而5 G有所不同,数据吞吐量得到了显著的提高,被称为增强移动宽带(e MB B),能够提供比4 G快1 0 0倍的数据速率。除 此 之 外,还 有 更 多 的 优 势:拥 有 海 量 机 器 类 通 信(mMT C),可以将大约1 0 0万台设备部署在1平方公里内,而且针对此类应用的无线调制解调器的电池寿命可达1 0年;拥有超高可靠性和低延迟的通信(UR L L C),还提供了可用性高达9 9.9 9 9 9%、低于1 m s的空中接口延迟。1 5 G功能在应用程序中的作用虽然5 G性能令人印象深刻,但需要明确的是,这些性能并不是全部同时完全可用。每个性能都针对不同市场、工业领域的需求。e MB B显然有利于满足消费者对更多视频带宽的需求,而它也是娱乐业的核心所在。相机可以集成到运动员的头盔中,提供第一人称镜头赛车手或美式足球运动员视角信息。mMT C能够跟踪从一个国家到另一个国家的集装箱,或通过城市部署的传感器监测空气质量。UR L L C可以用于工厂,使5 G成为工业机器人和辅助机器人控制回路的一部分(见图1)。在汽车领域,mMT C和UR L L C都能够得到成功应用,这使得它们能够与其他车辆和固定的基础设施共享驾驶数据,包括从低带宽的遥测技术到有关紧急制动的时效性数据。一些汽车应用程序将依赖于5 G,通过移动网络运营图1 5 G针对广泛的商业、汽车和工业需求,具有低延迟、高可靠性和超高带宽商(MNO)的基础设施来实现其性能,而其他一些公司(如工厂、港口、机场和体育场的运营商)则会有其他选择。例如,e MB B为视频提供了大量的带宽,但由于大量球迷同时分享最新进球的片段,足球场周围的网络可能会超载。这可能意味着电视制作人在使用相同的5 G基础设施时会导致视频质量下降。在一家工厂里,成千上万的工业物联网(I I o T)传感器定期发送数据,即使它们的数据包很小,也可能每月产生大量的数据账单。2 部署自己的5 G基础设施为了应对这些挑战,一种做法是将自己的5 G基础设施作为专用蜂窝网络(P C N)安装。值得注意的是,其目的不是通过向附近的任何人提供5 G来产生收入,而是通过部署获得网络控制权,以满足业务的需求。这样可以从确保可用性或保证带宽到控制运营成本,并通过保持所有数据在线来提高安全性。此外,还可以部署硬件,以确保全面覆盖(包括室内和室外)整个网络。P C N技术并不新鲜。一些工业部门(如矿业)多年来一直在使用4 G L T E P C N。根据A n a l y s y s M a s o n公司的数据,全球部署了超过1 0 0 0个私有L T E/5 G网络,实现汽车制造工厂的实时监控以及港口起重机的远程监控,并集成到炼油厂的安全应用中2。其核心挑战之一是为部署的网络获得无线电频谱资2 M i c r o c o n t r o l l e r s&E m b e d d e d S y s t e m s 2 0 2 3年第4期w w w.m e s n e t.c o m.c n 源。公共频谱已经在世界各地被拍卖给了MNO s。如果能达成协议,希望实现P C N的企业可以租赁这些频谱。此外,还有日本和德国等国家保留的工业频谱资源。监管机构明确将这些频谱资源保留,以便工业和其他用户准备投资所需的基础设施时可以体验到5 G的好处。在一些国家,共享频谱是可行的。O f c o m负责管理英国电波的接入,为中低功率运行的微波提供4个频段的共享接入许可证。他们的目标是实现创新,扩大移动覆盖范围,测试连接和自主交通解决方案,并实现智能公共领域的测量3。在美国,美国联邦通信委员会(F C C)也同样提供了n 4 8波段(3 5 5 0 3 7 0 0 MH z,5 1 0 0 MH z通道)。它被称为公民宽带广播服务(C B R S),由O n G o联盟4推广。3 部署P C N的步骤无论是经许可的还是未经许可的波段,在部署硬件之前都需要做大量的工作。根据R o h d e&S c h w a r z的指南,这将从推出产品的准备工作开始5。干扰探测必须在相关的频带内使用一系列设备的条件下进行,如频谱分析仪和手持式扫描接收器。这可能包括简单地在现场行走,甚至使用无人机。干扰者必须关闭或向当地监管机构报告来确定如何处理。在所有问题都得到解决后,就可以部署P C N硬件,但在使用前必须完成现场验收测试。信号解码测试可以确保5 G系统在协议水平上正常运行,并且信号与干扰噪声比(S I N R)在允许的范围内。下行/上行速率和收发时间可用于团队评估用户体验。此外,还需考虑进行进一步的测试和现场监测,以确保持续的性能和覆盖范围,特别是当工厂等环境中充满了设备时。一个能够完成这项任务的工具是Q u a l i P o c A n-d r o i d6,这是来自R o h d e&S c h w a r z的一个应用程序。当安装在适配的手机上时,它能够提供从语音和数据质量到所有载波频率射频优化的全面测试。对于I o T应用程序,它还可以与连接到智能手机U S B接口上的N B I o T模块相结合,以评估检查建筑物和地下室内的覆盖范围和功能。4 立即打开S I M卡人们热切地希望许多设备能够同时在P C N和公共网络上运行。此外,一些网络安装可能只用于支持一类事件,如节日、贸易博览会或体育锦标赛。如果每个使用P C N的人都必须安装一个额外的S I M卡来临时使用网络,那将是荒谬的。