彭雄根，何浩

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，南京 210019）

基于4G背景下的寬帶專網(wǎng)建設(shè)方案研究*

彭雄根，何浩

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)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(wǎng)實現(xiàn)方案變得多樣化。各行業(yè)要綜合考慮技術(shù)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(wǎng)建設(shè)方案，并根據(jù)政府機(jī)關(guān)、電力、物流等行業(yè)各自的特點和對專網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，給出了該行業(yè)專網(wǎng)建設(shè)方案的建議。

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

1 概述

專網(wǎng)是對運營商公網(wǎng)的一種補(bǔ)充，是指在一些行業(yè)、部門或單位內(nèi)部，為滿足其進(jìn)行組織管理、安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮等需要所建設(shè)的通信網(wǎng)絡(luò)，解決特定終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入問題。從技術(shù)角度看，隨著移動通信邁入4G時代，綜合傳統(tǒng)專網(wǎng)、寬帶集群專網(wǎng)、4G公網(wǎng)的特性，基于4G背景下的專網(wǎng)實現(xiàn)方案變得多樣化；從行業(yè)角度看，對專網(wǎng)有需求的行業(yè)陣營逐步擴(kuò)大，行業(yè)應(yīng)用越來越豐富。因此，在專網(wǎng)建設(shè)方案選擇的決策上，要綜合考慮技術(shù)方案實現(xiàn)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(wǎng)建設(shè)方案。

2 專網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1專網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

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

2.2基于4G背景下專網(wǎng)發(fā)展趨勢

無線專網(wǎng)技術(shù)歷經(jīng)模擬集群、數(shù)字集群，正向?qū)拵Ъ貉葸M(jìn)。公網(wǎng)和專網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)方向如圖1所示。

圖1　公網(wǎng)和專網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)方向

寬帶化：隨著全球4G規(guī)模部署范圍的不斷擴(kuò)大，作為公網(wǎng)在行業(yè)應(yīng)用的補(bǔ)充，無線專網(wǎng)正朝著寬帶化方向發(fā)展。LTE以其技術(shù)、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢成為各方共識，被廣泛認(rèn)為是寬帶集群專網(wǎng)的演進(jìn)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(qiáng)等特點，能夠滿足專網(wǎng)各種應(yīng)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(chǎn)權(quán)方面，具有絕對的優(yōu)勢。

認(rèn)知無線電：認(rèn)知無線電的一個重要前提就是頻譜自動感知。目前，對多數(shù)行業(yè)來說，專網(wǎng)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(jìn)技術(shù)在行業(yè)專網(wǎng)頻段的應(yīng)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(xiàn)頻譜共享，是一種提升頻譜利用率的有效方案。

3 專網(wǎng)建設(shè)方案分析

3.1自建TD-LTE寬帶集群專網(wǎng)

3.1.1方案分析

TD-LTE寬帶集群是基于公網(wǎng)的TD-LTE技術(shù)體制，由終端、無線接入子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、信息調(diào)度子系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

（1）終端：通過無線網(wǎng)絡(luò)接入的終端主要有手持終端、無線調(diào)度臺、車載臺和固定臺，通過有線網(wǎng)絡(luò)接入的終端是有線調(diào)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(jié)構(gòu)，E-eNode B直接連接到網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。E-eNode B是在eNode B基礎(chǔ)上增加了無線集群調(diào)度功能。

（3）網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)：系統(tǒng)網(wǎng)元主要有eMME、eHSS、S-GW、P-GW和D-GW，其中，D-GW為調(diào)度網(wǎng)關(guān)，它是在LTE EPC基礎(chǔ)上新增的網(wǎng)元，所有這些網(wǎng)元共同完成呼叫控制、集群調(diào)度及用戶數(shù)據(jù)管理等功能。

圖2　自建TD-LTE寬帶集群專網(wǎng)

（4）信息調(diào)度子系統(tǒng)：實現(xiàn)信息調(diào)度共享交換，應(yīng)用集成、業(yè)務(wù)流程控制、網(wǎng)絡(luò)管理安全認(rèn)證等功能，主要為行業(yè)應(yīng)用提供可視化操作，實現(xiàn)動態(tài)管理。

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

3.1.2方案應(yīng)用案例

目前，自建TD-LTE寬帶集群專網(wǎng)方案的應(yīng)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(shè)；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(shè)TD-LTE寬帶集群專網(wǎng)。

南京市無線寬帶政務(wù)專網(wǎng)采用分為終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、調(diào)度控制中心和操作維護(hù)中心五部分。網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)向，主要采用薄覆蓋模式進(jìn)行建設(shè)。

某省江面寬帶集群專網(wǎng)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(wù)，以支持高清視頻回傳、現(xiàn)場視頻會議、移動辦公服務(wù)。專網(wǎng)覆蓋總長450 km的長江航道，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用多核心網(wǎng)組網(wǎng)的分布部署方式，每個核心網(wǎng)節(jié)點負(fù)責(zé)匯聚若干個分局所轄范圍內(nèi)的基站，北向連接海事局內(nèi)部專網(wǎng)，由省局調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度指揮。專網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　某省江面寬帶集群專網(wǎng)架構(gòu)

