5G 集群通信網(wǎng)技術(shù)方案探討

［蔡子華 張紫璇 許澤釗］

1 引言

專網(wǎng)是相對(duì)公用網(wǎng)絡(luò)而言，為特定區(qū)域的特定用戶在組織管理和生產(chǎn)調(diào)度等環(huán)節(jié)提供通信服務(wù)的專用網(wǎng)絡(luò)。公網(wǎng)的設(shè)計(jì)一般要兼顧大眾用戶的需求，因而其網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)通常難以支撐行業(yè)用戶需求，而專網(wǎng)則沒(méi)有普適性的包袱，可專注于某一項(xiàng)或多項(xiàng)性能指標(biāo)的優(yōu)化和提升。結(jié)合公網(wǎng)和專網(wǎng)的發(fā)展來(lái)看，專網(wǎng)通信憑借其性能可靠和可定制服務(wù)等特點(diǎn)，在垂直行業(yè)應(yīng)用中具有突出的優(yōu)勢(shì)。

2 專網(wǎng)通信的發(fā)展

我國(guó)集群專網(wǎng)通信大致經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展，如圖1 所示。第一階段是以MPT1327 為代表的模擬集群通信系統(tǒng)，其通過(guò)自動(dòng)選擇信道及多用戶共享資源實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音對(duì)講、信號(hào)指示傳送等業(yè)務(wù)；第二階段由模擬集群通信向數(shù)字集群通信演進(jìn)，典型如TETRA、PDT 等，但由于其基于窄帶實(shí)現(xiàn)，僅能提供語(yǔ)音集群調(diào)度和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；第三階段專網(wǎng)通信由窄帶向?qū)拵а葸M(jìn)，除滿足個(gè)呼、組呼等語(yǔ)音集群業(yè)務(wù)外，還支持視頻通話等寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最為典型的是B-TrunC?？傮w而言，專網(wǎng)通信在技術(shù)更新?lián)Q代速度上落后于公網(wǎng)。

圖1 專網(wǎng)需求與技術(shù)發(fā)展

B-TrunC 是我國(guó)自主制定的基于TD-LTE 的寬帶集群通信標(biāo)準(zhǔn)制式，具備語(yǔ)音集群調(diào)度、多媒體集群調(diào)度、寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，具有帶寬靈活、速率快、時(shí)延較低、安全性高以及支持寬窄融合的優(yōu)勢(shì)。但由于B-TrunC 非3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，其承載和應(yīng)用的耦合關(guān)系緊密，需采用專有設(shè)備和專用頻譜進(jìn)行建設(shè)，整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)和運(yùn)維成本高，極大制約了行業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署。

值得注意的是，在數(shù)字集群專網(wǎng)由窄帶向?qū)拵а葸M(jìn)的過(guò)程中，業(yè)界也在不斷探索基于公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集群語(yǔ)音調(diào)度的技術(shù)方案，也即PoC（Push-to-talk Over Cellular，按鍵通話）。PoC 采用半雙工的通信方式，語(yǔ)音數(shù)據(jù)或多媒體數(shù)據(jù)可以基于P2P 的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話或P2MP 的群組通話模式在發(fā)送方和多個(gè)接收方之間同時(shí)共享。但由于PoC 系統(tǒng)是基于公網(wǎng)的分組交換服務(wù)實(shí)現(xiàn)的，其通話質(zhì)量、時(shí)延、安全性和差異化服務(wù)質(zhì)量等問(wèn)題一直為人詬病。一方面，傳統(tǒng)公網(wǎng)僅能提供“盡力而為”的QoS 服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)中不可避免的時(shí)延、抖動(dòng)等極大影響語(yǔ)音質(zhì)量，尤其是當(dāng)現(xiàn)網(wǎng)存在大量用戶接入時(shí)，由于資源耗費(fèi)過(guò)多造成，網(wǎng)絡(luò)擁塞，集群語(yǔ)音調(diào)度的時(shí)延和可靠性要求無(wú)法從根本上保證；另一方面，傳統(tǒng)公網(wǎng)如GPRS、LTE 等的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，缺乏靈活性，無(wú)法有效支持大量差異的垂直行業(yè)需求。

