專網無線通信技術與云計算平臺融合演進的研究

劉宏波，潘鴦鴦，劉 洋

（海能達通信股份有限公司，深圳 518057）

專網無線通信技術與云計算平臺融合演進的研究

劉宏波，潘鴦鴦，劉 洋

（海能達通信股份有限公司，深圳 518057）

隨著信息網絡與業務需求的高速發展，通信技術正在快速與IT技術進行融合，無線通信技術與云計算平臺融合的研究已在業內逐步展開。本文就專網無線通信系統的系統層及應用層依托云計算平臺進行演進的發展方向進行了研究和探討。

無線專網；云計算；虛擬化

1 專網無線通信技術簡介

無線專網通信系統廣泛應用于公共安全、軌道交通、航空運輸、石油石化、電力等專業場景或對網絡有特殊要求的行業。由于用戶對象和使用場景的不同，相對于無線公網通信，專網系統具有用戶規模小、覆蓋廣、接續時間短、可靠性與安全性要求高等特點。當前較為流行的專網無線通信技術標準主要有TETRA，DMR，PDT，LTE等，此外，國產的GoTa等標準也在積極開拓市場，本文后續所討論的專網無線通信不針對任何一項具體的標準。

1.1 專網無線通信系統架構

如圖1所示，專網無線通信系統可分為如下三層：

（1）終端層：最終用戶所使用的手持終端、車載終端，以及用于數據采集和上傳的數傳終端等，通過系統層所提供的空中接口接入系統實現通信。

（2）系統層：包括無線接入基站、核心交換中心、及其他對外網關設備，系統層完成終端的空口接入，呼叫信令的處理、語音編解碼以及業務數據（語音、短信）的路由交換等功能，并通過對外網關設備與外網聯通，此外，系統層還提供豐富的應用層接口，以便針對客戶實際場景和需求，基于系統層進行應用層設備的二次開發工作。

（3）應用層：基于系統層開放的應用層接口，根據用戶應用場景開發的應用設備，典型的應用層設備有調度臺、錄音設備、GIS等。

圖1 專網無線通信系統三層架構

在系統層和應用層方面，當前主流的專網系統供應商均已采用成熟的商業服務器作為核心交換中心、網管設備、及應用層設備的硬件平臺。隨著虛擬化技術的成熟，未來也將逐漸過渡到企業客戶的數據中心或云平臺。

1.2 專網當前發展態勢

從實際使用場景來看，目前國內三家電信運營商在拓展公網寬帶業務的同時，不斷植入政府所需的應用和功能，以滿足各級政府日常管理和應急指揮保障要求，通過擴大網絡覆蓋面積和加大支持保障力度，逐漸形成專網核心保障和公網外圍支持的特殊網絡架構，可以預見在大融合的背景下，未來專網和公網的邊界將變得更加模糊。

從市場和技術的角度來講，專網所面臨的客戶對于高速率數據傳輸、低接續時間以及集群調度等均有了更高的要求，傳統的窄帶專網技術及當前的公網寬帶技術均無法完全滿足用戶的需求，專網寬帶技術目前還不成熟，尤其在語音集群調度方面依然存在問題，因此，可以預見今后一段時間將形成寬窄帶融合的發展趨勢，市場也將根據用戶需求平衡未來寬窄帶技術走勢，并最終由用戶和市場來共同檢驗。

隨著寬帶專網的應用，必然會給終端層和應用層帶來更多的業務機會，同時專網無線通信系統對于高速數據的處理能力，系統的高可靠性與彈性擴容等也提出更高的要求。

2 云計算發展

近年來隨著虛擬化技術的快速發展，云計算平臺服務已經越來越多的成為政企客戶IT業務的新選擇。云計算服務是指將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶提供按需服務。用戶通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需資源和服務。云計算廠商及企業/政府私有云數據中心通過虛擬化技術將基礎設施（CPU、內存、存儲、網絡帶寬等）、平臺（操作系統、數據庫、Web容器）以及應用軟件（HR系統、CRM系統）等以服務的形式提供給用戶，用戶可以像使用自來水一樣獲得高質量、高可靠的云服務資源，并依據使用量付費，而無需事先自行采購和興建基礎設施。

