基于4G背景下的宽带专网建设方案研究*

彭雄根，何浩

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210019）

基于4G背景下的宽带专网建设方案研究*

彭雄根，何浩

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210019）

随着移动通信迈入4G时代，基于4G背景下的专网实现方案变得多样化。各行业要综合考虑技术方案的要求、行业自身的特征、部门或企业的需求等，选择合适的方案。本文重点分析了目前几种主要的专网建设方案，并根据政府机关、电力、物流等行业各自的特点和对专网业务的需求，给出了该行业专网建设方案的建议。

专网；TD-LTE宽带集群系统；IP多媒体子系统；演进分组核心网；IP虚拟专网

1 概述

专网是对运营商公网的一种补充，是指在一些行业、部门或单位内部，为满足其进行组织管理、安全生产、调度指挥等需要所建设的通信网络，解决特定终端设备的网络接入问题。从技术角度看，随着移动通信迈入4G时代，综合传统专网、宽带集群专网、4G公网的特性，基于4G背景下的专网实现方案变得多样化；从行业角度看，对专网有需求的行业阵营逐步扩大，行业应用越来越丰富。因此，在专网建设方案选择的决策上，要综合考虑技术方案实现要求、行业自身的特征、部门或企业的需求等，选择合适的专网建设方案。

2 专网现状及发展趋势

2.1专网发展现状

我国政府部门和公安部均已建设规模较大的无线专网。自2012年底始，北京、天津、上海、南京和广东省等地获得了专网频率授权，陆续在各地开展1.4 G频段TD-LTE政务专网试验，并在全球率先制定了基于TD-LTE的宽带集群技术标准。另外，铁路、石油、电网、航空等部门也建设了一定规模的专网，交通运输、物流、金融等行业也通过租用公网的形式，建立了自己的专网。

2.2基于4G背景下专网发展趋势

无线专网技术历经模拟集群、数字集群，正向宽带集群演进。公网和专网技术演进方向如图1所示。

图1　公网和专网技术演进方向

宽带化：随着全球4G规模部署范围的不断扩大，作为公网在行业应用的补充，无线专网正朝着宽带化方向发展。LTE以其技术、产业优势成为各方共识，被广泛认为是宽带集群专网的演进方向。TD-LTE宽带集群系统具备速度快、带宽大、频谱利用率高、抗干扰能力强等特点，能够满足专网各种应用在容量、带宽、传输速率和频谱利用率等方面的需求，而且系统在自主知识产权方面，具有绝对的优势。

认知无线电：认知无线电的一个重要前提就是频谱自动感知。目前，对多数行业来说，专网缺乏全国统一的频段，而且仍在各行业中使用的窄带频点划分方式限制了先进技术在行业专网频段的应用。频谱自动感知能够打破频谱的排他性占用，开放出更多的可用频谱资源，实现频谱共享，是一种提升频谱利用率的有效方案。

3 专网建设方案分析

3.1自建TD-LTE宽带集群专网

3.1.1方案分析

TD-LTE宽带集群是基于公网的TD-LTE技术体制，由终端、无线接入子系统、网络子系统、信息调度子系统等部分组成，如图2所示。

（1）终端：通过无线网络接入的终端主要有手持终端、无线调度台、车载台和固定台，通过有线网络接入的终端是有线调度台。

（2）无线接入子系统：和LTE相同，无线接入子系统是单层结构，E-eNode B直接连接到网络子系统。E-eNode B是在eNode B基础上增加了无线集群调度功能。

（3）网络子系统：系统网元主要有eMME、eHSS、S-GW、P-GW和D-GW，其中，D-GW为调度网关，它是在LTE EPC基础上新增的网元，所有这些网元共同完成呼叫控制、集群调度及用户数据管理等功能。

图2　自建TD-LTE宽带集群专网

（4）信息调度子系统：实现信息调度共享交换，应用集成、业务流程控制、网络管理安全认证等功能，主要为行业应用提供可视化操作，实现动态管理。

自建TD-LTE宽带集群专网，是最直接、最安全的方案，可以提供高速的多媒体服务，灵活的集群调度，充分的网络安全机制，能够很好地满足业务需求，也可以避免运营商网络因突发事件造成网络中断的问题；但自建方案涉及网络规划、建设、优化、维护多个阶段，专业面广、范围大、任务重、投资高、建设周期长，而且频谱资源不易获得。

3.1.2方案应用案例

目前，自建TD-LTE宽带集群专网方案的应用案例逐步增多。在城市方面，北京、天津、南京等几个城市已开展建设；在行业方面，某省海事局、郑州地铁等部门单位也正在建设TD-LTE宽带集群专网。

南京市无线宽带政务专网采用分为终端、接入网、核心网、调度控制中心和操作维护中心五部分。网络覆盖南京全市，包括江南六区、江宁、浦口、六合、高淳、溧水各区域。初期以室外道路覆盖为主要导向，主要采用薄覆盖模式进行建设。

