5G 集群通信网技术方案探讨

［蔡子华 张紫璇 许泽钊］

1 引言

专网是相对公用网络而言，为特定区域的特定用户在组织管理和生产调度等环节提供通信服务的专用网络。公网的设计一般要兼顾大众用户的需求，因而其网络性能指标通常难以支撑行业用户需求，而专网则没有普适性的包袱，可专注于某一项或多项性能指标的优化和提升。结合公网和专网的发展来看，专网通信凭借其性能可靠和可定制服务等特点，在垂直行业应用中具有突出的优势。

2 专网通信的发展

我国集群专网通信大致经历了三个阶段的发展，如图1 所示。第一阶段是以MPT1327 为代表的模拟集群通信系统，其通过自动选择信道及多用户共享资源实现了语音对讲、信号指示传送等业务；第二阶段由模拟集群通信向数字集群通信演进，典型如TETRA、PDT 等，但由于其基于窄带实现，仅能提供语音集群调度和低速数据业务；第三阶段专网通信由窄带向宽带演进，除满足个呼、组呼等语音集群业务外，还支持视频通话等宽带数据业务，最为典型的是B-TrunC。总体而言，专网通信在技术更新换代速度上落后于公网。

图1 专网需求与技术发展

B-TrunC 是我国自主制定的基于TD-LTE 的宽带集群通信标准制式，具备语音集群调度、多媒体集群调度、宽带数据业务等功能，具有带宽灵活、速率快、时延较低、安全性高以及支持宽窄融合的优势。但由于B-TrunC 非3GPP 标准化协议，其承载和应用的耦合关系紧密，需采用专有设备和专用频谱进行建设，整体网络建设周期长、建设和运维成本高，极大制约了行业无线网络部署。

值得注意的是，在数字集群专网由窄带向宽带演进的过程中，业界也在不断探索基于公众移动通信网络实现集群语音调度的技术方案，也即PoC（Push-to-talk Over Cellular，按键通话）。PoC 采用半双工的通信方式，语音数据或多媒体数据可以基于P2P 的点对点通话或P2MP 的群组通话模式在发送方和多个接收方之间同时共享。但由于PoC 系统是基于公网的分组交换服务实现的，其通话质量、时延、安全性和差异化服务质量等问题一直为人诟病。一方面，传统公网仅能提供“尽力而为”的QoS 服务，网络中不可避免的时延、抖动等极大影响语音质量，尤其是当现网存在大量用户接入时，由于资源耗费过多造成，网络拥塞，集群语音调度的时延和可靠性要求无法从根本上保证；另一方面，传统公网如GPRS、LTE 等的网络结构相对固定，缺乏灵活性，无法有效支持大量差异的垂直行业需求。

随着移动宽带化、多业务融合等行业需求的驱动，专网通信亟待一种新的技术制式，既能解决传统公网集群通信方案的服务质量问题，又能解决传统集群专网方案所面临的建网和运营成本高企、终端需深度定制等问题，从根本上实现性能与成本的均衡。5G 时代的到来，为集群专网通信打开了“公专结合”的新出口。

3 5G 专网优势分析

5G 具备大带宽、广连接、低时延、安全性高的诸多优势，且能够基于NR 标准的网络架构实现“公网专用”，以专属网络的形态服务垂直行业需求。5G 专网的实现主要依托网络切片和边缘计算着两种重要的支撑技术。一方面，通过网络切片能力，可以从运营商的公共网络基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，每个切片从终端、无线接入网、传输网、核心网乃至管理域实现隔离，高效满足差异化网络服务需求。具体到集群通信应用，基于5G公网资源提供切片服务，不需要企业本地部署硬件设备，无线侧可通过QoS 优先级保障或RB 资源预留等方式复用大网无线资源，核心网侧可根据实际需求配置网络服务，进而整体实现集群业务的安全承载，保证集群专网用户与公网用户区分，并且凭借自身精细的带宽和时延QoS 服务保障保证高优先级用户业务接入和传送的可靠性，如图2 所示。另一方面，通过边缘计算能力，5G 将应用程序托管从集中式数据中心下沉至网络边缘，能够对时延敏感业务在靠近用户的位置进行卸载，就近处理，且保证数据不出场，满足数据安全需求。因此，5G 专网兼顾性能优势和成本优势，具备承载集群通信业务的先天条件。

