政務(wù)行業(yè)5G無線專網(wǎng)部署方案的研究

龔戈勇

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

隨著智慧城市等信息化項目的建設(shè)，政府正從管理型政府向服務(wù)型政府轉(zhuǎn)型，政府部門在信息化建設(shè)應(yīng)用方面不斷進行了各類探索，通過政務(wù)專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺來支撐辦公、監(jiān)管、服務(wù)以及決策等業(yè)務(wù)的智能化，有效提升了政務(wù)辦公和管理的信息化服務(wù)水平。5G系統(tǒng)非公眾網(wǎng)絡(luò)（Non-public Networks，NPN）架構(gòu)使得核心網(wǎng)單元的控制面可提供異構(gòu)接入技術(shù)統(tǒng)一的接入、安全及簽約管理服務(wù)框架，可支持專網(wǎng)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流按策略進行分流，實現(xiàn)邊緣、數(shù)據(jù)中心以及節(jié)點間的互聯(lián)互通，具備海量連接、高可靠、低時延等技術(shù)特性，高度契合政務(wù)信息化發(fā)展中不斷提升的移動辦公數(shù)據(jù)需求，可實現(xiàn)端到端超低時延、大容量視頻監(jiān)控以及海量物聯(lián)網(wǎng)終端接入等典型政務(wù)行業(yè)應(yīng)用，解決現(xiàn)有政務(wù)無線專網(wǎng)的痛點，賦能城市治理、產(chǎn)業(yè)、民生等多個政務(wù)領(lǐng)域[1]。

1 政務(wù)無線專網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)對比

1.1 5G技術(shù)和WiFi6技術(shù)的對比

5G無線專網(wǎng)和WiFi6技術(shù)采用的協(xié)議不同，不同場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能存在著較大差異。5G無線專網(wǎng)具有更可靠的重傳和保護機制、更大的覆蓋范圍以及更低的業(yè)務(wù)時延[2]。二者性能對比如表1所示。

表1 5G無線專網(wǎng)與WiFi6性能對比

1.2 5G專網(wǎng)和4G專網(wǎng)的對比

相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G技術(shù)架構(gòu)上進行了很大的優(yōu)化和調(diào)整，各項性能和指標(biāo)均有較大的提升。5G專網(wǎng)具備邊緣計算、超級上行、靈活的網(wǎng)絡(luò)控制和組網(wǎng)方案等特點，滿足多業(yè)務(wù)支持能力，可面向多樣化的應(yīng)用場景，網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活[3]。二者的性能進行對比如表2所示。

表2 5G專網(wǎng)與4G專網(wǎng)性能對比

2 政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)組網(wǎng)方案

2.1 頻率規(guī)劃

2.1.1 政務(wù)行業(yè)授權(quán)頻段

授權(quán)許可頻譜是無線通信服務(wù)的基石。2015年工信部頒布的《關(guān)于1447-1467兆赫茲（MHz）頻段寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無〔2015〕59號）提出1 447～1 467 MHz中20 MHz規(guī)劃用于政務(wù)網(wǎng)、公共安全以及應(yīng)急通信等政府專網(wǎng)。當(dāng)前1.4G寬帶專網(wǎng)規(guī)劃的頻段主要用于相關(guān)LTE專網(wǎng)的建設(shè)，在5G政務(wù)行業(yè)暫無相關(guān)的授權(quán)許可頻段，經(jīng)相關(guān)部門的登記許可情況下也可考慮在此頻段上進行政務(wù)行業(yè)5G無線專網(wǎng)的布置。

2.1.2 運營商授權(quán)許可頻段

目前，國內(nèi)三大運營商都經(jīng)營著2G、3G、4G以及5G的無線移動網(wǎng)絡(luò)，加上2019年新加入的中國廣電，四家運營商頻段都在5 GHz頻率以下具有較為充足的無線頻譜資源。因此，政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)也可通過與運營商合作，租用運營商現(xiàn)有授權(quán)頻段進行無線專網(wǎng)的部署。

2.1.3 非授權(quán)頻段

授權(quán)頻段的短缺日益明顯，5G通信系統(tǒng)上下游產(chǎn)業(yè)鏈也開始考慮在非授權(quán)頻段（包括2.4 GHz、3.5 GHz、5 GHz等）進行相關(guān)設(shè)備部署的嘗試，即使用NR協(xié)議在非授權(quán)頻段提供5G無線網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，以緩解當(dāng)前5G系統(tǒng)授權(quán)頻段的壓力。例如，5.8 GHz頻段是一個比2.4 GHz頻率更高，更開放的ISM頻段，目前也開始進入5G系統(tǒng)相關(guān)無線產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，通過提高容量和改善數(shù)據(jù)連通性，在補充許可頻譜方面發(fā)揮著重要作用。

2.2 組網(wǎng)方案

政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)是針對公檢法機構(gòu)、城市安防以及交通管控等場景，為政府部門用戶提供以5G為核心技術(shù)的綜合型專網(wǎng)。該專網(wǎng)融合了網(wǎng)絡(luò)切片和MEC等技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求比公網(wǎng)更高，具有定制化的資源和服務(wù)質(zhì)量保障、業(yè)務(wù)隔離的精品安全網(wǎng)絡(luò)，主要有以下3種組網(wǎng)方式.

