5G+TETRA 集群共网融合演进方案研究

［唐亚军 蔡子华 张紫璇］

1 引言

数字集群共网是一种广泛用于公共安全、交通、企事业生产领域，具备丰富指挥调度功能的专用移动通信网络。TETRA 作为性能服务稳定、安全保密性功能强、兼容性良好且参与生产厂商众多的数字集群标准，是集群共网中所采纳的主流制式。但TETRA 本质上属于窄带通信系统，仅能支持语音和低速数据业务，无法满足高速数据及视频传输等宽带业务需求。为此，业界积极探索TETRA 集群共网宽带化的问题。当前的共识是，将现有的窄带通信系统和宽带通信系统相结合，组成集语音、数据、图像、视频于一体的多媒体集群融合共网。

2 宽窄融合路径

业界关于宽窄融合的探索目前主要包括两种路径。一种是“专专互补”，即依托现有窄带TETRA 专网承载语音业务、新建宽带B-TrunC（LTE 集群）专网运行数据业务。这种路径的优势在于业务性能有保障、安全隔离度高，且网络自主可控，但一次性建设投入成本大，且新建专网的网络覆盖面受限于投资。另一种是“公专结合”，即在现有窄带TETRA 专网的基础上，新增公网接入手段。公网一方面承载宽带数据业务，另一方面也通过PoC的方式解决部分专网无覆盖区域的集群语音通信问题。这种融合路径充分利用了公网覆盖面广、容量大、可快速部署的优势，但也存在诸多固有缺陷。其一，公网PoC 建立呼叫时长在2 s 以内（在LTE 网络下），相对于TETRA 系统300 ms的典型呼叫建立时长而言，时延增大，用户体验不佳。其二，集群共网用户与普通用户共用现网资源，由于公网蜂窝小区支持的并发用户数有限，当网络发生拥塞时，集群用户相对普通用户无优先接入权，可能影响应急调度指挥。其三，新增公网接入后，现有集群通信平台增大了暴露面，安全隔离受影响。

由上述分析可知，“专专互补”路径是以较大的成本换取性能上的保障，而“公专结合”则是通过在一定程度上牺牲业务性能来合理控制成本。如果能够解决“公专结合”中的通话质量、时延、安全性和差异化服务质量等问题，则有望依托“公专结合”实现宽窄融合性能与成本的更优平衡。

3 5G+TETRA 融合可行性论证

5G NR 相对于LTE 在部分能力指标上具有“断代式”的提升，且能够通过资源和能力定制化，提供具备高带宽、大连接、低时延和高安全性等差异化能力和服务质量保障、灵活便捷的虚拟专用网络。因此，可初步选择5G 作为“公专结合”中公网能力的提供者。以下从互联互通能力、切片保障能力、低时延保障能力、安全隔离能力等方面进一步论证5G+TETRA 融合的可行性。

3.1 系统互联互通

5G 可基于网络开放能力，提供必要的管理接口，以实现资源和用户的自配置、自管理。具体来说，可基于IP/TCP/HTTP 协议的标准RESTFul API 接口，通过5G 核心网NEF 功能单元，调用音视频、RCS 富媒体消息、切片和边缘计算等专网能力。因此，5G+TETRA 互联互通的瓶颈主要在于TETRA 侧。

虽然TETRA 标准定义了系统间的互通接口，但在实际使用中，出于市场竞争和份额保护的考虑，先进入的厂家往往不愿配合现厂家进行互联互通调试，由此造成跨厂家跨系统互联互通的障碍。

一种可行的方案是通过集群语音对接网关实现宽窄带系统的通信。其中，网关通过IP 接口与5G 宽带系统对接，通过E1 接口与TETRA 窄带系统对接，如图1 所示。在具体配置时，网关两侧E1 参数应保持一致，并配置与TETRA 系统相同的群组和时隙的映射关系。当5G 系统，也即IP 侧发起呼叫时，网关通过IP 接口接收到主叫终端的语音业务数据，并根据本地配置的映射关系，确定接收终端所在群组及为其分配的时隙，针对该群组发起呼叫并通过E1 接口在对应时隙上将语音业务转发给TETRA 窄带系统。反之，当TETRA 系统，也即E1 侧发起呼叫时，亦做类似的处理，从而实现宽窄带系统的互联互通。这种方案对接简单，且不受部署方式的制约。但是，由于一路E1 接口最大仅支持30 路群呼，系统容量受限。如群呼需求较大，需申请开放更多E1 接口并相应部署网关。