2.1 彈性計算

目前，國內的各大城市的交警部門都在城市主要路段部署了車牌識別系統用于流量監測、違章拍照等，如圖2所示。車牌識別系統涉及牌照定位、字符分割、字符識別等步驟，需要基于模板匹配算法及人工神經網絡算法等多種算法的支持，且每天需采集、傳輸、處理、分析和集中管理海量的車輛甚至人臉數據（駕駛員識別），對系統的計算能力及安全可靠性要求都非常高，此外車流量每天隨時間有明顯的變化，上下班高峰期車流明顯增多，對計算資源消耗迅速攀升；夜晚時分車輛較少，對計算資源的消耗就會明顯下降。如采用傳統的數據中心使用服務器自行部署維護和管理，除需要耗費大量資金進行數據中心建設，支付高昂的數據中心運行和維護費用之外，服務器等硬件資源還需要按系統最高負荷進行估算和采購，在系統非忙時，大量資源處于空跑狀態，造成資源的浪費。為提升效率的同時最大程度降低成本和開支，目前已有很多城市將車牌自動識別系統的中央處理部分部署在云端，部署好一臺虛擬服務器后可在幾分鐘內設置多個鏡像。當高峰時段，云平臺根據事先配置好的資源使用門限，自動啟動鏡像以增強處理能力；當非繁忙時段，云平臺可自動逐步關閉一部分鏡像，從而達到節省資源的目的。交警部門無需進行服務器資源的采購，也無需建設和運營數據中心，更無需雇傭人力花費財力來自行進行數據中心的維護工作，如同我們普通用戶使用水電一樣，只要根據使用量向自來水廠和供電局購買，而無需自行建設自來水廠和電廠，云平臺服務商根據資源使用情況向使用者收取費用，如鏡像未開啟，則僅收取存儲的費用，從而極大節省了交警部門的預算。

圖2 車牌自動識別系統

2.2 服務模式

云計算的服務模式主要被劃分為SaaS，PaaS，IaaS這三個大類或層次。PaaS和IaaS源于SaaS理念，PaaS和IaaS可以直接通過SOA/Web Services向平臺用戶提供服務，也可以作為SaaS模式的支撐平臺間接向最終用戶服務。

（1）IaaS（Infrastructure-as-a-Service，基礎設施即服務），也稱Hardware-as-a-Service，是早期基礎設施托管服務。客戶無需自己搭建數據中心，而是將硬件外包到別的地方去。IaaS提供商會提供場外數據中心、服務器、存儲和網絡硬件以供客戶租用，從而為客戶節省了機房建設成本和維護成本，客戶可以在任何時候利用這些硬件來運行其應用。

（2）PaaS（ Platform-as-a-Service，平臺即服務），某些時候也叫做中間件。客戶的所有開發工作都可以在這一層進行，節省了時間和資源。PaaS服務提供商在云平臺提供各種開發和分發應用的解決方案，比如虛擬服務器、操作系統、Web容器，客戶可將時間和精力放在其擅長的業務開發上，而不必過多考慮其他方面；目前主流的IaaS及PaaS服務商包括AWS、微軟、IBM與Google等，國內也有阿里云、百度云等。

（3）SaaS（Software-as-a-Service，軟件即服務），即將軟件平臺部署在云端，客戶可通過瀏覽器或其他客戶端訪問該軟件系統從而享受服務。目前眾多企業級應用軟件提供商，如Salesforce（CRM廠商），Workday（HR廠商）甚至一些ERP廠商均將其平臺部署在云端，為企業級客戶提供服務，每個企業相當于一個租戶，每個租戶之間數據隔離但平臺（如數據庫、Web容器）和基礎設施共享。

除以上三種服務模式外，目前一些廠商也提出了CaaS和MaaS的概念：

（1）CaaS（Communications-as-a-Service，通信即服務），也可稱為協作即服務，是將傳統電信的能力如消息、語音、視頻、會議、通信協同等封裝成API（Application Programming Interface，應用軟件編程接口）或者SDK（Software Development Kit軟件開發工具包）通過互聯網對外開放，提供給第三方（企業、SME、垂直行業、CP/SP以及個人開發者等等）使用，將電信能力真正作為服務對外提供。CaaS也被稱為云計算的第四種業務形式，目前國內華為已經在著手在建立CaaS的生態圈。

