5G+TETRA 集群共網(wǎng)融合演進(jìn)方案研究

［唐亞軍 蔡子華 張紫璇］

1 引言

數(shù)字集群共網(wǎng)是一種廣泛用于公共安全、交通、企事業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，具備豐富指揮調(diào)度功能的專用移動通信網(wǎng)絡(luò)。TETRA 作為性能服務(wù)穩(wěn)定、安全保密性功能強(qiáng)、兼容性良好且參與生產(chǎn)廠商眾多的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)，是集群共網(wǎng)中所采納的主流制式。但TETRA 本質(zhì)上屬于窄帶通信系統(tǒng)，僅能支持語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無法滿足高速數(shù)據(jù)及視頻傳輸?shù)葘拵I(yè)務(wù)需求。為此，業(yè)界積極探索TETRA 集群共網(wǎng)寬帶化的問題。當(dāng)前的共識是，將現(xiàn)有的窄帶通信系統(tǒng)和寬帶通信系統(tǒng)相結(jié)合，組成集語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻于一體的多媒體集群融合共網(wǎng)。

2 寬窄融合路徑

業(yè)界關(guān)于寬窄融合的探索目前主要包括兩種路徑。一種是“專?；パa(bǔ)”，即依托現(xiàn)有窄帶TETRA 專網(wǎng)承載語音業(yè)務(wù)、新建寬帶B-TrunC（LTE 集群）專網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這種路徑的優(yōu)勢在于業(yè)務(wù)性能有保障、安全隔離度高，且網(wǎng)絡(luò)自主可控，但一次性建設(shè)投入成本大，且新建專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面受限于投資。另一種是“公專結(jié)合”，即在現(xiàn)有窄帶TETRA 專網(wǎng)的基礎(chǔ)上，新增公網(wǎng)接入手段。公網(wǎng)一方面承載寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，另一方面也通過PoC的方式解決部分專網(wǎng)無覆蓋區(qū)域的集群語音通信問題。這種融合路徑充分利用了公網(wǎng)覆蓋面廣、容量大、可快速部署的優(yōu)勢，但也存在諸多固有缺陷。其一，公網(wǎng)PoC 建立呼叫時(shí)長在2 s 以內(nèi)（在LTE 網(wǎng)絡(luò)下），相對于TETRA 系統(tǒng)300 ms的典型呼叫建立時(shí)長而言，時(shí)延增大，用戶體驗(yàn)不佳。其二，集群共網(wǎng)用戶與普通用戶共用現(xiàn)網(wǎng)資源，由于公網(wǎng)蜂窩小區(qū)支持的并發(fā)用戶數(shù)有限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，集群用戶相對普通用戶無優(yōu)先接入權(quán)，可能影響應(yīng)急調(diào)度指揮。其三，新增公網(wǎng)接入后，現(xiàn)有集群通信平臺增大了暴露面，安全隔離受影響。

由上述分析可知，“專?；パa(bǔ)”路徑是以較大的成本換取性能上的保障，而“公專結(jié)合”則是通過在一定程度上犧牲業(yè)務(wù)性能來合理控制成本。如果能夠解決“公專結(jié)合”中的通話質(zhì)量、時(shí)延、安全性和差異化服務(wù)質(zhì)量等問題，則有望依托“公專結(jié)合”實(shí)現(xiàn)寬窄融合性能與成本的更優(yōu)平衡。

3 5G+TETRA 融合可行性論證

5G NR 相對于LTE 在部分能力指標(biāo)上具有“斷代式”的提升，且能夠通過資源和能力定制化，提供具備高帶寬、大連接、低時(shí)延和高安全性等差異化能力和服務(wù)質(zhì)量保障、靈活便捷的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。因此，可初步選擇5G 作為“公專結(jié)合”中公網(wǎng)能力的提供者。以下從互聯(lián)互通能力、切片保障能力、低時(shí)延保障能力、安全隔離能力等方面進(jìn)一步論證5G+TETRA 融合的可行性。

3.1 系統(tǒng)互聯(lián)互通

5G 可基于網(wǎng)絡(luò)開放能力，提供必要的管理接口，以實(shí)現(xiàn)資源和用戶的自配置、自管理。具體來說，可基于IP/TCP/HTTP 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)RESTFul API 接口，通過5G 核心網(wǎng)NEF 功能單元，調(diào)用音視頻、RCS 富媒體消息、切片和邊緣計(jì)算等專網(wǎng)能力。因此，5G+TETRA 互聯(lián)互通的瓶頸主要在于TETRA 側(cè)。

