【摘? 要】闡述了基于5G移動網(wǎng)絡網(wǎng)絡切片技術的關鍵通信技術演進,基于B-TrunC標準和3GPP寬帶關鍵通信標準,構建了獨立建網(wǎng)模式和結合公網(wǎng)模式兩種寬帶關鍵通信網(wǎng)絡的演進模式,分析和比較了各種組網(wǎng)模式性能,最后提出了基于寬窄帶融合、逐步過渡的演進方式,實現(xiàn)現(xiàn)有窄帶專業(yè)通信網(wǎng)絡向寬帶關鍵通信網(wǎng)絡的演進。
【關鍵詞】5G移動網(wǎng)絡;關鍵通信;網(wǎng)絡切片技術;獨立建網(wǎng)模式;結合公網(wǎng)模式
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.004? ? ? ? 中圖分類號:TN929.5
文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2020)03-0022-05
引用格式:王貝. 5G移動網(wǎng)絡中關鍵通信技術的演進[J]. 移動通信, 2020,44(3): 22-26.
The Evolution on Key Communication Technologies of 5G Mobile Networks
WANG Bei
(Guangzhou Information Technology Security Evaluation Center, Guangzhou 510635, China)
[Abstract]?This paper provides the evolution of critical communication technology based on network slicing technology in 5G Mobile Network. Based on the B-TrunC standard and 3GPP broadband key communication standard, two evolution modes are constructed for broadband key communication networks, i.e. standalone networking mode and joint public network mode, and then the performances of various networking modes are analyzed and compared. Finally, the evolution mode based on wideband and narrowband fusion and gradual transition is proposed to realize the evolution from the existing narrowband professional communication networks to broadband key communication networks.
[Key words]5G mobile networks; key communication; network slicing technology; standalone networking mode;
joint public network mode
0? ?引言
近年來,被稱為關鍵通信的專業(yè)無線通信,經(jīng)過模擬到數(shù)字技術的變革,其網(wǎng)絡穩(wěn)定性、安全性、可靠性都得到了提升,網(wǎng)絡功能更加豐富,運營效率也有了巨大的飛躍。
目前,全球的政府、公共安全、交通、應急救援以及各行業(yè)的數(shù)字集群專用通信網(wǎng)絡為廣大專業(yè)用戶提供著關鍵通信服務。隨著移動寬帶的飛速發(fā)展,數(shù)據(jù)應用更加便捷和豐富。關鍵通信行業(yè)用戶的需求日益增多,數(shù)據(jù)和信息量越來越大,逐漸地開啟了窄帶向寬帶專業(yè)通信的演進 [1]。
2019年6月6日,工業(yè)和信息化部向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照,正式開啟了5G元年。這意味著5G移動網(wǎng)絡將給關鍵通信行業(yè)帶來新的機會和挑戰(zhàn)。
