彭雄根，何浩

（江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，南京 210019）

基于4G背景下的寬帶專網建設方案研究*

彭雄根，何浩

（江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，南京 210019）

隨著移動通信邁入4G時代，基于4G背景下的專網實現方案變得多樣化。各行業(yè)要綜合考慮技術方案的要求、行業(yè)自身的特征、部門或企業(yè)的需求等，選擇合適的方案。本文重點分析了目前幾種主要的專網建設方案，并根據政府機關、電力、物流等行業(yè)各自的特點和對專網業(yè)務的需求，給出了該行業(yè)專網建設方案的建議。

專網；TD-LTE寬帶集群系統(tǒng)；IP多媒體子系統(tǒng)；演進分組核心網；IP虛擬專網

1 概述

專網是對運營商公網的一種補充，是指在一些行業(yè)、部門或單位內部，為滿足其進行組織管理、安全生產、調度指揮等需要所建設的通信網絡，解決特定終端設備的網絡接入問題。從技術角度看，隨著移動通信邁入4G時代，綜合傳統(tǒng)專網、寬帶集群專網、4G公網的特性，基于4G背景下的專網實現方案變得多樣化；從行業(yè)角度看，對專網有需求的行業(yè)陣營逐步擴大，行業(yè)應用越來越豐富。因此，在專網建設方案選擇的決策上，要綜合考慮技術方案實現要求、行業(yè)自身的特征、部門或企業(yè)的需求等，選擇合適的專網建設方案。

2 專網現狀及發(fā)展趨勢

2.1專網發(fā)展現狀

我國政府部門和公安部均已建設規(guī)模較大的無線專網。自2012年底始，北京、天津、上海、南京和廣東省等地獲得了專網頻率授權，陸續(xù)在各地開展1.4 G頻段TD-LTE政務專網試驗，并在全球率先制定了基于TD-LTE的寬帶集群技術標準。另外，鐵路、石油、電網、航空等部門也建設了一定規(guī)模的專網，交通運輸、物流、金融等行業(yè)也通過租用公網的形式，建立了自己的專網。

2.2基于4G背景下專網發(fā)展趨勢

無線專網技術歷經模擬集群、數字集群，正向寬帶集群演進。公網和專網技術演進方向如圖1所示。

圖1　公網和專網技術演進方向

寬帶化：隨著全球4G規(guī)模部署范圍的不斷擴大，作為公網在行業(yè)應用的補充，無線專網正朝著寬帶化方向發(fā)展。LTE以其技術、產業(yè)優(yōu)勢成為各方共識，被廣泛認為是寬帶集群專網的演進方向。TD-LTE寬帶集群系統(tǒng)具備速度快、帶寬大、頻譜利用率高、抗干擾能力強等特點，能夠滿足專網各種應用在容量、帶寬、傳輸速率和頻譜利用率等方面的需求，而且系統(tǒng)在自主知識產權方面，具有絕對的優(yōu)勢。

認知無線電：認知無線電的一個重要前提就是頻譜自動感知。目前，對多數行業(yè)來說，專網缺乏全國統(tǒng)一的頻段，而且仍在各行業(yè)中使用的窄帶頻點劃分方式限制了先進技術在行業(yè)專網頻段的應用。頻譜自動感知能夠打破頻譜的排他性占用，開放出更多的可用頻譜資源，實現頻譜共享，是一種提升頻譜利用率的有效方案。

3 專網建設方案分析

3.1自建TD-LTE寬帶集群專網

3.1.1方案分析

TD-LTE寬帶集群是基于公網的TD-LTE技術體制，由終端、無線接入子系統(tǒng)、網絡子系統(tǒng)、信息調度子系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

（1）終端：通過無線網絡接入的終端主要有手持終端、無線調度臺、車載臺和固定臺，通過有線網絡接入的終端是有線調度臺。

（2）無線接入子系統(tǒng)：和LTE相同，無線接入子系統(tǒng)是單層結構，E-eNode B直接連接到網絡子系統(tǒng)。E-eNode B是在eNode B基礎上增加了無線集群調度功能。

（3）網絡子系統(tǒng)：系統(tǒng)網元主要有eMME、eHSS、S-GW、P-GW和D-GW，其中，D-GW為調度網關，它是在LTE EPC基礎上新增的網元，所有這些網元共同完成呼叫控制、集群調度及用戶數據管理等功能。