雖然TETRA 標(biāo)準(zhǔn)定義了系統(tǒng)間的互通接口，但在實(shí)際使用中，出于市場競爭和份額保護(hù)的考慮，先進(jìn)入的廠家往往不愿配合現(xiàn)廠家進(jìn)行互聯(lián)互通調(diào)試，由此造成跨廠家跨系統(tǒng)互聯(lián)互通的障礙。

一種可行的方案是通過集群語音對接網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)寬窄帶系統(tǒng)的通信。其中，網(wǎng)關(guān)通過IP 接口與5G 寬帶系統(tǒng)對接，通過E1 接口與TETRA 窄帶系統(tǒng)對接，如圖1 所示。在具體配置時(shí)，網(wǎng)關(guān)兩側(cè)E1 參數(shù)應(yīng)保持一致，并配置與TETRA 系統(tǒng)相同的群組和時(shí)隙的映射關(guān)系。當(dāng)5G 系統(tǒng)，也即IP 側(cè)發(fā)起呼叫時(shí)，網(wǎng)關(guān)通過IP 接口接收到主叫終端的語音業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)本地配置的映射關(guān)系，確定接收終端所在群組及為其分配的時(shí)隙，針對該群組發(fā)起呼叫并通過E1 接口在對應(yīng)時(shí)隙上將語音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給TETRA 窄帶系統(tǒng)。反之，當(dāng)TETRA 系統(tǒng)，也即E1 側(cè)發(fā)起呼叫時(shí)，亦做類似的處理，從而實(shí)現(xiàn)寬窄帶系統(tǒng)的互聯(lián)互通。這種方案對接簡單，且不受部署方式的制約。但是，由于一路E1 接口最大僅支持30 路群呼，系統(tǒng)容量受限。如群呼需求較大，需申請開放更多E1 接口并相應(yīng)部署網(wǎng)關(guān)。

圖1 5G+TETRA 互聯(lián)互通示意圖

為了降低對網(wǎng)關(guān)的容量負(fù)荷要求，可采用“平戰(zhàn)分流”的策略，即對業(yè)務(wù)進(jìn)行分類承載。如對于平時(shí)的非任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)，統(tǒng)一使用5G PoC 進(jìn)行承載，對于戰(zhàn)時(shí)的任務(wù)關(guān)鍵型業(yè)務(wù)，優(yōu)先歸集到TETRA 網(wǎng)絡(luò)承載和轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)且僅當(dāng)任務(wù)關(guān)鍵型用戶處于TETRA 弱覆蓋或無覆蓋區(qū)域，才啟用寬窄融合機(jī)制實(shí)現(xiàn)對集群通信業(yè)務(wù)的承載和延伸?！捌綉?zhàn)分流”策略相對于傳統(tǒng)策略，不再強(qiáng)調(diào)以窄帶系統(tǒng)作為語音業(yè)務(wù)承載的主要系統(tǒng)，而是根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)的分類，盡量將業(yè)務(wù)流約束在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，寬窄系統(tǒng)的互通僅是作為支撐系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)條件以及最后的保障手段。

3.2 切片保障能力

5G 可用于承載集群共網(wǎng)業(yè)務(wù)的前提是可滿足共網(wǎng)用戶隨時(shí)隨地可接入?，F(xiàn)實(shí)中，用戶通常疑慮，在大型活動保障等小區(qū)實(shí)際接入用戶數(shù)高于可并發(fā)處理用戶數(shù)的場景下，如何保障集群共網(wǎng)用戶的優(yōu)先接入。對此，5G 切片可發(fā)揮關(guān)鍵作用，通常可基于QoS 調(diào)度來實(shí)現(xiàn)集群共網(wǎng)用戶與普通用戶的差異化調(diào)度。5G QoS 流的關(guān)鍵參數(shù)包括5QI 和ARP。其中，5QI 是一個(gè)標(biāo)量，用于表示5G QoS 特征的標(biāo)準(zhǔn)化組合。ARP 參數(shù)則包含優(yōu)先級、搶占能力和可被搶占性。優(yōu)先級定義了資源請求的相對重要性，優(yōu)先級取值越小，則在系統(tǒng)資源受限時(shí)，將能更優(yōu)先調(diào)度資源。搶占能力表示了該業(yè)務(wù)流能否搶占較低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的資源，相應(yīng)的，可被搶占性則表示，如當(dāng)前業(yè)務(wù)流優(yōu)先級較低，是否會被更高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流搶占資源。顯然，通過為集群共網(wǎng)用戶和普通用戶配置不同的QoS 策略，可一定程度保證集群共網(wǎng)用戶的高優(yōu)先級接入。