隨著移動(dòng)寬帶化、多業(yè)務(wù)融合等行業(yè)需求的驅(qū)動(dòng)，專網(wǎng)通信亟待一種新的技術(shù)制式，既能解決傳統(tǒng)公網(wǎng)集群通信方案的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題，又能解決傳統(tǒng)集群專網(wǎng)方案所面臨的建網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)成本高企、終端需深度定制等問(wèn)題，從根本上實(shí)現(xiàn)性能與成本的均衡。5G 時(shí)代的到來(lái)，為集群專網(wǎng)通信打開(kāi)了“公專結(jié)合”的新出口。

3 5G 專網(wǎng)優(yōu)勢(shì)分析

5G 具備大帶寬、廣連接、低時(shí)延、安全性高的諸多優(yōu)勢(shì)，且能夠基于NR 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)“公網(wǎng)專用”，以專屬網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)服務(wù)垂直行業(yè)需求。5G 專網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)主要依托網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算著兩種重要的支撐技術(shù)。一方面，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片能力，可以從運(yùn)營(yíng)商的公共網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上分離出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)切片從終端、無(wú)線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)乃至管理域?qū)崿F(xiàn)隔離，高效滿足差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求。具體到集群通信應(yīng)用，基于5G公網(wǎng)資源提供切片服務(wù)，不需要企業(yè)本地部署硬件設(shè)備，無(wú)線側(cè)可通過(guò)QoS 優(yōu)先級(jí)保障或RB 資源預(yù)留等方式復(fù)用大網(wǎng)無(wú)線資源，核心網(wǎng)側(cè)可根據(jù)實(shí)際需求配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，進(jìn)而整體實(shí)現(xiàn)集群業(yè)務(wù)的安全承載，保證集群專網(wǎng)用戶與公網(wǎng)用戶區(qū)分，并且憑借自身精細(xì)的帶寬和時(shí)延QoS 服務(wù)保障保證高優(yōu)先級(jí)用戶業(yè)務(wù)接入和傳送的可靠性，如圖2 所示。另一方面，通過(guò)邊緣計(jì)算能力，5G 將應(yīng)用程序托管從集中式數(shù)據(jù)中心下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，能夠?qū)r(shí)延敏感業(yè)務(wù)在靠近用戶的位置進(jìn)行卸載，就近處理，且保證數(shù)據(jù)不出場(chǎng)，滿足數(shù)據(jù)安全需求。因此，5G 專網(wǎng)兼顧性能優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，具備承載集群通信業(yè)務(wù)的先天條件。

圖2 基于切片的5G 集群通信架構(gòu)

但是，從某種程度上看，網(wǎng)絡(luò)切片在某些特殊環(huán)境下并不能完全解決垂直行業(yè)的服務(wù)需求。舉例來(lái)說(shuō)，在應(yīng)急通信場(chǎng)景下，僅僅依靠網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)法限制普通公網(wǎng)用戶終端嘗試接入網(wǎng)絡(luò)，而這將一定程度上影響集群專網(wǎng)用戶的“隨時(shí)接入”。為此，3GPP R16 版本新增了對(duì)NPN（Non-Public Network，非公共網(wǎng)絡(luò)）的支持。NPN 為具有特定需求的垂直行業(yè)提供私有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具體包括SNPN 和PNI-NPN 兩種類型。SNPN 的部署不依賴于公網(wǎng)，行業(yè)用戶通過(guò)自建或代建的方式部署專網(wǎng)。這種方式下，企業(yè)對(duì)專網(wǎng)的自主掌控程度最高，性能最優(yōu)，但成本高昂，暫時(shí)不納入本主題下的探討范圍。PNI-NPN 則是集成于公網(wǎng)，其典型部署方式是在公眾移動(dòng)網(wǎng)上分配一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片以實(shí)現(xiàn)NPN 功能，同時(shí)引入CAG（Closed access group，閉合接入組）實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份的鑒權(quán)，保證僅白名單中的簽約用戶可以接入CAG 小區(qū)。這就進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了5G 虛擬專網(wǎng)的“私有化”。

4 集群通信5G 承載方案

5G 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算和NPN 等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)“公網(wǎng)專用”，一方面獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源可以保證所需的服務(wù)質(zhì)量，另一方面行業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)被限制在專網(wǎng)內(nèi)，保證了安全性?；?G 專網(wǎng)承載集群通信業(yè)務(wù)，相對(duì)于傳統(tǒng)公網(wǎng)和傳統(tǒng)專網(wǎng)，顯然更具優(yōu)勢(shì)。但是，作為公網(wǎng)通信方案，5G 專網(wǎng)本身暫時(shí)不能提供組呼、搶占、強(qiáng)插強(qiáng)拆以及多優(yōu)先級(jí)等集群調(diào)度通信所必須的功能，需要進(jìn)一步探索集群通信業(yè)務(wù)承載方案。目前，可選的方案主要有兩類，即基于3GPP 的MCX，以及基于Internet PoC。