3.2租用運營商網(wǎng)絡(luò)，新建IMS與EPC對接（框架圖如圖4所示）

圖4　 租用運營商網(wǎng)絡(luò)，新建IMS與EPC對接架構(gòu)圖

3.2.1方案分析

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

EPC網(wǎng)絡(luò)作為專網(wǎng)接入通道，對專網(wǎng)業(yè)務(wù)無感知。由于LTE承載語音業(yè)務(wù)是通過VoLTE實現(xiàn)的，而VoLTE依賴于運營商IMS系統(tǒng)來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則可直接通過LTE傳輸，因此語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(wù)邏輯，由EPC提供高質(zhì)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS保障。但是當(dāng)前運營商網(wǎng)絡(luò)對于用戶信息和網(wǎng)絡(luò)資源控制尚未開放，即自建IMS專網(wǎng)和運營商EPC連接時，PCC的功能不能實現(xiàn)，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(wǎng)與運營商EPC對接的組網(wǎng)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(jìn)行語音和數(shù)據(jù)的區(qū)分，因此可能會出現(xiàn)較大的時延，語音質(zhì)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(wù)的目標(biāo)架構(gòu)，承接來自固定、移動和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的不同接入方式下的業(yè)務(wù)，并通過自有的業(yè)務(wù)觸發(fā)機(jī)制融合傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)、智能網(wǎng)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)。正因為如此，該方案對于專網(wǎng)建設(shè)方來說，可以實現(xiàn)有線寬帶和無線寬帶業(yè)務(wù)的有機(jī)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(wù)的部署，而現(xiàn)有的高清現(xiàn)場監(jiān)控業(yè)務(wù)、移動辦公等新業(yè)務(wù)需求已經(jīng)拓展到有線網(wǎng)絡(luò)外，結(jié)合自建的IMS系統(tǒng)和公網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)資源，可以有效解決專網(wǎng)的固移融合問題。

圖5　國家電網(wǎng)IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案及與公網(wǎng)對接計劃

3.2.2方案應(yīng)用案例

新建IMS的專網(wǎng)建設(shè)方案基于運營商的EPC核心網(wǎng)和無線網(wǎng)，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(wǎng)建設(shè)，如國家電網(wǎng)。由于現(xiàn)有的行政交換網(wǎng)和調(diào)度交換網(wǎng)無法滿足快速增長的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)需求和新業(yè)務(wù)需求，國家電網(wǎng)從2015年開始就已啟動了對原有網(wǎng)絡(luò)的升級改造，建設(shè)覆蓋總部及27個省的IMS網(wǎng)絡(luò)。于此同時，國家電網(wǎng)已開始研究基于公網(wǎng)無線資源的電力無線專網(wǎng)方案（如圖5所示），為下一步IMS與運營商公網(wǎng)對接做好準(zhǔn)備。

3.3租用運營商IP虛擬專網(wǎng)組網(wǎng)

3.3.1方案分析

IP虛擬專網(wǎng)（MPLS-VPN）是指采用MPLS技術(shù)在骨干的寬帶IP網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建企業(yè)IP專網(wǎng)，實現(xiàn)跨地域、安全、高速、可靠的數(shù)據(jù)、語音、圖像等高質(zhì)量、高可靠性多媒體綜合業(yè)務(wù)，并結(jié)合差別服務(wù)、流量工程等相關(guān)技術(shù)，將公網(wǎng)可靠的性能、良好的擴(kuò)展性等與專網(wǎng)的安全、靈活、高效性結(jié)合起來，為用戶提供高質(zhì)量服務(wù)的IP寬帶網(wǎng)絡(luò)。

使用IP虛擬專網(wǎng)組網(wǎng)，不需要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。用戶終端通過運營商無線網(wǎng)接入，連接至企業(yè)等的分支機(jī)構(gòu)內(nèi)網(wǎng)，各個分支機(jī)構(gòu)內(nèi)網(wǎng)通過運營商MPLS-VPN的方式實現(xiàn)互聯(lián)互通，如圖6所示。該組網(wǎng)方式適合分支機(jī)構(gòu)多、分布范圍廣泛的企事業(yè)單位總部與分支機(jī)構(gòu)間的內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，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(wǎng)。此外，針對運營商網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，該專網(wǎng)需要建設(shè)一套數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心與運營商及內(nèi)網(wǎng)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(wǎng)、幀中繼、DDN、ATM、寬帶等多種接入方式，能夠為集團(tuán)客戶提供速率為N×64 kbit/s～2.5 Gbit/s、端到端的MPLS-VPN業(yè)務(wù)，并且用戶可以隨時根據(jù)需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)（增加端口、提高速率等）。

（2）組網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)調(diào)整方便，可以支持單中心、雙中心，甚至是全網(wǎng)狀方式，每個分支機(jī)構(gòu)通過物理連接接入就近的VPN承載網(wǎng)即可，增刪節(jié)點只需要對單站點進(jìn)行VPN接入電路的開通和關(guān)閉，并在VPN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)改動。