某省江面宽带集群专网主要为执法船只、执法人员和视频采集系统提供移动宽带服务，以支持高清视频回传、现场视频会议、移动办公服务。专网覆盖总长450 km的长江航道，网络结构采用多核心网组网的分布部署方式，每个核心网节点负责汇聚若干个分局所辖范围内的基站，北向连接海事局内部专网，由省局调度系统统一调度指挥。专网结构如图3所示。

图3　某省江面宽带集群专网架构

3.2租用运营商网络，新建IMS与EPC对接（框架图如图4所示）

图4　 租用运营商网络，新建IMS与EPC对接架构图

3.2.1方案分析

租用运营商无线网和EPC核心网，作为承载网络接入终端，即通过运营商网络传输连接到自建的IMS网络。专网和运营商网络之间通过SBC进行网络隔离，以确保自身的网络安全。如果专网业务有高级别的保密需求，就需要在IMS网络边缘部署加密服务器，在定制的终端上部署加密客户端，这样终端和加密服务器之间建立诸如IPSec等加密通道进行通信。定制LTE终端需要预置加密服务器IPv4/IPv6地址，通过EPC网络路由，与加密服务器进行连接。

EPC网络作为专网接入通道，对专网业务无感知。由于LTE承载语音业务是通过VoLTE实现的，而VoLTE依赖于运营商IMS系统来实现，数据业务则可直接通过LTE传输，因此语音业务和数据业务需要区别对待，接入方式也不同。运营商部署IMS的主要目的是使得LTE支持VoLTE功能，VoLTE由IMS提供会话控制和业务逻辑，由EPC提供高质量的分组域承载，通过统一的专用APN及独立承载为用户提供区别于普通数据业务的QoS保障。但是当前运营商网络对于用户信息和网络资源控制尚未开放，即自建IMS专网和运营商EPC连接时，PCC的功能不能实现，而且IMS也不能获得用户信息，即不能访问HSS。因此，自建IMS专网与运营商EPC对接的组网方式，只能以LTE作为IP管道使用。由于IP传输是尽力而为的方式，且不对IP分组进行语音和数据的区分，因此可能会出现较大的时延，语音质量不能保证的问题。

新建IMS与EPC对接的方案还有一个很重要的特性：IMS是语音和多媒体业务的目标架构，承接来自固定、移动和异构网络的不同接入方式下的业务，并通过自有的业务触发机制融合传统语音业务、智能网业务和多媒体业务。正因为如此，该方案对于专网建设方来说，可以实现有线宽带和无线宽带业务的有机融合。目前，很多非运营商的IMS系统主要是基于有线业务的部署，而现有的高清现场监控业务、移动办公等新业务需求已经拓展到有线网络外，结合自建的IMS系统和公网无线网络资源，可以有效解决专网的固移融合问题。

图5　国家电网IMS网络架构方案及与公网对接计划

3.2.2方案应用案例

新建IMS的专网建设方案基于运营商的EPC核心网和无线网，目前，有些行业或企业陆续启动了对这种方案的研究和专网建设，如国家电网。由于现有的行政交换网和调度交换网无法满足快速增长的传统业务需求和新业务需求，国家电网从2015年开始就已启动了对原有网络的升级改造，建设覆盖总部及27个省的IMS网络。于此同时，国家电网已开始研究基于公网无线资源的电力无线专网方案（如图5所示），为下一步IMS与运营商公网对接做好准备。

3.3租用运营商IP虚拟专网组网

3.3.1方案分析

IP虚拟专网（MPLS-VPN）是指采用MPLS技术在骨干的宽带IP网络上构建企业IP专网，实现跨地域、安全、高速、可靠的数据、语音、图像等高质量、高可靠性多媒体综合业务，并结合差别服务、流量工程等相关技术，将公网可靠的性能、良好的扩展性等与专网的安全、灵活、高效性结合起来，为用户提供高质量服务的IP宽带网络。

使用IP虚拟专网组网，不需要关心网络的结构。用户终端通过运营商无线网接入，连接至企业等的分支机构内网，各个分支机构内网通过运营商MPLS-VPN的方式实现互联互通，如图6所示。该组网方式适合分支机构多、分布范围广泛的企事业单位总部与分支机构间的内部联网，也可以用于对安全性要求较高的政府部门组建自己的专网。此外，针对运营商网络传输的数据，该专网需要建设一套数据处理中心，数据处理中心与运营商及内网连接。

MPLS-VPN与通常的专线相比，具有很大的优势：

（1）支持以太网、帧中继、DDN、ATM、宽带等多种接入方式，能够为集团客户提供速率为N×64 kbit/s～2.5 Gbit/s、端到端的MPLS-VPN业务，并且用户可以随时根据需要扩展网络（增加端口、提高速率等）。

（2）组网逻辑结构调整方便，可以支持单中心、双中心，甚至是全网状方式，每个分支机构通过物理连接接入就近的VPN承载网即可，增删节点只需要对单站点进行VPN接入电路的开通和关闭，并在VPN网络设备上进行相关的数据改动。