更進(jìn)一步的，可以在特定蜂窩小區(qū)范圍內(nèi)為集群用戶預(yù)留分配一定量的PRB 資源，從而解決極端網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可調(diào)度資源不足的問題。為了驗(yàn)證RB 資源預(yù)留的功能和能力能否滿足期望，在現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行了測試。

準(zhǔn)備測試終端兩套，其中UE1 簽約集群切片Slice#1，UE2 為普通簽約用戶。測試小區(qū)2 和小區(qū)2 均配置關(guān)聯(lián)Slice #1 切片信息，并打開PRB 資源保障開關(guān)，配置資源分配模式為Strict模式，配置上行PRB 資源占比為ulMaxRatio=15%。UE1 接入小區(qū)1 后發(fā)起滿buffer 上行業(yè)務(wù)，其上行速率為28.93 Mbit/s，對應(yīng)PRB 資源占比為15.07%，隨后UE2 也接入小區(qū)1 并發(fā)起滿buffer 上行業(yè)務(wù)，其上行速率為165.18 Mbit/s，PRB 占比58.6%。將UE1 和UE2 由小區(qū)1 向小區(qū)2 切換，在此過程中，UE1 一直獨(dú)占約15%資源。關(guān)閉小區(qū)2的PRB 資源保障開關(guān)，令UE2先行接入小區(qū)2 并發(fā)起滿buffer 上行業(yè)務(wù)，此時(shí)對應(yīng)上行速率為213.52 Mbit/s，PRB 占比約為69%，無法占用預(yù)留給UE1的15%的資源（公共資源開銷約占16%）。測試表明，PRB 預(yù)留能夠保證集群切片用戶獨(dú)占特定比例的資源，普通用戶無法占用，符合預(yù)期。

3.3 低時(shí)延保障能力

公網(wǎng)PoC 建立呼叫時(shí)延主要包括空口時(shí)延、多重匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延以及PoC 服務(wù)器響應(yīng)時(shí)延。其中，相對于LTE 共計(jì)17 ms的時(shí)延理論值，5G 通過技術(shù)優(yōu)化能夠?qū)⒖湛跁r(shí)延進(jìn)一步壓縮至1 ms 級別。多重匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延與傳輸距離以及傳輸設(shè)備的處理能力密切相關(guān)，可通過將UPF 下沉至本地進(jìn)行業(yè)務(wù)分流，從而降低傳輸時(shí)延。根據(jù)測算，當(dāng)用戶與UPF距離為100 km時(shí)，端到端環(huán)回時(shí)延（含空口時(shí)延）約為14 ms；當(dāng)距離為500 km 時(shí)，端到端環(huán)回時(shí)延也僅為22 ms，基本可以滿足業(yè)務(wù)時(shí)延需求。PoC服務(wù)器響應(yīng)時(shí)延與服務(wù)器設(shè)備的集中計(jì)算能力和處理能力等有關(guān)，實(shí)際上更需關(guān)注的是核心網(wǎng)用戶面UPF 至PoC服務(wù)器的傳輸距離。在UPF 下沉的前提下，可進(jìn)一步將PoC 服務(wù)器部署在邊緣5G MEC 上。UPF 將業(yè)務(wù)直接轉(zhuǎn)發(fā)至MEC 應(yīng)用上，從而有效降低整體業(yè)務(wù)時(shí)延。

3.4 安全隔離能力

由于集群共網(wǎng)業(yè)務(wù)對安全性敏感，因此5G 可用于承載集群共網(wǎng)業(yè)務(wù)的另一前提是滿足安全隔離要求。5G 切片在進(jìn)行實(shí)例化時(shí)，已經(jīng)按照業(yè)務(wù)場景的需要進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)功能剪裁和定制，并對包括無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)的資源以及核心網(wǎng)用戶面與控制面的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行了編排管理，可以滿足業(yè)務(wù)隔離的需求。而在安全性方面，5G 相對于4G 在協(xié)議和架構(gòu)層面進(jìn)行了安全增強(qiáng)，能夠更好地防止封閉區(qū)域數(shù)據(jù)泄露和網(wǎng)間攻擊。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)對終端、無線接入網(wǎng)、MEC、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)以及應(yīng)用等端到端的安全域的不同要求，相應(yīng)定制分級安全保障策略。

