高速公路无线宽带专网技术方案

田艳中，孙朝晖（湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙 410126）



高速公路无线宽带专网技术方案

田艳中，孙朝晖
（湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙 410126）

摘 要本文通过对高速公路的业务需求和多种无线宽带技术的分析，提出了3种高速公路无线宽带专网方案，并进行了比选分析，为下一步高速公路无线宽带专网的规划和建设提供一种借鉴。

关键词高速公路；无线宽带；专网；建设成本

近几年，我国汽车大众化趋势明显，同时选择高速公路自驾出行也成为很多人的首选，因此加快高速公路的全面信息化和智能化、建设高速公路出行综合信息服务平台势在必行。而承载这个系统的网络除了光纤有线传输网络外，亟需统筹建设和运营一张有效覆盖高速公路的无线宽带专网。由于无线技术具备对移动体的高效及时管理等优势，因此基于无线宽带专网的高速公路出行综合信息服务平台将能很好的解决现有的大规模交通堵塞、居高不下的交通事故和紧急救援等问题，发展交通行业物联网，实现“人车路”一体化道路交通安全管理，提高高速公路的运行效率和安全运行水平，同时为协助国家重特大自然灾害救援和疏导提供强有力的支持。

本文在分析和总结国内外已有的高速公路无线专网建设经验基础上，提出了无线宽带专网技术方案建议，为我国高速公路无线宽带专网的建设提供技术支持。

1　高速公路专网业务需求分析

（1）客户需求分析：对内客户为高速公路管理、建设、运营的内部人员。通过该网络实现内部管理，如远程监控建设过程、日常办公、应急救援、人车路的信息采集等。对外客户为高速公路出行的司乘人员。目前，高速公路对公众进行交通信息发布的主要手段或途径为交通频道、路侧可变信息标志等。对外客户将通过终端（主要是手机）上的高速公路出行服务APP来获取各种服务，如拥堵信息、气象信息、实时路况预报、交通指引、沿线吃住玩旅游推荐等。

（2) 业务类型分析：在高速公路条件下的话音、数据、多媒体（如视频等）等业务需求。

（3) 对网络的需求分析：60～120码的高速接入，交通安全类业务时延要求小于100 ms。

业务模型：下行单用户业务模型=开机率×平均每附着用户建立承载数×每承载平均吞吐量，某运营商4G每承载平均吞吐量规划取值0.02～0.03 Mbit/s,专网近期参考取大值和1.2倍系数， 4G开机率取值0.8，平均每附着用户建立承载数取值1.1。经计算，下行单用户业务模型值为0.031 68 Mbit/s。考虑到专网信息采集上传特点，上行单用户业务模型按下行的80%考虑。

一个扇区下行业务量预测：一个扇区按覆盖1 500 m考虑，每100 m内按2辆车、1辆车按3个对外客户考虑，外加10台对内客户，那么总用户数为100户，则每扇区下行业务量预测为3.168 Mbit/s。服务区所在扇区和节假日需考虑2倍系数，堵车需考虑4倍系数；如果是使用某一个运营商的移动网络，还需考虑实际的市场占用率。

2　无线网技术对比

根据业务需求分析、高速公路管理公司已有的有线网络现状以及无线产品的商用程度，目前能够满足高速公路的无线宽带接入建设需求的技术主要有3种：802.11p技术、TD-LTE技术和LTE FDD技术。表1 对3种技术的主要指标和应用优劣势进行了比较。

另外，3G技术所能提供的实际无线带宽有限，无法恒定保证客户的带宽需求；WiFi（802.11n或802.11ac）技术无法满足高速移动接入；4G标准中的802.16m商用网络较少，在我国将能获得的频段会比较高，基站覆盖能力将比较差。

3　技术方案比选分析

3.1 方案1（自建专网方案）

美国的IEEE 802.11p标准于2010年7月颁布，专为道路交通覆盖制定。它是在802.11a协议的基础上改良而成，工作频段为5.85～5.925 GHz，该频段不属于公共频段。该技术通过降低频点宽度和提高保护间隔长度，提高了覆盖距离、切换能力和准高速移动，因此该技术应用到高速公路在理论上基本可行。采用802.11p+xPON技术和利旧自有的光纤资源自建专网方案如图1所示。

经过前期调研，我国未分配5.9GHz频段给该标准，且目前国内没有厂家研发或生产该技术主设备产品；市场上也没有终端。美国的思科、摩托罗拉和艾克赛尔等主流厂家也没有生产该技术主设备。因此该方案处于理论阶段，无法搭建试验网。

3.2 方案2（与运营商共建4G专网方案）

图1　自建专网方案（802.11p+xPON）网络结构图

表1　3种技术的主要指标和应用优劣势对比

2013年12月4日，工信部向三大电信运营商发放了TD-LTE技术的4G牌照，并分配了丰富的频段；2015年2月27日，工信部向中国电信、中国联通发放了LTE FDD技术的4G牌照。目前LTE FDD商用网络一个20 MHz载频实际能提供下行平均约50 Mbit/s、上行平均约25 Mbit/s的速率；TD-LTE商用网络一个20 MHz载频实际能提供下行平均约30 Mbit/s、上行平均约15 Mbit/s的速率。考虑到平台目前业务对带宽的需求比较高，以及以后新增业务的带宽需求，该方案建议载频速率全部用于高速公路无线网平台带宽需求，专网专用，确保无线网络的畅通无阻。采用4G+IPRAN或PTN技术与运营商共建专网方案如图2所示。