圖2　自建TD-LTE寬帶集群專網

（4）信息調度子系統(tǒng)：實現信息調度共享交換，應用集成、業(yè)務流程控制、網絡管理安全認證等功能，主要為行業(yè)應用提供可視化操作，實現動態(tài)管理。

自建TD-LTE寬帶集群專網，是最直接、最安全的方案，可以提供高速的多媒體服務，靈活的集群調度，充分的網絡安全機制，能夠很好地滿足業(yè)務需求，也可以避免運營商網絡因突發(fā)事件造成網絡中斷的問題；但自建方案涉及網絡規(guī)劃、建設、優(yōu)化、維護多個階段，專業(yè)面廣、范圍大、任務重、投資高、建設周期長，而且頻譜資源不易獲得。

3.1.2方案應用案例

目前，自建TD-LTE寬帶集群專網方案的應用案例逐步增多。在城市方面，北京、天津、南京等幾個城市已開展建設；在行業(yè)方面，某省海事局、鄭州地鐵等部門單位也正在建設TD-LTE寬帶集群專網。

南京市無線寬帶政務專網采用分為終端、接入網、核心網、調度控制中心和操作維護中心五部分。網絡覆蓋南京全市，包括江南六區(qū)、江寧、浦口、六合、高淳、溧水各區(qū)域。初期以室外道路覆蓋為主要導向，主要采用薄覆蓋模式進行建設。

某省江面寬帶集群專網主要為執(zhí)法船只、執(zhí)法人員和視頻采集系統(tǒng)提供移動寬帶服務，以支持高清視頻回傳、現場視頻會議、移動辦公服務。專網覆蓋總長450 km的長江航道，網絡結構采用多核心網組網的分布部署方式，每個核心網節(jié)點負責匯聚若干個分局所轄范圍內的基站，北向連接海事局內部專網，由省局調度系統(tǒng)統(tǒng)一調度指揮。專網結構如圖3所示。

圖3　某省江面寬帶集群專網架構

3.2租用運營商網絡，新建IMS與EPC對接（框架圖如圖4所示）

圖4　 租用運營商網絡，新建IMS與EPC對接架構圖

3.2.1方案分析

租用運營商無線網和EPC核心網，作為承載網絡接入終端，即通過運營商網絡傳輸連接到自建的IMS網絡。專網和運營商網絡之間通過SBC進行網絡隔離，以確保自身的網絡安全。如果專網業(yè)務有高級別的保密需求，就需要在IMS網絡邊緣部署加密服務器，在定制的終端上部署加密客戶端，這樣終端和加密服務器之間建立諸如IPSec等加密通道進行通信。定制LTE終端需要預置加密服務器IPv4/IPv6地址，通過EPC網絡路由，與加密服務器進行連接。

EPC網絡作為專網接入通道，對專網業(yè)務無感知。由于LTE承載語音業(yè)務是通過VoLTE實現的，而VoLTE依賴于運營商IMS系統(tǒng)來實現，數據業(yè)務則可直接通過LTE傳輸，因此語音業(yè)務和數據業(yè)務需要區(qū)別對待，接入方式也不同。運營商部署IMS的主要目的是使得LTE支持VoLTE功能，VoLTE由IMS提供會話控制和業(yè)務邏輯，由EPC提供高質量的分組域承載，通過統(tǒng)一的專用APN及獨立承載為用戶提供區(qū)別于普通數據業(yè)務的QoS保障。但是當前運營商網絡對于用戶信息和網絡資源控制尚未開放，即自建IMS專網和運營商EPC連接時，PCC的功能不能實現，而且IMS也不能獲得用戶信息，即不能訪問HSS。因此，自建IMS專網與運營商EPC對接的組網方式，只能以LTE作為IP管道使用。由于IP傳輸是盡力而為的方式，且不對IP分組進行語音和數據的區(qū)分，因此可能會出現較大的時延，語音質量不能保證的問題。