（2）MaaS（Machine-as-a-Service，物聯網即服務），隨著物聯網業務的增加，對數據存儲和計算量的需求也上升了一個新臺階，物聯網的高級階段需要虛擬化云計算，SOA等技術相結合實現物聯網的泛在服務TaaS（everTING-as-a-Service）。

2.3 云計算優勢

結合上述介紹，云計算擁有以下優勢：

（1）大大降低企業運營成本：云計算可以讓所有資源得到充分利用，如云服務提供商在工作時段可將大量計算資源（其中包括價格昂貴的服務器以及各種網絡設備）提供給企業使用，而非工作時段可將這些計算資源給一些游戲或娛樂行業使用，客戶的資源共享使成本均攤，較之客戶自行建設數據中心、購買硬件、搭建系統、自行進行運營和維護的傳統方式，其成本得到大大降低。

（2）資本支出轉移到運營成本：云計算使企業從資本轉移支出（資本支出）資金運營開支（OpEX），使客戶能夠更加專注于其核心價值，如業務和流程的洞察力，而非建立和維護IT基礎設施。

（3）動態可擴展性：大多數應用的部署都是估算峰值，過度購買基礎設施資源以應對，與適應這些尖峰相反，云服務彈性計算資源能順利和有效地處理這些峰值規模，以更加符合成本效益的根據使用量支付的模式。

（4）簡化維護：云計算平臺的資源監測、系統備份、維護升級等均由服務商自行處理，客戶無需投入人力和財力從事上述工作。

3 專網無線通信與云計算融合

上文已簡述了專網無線通信的發展趨勢以及云計算的優勢，專網無線通信技術與云計算有著很強的融合趨勢。以公共安全行業為例，公共安全專網無線通信在通常時段業務量較小，但在重大賽事或自然災害、重大治安事件發生之時，其業務量將迅速激增，公共安全的專網無線通信對彈性計算資源有著強烈的需求。此外，公共安全專網無線通信系統的應用層也需要與氣象局的天氣數據、地理位置信息數據、人口資源數據等多個政府平臺的數據進行整合計算與大數據處理，對于計算和存儲資源的消耗也需要云計算平臺的支持。對于其他行業來說，國內運營商已經擁有強大的IaaS平臺為政企客戶提供基礎設施托管服務，隨著運營商之間競爭日益激烈，運營商對于成本降低有著極為強烈的渴望，因此運營商也有融合的資源和動機。對于企業客戶來說，隨著企業IT系統的發展，大多數使用專網無線通信的企業都自建了私有云平臺（如大型石化行業），個別企業已經開始使用云服務商提供的公有云服務甚至開始使用SaaS應用，專網無線通信系統與云計算融合必將降低企業設備采購成本與運維成本，從而受到企業用戶的歡迎。當然，由于專網的特殊性，專網無線通信的用戶對于新技術的接受程度相對比較保守，因此，可以預見專網無線通信與云計算融合也將是一個過程，而非一蹴而就。

對于專網無線通信設備廠商來說，如前文所述，當前各主流廠商均采用商用服務器作為核心交換設備、網管設備以及應用層服務器設備，因此從技術角度來說該層面的融合并不復雜。專網通信由于其使用場景復雜性要求，對于高可靠性有著非常強烈的需求，而主流的云服務廠商在建設云計算數據中心時就已經考慮了異地冗余，一般企業私有云數據中心在建設時也會建設災備中心。作為專網無線通信的設備廠商，系統冗余設計會增加系統復雜度，也會消耗大量的研發成本，而在融合的背景下，系統冗余可放置在云平臺進行，設備廠商可將工作重心更多的放在業務的研發上，從而降低企業運營成本。