图2　与运营商共建4G专网方案网络结构图

该方案TD-LTE或LTE FDD无线基站全部采用S11的站型，利旧合作运营商的塔桅或新建18 m（或24 m）H杆、9m立杆等低成本塔桅；移动牌照由运营商负责，再由运营商为该网络分配一个专用的频点（20 MHz或10 MHz或5 MHz）；利旧运营商已有的核心网平台和AAA系统；传输设备和线路利旧运营商已有的，对于容量不够的基站则扩容。另外由高速公路管理公司建设自己的后台管理平台和终端APP。

可以直接使用该专网的用户为对内客户和属于该合作运营商的对外客户。属于另外两家运营商的对外客户则通过手机APP来获得服务，因此高速公路后台作为移动互联网的SP需要与另外两家运营商的核心网对接。

3.3 方案3（租用运营商4G网方案）

目前3家运营商的4G网络都能提供丰富的带宽接入能力，且高速公路在运营商“线”覆盖策略中优先级非常高，覆盖率也会达到接近100%。因此目前高速公路平台带宽需求与运营商自有业务带宽需求共存于一个网络内是完全可行的，且有利于LTE网络利用率的提高。

该方案是由高速公路管理公司出资租用一家运营商已建好用于覆盖高速公路的4G网络，后期根据实际业务带宽情况和新增业务的带宽需求要求运营商对用于覆盖高速公路的基站进行载波聚合或多载波扩容。另外再出资建设自己的后台管理平台和终端APP。

可以直接使用该租用4G网络的用户为对内客户和属于该合作运营商的对外客户。属于另外两家运营商的对外客户则通过手机APP来获得服务，因此高速公路后台作为移动互联网的SP需要与另外两家运营商的核心网对接。

3.4 3种方案建设成本对比

表2　TD-LTE网络S11单站造价表

根据湖南省交通运输厅官方数据，到2014年底全省通车总里程达到5 493 km，位居全国第五。下面以5493km为例进行投资估算，其中方案1每AP按8万的综合造价（含塔桅、传输设备费用）。因为这个方案由高速公路管理公司自主建设，因此综合造价按政企购买价高于运营商采购价格考虑，另外还要建设自己的AAA系统和IT支撑系统。

方案2以TD-LTE为例，基站配置全部按S11考虑，单站造价如表2所示。新建的传输设备按每站2.4万元，共用运营商的传输设备按每站1.2万元，其中新建传输设备的站点按30%考虑。另外的管线和核心网使用费按每站5万元考虑。如果采用LTE FDD技术，由于覆盖能力稍强，那么所需要的基站少些，建设成本也就少一部分。

表3　3种方案建设成本对比

方案3租用网络以LTE FDD为例，由于大部分基站需要兼顾运营商的另外一个目标区域——沿线乡镇和村寨，那么有些基站离高速公路会有点距离，因此站间距到高速公路的投影按3km考虑。同时80%基站配置按S221考虑（未覆盖高速公路的那个扇区按1载频配置），20%基站配置按S22考虑，单站造价按方案2方式计算，S221为29.96万元，S22为26.53万元；传输设备全部按新建每站2.4万元考虑；租金总价为全省建设成本再乘以一个占比（与运营商谈判得出，本案例按45%考虑。其中管线和核心网使用费按每站5万元不再乘比例考虑）。具体支付方式可以按每年支付租金，租金算法是考虑一个通用的折旧年限，再将分摊的建设成本按平均折旧到每年的价格，同时需要考虑贷款利息。

3种方案的建设成本估算对比如表3所示。

本文没有对3种方案每年的维护费用，以及方案2和方案3的对内对外客户收费方式与盈利模式进行详细分析。

3.5 方案比选结果

从网络成熟度、网络质量、可实施性、建设成本、安全性等多方面综合考虑以上3种方案，建议采用方案3。

4　结论

移动通信5G时代在标准制定时就考虑了物联网（如物品接入）的建立，那么在5G时代对高速公路的无线管理将会更加容易和达到更好的效果。

Discussion about technical solution of wireless broadband private network on highway

TIAN Yan-zhong, SUN Zhao-hui
(Hunan Planning and Designing Institute of Post and Telecommunication Co., Ltd., Changsha 410126, China)

AbstractIn the paper, the service requirement and some kinds of wireless broadband technique are analyzed. Three kind of solutions of wireless broadband private network in highway are put forward, they are also compared and selected. They provide reference for the planning and construction of wireless broadband private network in highway.

Keywordshighway; wireless broadband; private network; construction cost

收稿日期：2015-08-27

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）02-0080-04