2.2.1 虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)

虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)基于運營商5G SA網(wǎng)絡(luò)框架，依照“一張物理網(wǎng)，兩張邏輯網(wǎng)”的思路，采用2B/2C統(tǒng)籌規(guī)劃的部署建設(shè)思路，構(gòu)建政務(wù)行業(yè)5G定制專網(wǎng)。虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)在運營商公共網(wǎng)絡(luò)完全部署，政務(wù)部門內(nèi)部僅部署帶邊緣計算的5G路由，政務(wù)5G專網(wǎng)與公網(wǎng)業(yè)務(wù)利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，采用軟隔離的方式進行隔離[4]。其專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)架構(gòu)

虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)通過配置靈活的網(wǎng)絡(luò)切片資源，為不同的政府客戶提供不同等級的帶寬、時延保障等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)的特點如下。一是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營成本更低，周期更短。網(wǎng)絡(luò)由運營商與公網(wǎng)一起建設(shè)，無需采購定制化的專網(wǎng)設(shè)備，客戶也無需承擔(dān)無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護成本。二是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍寬廣。運營商公眾網(wǎng)絡(luò)有業(yè)務(wù)覆蓋的地方均可提供專網(wǎng)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。同時，因虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)全部采用了運營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其系統(tǒng)也存在著安全性較差和網(wǎng)絡(luò)延遲大的缺點。

虛擬型5G政務(wù)專網(wǎng)適用于政務(wù)行業(yè)的廣域?qū)＞W(wǎng)業(yè)務(wù)，包括智慧城市、智慧景區(qū)、新媒體、智能交通以及環(huán)境監(jiān)測等場景，如無人機巡邏和環(huán)境水質(zhì)監(jiān)控傳感器等。

2.2.2 混合型5G政務(wù)專網(wǎng)

混合型5G政務(wù)專網(wǎng)是指以5G數(shù)據(jù)分流技術(shù)為基礎(chǔ)，通過靈活定制無線接入和控制網(wǎng)元為政府用戶構(gòu)建一張增強帶寬、低時延的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)?；旌闲?G政務(wù)專網(wǎng)的核心網(wǎng)用戶面UPF網(wǎng)元為政府用戶私有化部署，無線基站和核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元根據(jù)用戶需求靈活部署，為用戶提供部分物理獨享的5G專用網(wǎng)絡(luò)，滿足政府用戶大帶寬和低時延等不同的應(yīng)用需求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 混合型5G政務(wù)專網(wǎng)架構(gòu)

混合型5G政務(wù)專網(wǎng)可根據(jù)用戶場景及業(yè)務(wù)特點，實現(xiàn)覆蓋、速率、容量以及上下行配比的靈活配置?；旌闲?G政務(wù)專網(wǎng)特點如下。一是業(yè)務(wù)安全隔離性較好。通過在政府部門內(nèi)部部署專用政務(wù)UPF設(shè)備，可實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)本地靈活卸載，不出園區(qū)。二是端到端時延較低。通過核心網(wǎng)UPF單位本地部署可有效降低網(wǎng)絡(luò)端到端的時延，部分場景時延可低于10 ms。

混合型5G政務(wù)專網(wǎng)產(chǎn)品適用于政務(wù)局域開放園區(qū)，包括城市管理和城市安防等。

2.2.3 專用型5G政務(wù)專網(wǎng)

專用型5G政務(wù)專網(wǎng)是指政府部門采用專有獨立的無線設(shè)備和核心網(wǎng)設(shè)備，構(gòu)建一張增強帶寬、低時延以及物理封閉的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)專網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)與運營商公眾網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)完全隔離，且不受運營商公眾網(wǎng)絡(luò)影響。在該模式下可以采用行業(yè)授權(quán)頻段、運營商頻段或者非授權(quán)頻段進行組網(wǎng)，相關(guān)部門在對應(yīng)的園區(qū)、辦公場所部署全套5G（gNB、UPF、5GC CP、UDM、MEC）。其專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 專用型5G政務(wù)專網(wǎng)架構(gòu)

專用型5G政務(wù)專網(wǎng)的設(shè)備組網(wǎng)方案可以基于傳統(tǒng)公網(wǎng)模式或定制化的專網(wǎng)設(shè)備組網(wǎng)方案。

（1）傳統(tǒng)公網(wǎng)模式。5G無線專網(wǎng)設(shè)備組網(wǎng)架構(gòu)類似于5G公網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括核心網(wǎng)單元、BBU單元、AAU單元以及CPE終端。