图2 基于切片的5G 集群通信架构

但是，从某种程度上看，网络切片在某些特殊环境下并不能完全解决垂直行业的服务需求。举例来说，在应急通信场景下，仅仅依靠网络切片无法限制普通公网用户终端尝试接入网络，而这将一定程度上影响集群专网用户的“随时接入”。为此，3GPP R16 版本新增了对NPN（Non-Public Network，非公共网络）的支持。NPN 为具有特定需求的垂直行业提供私有网络服务，具体包括SNPN 和PNI-NPN 两种类型。SNPN 的部署不依赖于公网，行业用户通过自建或代建的方式部署专网。这种方式下，企业对专网的自主掌控程度最高，性能最优，但成本高昂，暂时不纳入本主题下的探讨范围。PNI-NPN 则是集成于公网，其典型部署方式是在公众移动网上分配一个或多个网络切片以实现NPN 功能，同时引入CAG（Closed access group，闭合接入组）实现对用户身份的鉴权，保证仅白名单中的签约用户可以接入CAG 小区。这就进一步实现了5G 虚拟专网的“私有化”。

4 集群通信5G 承载方案

5G 通过网络切片、边缘计算和NPN 等技术手段实现“公网专用”，一方面独立的网络资源可以保证所需的服务质量，另一方面行业内部数据被限制在专网内，保证了安全性。基于5G 专网承载集群通信业务，相对于传统公网和传统专网，显然更具优势。但是，作为公网通信方案，5G 专网本身暂时不能提供组呼、抢占、强插强拆以及多优先级等集群调度通信所必须的功能，需要进一步探索集群通信业务承载方案。目前，可选的方案主要有两类，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，关键语音业务）、MCData（Mission Critical Data，关键数据业务）和MCVideo（Mission Critical Video，关键视频业务）的统称。从2016 年起，3GPP 开始推出基于关键任务通信机制的MCPTT 标准，此后不断丰富和增强MC系列业务功能。到2020 年R16 版本冻结为止，相应标准已演进至MCPTT4.0、MCVideo3.0、MCData3.0，并新增了MC MBMS API 等研究内容。

MCX 引入IMS（IP Multimedia Subsystem，IP 多媒体子系统）架构和GCSE（Group Communication Sevice Enabler，组通信服务使能器）架构，使用SIP 协议实现端到端的应用层业务。MCX 服务器与终端之间的信令和数据的传输既可以使用单播承载，也可以使用eMBMS（增强型多媒体广播和组播）承载。在下行方向，采用eMBMS 承载能够通过信道资源共享实现P2MP 传送数据的业务，其优势相对于单播承载非常明显。

基于MCX 的5G 集群通信架构的简化设计如图3 所示。gNB 和5GC 等5G 网络的基本网元实现用户附着和接入网络并建立数据承载。SIP core 负责注册、业务选择和信令面路由。MCX 服务器为关键通信业务提供集中控制，包括呼叫控制、话权控制和媒体面处理等功能。MBMS 网关和BM-SC 配合实现多播承载。

图3 基于MCX 的5G 集群通信架构

可以看到，基于MCX 实现5G 集群通信，一方面需要基站设备和用户终端从底层协议支持eMBMS，但现阶段3GPP 暂未完成5G 广播和多播的标准制定，从而限制了实际部署和升级；另一方面，在网络侧也需增设MBMS网关等多个不同的网元设备，与运营商网络耦合度较高，且增加了建设和运营成本，在现阶段实现较为困难。但随着5G 标准的完善以及产业链的成熟，MCX 凭借其良好的性能、互通性及接口开放性，仍不失为5G 集群通信网大规模建网的推荐解决方案。