新建IMS與EPC對接的方案還有一個很重要的特性：IMS是語音和多媒體業(yè)務的目標架構，承接來自固定、移動和異構網絡的不同接入方式下的業(yè)務，并通過自有的業(yè)務觸發(fā)機制融合傳統(tǒng)語音業(yè)務、智能網業(yè)務和多媒體業(yè)務。正因為如此，該方案對于專網建設方來說，可以實現有線寬帶和無線寬帶業(yè)務的有機融合。目前，很多非運營商的IMS系統(tǒng)主要是基于有線業(yè)務的部署，而現有的高清現場監(jiān)控業(yè)務、移動辦公等新業(yè)務需求已經拓展到有線網絡外，結合自建的IMS系統(tǒng)和公網無線網絡資源，可以有效解決專網的固移融合問題。

圖5　國家電網IMS網絡架構方案及與公網對接計劃

3.2.2方案應用案例

新建IMS的專網建設方案基于運營商的EPC核心網和無線網，目前，有些行業(yè)或企業(yè)陸續(xù)啟動了對這種方案的研究和專網建設，如國家電網。由于現有的行政交換網和調度交換網無法滿足快速增長的傳統(tǒng)業(yè)務需求和新業(yè)務需求，國家電網從2015年開始就已啟動了對原有網絡的升級改造，建設覆蓋總部及27個省的IMS網絡。于此同時，國家電網已開始研究基于公網無線資源的電力無線專網方案（如圖5所示），為下一步IMS與運營商公網對接做好準備。

3.3租用運營商IP虛擬專網組網

3.3.1方案分析

IP虛擬專網（MPLS-VPN）是指采用MPLS技術在骨干的寬帶IP網絡上構建企業(yè)IP專網，實現跨地域、安全、高速、可靠的數據、語音、圖像等高質量、高可靠性多媒體綜合業(yè)務，并結合差別服務、流量工程等相關技術，將公網可靠的性能、良好的擴展性等與專網的安全、靈活、高效性結合起來，為用戶提供高質量服務的IP寬帶網絡。

使用IP虛擬專網組網，不需要關心網絡的結構。用戶終端通過運營商無線網接入，連接至企業(yè)等的分支機構內網，各個分支機構內網通過運營商MPLS-VPN的方式實現互聯互通，如圖6所示。該組網方式適合分支機構多、分布范圍廣泛的企事業(yè)單位總部與分支機構間的內部聯網，也可以用于對安全性要求較高的政府部門組建自己的專網。此外，針對運營商網絡傳輸的數據，該專網需要建設一套數據處理中心，數據處理中心與運營商及內網連接。

MPLS-VPN與通常的專線相比，具有很大的優(yōu)勢：

（1）支持以太網、幀中繼、DDN、ATM、寬帶等多種接入方式，能夠為集團客戶提供速率為N×64 kbit/s～2.5 Gbit/s、端到端的MPLS-VPN業(yè)務，并且用戶可以隨時根據需要擴展網絡（增加端口、提高速率等）。

（2）組網邏輯結構調整方便，可以支持單中心、雙中心，甚至是全網狀方式，每個分支機構通過物理連接接入就近的VPN承載網即可，增刪節(jié)點只需要對單站點進行VPN接入電路的開通和關閉，并在VPN網絡設備上進行相關的數據改動。

圖6　MPLS-VPN組網

為保障無線業(yè)務在虛擬專網的安全承載，需要從終端、網絡等方面做好安全保障：終端可采用數據加密、口令和指紋技術、終端加固、身份認證等方式，網絡通道上可采用通道加密、數字證書等方式。

目前運營商針對政企行業(yè)等大客戶已經擁有了成熟的虛擬專網解決方案，可以提供語音、圖像、視頻等多媒體業(yè)務。但運營商網絡會有因突發(fā)事件產生的網絡中斷，此方案需要做好重要數據的備份工作。

3.3.2方案應用案例

隨著MPLS-VPN虛擬專網技術的發(fā)展和成熟，各類分支機構眾多的部門或企業(yè)組建自己的專網變得越來越容易。某省交通運輸虛擬專網采用的就是向運營商租用MPLS-VPN虛擬專網方案，省、地市、區(qū)各層級的端口可以動態(tài)選擇速率，端口的增加或刪除也可以靈活調整。

4 主要行業(yè)的專網建設建議

4.1政府機關

4.1.1需求分析

無線政務專網是國家電子政務基礎體系架構中的重要組成部分，是實現各級政府機關之間政務信息資源共享和網絡協(xié)同辦公、建立統(tǒng)一的應急指揮信息系統(tǒng)的基礎網絡平臺。隨著社會經濟高速發(fā)展，各地政府的管理水平及公共事件、應急救援能力正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。為了提升重大事件反應速度，加強城市“安全運行”和“應急管理”領域物聯網應用，紛紛提出無線政務專網的建設訴求。

