5G 集群通信網技術方案探討

［蔡子華 張紫璇 許澤釗］

1 引言

專網是相對公用網絡而言，為特定區域的特定用戶在組織管理和生產調度等環節提供通信服務的專用網絡。公網的設計一般要兼顧大眾用戶的需求，因而其網絡性能指標通常難以支撐行業用戶需求，而專網則沒有普適性的包袱，可專注于某一項或多項性能指標的優化和提升。結合公網和專網的發展來看，專網通信憑借其性能可靠和可定制服務等特點，在垂直行業應用中具有突出的優勢。

2 專網通信的發展

我國集群專網通信大致經歷了三個階段的發展，如圖1 所示。第一階段是以MPT1327 為代表的模擬集群通信系統，其通過自動選擇信道及多用戶共享資源實現了語音對講、信號指示傳送等業務；第二階段由模擬集群通信向數字集群通信演進，典型如TETRA、PDT 等，但由于其基于窄帶實現，僅能提供語音集群調度和低速數據業務；第三階段專網通信由窄帶向寬帶演進，除滿足個呼、組呼等語音集群業務外，還支持視頻通話等寬帶數據業務，最為典型的是B-TrunC。總體而言，專網通信在技術更新換代速度上落后于公網。

圖1 專網需求與技術發展

B-TrunC 是我國自主制定的基于TD-LTE 的寬帶集群通信標準制式，具備語音集群調度、多媒體集群調度、寬帶數據業務等功能，具有帶寬靈活、速率快、時延較低、安全性高以及支持寬窄融合的優勢。但由于B-TrunC 非3GPP 標準化協議，其承載和應用的耦合關系緊密，需采用專有設備和專用頻譜進行建設，整體網絡建設周期長、建設和運維成本高，極大制約了行業無線網絡部署。

值得注意的是，在數字集群專網由窄帶向寬帶演進的過程中，業界也在不斷探索基于公眾移動通信網絡實現集群語音調度的技術方案，也即PoC（Push-to-talk Over Cellular，按鍵通話）。PoC 采用半雙工的通信方式，語音數據或多媒體數據可以基于P2P 的點對點通話或P2MP 的群組通話模式在發送方和多個接收方之間同時共享。但由于PoC 系統是基于公網的分組交換服務實現的，其通話質量、時延、安全性和差異化服務質量等問題一直為人詬病。一方面，傳統公網僅能提供“盡力而為”的QoS 服務，網絡中不可避免的時延、抖動等極大影響語音質量，尤其是當現網存在大量用戶接入時，由于資源耗費過多造成，網絡擁塞，集群語音調度的時延和可靠性要求無法從根本上保證；另一方面，傳統公網如GPRS、LTE 等的網絡結構相對固定，缺乏靈活性，無法有效支持大量差異的垂直行業需求。

隨著移動寬帶化、多業務融合等行業需求的驅動，專網通信亟待一種新的技術制式，既能解決傳統公網集群通信方案的服務質量問題，又能解決傳統集群專網方案所面臨的建網和運營成本高企、終端需深度定制等問題，從根本上實現性能與成本的均衡。5G 時代的到來，為集群專網通信打開了“公專結合”的新出口。

3 5G 專網優勢分析

5G 具備大帶寬、廣連接、低時延、安全性高的諸多優勢，且能夠基于NR 標準的網絡架構實現“公網專用”，以專屬網絡的形態服務垂直行業需求。5G 專網的實現主要依托網絡切片和邊緣計算著兩種重要的支撐技術。一方面，通過網絡切片能力，可以從運營商的公共網絡基礎設施上分離出多個虛擬的端到端網絡，每個切片從終端、無線接入網、傳輸網、核心網乃至管理域實現隔離，高效滿足差異化網絡服務需求。具體到集群通信應用，基于5G公網資源提供切片服務，不需要企業本地部署硬件設備，無線側可通過QoS 優先級保障或RB 資源預留等方式復用大網無線資源，核心網側可根據實際需求配置網絡服務，進而整體實現集群業務的安全承載，保證集群專網用戶與公網用戶區分，并且憑借自身精細的帶寬和時延QoS 服務保障保證高優先級用戶業務接入和傳送的可靠性，如圖2 所示。另一方面，通過邊緣計算能力，5G 將應用程序托管從集中式數據中心下沉至網絡邊緣，能夠對時延敏感業務在靠近用戶的位置進行卸載，就近處理，且保證數據不出場，滿足數據安全需求。因此，5G 專網兼顧性能優勢和成本優勢，具備承載集群通信業務的先天條件。