綜上分析，5G 在業(yè)務(wù)性能、安全保障和互通可達(dá)性等方面均具備與TETRA 融合的可行性。

4 5G+TETRA 融合演進(jìn)方案

根據(jù)“寬窄融合、公專結(jié)合、平戰(zhàn)分流”的策略制定5G+TETRA 融合演進(jìn)方案。其中，TETRA 側(cè)的互聯(lián)互通如前所述，5G 側(cè)的部署方案如圖2 所示。對講終端及調(diào)度臺均可通過無線切片接入5G 基站，基站與邊緣UPF 間采用GTP 隧道和PDU Session 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離和保障，PoC服務(wù)器下沉至用戶側(cè)邊緣節(jié)點(diǎn)部署，處理經(jīng)由邊緣UPF分流的集群業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。這樣可以最大程度降低傳輸時(shí)延和帶寬消耗，保障用戶體驗(yàn)，且數(shù)據(jù)安全性和私密性強(qiáng)，充分滿足集群共網(wǎng)用戶的業(yè)務(wù)承載要求。

圖2 5G 承載集群通信業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

方案從宏觀層面實(shí)現(xiàn)了5G+TETRA 集群共網(wǎng)的融合演進(jìn)以及業(yè)務(wù)承載，但在實(shí)際工程部署應(yīng)用時(shí)，還需重點(diǎn)考慮以下問題。其一，基于PRB 預(yù)留的切片方式會占用現(xiàn)網(wǎng)資源并對現(xiàn)網(wǎng)資源負(fù)荷造成一定的影響，在實(shí)際中無法全網(wǎng)應(yīng)用，僅適用于特定區(qū)域或特定時(shí)段。因此，可以針對集群共網(wǎng)用戶默認(rèn)采用QoS 調(diào)度的切片方式，當(dāng)且僅當(dāng)出現(xiàn)重點(diǎn)保障需求且業(yè)務(wù)發(fā)生區(qū)域明確時(shí)，針對特定集群用戶預(yù)留PRB 資源。這就要求運(yùn)營商能夠面向特定用戶提供動態(tài)配置和開通切片的功能。其二，由于PoC 部署在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，如終端或調(diào)度臺的PoC 應(yīng)用需訪問公網(wǎng)獲取地圖應(yīng)用服務(wù)，則必須簽約UL CL 方案或LADN 方案。其中，UL CL 方案的具體實(shí)現(xiàn)主要包括4 類，即特定位置UL CL 方案、位置及用戶簽約UL CL 方案、位置及應(yīng)用檢測UL CL 方案、能力開放UL CL 方案。位置及應(yīng)用檢測UL CL 方案能夠滿足前述場景需求，當(dāng)用戶移動到MEC 區(qū)域時(shí)，PCF 結(jié)合用戶位置信息及應(yīng)用流檢測結(jié)果，觸發(fā)UL CL 插入，除地圖應(yīng)用外的集群類業(yè)務(wù)通過邊緣UPF 錨點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，地圖應(yīng)用及其他公網(wǎng)業(yè)務(wù)則通過中心UPF 轉(zhuǎn)發(fā)。但目前廠商僅支持前2 類UL CL 實(shí)現(xiàn)方案，但暫不支持位置及應(yīng)用檢測UL CL方案以及LADN方案，仍需進(jìn)一步研發(fā)升級。其三，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的資源投放策略一般是“網(wǎng)隨人動”，也即網(wǎng)絡(luò)部署側(cè)重于人流密集、高價(jià)值的區(qū)域，但集群共網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)生區(qū)域則不限于人流稠密地帶，而可能發(fā)生在森林、郊區(qū)等邊緣地帶，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)如何滿足集群業(yè)務(wù)的流動需求，也是下階段應(yīng)重點(diǎn)探討的問題。

5 結(jié)束語

隨著移動寬帶化、多業(yè)務(wù)融合等需求的驅(qū)動，TETRA 窄帶集群共網(wǎng)亟待寬帶化演進(jìn)。5G 兼具性能和成本優(yōu)勢，可依托其自身出色的性能、網(wǎng)元虛擬化、架構(gòu)開放化和編排智能化的技術(shù)特性，與TETRA 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬窄融合，并在業(yè)務(wù)性能、安全保障和互通可達(dá)性等方面適配集群用戶需求。文中提出的5G+TETRA 集群共網(wǎng)融合演進(jìn)方案可作為實(shí)際工程部署的參考。