4.1 基于3GPP MCX 方案

MCX 是MCPTT（Mission Critical Push To Talk，關(guān)鍵語(yǔ)音業(yè)務(wù)）、MCData（Mission Critical Data，關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）和MCVideo（Mission Critical Video，關(guān)鍵視頻業(yè)務(wù)）的統(tǒng)稱。從2016 年起，3GPP 開(kāi)始推出基于關(guān)鍵任務(wù)通信機(jī)制的MCPTT 標(biāo)準(zhǔn)，此后不斷豐富和增強(qiáng)MC系列業(yè)務(wù)功能。到2020 年R16 版本凍結(jié)為止，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)已演進(jìn)至MCPTT4.0、MCVideo3.0、MCData3.0，并新增了MC MBMS API 等研究?jī)?nèi)容。

MCX 引入IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒體子系統(tǒng)）架構(gòu)和GCSE（Group Communication Sevice Enabler，組通信服務(wù)使能器）架構(gòu)，使用SIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)端到端的應(yīng)用層業(yè)務(wù)。MCX 服務(wù)器與終端之間的信令和數(shù)據(jù)的傳輸既可以使用單播承載，也可以使用eMBMS（增強(qiáng)型多媒體廣播和組播）承載。在下行方向，采用eMBMS 承載能夠通過(guò)信道資源共享實(shí)現(xiàn)P2MP 傳送數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)，其優(yōu)勢(shì)相對(duì)于單播承載非常明顯。

基于MCX 的5G 集群通信架構(gòu)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)如圖3 所示。gNB 和5GC 等5G 網(wǎng)絡(luò)的基本網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)用戶附著和接入網(wǎng)絡(luò)并建立數(shù)據(jù)承載。SIP core 負(fù)責(zé)注冊(cè)、業(yè)務(wù)選擇和信令面路由。MCX 服務(wù)器為關(guān)鍵通信業(yè)務(wù)提供集中控制，包括呼叫控制、話權(quán)控制和媒體面處理等功能。MBMS 網(wǎng)關(guān)和BM-SC 配合實(shí)現(xiàn)多播承載。

圖3 基于MCX 的5G 集群通信架構(gòu)

可以看到，基于MCX 實(shí)現(xiàn)5G 集群通信，一方面需要基站設(shè)備和用戶終端從底層協(xié)議支持eMBMS，但現(xiàn)階段3GPP 暫未完成5G 廣播和多播的標(biāo)準(zhǔn)制定，從而限制了實(shí)際部署和升級(jí)；另一方面，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)也需增設(shè)MBMS網(wǎng)關(guān)等多個(gè)不同的網(wǎng)元設(shè)備，與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)耦合度較高，且增加了建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，在現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)較為困難。但隨著5G 標(biāo)準(zhǔn)的完善以及產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，MCX 憑借其良好的性能、互通性及接口開(kāi)放性，仍不失為5G 集群通信網(wǎng)大規(guī)模建網(wǎng)的推薦解決方案。

4.2 基于Internet PoC 方案

Internet PoC 源于傳統(tǒng)的對(duì)講機(jī)技術(shù)。PoC 基于多重單播技術(shù)，每個(gè)主叫終端向指定的PoC 服務(wù)器發(fā)送分組數(shù)據(jù)，如果是組通信，則PoC 服務(wù)器將分組數(shù)據(jù)副本發(fā)給指定的所有接收者?？梢?jiàn)，PoC 并未應(yīng)用到組播技術(shù)，因?yàn)榭梢栽谝苿?dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上透明傳輸，完全實(shí)現(xiàn)承載與應(yīng)用解耦，直接通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)講通信實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)集群功能。利用PoC 不依賴運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)且不要求底層支持多播協(xié)議的特點(diǎn)，可以基于PoC 實(shí)現(xiàn)5G 集群通信，具體包括兩類方案。