圖2 基于切片的5G 集群通信架構

但是，從某種程度上看，網絡切片在某些特殊環境下并不能完全解決垂直行業的服務需求。舉例來說，在應急通信場景下，僅僅依靠網絡切片無法限制普通公網用戶終端嘗試接入網絡，而這將一定程度上影響集群專網用戶的“隨時接入”。為此，3GPP R16 版本新增了對NPN（Non-Public Network，非公共網絡）的支持。NPN 為具有特定需求的垂直行業提供私有網絡服務，具體包括SNPN 和PNI-NPN 兩種類型。SNPN 的部署不依賴于公網，行業用戶通過自建或代建的方式部署專網。這種方式下，企業對專網的自主掌控程度最高，性能最優，但成本高昂，暫時不納入本主題下的探討范圍。PNI-NPN 則是集成于公網，其典型部署方式是在公眾移動網上分配一個或多個網絡切片以實現NPN 功能，同時引入CAG（Closed access group，閉合接入組）實現對用戶身份的鑒權，保證僅白名單中的簽約用戶可以接入CAG 小區。這就進一步實現了5G 虛擬專網的“私有化”。

4 集群通信5G 承載方案

5G 通過網絡切片、邊緣計算和NPN 等技術手段實現“公網專用”，一方面獨立的網絡資源可以保證所需的服務質量，另一方面行業內部數據被限制在專網內，保證了安全性。基于5G 專網承載集群通信業務，相對于傳統公網和傳統專網，顯然更具優勢。但是，作為公網通信方案，5G 專網本身暫時不能提供組呼、搶占、強插強拆以及多優先級等集群調度通信所必須的功能，需要進一步探索集群通信業務承載方案。目前，可選的方案主要有兩類，即基于3GPP 的MCX，以及基于Internet PoC。

4.1 基于3GPP MCX 方案

MCX 是MCPTT（Mission Critical Push To Talk，關鍵語音業務）、MCData（Mission Critical Data，關鍵數據業務）和MCVideo（Mission Critical Video，關鍵視頻業務）的統稱。從2016 年起，3GPP 開始推出基于關鍵任務通信機制的MCPTT 標準，此后不斷豐富和增強MC系列業務功能。到2020 年R16 版本凍結為止，相應標準已演進至MCPTT4.0、MCVideo3.0、MCData3.0，并新增了MC MBMS API 等研究內容。

MCX 引入IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒體子系統）架構和GCSE（Group Communication Sevice Enabler，組通信服務使能器）架構，使用SIP 協議實現端到端的應用層業務。MCX 服務器與終端之間的信令和數據的傳輸既可以使用單播承載，也可以使用eMBMS（增強型多媒體廣播和組播）承載。在下行方向，采用eMBMS 承載能夠通過信道資源共享實現P2MP 傳送數據的業務，其優勢相對于單播承載非常明顯。

基于MCX 的5G 集群通信架構的簡化設計如圖3 所示。gNB 和5GC 等5G 網絡的基本網元實現用戶附著和接入網絡并建立數據承載。SIP core 負責注冊、業務選擇和信令面路由。MCX 服務器為關鍵通信業務提供集中控制，包括呼叫控制、話權控制和媒體面處理等功能。MBMS 網關和BM-SC 配合實現多播承載。

圖3 基于MCX 的5G 集群通信架構

可以看到，基于MCX 實現5G 集群通信，一方面需要基站設備和用戶終端從底層協議支持eMBMS，但現階段3GPP 暫未完成5G 廣播和多播的標準制定，從而限制了實際部署和升級；另一方面，在網絡側也需增設MBMS網關等多個不同的網元設備，與運營商網絡耦合度較高，且增加了建設和運營成本，在現階段實現較為困難。但隨著5G 標準的完善以及產業鏈的成熟，MCX 憑借其良好的性能、互通性及接口開放性，仍不失為5G 集群通信網大規模建網的推薦解決方案。