（2）定制化專網(wǎng)方案采用的5G無線專網(wǎng)設(shè)備通過裁剪了部分與行業(yè)應(yīng)用無關(guān)的功能，采用專有無線+核心網(wǎng)一體化設(shè)備，組網(wǎng)架構(gòu)更加簡單。由集中控制單元、分布式拉遠單元以及客戶前置設(shè)備3部分組成。其中，集中控制單元可采用云化的部署方式，使部署更便捷、成本更低，光纖拉遠的分布式拉遠單元采用智能基帶與射頻單元，使網(wǎng)絡(luò)覆蓋更優(yōu)，尤其適合應(yīng)用在環(huán)境復(fù)雜和覆蓋面積廣的環(huán)境中，客戶前置設(shè)備終端部署在應(yīng)用設(shè)備附近，通過5G無線傳輸連接到分布式拉遠單元。

專用型5G政務(wù)專網(wǎng)的特點如下。一是提供超低的端到端時延。通過核心網(wǎng)本地部署+空口預(yù)調(diào)度技術(shù)，有效降低網(wǎng)絡(luò)的端到端時延，部分場景下的時延可做到低于10 ms。二是硬隔離，安全性高。政務(wù)部門專網(wǎng)與運營商公眾網(wǎng)絡(luò)端到端完全隔離，用戶獨立部署核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)全套相關(guān)設(shè)備，保障專網(wǎng)行業(yè)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及用戶行為信息不出政務(wù)部門園區(qū)，為政務(wù)用戶提供剛性安全保障。三是靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和自服務(wù)。上下行帶寬靈活調(diào)整，可獨立增強，提供超級上行能力，通過增強上行覆蓋、優(yōu)化基站上下行資源配比、TDD+FDD的方式合力提升上行吞吐率。同時，政務(wù)用戶權(quán)限具有獨立的靈活配置的自服務(wù)能力。由于采用獨立組網(wǎng)，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營都需要自己負責(zé)，其組網(wǎng)也存在部署成本高，因此需要組建自有的網(wǎng)絡(luò)運營團隊等。

專用型5G政務(wù)專網(wǎng)適用于專屬程度高、安全要求高、數(shù)據(jù)隔離要求高、業(yè)務(wù)連續(xù)性要求極高以及對業(yè)務(wù)自主性要求高的局域封閉區(qū)域，如看守所和監(jiān)獄等。

2.3 容量規(guī)劃

2.3.1 容量需求估算

政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)的容量需求估算主要為其UPF設(shè)備的指標(biāo)配置，包括吞吐量和會話數(shù)，可依據(jù)業(yè)務(wù)承載的相關(guān)原則計算出UPF承載的業(yè)務(wù)吞吐量和會話數(shù)要求[5]。其中，政務(wù)5G專網(wǎng)帶寬需求=業(yè)務(wù)類型的平均每終端帶寬×對應(yīng)業(yè)務(wù)類型的用戶終端數(shù)；政務(wù)5G專網(wǎng)會話需求=業(yè)務(wù)類型的平均每終端會話數(shù)×對應(yīng)業(yè)務(wù)類型的用戶終端數(shù)。

政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)5G容量規(guī)劃方法可以結(jié)合4G業(yè)務(wù)發(fā)展情況作為參考，將上表小區(qū)峰值代入容量估算方法中。政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)規(guī)劃的下行小區(qū)數(shù)量=區(qū)域?qū)＞W(wǎng)總用戶數(shù)×連接態(tài)用戶比例×忙時下行激活比×下行用戶平均速率/單小區(qū)下行容量；政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)規(guī)劃的上行小區(qū)數(shù)量=區(qū)域?qū)＞W(wǎng)總用戶數(shù)×連接態(tài)用戶比例×忙時上行激活比×上行用戶平均速率/單小區(qū)上行容量。

2.3.2 系統(tǒng)帶寬測算

政務(wù)行業(yè)5G專網(wǎng)系統(tǒng)的承載能力與Massive MIMO配置、幀結(jié)構(gòu)配置、帶寬等系統(tǒng)參數(shù)以及用戶分布等有關(guān)。下面以運營商4.9G授權(quán)頻段和5.8G非授權(quán)頻段進行5G專網(wǎng)基站帶寬的測算。4.9G頻段效用測算如表3所示，5.8G頻段效用測算如表4所示。

表3 4.9G頻段效用測算

表4 5.8G頻段效用測算

3 結(jié) 論

當(dāng)前，城市管理和社會建設(shè)面臨著許多新的挑戰(zhàn)，迫切需要運用新技術(shù)來提升政府各部門城市管理與公共服務(wù)效率，5G無線政務(wù)專網(wǎng)正好可以滿足這種需求。5G政務(wù)專網(wǎng)將固定應(yīng)用和移動應(yīng)用結(jié)合起來，利用融合視頻、數(shù)據(jù)以及語音的5G通信技術(shù)來支撐政務(wù)行業(yè)的信息化工作的快速發(fā)展。