圖6　MPLS-VPN組網(wǎng)

為保障無線業(yè)務(wù)在虛擬專網(wǎng)的安全承載，需要從終端、網(wǎng)絡(luò)等方面做好安全保障：終端可采用數(shù)據(jù)加密、口令和指紋技術(shù)、終端加固、身份認(rèn)證等方式，網(wǎng)絡(luò)通道上可采用通道加密、數(shù)字證書等方式。

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

3.3.2方案應(yīng)用案例

隨著MPLS-VPN虛擬專網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，各類分支機(jī)構(gòu)眾多的部門或企業(yè)組建自己的專網(wǎng)變得越來越容易。某省交通運輸虛擬專網(wǎng)采用的就是向運營商租用MPLS-VPN虛擬專網(wǎng)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(diào)整。

4 主要行業(yè)的專網(wǎng)建設(shè)建議

4.1政府機(jī)關(guān)

4.1.1需求分析

無線政務(wù)專網(wǎng)是國家電子政務(wù)基礎(chǔ)體系架構(gòu)中的重要組成部分，是實現(xiàn)各級政府機(jī)關(guān)之間政務(wù)信息資源共享和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同辦公、建立統(tǒng)一的應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺。隨著社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各地政府的管理水平及公共事件、應(yīng)急救援能力正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了提升重大事件反應(yīng)速度，加強(qiáng)城市“安全運行”和“應(yīng)急管理”領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，紛紛提出無線政務(wù)專網(wǎng)的建設(shè)訴求。

無線政務(wù)專網(wǎng)配合有線政務(wù)網(wǎng)，可承載多種政務(wù)相關(guān)業(yè)務(wù)，獨立建網(wǎng)，提供安全可靠的無線傳輸通道。無線政務(wù)專網(wǎng)可針對重點領(lǐng)域開展技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)一步提高監(jiān)測管理水平和應(yīng)急處置能力，如開展安全生產(chǎn)、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(yīng)急搶險車輛衛(wèi)星定位管理等。

4.1.2專網(wǎng)建設(shè)建議

政府機(jī)關(guān)的專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求具有應(yīng)用范圍廣、業(yè)務(wù)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(wǎng)，速率較高，網(wǎng)絡(luò)安全性好，可以滿足相關(guān)業(yè)務(wù)需求。建議大中城市的政務(wù)專網(wǎng)采用自建TD-LTE寬帶集群專網(wǎng)的建設(shè)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(wǎng)公司看，公司在生產(chǎn)管理、行政辦公、營銷服務(wù)、運行檢修、應(yīng)急指揮等各方面有多樣化的業(yè)務(wù)需求，其中，公司對于移動業(yè)務(wù)的需求非常迫切，原有的有線網(wǎng)絡(luò)已不能充分滿足國家電網(wǎng)新的移動業(yè)務(wù)需求；公司對高清視頻會議業(yè)務(wù)、高清現(xiàn)場監(jiān)控業(yè)務(wù)、移動辦公等高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來越高，需要高速率的網(wǎng)絡(luò)來承載這些業(yè)務(wù)。

4.2.2專網(wǎng)建設(shè)建議

考慮到租用無線網(wǎng)絡(luò)不能完全覆蓋電力業(yè)務(wù)發(fā)生區(qū)域和大規(guī)模自建無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式。對于無線網(wǎng)：在公網(wǎng)覆蓋區(qū)域，租用運營商網(wǎng)絡(luò)，在無公網(wǎng)覆蓋的其他電力業(yè)務(wù)發(fā)生區(qū)域，新建無線網(wǎng)絡(luò)；對于核心網(wǎng)，新建IMS與運營商網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(chǎn)品標(biāo)識與跟蹤、發(fā)貨、越庫、收貨等多個環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)更高效率的管理和更準(zhǔn)確的跟蹤與監(jiān)控，比較大的物流企業(yè)有必要組建專網(wǎng)來實現(xiàn)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(chǎn)生、加工和應(yīng)用在時間、地點上較為分散；物流信息動態(tài)性強(qiáng)，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(wù)的分支靈活多變等。

4.3.2專網(wǎng)建設(shè)建議

物流行業(yè)的業(yè)務(wù)特征要求專網(wǎng)具有覆蓋廣、網(wǎng)絡(luò)分支修改靈活、實現(xiàn)成本低等，建議采用向運營商租用虛擬專網(wǎng)的方案。

［1］ 伉沛川， 馮巖. 我國寬帶專網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望［C］. 2014年全國無線及移動通信學(xué)術(shù)大會.

［2］ 龔達(dá)寧. 基于TD-LTE的寬帶專網(wǎng)技術(shù)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(shù)字集群的寬帶無線專網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)科技項目“面向電力移動互聯(lián)應(yīng)用的4G多業(yè)務(wù)承載關(guān)鍵技術(shù)研究（SGRIXTKJ［2015］349號）”。