4.2 基于Internet PoC 方案

Internet PoC 源于傳統的對講機技術。PoC 基于多重單播技術，每個主叫終端向指定的PoC 服務器發送分組數據，如果是組通信，則PoC 服務器將分組數據副本發給指定的所有接收者。可見，PoC 并未應用到組播技術，因為可以在移動蜂窩網絡上透明傳輸，完全實現承載與應用解耦，直接通過互聯網技術進行對講通信實現公網集群功能。利用PoC 不依賴運營商網絡且不要求底層支持多播協議的特點，可以基于PoC 實現5G 集群通信，具體包括兩類方案。

其一是基于IMS 域的PoC 實現方案。用戶終端加載PoC 客戶端應用，通過5G 連接到IMS 網絡，進而利用SIP/IP 協議連接到PoC 服務器上，從而建立起客戶端與遠端服務器的連接。這種方案下，PoC 服務器僅扮演應用服務器的角色，尋址、選路和漫游等功能均由IMS 實現。由于IMS 與接入無關，PoC 客戶端還可以通過5G 以外的其他無線或有線接入網進行接入，具有良好的互聯互通性。但這一方案要求5G 網絡接入IMS 實體，在現階段5G 尚未與IMS 打通，實現起來有困難，且成本相對較高，更適合于未來階段的大規模商用5G 集群通信網。

其二是基于PS 域的PoC 實現方案。這種方式實現相對簡單，PoC 服務器直接與UPF 相連接，負責PoC 業務的提供。但由于缺失了IMS 網絡的支持，需要部署SIP代理服務器、SIP 登記服務器以及數據庫實現簡易的SIP網絡功能，來完成地址解析、路由等功能。但這種方式沒有統一的規范，一般為私有技術方案，這就導致了特定廠商的PoC 平臺無法兼容其他PoC 終端，且網絡互聯互通性較差，難以支持漫游和大規模建網。

4.3 應用建議

基于5G 專網承載集群通信業務的前提是：在網絡性能方面，要求具備高于公共大網的覆蓋質量、時延、穩定性，同時要求網絡本身能夠根據業務及管理需求進行靈活適配；在網絡功能方面，要求能夠融入到現有業務系統，既保證對現有業務流程的兼容，又能具備承載新興業務的演進能力。相比較而言，3GPP MCX 方案的業務支持能力優于PoC 方案，后者的設計更多是為了滿足任務關鍵型語音的需求，而未考慮對任務關鍵型數據和視頻的實現，但PoC 依然可以通過與其他解決方案的集成，保持著對MCX 較強的競爭力。因此，在具體選擇集群通信5G 承載方案時，不能單純基于技術性能考慮，而應以應用為導向，首要考慮業務需求和場景，追求網絡性能與成本效益的均衡，其次是兼顧產業成熟度和網絡部署的難易程度等。

建議對于局域封閉、網絡互聯互通需求低、網絡自主可控性要求高、寬帶化集群通信業務需求迫切但對成本敏感的場景，或小規模技術試驗的場景，可采用基于PS 域的PoC 方案。對于局域開放或接入區域不固定、要求網絡互聯互通、對成本可控接受程度高且業務需求相對急迫的場景，可考慮采用基于IMS 域的PoC 方案。對于業務支持能力需求廣但當下部署需求尚不迫切的場景，則可考慮基于MCX 的方案。

5 結束語

5G 專網兼顧承載集群通信業務所需性能和成本優勢，但受限于現階段標準制訂進程以及產業鏈支持程度，需進一步研究基于5G 的集群通信調度功能的實現，可選方案包括基于3GPP MCX 和基于Internet PoC 兩大類。其中，基于PS 域的PoC 方案適用于現階段局域封閉場景部署或小規模5G 集群通信試驗，基于IMS 域的PoC 方案和基于MCX 方案則適用于未來階段技術發展和產業成熟后的5G 集群通信網大規模部署。