1? ?5G移動網(wǎng)絡的特點
與4G移動網(wǎng)絡相比,5G移動網(wǎng)絡不僅傳輸速度、功耗、時延等性能有了全新的提升,而且隨著移動互聯(lián)網(wǎng)進入智能互聯(lián)網(wǎng),5G移動網(wǎng)絡的業(yè)務功能也有增加。
國際標準化組織3GPP定義的5G移動網(wǎng)絡三大應用場景:eMBB(增強型移動寬帶)、mMTC(大規(guī)模機器類通信)以及URLLC(超高可靠與低延遲通信)。eMBB用于3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務,mMTC用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務,URLLC用于無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延、高可靠連接的業(yè)務[2] 。
5G移動網(wǎng)絡利用網(wǎng)絡切片技術,根據(jù)不同應用的特點和需求,對網(wǎng)絡實行分流管理,實現(xiàn)不同的應用場景。
網(wǎng)絡切片技術可將運營商的物理網(wǎng)絡劃分為多個虛擬網(wǎng)絡,根據(jù)不同的服務需求(例如:時延、帶寬、安全性以及可靠性等)劃分每個虛擬網(wǎng)絡,靈活地實現(xiàn)網(wǎng)絡的不同應用場景,使各種應用真正意義上實現(xiàn)“走自己的路”[3]。
5G移動網(wǎng)絡的網(wǎng)絡切片技術推動了關鍵通信技術的演進,運營商網(wǎng)絡可以根據(jù)用戶組織和應用場景提供更高優(yōu)先級、更有保障的服務,從而為關鍵通信提供穩(wěn)定和可靠的“專用網(wǎng)絡”。
2? ?寬帶關鍵通信標準
關鍵通信標準能夠保證可靠和穩(wěn)定關鍵通信應用。窄帶關鍵通信標準(例如:TETRA數(shù)字集群系統(tǒng))已經(jīng)成熟,能夠提供安全、可靠、靈活的語音業(yè)務。目前,國際上寬帶關鍵通信標準有兩條發(fā)展路徑:中國通信標準化協(xié)會(CCSA)制定的B-TrunC標準和3GPP國際標準化組織制定的3GPP寬帶關鍵通信標準。
2.1? B-TrunC標準
B-TrunC寬帶集群的標準化工作起步較早,在基于3GPP版本R9中增加了集群功能,B-TrunC標準的推進過程如下:
(1)第一階段
主要定位于本地網(wǎng),實現(xiàn)基于LTE技術的增強寬帶集群功能,定義了終端與系統(tǒng)間的空中接口規(guī)范,不涉及核心網(wǎng)的接口。
(2)第二階段
主要考慮互聯(lián)互通和漫游,重點定義核心網(wǎng)與調度臺、基站與核心網(wǎng)、核心網(wǎng)與核心網(wǎng)間的接口及測試方法、B-TrunC安全技術要求以及空中接口及其測試方法等標準。
(3)第三階段
主要考慮寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳?、終端直通功能等需求。
目前,已經(jīng)完成B-TrunC第一階段標準和第二階段標準的制定。2017年8月7日工信部辦公廳公開發(fā)布的《工業(yè)和信息化部辦公廳關于印發(fā)2017年第二批行業(yè)標準制修訂計劃的通知》指出:根據(jù)工業(yè)和通信業(yè)行業(yè)標準制修訂工作的總體安排,工信部編制完成了2017年第二批行業(yè)標準制修訂計劃,要求相關單位認真組織落實。根據(jù)該通知,相關起草單位已在2019年完成基于LTE技術的寬帶集群通信(B-TrunC)第二階段相關標準的制定[4]。
2.2? 3GPP寬帶關鍵通信標準
國際標準化組織3GPP一直致力于長期演進系統(tǒng)(LTE)和5G標準的研究和制定,已完成5G標準的第一版R15。
為了滿足專業(yè)通信用戶對于基于LTE的關鍵通信寬帶系統(tǒng)標準化需求,3GPP成立了專注于任務關鍵應用架構設計的工作組(SA WG6),它的任務是完成基于LTE的任務關鍵通信標準,包括任務關鍵型對講(MCPTT)、任務關鍵型數(shù)據(jù)(MCData)、任務關鍵型視頻(MCVideo)、互聯(lián)和互工作(Interconnection and Interworking,如MCLTE-MCLTE、MCLTE-TETRA)等標準[5-6]。