無線政務專網配合有線政務網，可承載多種政務相關業(yè)務，獨立建網，提供安全可靠的無線傳輸通道。無線政務專網可針對重點領域開展技術應用，進一步提高監(jiān)測管理水平和應急處置能力，如開展安全生產、城市道路監(jiān)控、極端天氣條件下的交通暢通保障、城市運行保障和應急搶險車輛衛(wèi)星定位管理等。

4.1.2專網建設建議

政府機關的專網業(yè)務需求具有應用范圍廣、業(yè)務種類多、安全要求高、終端多樣化（固定終端、移動終端、傳感器終端等）特點，而TD-LTE寬帶集群專網，速率較高，網絡安全性好，可以滿足相關業(yè)務需求。建議大中城市的政務專網采用自建TD-LTE寬帶集群專網的建設方案。

4.2電力行業(yè)

4.2.1需求分析

從電力行業(yè)的國家電網公司看，公司在生產管理、行政辦公、營銷服務、運行檢修、應急指揮等各方面有多樣化的業(yè)務需求，其中，公司對于移動業(yè)務的需求非常迫切，原有的有線網絡已不能充分滿足國家電網新的移動業(yè)務需求；公司對高清視頻會議業(yè)務、高清現場監(jiān)控業(yè)務、移動辦公等高速數據業(yè)務的需求越來越高，需要高速率的網絡來承載這些業(yè)務。

4.2.2專網建設建議

考慮到租用無線網絡不能完全覆蓋電力業(yè)務發(fā)生區(qū)域和大規(guī)模自建無線網絡缺乏統(tǒng)一規(guī)劃分配的頻段等問題，建議電力行業(yè)采用租用為主自建為輔的網絡建設方式。對于無線網：在公網覆蓋區(qū)域，租用運營商網絡，在無公網覆蓋的其他電力業(yè)務發(fā)生區(qū)域，新建無線網絡；對于核心網，新建IMS與運營商網絡對接。

4.3物流行業(yè)

4.3.1需求分析

近年來，受益于電子商務的高速發(fā)展，我國的物流運輸行業(yè)發(fā)展非常迅速。物流存在入庫、揀貨、存貨管理、產品標識與跟蹤、發(fā)貨、越庫、收貨等多個環(huán)節(jié)，為了實現更高效率的管理和更準確的跟蹤與監(jiān)控，比較大的物流企業(yè)有必要組建專網來實現這些功能。通常，物流行業(yè)具有如下主要特點：物流信息量大、分布范圍廣，信息的產生、加工和應用在時間、地點上較為分散；物流信息動態(tài)性強，信息的價值衰減速度快；物流信息種類多，遍布于物流系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)；物流業(yè)務的分支靈活多變等。

4.3.2專網建設建議

物流行業(yè)的業(yè)務特征要求專網具有覆蓋廣、網絡分支修改靈活、實現成本低等，建議采用向運營商租用虛擬專網的方案。

［1］ 伉沛川， 馮巖. 我國寬帶專網發(fā)展現狀及展望［C］. 2014年全國無線及移動通信學術大會.

［2］ 龔達寧. 基于TD-LTE的寬帶專網技術發(fā)展和建議［N］. 中國信息通信研究院， 2015.

［3］ 馮海亮， 施玉海， 劉海濤， 等. 基于TD-LTE數字集群的寬帶無線專網架構及關鍵技術研究［J］. 廣播電視信息， 2015（6）.

Research of broadband private network construction scheme based on 4G

PENG Xiong-gen， HE Hao
（Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210006， China）

With the coming of 4G era， private network construction solution is increasingly diversified. Proper solutions should be chosen base on the requirements of technical solution， the industrial characteristics and the needs of department or enterprise. This paper analyzes the network construction solutions， and gives the network construction suggestions for the industry of government， electric power and logistics based on their industrial characteristics and business requirements.

private network； TD-LTE broadband trunking system； IMS； EPC； MPLS-VPN

TN929.5

A

1008-5599（2016）09-0071-06

2016-04-28

國家電網科技項目“面向電力移動互聯應用的4G多業(yè)務承載關鍵技術研究（SGRIXTKJ［2015］349號）”。