图6　MPLS-VPN组网

为保障无线业务在虚拟专网的安全承载，需要从终端、网络等方面做好安全保障：终端可采用数据加密、口令和指纹技术、终端加固、身份认证等方式，网络通道上可采用通道加密、数字证书等方式。

目前运营商针对政企行业等大客户已经拥有了成熟的虚拟专网解决方案，可以提供语音、图像、视频等多媒体业务。但运营商网络会有因突发事件产生的网络中断，此方案需要做好重要数据的备份工作。

3.3.2方案应用案例

随着MPLS-VPN虚拟专网技术的发展和成熟，各类分支机构众多的部门或企业组建自己的专网变得越来越容易。某省交通运输虚拟专网采用的就是向运营商租用MPLS-VPN虚拟专网方案，省、地市、区各层级的端口可以动态选择速率，端口的增加或删除也可以灵活调整。

4 主要行业的专网建设建议

4.1政府机关

4.1.1需求分析

无线政务专网是国家电子政务基础体系架构中的重要组成部分，是实现各级政府机关之间政务信息资源共享和网络协同办公、建立统一的应急指挥信息系统的基础网络平台。随着社会经济高速发展，各地政府的管理水平及公共事件、应急救援能力正面临着严峻的挑战。为了提升重大事件反应速度，加强城市“安全运行”和“应急管理”领域物联网应用，纷纷提出无线政务专网的建设诉求。

无线政务专网配合有线政务网，可承载多种政务相关业务，独立建网，提供安全可靠的无线传输通道。无线政务专网可针对重点领域开展技术应用，进一步提高监测管理水平和应急处置能力，如开展安全生产、城市道路监控、极端天气条件下的交通畅通保障、城市运行保障和应急抢险车辆卫星定位管理等。

4.1.2专网建设建议

政府机关的专网业务需求具有应用范围广、业务种类多、安全要求高、终端多样化（固定终端、移动终端、传感器终端等）特点，而TD-LTE宽带集群专网，速率较高，网络安全性好，可以满足相关业务需求。建议大中城市的政务专网采用自建TD-LTE宽带集群专网的建设方案。

4.2电力行业

4.2.1需求分析

从电力行业的国家电网公司看，公司在生产管理、行政办公、营销服务、运行检修、应急指挥等各方面有多样化的业务需求，其中，公司对于移动业务的需求非常迫切，原有的有线网络已不能充分满足国家电网新的移动业务需求；公司对高清视频会议业务、高清现场监控业务、移动办公等高速数据业务的需求越来越高，需要高速率的网络来承载这些业务。

4.2.2专网建设建议

考虑到租用无线网络不能完全覆盖电力业务发生区域和大规模自建无线网络缺乏统一规划分配的频段等问题，建议电力行业采用租用为主自建为辅的网络建设方式。对于无线网：在公网覆盖区域，租用运营商网络，在无公网覆盖的其他电力业务发生区域，新建无线网络；对于核心网，新建IMS与运营商网络对接。

4.3物流行业

4.3.1需求分析

近年来，受益于电子商务的高速发展，我国的物流运输行业发展非常迅速。物流存在入库、拣货、存货管理、产品标识与跟踪、发货、越库、收货等多个环节，为了实现更高效率的管理和更准确的跟踪与监控，比较大的物流企业有必要组建专网来实现这些功能。通常，物流行业具有如下主要特点：物流信息量大、分布范围广，信息的产生、加工和应用在时间、地点上较为分散；物流信息动态性强，信息的价值衰减速度快；物流信息种类多，遍布于物流系统各个环节；物流业务的分支灵活多变等。

4.3.2专网建设建议

物流行业的业务特征要求专网具有覆盖广、网络分支修改灵活、实现成本低等，建议采用向运营商租用虚拟专网的方案。

［1］ 伉沛川， 冯岩. 我国宽带专网发展现状及展望［C］. 2014年全国无线及移动通信学术大会.

［2］ 龚达宁. 基于TD-LTE的宽带专网技术发展和建议［N］. 中国信息通信研究院， 2015.

［3］ 冯海亮， 施玉海， 刘海涛， 等. 基于TD-LTE数字集群的宽带无线专网架构及关键技术研究［J］. 广播电视信息， 2015（6）.

Research of broadband private network construction scheme based on 4G

PENG Xiong-gen， HE Hao
（Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210006， China）

With the coming of 4G era， private network construction solution is increasingly diversified. Proper solutions should be chosen base on the requirements of technical solution， the industrial characteristics and the needs of department or enterprise. This paper analyzes the network construction solutions， and gives the network construction suggestions for the industry of government， electric power and logistics based on their industrial characteristics and business requirements.

private network； TD-LTE broadband trunking system； IMS； EPC； MPLS-VPN

TN929.5

A

1008-5599（2016）09-0071-06

2016-04-28

国家电网科技项目“面向电力移动互联应用的4G多业务承载关键技术研究（SGRIXTKJ［2015］349号）”。