其一是基于IMS 域的PoC 實(shí)現(xiàn)方案。用戶終端加載PoC 客戶端應(yīng)用，通過(guò)5G 連接到IMS 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而利用SIP/IP 協(xié)議連接到PoC 服務(wù)器上，從而建立起客戶端與遠(yuǎn)端服務(wù)器的連接。這種方案下，PoC 服務(wù)器僅扮演應(yīng)用服務(wù)器的角色，尋址、選路和漫游等功能均由IMS 實(shí)現(xiàn)。由于IMS 與接入無(wú)關(guān)，PoC 客戶端還可以通過(guò)5G 以外的其他無(wú)線或有線接入網(wǎng)進(jìn)行接入，具有良好的互聯(lián)互通性。但這一方案要求5G 網(wǎng)絡(luò)接入IMS 實(shí)體，在現(xiàn)階段5G 尚未與IMS 打通，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有困難，且成本相對(duì)較高，更適合于未來(lái)階段的大規(guī)模商用5G 集群通信網(wǎng)。

其二是基于PS 域的PoC 實(shí)現(xiàn)方案。這種方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，PoC 服務(wù)器直接與UPF 相連接，負(fù)責(zé)PoC 業(yè)務(wù)的提供。但由于缺失了IMS 網(wǎng)絡(luò)的支持，需要部署SIP代理服務(wù)器、SIP 登記服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的SIP網(wǎng)絡(luò)功能，來(lái)完成地址解析、路由等功能。但這種方式?jīng)]有統(tǒng)一的規(guī)范，一般為私有技術(shù)方案，這就導(dǎo)致了特定廠商的PoC 平臺(tái)無(wú)法兼容其他PoC 終端，且網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通性較差，難以支持漫游和大規(guī)模建網(wǎng)。

4.3 應(yīng)用建議

基于5G 專網(wǎng)承載集群通信業(yè)務(wù)的前提是：在網(wǎng)絡(luò)性能方面，要求具備高于公共大網(wǎng)的覆蓋質(zhì)量、時(shí)延、穩(wěn)定性，同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)本身能夠根據(jù)業(yè)務(wù)及管理需求進(jìn)行靈活適配；在網(wǎng)絡(luò)功能方面，要求能夠融入到現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，既保證對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程的兼容，又能具備承載新興業(yè)務(wù)的演進(jìn)能力。相比較而言，3GPP MCX 方案的業(yè)務(wù)支持能力優(yōu)于PoC 方案，后者的設(shè)計(jì)更多是為了滿足任務(wù)關(guān)鍵型語(yǔ)音的需求，而未考慮對(duì)任務(wù)關(guān)鍵型數(shù)據(jù)和視頻的實(shí)現(xiàn)，但PoC 依然可以通過(guò)與其他解決方案的集成，保持著對(duì)MCX 較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在具體選擇集群通信5G 承載方案時(shí)，不能單純基于技術(shù)性能考慮，而應(yīng)以應(yīng)用為導(dǎo)向，首要考慮業(yè)務(wù)需求和場(chǎng)景，追求網(wǎng)絡(luò)性能與成本效益的均衡，其次是兼顧產(chǎn)業(yè)成熟度和網(wǎng)絡(luò)部署的難易程度等。

建議對(duì)于局域封閉、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通需求低、網(wǎng)絡(luò)自主可控性要求高、寬帶化集群通信業(yè)務(wù)需求迫切但對(duì)成本敏感的場(chǎng)景，或小規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)的場(chǎng)景，可采用基于PS 域的PoC 方案。對(duì)于局域開(kāi)放或接入?yún)^(qū)域不固定、要求網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、對(duì)成本可控接受程度高且業(yè)務(wù)需求相對(duì)急迫的場(chǎng)景，可考慮采用基于IMS 域的PoC 方案。對(duì)于業(yè)務(wù)支持能力需求廣但當(dāng)下部署需求尚不迫切的場(chǎng)景，則可考慮基于MCX 的方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

5G 專網(wǎng)兼顧承載集群通信業(yè)務(wù)所需性能和成本優(yōu)勢(shì)，但受限于現(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)制訂進(jìn)程以及產(chǎn)業(yè)鏈支持程度，需進(jìn)一步研究基于5G 的集群通信調(diào)度功能的實(shí)現(xiàn)，可選方案包括基于3GPP MCX 和基于Internet PoC 兩大類。其中，基于PS 域的PoC 方案適用于現(xiàn)階段局域封閉場(chǎng)景部署或小規(guī)模5G 集群通信試驗(yàn)，基于IMS 域的PoC 方案和基于MCX 方案則適用于未來(lái)階段技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)成熟后的5G 集群通信網(wǎng)大規(guī)模部署。