3GPP關于關鍵通信的標準計劃如圖1所示[7]。
2017年9月在日本召開的3GPP大會上,3GPP成員通過了將MCPPT、MCData、MCVoice等標準遷移到5G標準的決定。
目前,國內廠家除了支持B-TrunC標準之外,華為和ZTE等廠家也正在開發(fā)MCPTT系列產(chǎn)品,并已經(jīng)參加了由ETSI和TCCA組織的MCPPT互通測試。
3? ?寬帶關鍵通信演進的模式
目前,主要有兩種寬帶關鍵通信演進的模式:獨立建網(wǎng)模式和結合公網(wǎng)模式。少數(shù)國家(例如:中東地區(qū)的國家)選擇獨立建網(wǎng)模式建設寬帶專網(wǎng),而多數(shù)國家都計劃采用結合公網(wǎng)模式進行寬帶關鍵通信的演進[8]。
3.1? 獨立建網(wǎng)模式
獨立建網(wǎng)模式是關鍵通信運營商或用戶自行建設寬帶專網(wǎng)的模式。關鍵通信運營商或用戶需要建立一個獨立的專用通信網(wǎng)絡,圖2為獨立建網(wǎng)模式的網(wǎng)絡架構:
獨立建網(wǎng)模式的網(wǎng)絡主要由應用服務單元(AS)、歸屬簽約用戶服務器(HSS)、移動管理設備(MME)、服務/分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(S/P-GW)以及LTE無線基站(eNB)等網(wǎng)元組成。AS主要提供關鍵通信服務,HSS用于存儲用戶簽約信息的數(shù)據(jù),MME負責信令處理,S/P-GW負責業(yè)務面數(shù)據(jù)的傳輸和與外部網(wǎng)絡的接口,MME和S/P-GW構成了寬帶核心網(wǎng),eNB提供寬帶無線接入網(wǎng)絡。
關鍵通信運營商或用戶需要自行建立獨立建網(wǎng)模式網(wǎng)絡架構的全部網(wǎng)元,網(wǎng)絡建設成本高和建設周期長。如果寬帶專網(wǎng)達到窄帶專網(wǎng)的網(wǎng)絡覆蓋范圍,則建立寬帶專網(wǎng)必須付出高于窄帶專網(wǎng)數(shù)倍甚至數(shù)十倍的基站數(shù)量、建設成本以及建設周期。對于覆蓋同樣區(qū)域,5G移動網(wǎng)絡基站數(shù)量多于4G移動網(wǎng)絡基站數(shù)量幾倍。如果再考慮到維護設備數(shù)量的增加,則組網(wǎng)后的維護成本也增加。因此,寬帶專網(wǎng)的建設和維護成本將大大高于現(xiàn)有窄帶專網(wǎng)的建設和維護成本。
3.2? 結合公網(wǎng)模式
結合公網(wǎng)模式是關鍵通信運營商或用戶通過電信運營商的5G等公眾移動通信網(wǎng)絡承載關鍵通信業(yè)務。根據(jù)與公網(wǎng)結合的程度,結合公網(wǎng)模式可分為:VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng)模式、虛擬運營商(MVNO)模式、共享運營商無線接入模式。
(1)VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng)模式
關鍵通信服務商只需部署關鍵通信的應用服務單元(AS),其余的寬帶關鍵通信網(wǎng)絡網(wǎng)元都借助一家或多家移動運營商來實現(xiàn),圖3為VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng)模式的網(wǎng)絡架構:
應用服務單元(AS)通過連接運營商的VPN或者VPDN通道接入移動運營商的寬帶網(wǎng)絡,向專業(yè)用戶提供關鍵通信服務。應用服務單元(AS)還可以與現(xiàn)有的窄帶專網(wǎng)互聯(lián),形成統(tǒng)一的寬窄帶融合的專業(yè)通信網(wǎng)。VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng)模式不但可以利用關鍵通信服務商現(xiàn)有窄帶專網(wǎng)的穩(wěn)定可靠優(yōu)勢,而且還可以借助移動運營商寬帶移動網(wǎng)絡的高帶寬和全覆蓋優(yōu)勢,向專業(yè)用戶提供全面的融合通信服務。
VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng)模式已經(jīng)成功地應用于“ 2017年廣州全球財富論壇”,以廣州市800兆TETRA數(shù)字集群共網(wǎng)為主,LTE寬帶移動通信網(wǎng)為輔,基于寬窄帶融合平臺,構成TETRA數(shù)字集群共網(wǎng)和LTE寬帶移動通信網(wǎng)融合的一體化指揮調度通信模式,為國際化大型活動成功提供了可靠的通信保障。
(2)虛擬運營商(MVNO)模式
關鍵通信服務商借助多家運營商的寬帶網(wǎng)絡的無線接入網(wǎng)絡,只需要部署提供關鍵通信服務的應用服務單元(AS)、歸屬簽約用戶服務器(HSS)以及分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(P-GW),并通過運營商開放的系統(tǒng)標準接口,接入移動運營商的寬帶網(wǎng)絡進行組網(wǎng),圖4為虛擬運營商(MVNO)模式的網(wǎng)絡架構:
虛擬運營商(MVNO)模式既可節(jié)省網(wǎng)絡部署的成本和建設周期,又可充分利用多家運營商的網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)勢為,用戶提供端到端的安全通信服務。在5G移動網(wǎng)絡中,還可以利用網(wǎng)絡切片技術,可為特定場景應用提供關鍵通信服務。
(3)共享運營商無線接入模式
關鍵通信服務商單獨建立含有AS、HSS、MME、S/P-GW網(wǎng)元的寬帶核心網(wǎng)絡和部分基站,提供基于寬帶的關鍵通信服務,并通過運營商開放的系統(tǒng)標準接口,接入移動運營商的寬帶網(wǎng)絡進行組網(wǎng),圖5為共享運營商無線接入模式的網(wǎng)絡架構:
由于共享運營商無線接入模式受限于寬帶網(wǎng)絡建設的高成本和長周期,在專用寬帶頻率資源允許的情況下,關鍵通信服務商可以在熱點地區(qū)單獨建立無線接入基站,在非熱點地區(qū)通過共享運營商無線接入的方式進行網(wǎng)絡覆蓋,構建一個完整的寬帶覆蓋網(wǎng)絡。
目前,1998年芬蘭開始建設的全球第一個全國性TETRA共享網(wǎng)絡(VIRVE網(wǎng)絡)設定了向寬帶演進的計劃,初期將采用窄帶和寬帶混合組網(wǎng)模式,由TETRA數(shù)字集群網(wǎng)絡繼續(xù)為政府用戶提供高效的話音指揮調度服務,選擇電信運營商,以虛擬運營商(MVNO)模式為政府用戶提供寬帶數(shù)據(jù)服務,并通過融合通信方式將TETRA服務引入寬帶移動網(wǎng)絡,用戶能夠使用智能設備與TETRA用戶通信,享受TETRA數(shù)字集群服務。在2025-2030年,當寬帶移動通信網(wǎng)絡的任務關鍵性語音和數(shù)據(jù)業(yè)務完全成熟時,將用戶逐步過渡至寬帶網(wǎng)絡,通過熱點地區(qū)自建無線基站覆蓋,其他地區(qū)共享運營商無線基站覆蓋的方式,組建寬帶關鍵通信網(wǎng)絡,繼續(xù)為全國的專業(yè)用戶提供服務。
3.3? 組網(wǎng)模式的分析
通過對各種組網(wǎng)模式性能分析和比較,可根據(jù)各種網(wǎng)絡的實際需求、投資以及頻率可用性的情況,決定采用何種組網(wǎng)模式進行關鍵通信的演進,各種組網(wǎng)模式性能比較如下。
(1)實現(xiàn)難度
1)獨立建網(wǎng)模式:難度大,需要大量專用寬帶頻率資源,關鍵通信運營商或用戶需要獨自建設AS、HSS、MME、S/P-GW以及eNB等網(wǎng)元。
2)組合公網(wǎng)模式
◆VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng):難度小,關鍵通信運營商或用戶需要獨自建設AS網(wǎng)元,并且還需要運營商開通VPDN/VPN業(yè)務支持。
◆虛擬運營商(MVNO):難度較大,關鍵通信運營商或用戶需要獨自建設AS、HSS、P-GW等網(wǎng)元,并且還需運營商開放標準系統(tǒng)接口。
◆共享運營商無線接入:難度較大,需要少量專用寬帶頻率資源,關鍵通信運營商或用戶需要獨自建設AS、HSS、MME、S/P-GW以及部分eNB等網(wǎng)元,并且還需運營商開放標準系統(tǒng)接口。
(2)業(yè)務優(yōu)先保障
1)獨立建網(wǎng)模式:容易實現(xiàn),關鍵通信運營商或用戶自己定義。
2)組合公網(wǎng)模式