中國移動曾基于公網基站BBU+RRU架構演進的背景下提出過C-RAN云基站的概念，即在站點僅部署射頻單元接入模塊，而基帶的處理、基站控制器、核心網及各類網關、計費中心、增值業務等均部署在云平臺。由于射頻單元接入模塊可室外安裝在天線抱桿下，因此該方案能夠極大的降低建網成本，運營商無需再為基站建設機房、較之機房部署方式，饋線的長度也可大大削減。但考慮到專網相對公網在接續時間上有更為苛刻的要求（公網一般為秒級而專網要求在幾百毫秒內）該方案對網絡時延要求高，因此在專網領域推廣該方案尚不成熟。

基于當前專網無線通信行業的發展現狀，專網無線通信與云計算的融合將經歷兩個階段：

3.1 第一階段融合

即應用層設備與云計算平臺融合，而系統層包括交換中心和基站模塊還將獨立部署運行。在大帶寬的背景下，許多業務將呈蓬勃發展之勢（如警用執法記錄儀、機場航班進出港業務系統等），如前文中曾提到的公共安全的行業案例，其專網無線通信應用層除了支持現有的調度臺、錄音等功能外還可以與人員戶籍信息系統、氣象預報系統等各政府機關和企事業單位的應用平臺進行對接，進行大數據運算與分析，從而在發生自然災害或社會治安事件時能夠作出趨勢分析并給指揮員正確決策提供參考依據。隨著專網運營商涉足物聯網領域，在萬物互聯的大背景下對于數據的處理和分析需求也將爆發式增長。專網系統也需要更快速更高效的數據存儲與處理能力，同時可將采集的數據輸送至其他平臺進行大數據綜合分析，從而進一步挖掘潛在商業價值。如圖3所示。

圖3 第一階段融合

圖4 第一階段融合

在此階段盡管系統核心交換中心及綜合網管平臺等設備并未部署在云端，但更多的專網無線通信廠商將逐步采用虛擬化技術，由于虛擬化技術已非常成熟，利用虛擬技術實現冗余已變得非常可靠，采用虛擬技術還將降低客戶采購成本。因此，專網無線通信的應用層將首先過度到PaaS階段。

3.2 第二階段融合

雖然現階段在專網領域實現如中移動所提出的C-RAN云基站尚不成熟，然而隨著網絡技術的發展，一旦該瓶頸被突破，未來專網系統全面與云計算平臺深度融合的時代也將到來，屆時專網無線設備廠商將實現根據業務容量動態調整云計算資源。由于云計算安全可靠，屆時客戶自行建網的市場可能會萎縮，而運營商甚至會與云計算服務商合作共同運營專網網絡。對于公共安全等特殊行業，可能會部署在其私有云上或者使用政府主導，委托運營商建設和運維的公有云平臺，但與托管方簽訂QoS和SLA協定，保證在緊急狀況下優先保證公共安全專網的運行。對于大家所密切關注的安全性問題，必須要說明，即便傳統的客戶自行進行專網系統維護的場景也無法避免安全事件的發生，而要提升安全等級，使用方還需額外購買防火墻、入侵檢測等設備，并且制定嚴格的安全管理規范和安全流程與之相配套，此外還需引入信息安全人才團隊才能將其安全水平維持在較高級別。而采用云計算平臺、云計算服務商或托管方的專業團隊，將為用戶打造安全策略并有效執行安全檢查和防范工作。也就是說，在此階段專網無線通信將逐步向SaaS甚至CaaS過度，向最終用戶提供一種專業無線通信的服務。如圖4所示。

4 結束語

本文探討了專網無線通信技術與云計算平臺當前的發展狀況，并對專網無線通信系統與云計算融合進行了研究及趨勢分析。當然，與任何其他技術一樣，本文所闡述發展方向依然有賴于某些關鍵技術結點的突破和市場的檢驗。

PMR Technology and Cloud Computing Integration Evolution

Liu Hongbo, Pan Yangyang, Liu Yang
(Hytera Communication Corporation Limited, Shenzhen, 518057)

With the rapid development of network technology and growing of business requirement, communication technology is rapidly merging with IT technology. The integration of wireless communication technology and cloud computing has been gradually started in communications industry. This document distribute the evolution of the system layer and the application layer of the PMR system based on cloud computing.

PMR; Cloud Computing; Virtualization Technology

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.006

TN915.85，TN915.81

A

1672-7274（2017）03-0021-05