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        5G+TETRA 集群共網(wǎng)融合演進方案研究

        2021-11-08 02:37:16唐亞軍蔡子華張紫璇
        廣東通信技術 2021年10期
        關鍵詞:公網(wǎng)切片時延

        [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)領域,具備豐富指揮調(diào)度功能的專用移動通信網(wǎng)絡。TETRA 作為性能服務穩(wěn)定、安全保密性功能強、兼容性良好且參與生產(chǎn)廠商眾多的數(shù)字集群標準,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,無法滿足高速數(shù)據(jù)及視頻傳輸?shù)葘拵I(yè)務需求。為此,業(yè)界積極探索TETRA 集群共網(wǎng)寬帶化的問題。當前的共識是,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)界關于寬窄融合的探索目前主要包括兩種路徑。一種是“專?;パa”,即依托現(xiàn)有窄帶TETRA 專網(wǎng)承載語音業(yè)務、新建寬帶B-TrunC(LTE 集群)專網(wǎng)運行數(shù)據(jù)業(yè)務。這種路徑的優(yōu)勢在于業(yè)務性能有保障、安全隔離度高,且網(wǎng)絡自主可控,但一次性建設投入成本大,且新建專網(wǎng)的網(wǎng)絡覆蓋面受限于投資。另一種是“公專結合”,即在現(xiàn)有窄帶TETRA 專網(wǎng)的基礎上,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,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 建立呼叫時長在2 s 以內(nèi)(在LTE 網(wǎng)絡下),相對于TETRA 系統(tǒng)300 ms的典型呼叫建立時長而言,時延增大,用戶體驗不佳。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,當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時,集群用戶相對普通用戶無優(yōu)先接入權,可能影響應急調(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,“專專互補”路徑是以較大的成本換取性能上的保障,而“公專結合”則是通過在一定程度上犧牲業(yè)務性能來合理控制成本。如果能夠解決“公專結合”中的通話質(zhì)量、時延、安全性和差異化服務質(zhì)量等問題,則有望依托“公專結合”實現(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、低時延和高安全性等差異化能力和服務質(zhì)量保障、靈活便捷的虛擬專用網(wǎng)絡。因此,可初步選擇5G 作為“公專結合”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、低時延保障能力、安全隔離能力等方面進一步論證5G+TETRA 融合的可行性。

        3.1 系統(tǒng)互聯(lián)互通

        5G 可基于網(wǎng)絡開放能力,提供必要的管理接口,以實現(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)議的標準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。

        雖然TETRA 標準定義了系統(tǒng)間的互通接口,但在實際使用中,出于市場競爭和份額保護的考慮,先進入的廠家往往不愿配合現(xiàn)廠家進行互聯(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)關實現(xiàn)寬窄帶系統(tǒng)的通信。其中,網(wǎng)關通過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,網(wǎng)關兩側E1 參數(shù)應保持一致,并配置與TETRA 系統(tǒng)相同的群組和時隙的映射關系。當5G 系統(tǒng),也即IP 側發(fā)起呼叫時,網(wǎng)關通過IP 接口接收到主叫終端的語音業(yè)務數(shù)據(jù),并根據(jù)本地配置的映射關系,確定接收終端所在群組及為其分配的時隙,針對該群組發(fā)起呼叫并通過E1 接口在對應時隙上將語音業(yè)務轉發(fā)給TETRA 窄帶系統(tǒng)。反之,當TETRA 系統(tǒng),也即E1 側發(fā)起呼叫時,亦做類似的處理,從而實現(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 接口并相應部署網(wǎng)關。

        圖1 5G+TETRA 互聯(lián)互通示意圖

        為了降低對網(wǎng)關的容量負荷要求,可采用“平戰(zhàn)分流”的策略,即對業(yè)務進行分類承載。如對于平時的非任務關鍵型業(yè)務,統(tǒng)一使用5G PoC 進行承載,對于戰(zhàn)時的任務關鍵型業(yè)務,優(yōu)先歸集到TETRA 網(wǎng)絡承載和轉發(fā),當且僅當任務關鍵型用戶處于TETRA 弱覆蓋或無覆蓋區(qū)域,才啟用寬窄融合機制實現(xiàn)對集群通信業(yè)務的承載和延伸?!捌綉?zhàn)分流”策略相對于傳統(tǒng)策略,不再強調(diào)以窄帶系統(tǒng)作為語音業(yè)務承載的主要系統(tǒng),而是根據(jù)實際業(yè)務的分類,盡量將業(yè)務流約束在同一網(wǎng)絡內(nèi),寬窄系統(tǒng)的互通僅是作為支撐系統(tǒng)運行的基礎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)務的前提是可滿足共網(wǎng)用戶隨時隨地可接入?,F(xiàn)實中,用戶通常疑慮,在大型活動保障等小區(qū)實際接入用戶數(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)揮關鍵作用,通??苫赒oS 調(diào)度來實現(xiàn)集群共網(wǎng)用戶與普通用戶的差異化調(diào)度。5G QoS 流的關鍵參數(shù)包括5QI 和ARP。其中,5QI 是一個標量,用于表示5G QoS 特征的標準化組合。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,將能更優(yōu)先調(diào)度資源。搶占能力表示了該業(yè)務流能否搶占較低優(yōu)先級業(yè)務流的資源,相應的,可被搶占性則表示,如當前業(yè)務流優(yōu)先級較低,是否會被更高優(yōu)先級的業(yè)務流搶占資源。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。

        更進一步的,可以在特定蜂窩小區(qū)范圍內(nèi)為集群用戶預留分配一定量的PRB 資源,從而解決極端網(wǎng)絡環(huán)境下可調(diào)度資源不足的問題。為了驗證RB 資源預留的功能和能力能否滿足期望,在現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下進行了測試。