4.2 基于Internet PoC 方案

Internet PoC 源于传统的对讲机技术。PoC 基于多重单播技术，每个主叫终端向指定的PoC 服务器发送分组数据，如果是组通信，则PoC 服务器将分组数据副本发给指定的所有接收者。可见，PoC 并未应用到组播技术，因为可以在移动蜂窝网络上透明传输，完全实现承载与应用解耦，直接通过互联网技术进行对讲通信实现公网集群功能。利用PoC 不依赖运营商网络且不要求底层支持多播协议的特点，可以基于PoC 实现5G 集群通信，具体包括两类方案。

其一是基于IMS 域的PoC 实现方案。用户终端加载PoC 客户端应用，通过5G 连接到IMS 网络，进而利用SIP/IP 协议连接到PoC 服务器上，从而建立起客户端与远端服务器的连接。这种方案下，PoC 服务器仅扮演应用服务器的角色，寻址、选路和漫游等功能均由IMS 实现。由于IMS 与接入无关，PoC 客户端还可以通过5G 以外的其他无线或有线接入网进行接入，具有良好的互联互通性。但这一方案要求5G 网络接入IMS 实体，在现阶段5G 尚未与IMS 打通，实现起来有困难，且成本相对较高，更适合于未来阶段的大规模商用5G 集群通信网。

其二是基于PS 域的PoC 实现方案。这种方式实现相对简单，PoC 服务器直接与UPF 相连接，负责PoC 业务的提供。但由于缺失了IMS 网络的支持，需要部署SIP代理服务器、SIP 登记服务器以及数据库实现简易的SIP网络功能，来完成地址解析、路由等功能。但这种方式没有统一的规范，一般为私有技术方案，这就导致了特定厂商的PoC 平台无法兼容其他PoC 终端，且网络互联互通性较差，难以支持漫游和大规模建网。

4.3 应用建议

基于5G 专网承载集群通信业务的前提是：在网络性能方面，要求具备高于公共大网的覆盖质量、时延、稳定性，同时要求网络本身能够根据业务及管理需求进行灵活适配；在网络功能方面，要求能够融入到现有业务系统，既保证对现有业务流程的兼容，又能具备承载新兴业务的演进能力。相比较而言，3GPP MCX 方案的业务支持能力优于PoC 方案，后者的设计更多是为了满足任务关键型语音的需求，而未考虑对任务关键型数据和视频的实现，但PoC 依然可以通过与其他解决方案的集成，保持着对MCX 较强的竞争力。因此，在具体选择集群通信5G 承载方案时，不能单纯基于技术性能考虑，而应以应用为导向，首要考虑业务需求和场景，追求网络性能与成本效益的均衡，其次是兼顾产业成熟度和网络部署的难易程度等。

建议对于局域封闭、网络互联互通需求低、网络自主可控性要求高、宽带化集群通信业务需求迫切但对成本敏感的场景，或小规模技术试验的场景，可采用基于PS 域的PoC 方案。对于局域开放或接入区域不固定、要求网络互联互通、对成本可控接受程度高且业务需求相对急迫的场景，可考虑采用基于IMS 域的PoC 方案。对于业务支持能力需求广但当下部署需求尚不迫切的场景，则可考虑基于MCX 的方案。

5 结束语

5G 专网兼顾承载集群通信业务所需性能和成本优势，但受限于现阶段标准制订进程以及产业链支持程度，需进一步研究基于5G 的集群通信调度功能的实现，可选方案包括基于3GPP MCX 和基于Internet PoC 两大类。其中，基于PS 域的PoC 方案适用于现阶段局域封闭场景部署或小规模5G 集群通信试验，基于IMS 域的PoC 方案和基于MCX 方案则适用于未来阶段技术发展和产业成熟后的5G 集群通信网大规模部署。