这就是嵌入式S I M卡(e S I M)的用途,消除了繁琐的S I M卡运营商环节和笨重的卡托盘。e S I M不是以实体卡的形式出现,而是一个直接焊接到电子设备电路板上的组件。通过健全的安全协议,远程S I M卡配置(R S P)允许蜂窝设备通过无线方式更新访问网络。虽然从外部看,S I M卡看起来并不令人印象深刻,但它们内部具有先进、高性能的3 2位处理器,具有广泛的安全功能,以防止电子和物理攻击。包括加速器在内,使用现代算法,如D E S/A E S对称和R S A/E C C非对称加密以及消息身份验证的哈希引擎,尽可能有效地实现加密。在S I M卡内部运行的应用程序使用的是J a v a C a r d简化后的版本。英飞凌的S LM系列解决方案是一种选择,S L I 9 7和S LM 9 77分别针对工业和汽车的机器对机器(M 2M)应用,如图2所示。这些设备还提供尺寸为5 mm6 mm的M 2 M标准表面安装M F F 2封装或尺寸仅为2.5 mm2.7 mm的芯片尺寸封装,相比n a n o S I M有了显著的改进。意法半导体的S T 4 S I M2 0 0系列8是另一种替代品。除了智能的标准设备外,他们还拥有适合工业级应用的产品和适合于汽车应用的A E C Q l 0 0二级选择的产品。图2 嵌入式S I M(也称为e S I M)直接焊接到电路板上,英飞凌S L M 9 7等设备比同等的n a n o S I M卡小3 0倍(来源:英飞凌)5 关于5 G P C N的替代品部署一个完整的P C N对一些企业来说可能代价太大了。在这样的情况下,混合模型是可行的。企业可以使用连接到MNO s公共核心的专用无线电解决方案。这可以在工厂中提供建筑物内的覆盖范围或者所需的数据延迟,而无需实现整个网络(见图3)。4 G面临的挑战之一是缺乏预留无线链路的任何部分来保证延迟、可靠性或带宽的能力。互联设备都应该受到平等的对待。由于5 G中网络切片的概念,这一切都改变了(见图4)。网络运营商可以借助虚拟化的流量,创建提供不同性能配置文件的连接。当用于机器人实时控制时,其中一个切片可以专门用于低延迟通信。与此同时,另一个切片可以为数据传输到人工智 能(A I)视 觉 系 统 的 摄 像 机 提 供 高 带 宽。因 此,MNO s可以对其网络进行划分,以满足其客户的服务质 敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2 0 2 3年第4期 3 图3 若一个完整私有蜂窝网络所需的投资过高,可采取混合方法,将私有无线电设备连接到公共移动网络运营商图4 随着网络切片的引入,移动网络运营商可以提供个别企业所需5 G功能,同时仍为公众用户提供出色的移动宽带量需求。如果需要,P C N还可以实现网络切片,以确保特定设备根据需要通过5 G网络运行。但是,与任何资源一样,可用的切片数量是有限的。当然,另一种家喻户晓的技术是W i F i 6(8 0 2.1 1 a x)。与W i F i 59(8 0 2.1 1 a c)相比,它只能提供3 7%的高吞吐量。然而,由于波束形成,W i F i 6能够确保所有用户获得更好的数据速率,因为信号波束被精准指引向每个用户,而不是向各个方向传播。可以看出,每个设备的吞吐量相比前一代标准的吞吐量显著提高,这也是5 G用来提高每个用户数据吞吐量的方法之一。此外,还有W i F i 6 E可以在未经授权的6 GH z频段中运行。在美国,该协议提供了1 2 0 0 MH z的带宽。而在其他地区,情况则有所不同。中国为5 G保留了6 GH z的频段,而欧洲只保留了5 0 0 MH z的W i F i频段,将上端频谱留给了5 Gl 0。W i F i将继续在物联网中发挥重要作用。然而,W i F i并不是为需要在接入点之间平稳切换的移动物体而设计的,例如自动引导车辆(A G V)。此外,它的安全性和网络可靠性与5 G不匹配。因此,虽然W i F i 6在5 G完全建立之前的短期内可能会提供优势,但5 G大概率会是首选,特别是在商业和工业应用中。6 5 G正在路上虽然一些试图将消费者转化为5 G用户的广告很容易被嘲笑,但它确实在提醒我们,MNO s正在为这项新技术付出努力。消费者和企业用户将受益于提供的更高数据速率。MNO s还受益于更节能、可配置的网络和向客户提供个性化服务的能力。但到目前为止,最令人兴奋的方面是P C N,它使大型商业用户能够真正利用5 G的低延迟、大规模连接和高吞吐量。虽然这些网络是私有的,但这并不能阻止传统的MNO s和新参与者,如亚马逊网络服务1 1(AWS),通过提供硬件、软件和后端技术来参与这一领域。如果 你 有 技 术 问 题 或 者 对 该 文 章 的 建 议,请 通 过s t u a r t.c o r d i n g e l e k t o r.c o m联系作者,或者通过e d i t o r e l e k t o r.c o m联系E l e k t o r。相关链接1 E E|5 G.S o r e a l y o u c o u l d s w e a r y o u w e r e t h e r e E E,J u n e 2 0 1 9:h t t p s:/b i t.l v/3MG a 4