        準備測試終端兩套,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 均配置關聯(lián)Slice #1 切片信息,并打開PRB 資源保障開關,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,其上行速率為28.93 Mbit/s,對應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,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 一直獨占約15%資源。關閉小區(qū)2的PRB 資源保障開關,令UE2先行接入小區(qū)2 并發(fā)起滿buffer 上行業(yè)務,此時對應上行速率為213.52 Mbit/s,PRB 占比約為69%,無法占用預留給UE1的15%的資源(公共資源開銷約占16%)。測試表明,PRB 預留能夠保證集群切片用戶獨占特定比例的資源,普通用戶無法占用,符合預期。

        3.3 低時延保障能力

        公網(wǎng)PoC 建立呼叫時延主要包括空口時延、多重匯聚和轉發(fā)時延以及PoC 服務器響應時延。其中,相對于LTE 共計17 ms的時延理論值,5G 通過技術優(yōu)化能夠?qū)⒖湛跁r延進一步壓縮至1 ms 級別。多重匯聚和轉發(fā)時延與傳輸距離以及傳輸設備的處理能力密切相關,可通過將UPF 下沉至本地進行業(yè)務分流,從而降低傳輸時延。根據(jù)測算,當用戶與UPF距離為100 km時,端到端環(huán)回時延(含空口時延)約為14 ms;當距離為500 km 時,端到端環(huán)回時延也僅為22 ms,基本可以滿足業(yè)務時延需求。PoC服務器響應時延與服務器設備的集中計算能力和處理能力等有關,實際上更需關注的是核心網(wǎng)用戶面UPF 至PoC服務器的傳輸距離。在UPF 下沉的前提下,可進一步將PoC 服務器部署在邊緣5G MEC 上。UPF 將業(yè)務直接轉發(fā)至MEC 應用上,從而有效降低整體業(yè)務時延。

        3.4 安全隔離能力

        由于集群共網(wǎng)業(yè)務對安全性敏感,因此5G 可用于承載集群共網(wǎng)業(yè)務的另一前提是滿足安全隔離要求。5G 切片在進行實例化時,已經(jīng)按照業(yè)務場景的需要進行了網(wǎng)絡功能剪裁和定制,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)絡功能進行了編排管理,可以滿足業(yè)務隔離的需求。而在安全性方面,5G 相對于4G 在協(xié)議和架構層面進行了安全增強,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)實際運行時,可以根據(jù)對終端、無線接入網(wǎng)、MEC、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)以及應用等端到端的安全域的不同要求,相應定制分級安全保障策略。

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

        4 5G+TETRA 融合演進方案

        根據(jù)“寬窄融合、公專結合、平戰(zhàn)分流”的策略制定5G+TETRA 融合演進方案。其中,TETRA 側的互聯(lián)互通如前所述,5G 側的部署方案如圖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 實現(xiàn)業(yè)務隔離和保障,PoC服務器下沉至用戶側邊緣節(jié)點部署,處理經(jīng)由邊緣UPF分流的集群業(yè)務數(shù)據(jù)。這樣可以最大程度降低傳輸時延和帶寬消耗,保障用戶體驗,且數(shù)據(jù)安全性和私密性強,充分滿足集群共網(wǎng)用戶的業(yè)務承載要求。

        圖2 5G 承載集群通信業(yè)務網(wǎng)絡拓撲

        方案從宏觀層面實現(xiàn)了5G+TETRA 集群共網(wǎng)的融合演進以及業(yè)務承載,但在實際工程部署應用時,還需重點考慮以下問題。其一,基于PRB 預留的切片方式會占用現(xiàn)網(wǎng)資源并對現(xiàn)網(wǎng)資源負荷造成一定的影響,在實際中無法全網(wǎng)應用,僅適用于特定區(qū)域或特定時段。因此,可以針對集群共網(wǎng)用戶默認采用QoS 調(diào)度的切片方式,當且僅當出現(xiàn)重點保障需求且業(yè)務發(fā)生區(qū)域明確時,針對特定集群用戶預留PRB 資源。這就要求運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 應用需訪問公網(wǎng)獲取地圖應用服務,則必須簽約UL CL 方案或LADN 方案。其中,UL CL 方案的具體實現(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、位置及應用檢測UL CL 方案、能力開放UL CL 方案。位置及應用檢測UL CL 方案能夠滿足前述場景需求,當用戶移動到MEC 區(qū)域時,PCF 結合用戶位置信息及應用流檢測結果,觸發(fā)UL CL 插入,除地圖應用外的集群類業(yè)務通過邊緣UPF 錨點轉發(fā),地圖應用及其他公網(wǎng)業(yè)務則通過中心UPF 轉發(fā)。但目前廠商僅支持前2 類UL CL 實現(xiàn)方案,但暫不支持位置及應用檢測UL CL方案以及LADN方案,仍需進一步研發(fā)升級。其三,運營商網(wǎng)絡的資源投放策略一般是“網(wǎng)隨人動”,也即網(wǎng)絡部署側重于人流密集、高價值的區(qū)域,但集群共網(wǎng)業(yè)務的發(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,運營商網(wǎng)絡如何滿足集群業(yè)務的流動需求,也是下階段應重點探討的問題。

        5 結束語

        隨著移動寬帶化、多業(yè)務融合等需求的驅(qū)動,TETRA 窄帶集群共網(wǎng)亟待寬帶化演進。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、架構開放化和編排智能化的技術特性,與TETRA 網(wǎng)絡實現(xiàn)寬窄融合,并在業(yè)務性能、安全保障和互通可達性等方面適配集群用戶需求。文中提出的5G+TETRA 集群共網(wǎng)融合演進方案可作為實際工程部署的參考。

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