◆VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng):較容易實現(xiàn),需要運營商開放優(yōu)先級接口。
◆虛擬運營商(MVNO):較容易實現(xiàn),需要運營商開放優(yōu)先級接口,可通過基于多家運營商平臺進行業(yè)務互補和優(yōu)化。
◆共享運營商無線接入:容易實現(xiàn),具有標準系統(tǒng)接口。
(3)核心網(wǎng)成本
1)獨立建網(wǎng)模式:成本高,需要部署AS、HSS、MME、S/P-GW以及eNB等網(wǎng)元。
2)組合公網(wǎng)模式
◆VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng):成本較低,只需部署提供關鍵通信服務的應用服務單元(AS)網(wǎng)元。
◆虛擬運營商(MVNO):成本適中,如果需獨立部署AS、HSS、P-GW等網(wǎng)元,則成本增加。
◆共享運營商無線接入:成本適中,由VPN/VPDN方式平滑演進至此模式,現(xiàn)有核心網(wǎng)設備可以通過升級來實現(xiàn)多數(shù)寬帶核心網(wǎng)的功能。
(4)無線接入
1)獨立建網(wǎng)模式:關鍵通信運營商或用戶需要獨自建設網(wǎng)絡,無線接入成本高。
2)組合公網(wǎng)模式
◆VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng):使用運營商現(xiàn)有網(wǎng)絡,無線接入成本低。網(wǎng)絡服務由運營商保障。
◆虛擬運營商(MVNO):可共享使用多家運營商無線接入,在部分區(qū)域可實現(xiàn)覆蓋互補,無線接入成本適中。
◆共享運營商無線接入:除共享一家或多家運營商覆蓋之外,還可以根據(jù)需求,部署專用寬帶接入,滿足熱點區(qū)域的高密度高容量需求,相應無線接入成本較高。
(5)用戶數(shù)據(jù)安全性
1)獨立建網(wǎng)模式:安全性高,關鍵通信運營商或用戶的自建設網(wǎng)絡存儲用戶數(shù)據(jù)。
2)組合公網(wǎng)模式
◆VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng):安全性高,應用服務單元(AS)存儲用戶數(shù)據(jù)。
◆虛擬運營商(MVNO):安全性高,歸屬簽約用戶服務器(HSS)存儲用戶數(shù)據(jù)。
◆共享運營商無線接入:安全性高,歸屬簽約用戶服務器(HSS)存儲用戶數(shù)據(jù)。
(6)業(yè)務數(shù)據(jù)安全性
1)獨立建網(wǎng)模式:安全性高,關鍵通信運營商或用戶自定義的接口傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)。
2)組合公網(wǎng)模式
◆VPN/VPDN聯(lián)網(wǎng):安全性高,采用VPDN/VPN專用隧道傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)。
◆虛擬運營商(MVNO):安全性高,采用關鍵通信分服務標準系統(tǒng)接口傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)。
◆共享運營商無線接入:安全性高,采用關鍵通信分服務標準系統(tǒng)接口傳輸業(yè)務數(shù)據(jù)。
4? ?結束語
由本文分析可知,隨著5G移動網(wǎng)絡的建設,基于寬窄帶融合、逐步過渡的演進方式,最大化地發(fā)揮了寬帶和窄帶關鍵通信技術各自的優(yōu)勢,充分利用了現(xiàn)有網(wǎng)絡投資,步驟措施具體,風險可控,具有很好的可操作性,對現(xiàn)有窄帶專業(yè)通信網(wǎng)絡向寬帶關鍵通信網(wǎng)絡演進具有指導和借鑒意義。
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作者簡介
王貝(orcid.org/0000-0002-3977-3129):工程師,畢業(yè)于北京交通大學工程管理專業(yè),現(xiàn)任職于廣州市信息安全測評中心,主要從事網(wǎng)絡規(guī)劃、城市移動通信專網(wǎng)管理及應用研究工作。