图1 5G+TETRA 互联互通示意图

为了降低对网关的容量负荷要求，可采用“平战分流”的策略，即对业务进行分类承载。如对于平时的非任务关键型业务，统一使用5G PoC 进行承载，对于战时的任务关键型业务，优先归集到TETRA 网络承载和转发，当且仅当任务关键型用户处于TETRA 弱覆盖或无覆盖区域，才启用宽窄融合机制实现对集群通信业务的承载和延伸。“平战分流”策略相对于传统策略，不再强调以窄带系统作为语音业务承载的主要系统，而是根据实际业务的分类，尽量将业务流约束在同一网络内，宽窄系统的互通仅是作为支撑系统运行的基础条件以及最后的保障手段。

3.2 切片保障能力

5G 可用于承载集群共网业务的前提是可满足共网用户随时随地可接入。现实中，用户通常疑虑，在大型活动保障等小区实际接入用户数高于可并发处理用户数的场景下，如何保障集群共网用户的优先接入。对此，5G 切片可发挥关键作用，通常可基于QoS 调度来实现集群共网用户与普通用户的差异化调度。5G QoS 流的关键参数包括5QI 和ARP。其中，5QI 是一个标量，用于表示5G QoS 特征的标准化组合。ARP 参数则包含优先级、抢占能力和可被抢占性。优先级定义了资源请求的相对重要性，优先级取值越小，则在系统资源受限时，将能更优先调度资源。抢占能力表示了该业务流能否抢占较低优先级业务流的资源，相应的，可被抢占性则表示，如当前业务流优先级较低，是否会被更高优先级的业务流抢占资源。显然，通过为集群共网用户和普通用户配置不同的QoS 策略，可一定程度保证集群共网用户的高优先级接入。

更进一步的，可以在特定蜂窝小区范围内为集群用户预留分配一定量的PRB 资源，从而解决极端网络环境下可调度资源不足的问题。为了验证RB 资源预留的功能和能力能否满足期望，在现网环境下进行了测试。

准备测试终端两套，其中UE1 签约集群切片Slice#1，UE2 为普通签约用户。测试小区2 和小区2 均配置关联Slice #1 切片信息，并打开PRB 资源保障开关，配置资源分配模式为Strict模式，配置上行PRB 资源占比为ulMaxRatio=15%。UE1 接入小区1 后发起满buffer 上行业务，其上行速率为28.93 Mbit/s，对应PRB 资源占比为15.07%，随后UE2 也接入小区1 并发起满buffer 上行业务，其上行速率为165.18 Mbit/s，PRB 占比58.6%。将UE1 和UE2 由小区1 向小区2 切换，在此过程中，UE1 一直独占约15%资源。关闭小区2的PRB 资源保障开关，令UE2先行接入小区2 并发起满buffer 上行业务，此时对应上行速率为213.52 Mbit/s，PRB 占比约为69%，无法占用预留给UE1的15%的资源（公共资源开销约占16%）。测试表明，PRB 预留能够保证集群切片用户独占特定比例的资源，普通用户无法占用，符合预期。

3.3 低时延保障能力

公网PoC 建立呼叫时延主要包括空口时延、多重汇聚和转发时延以及PoC 服务器响应时延。其中，相对于LTE 共计17 ms的时延理论值，5G 通过技术优化能够将空口时延进一步压缩至1 ms 级别。多重汇聚和转发时延与传输距离以及传输设备的处理能力密切相关，可通过将UPF 下沉至本地进行业务分流，从而降低传输时延。根据测算，当用户与UPF距离为100 km时，端到端环回时延（含空口时延）约为14 ms；当距离为500 km 时，端到端环回时延也仅为22 ms，基本可以满足业务时延需求。PoC服务器响应时延与服务器设备的集中计算能力和处理能力等有关，实际上更需关注的是核心网用户面UPF 至PoC服务器的传输距离。在UPF 下沉的前提下，可进一步将PoC 服务器部署在边缘5G MEC 上。UPF 将业务直接转发至MEC 应用上，从而有效降低整体业务时延。

3.4 安全隔离能力

由于集群共网业务对安全性敏感，因此5G 可用于承载集群共网业务的另一前提是满足安全隔离要求。5G 切片在进行实例化时，已经按照业务场景的需要进行了网络功能剪裁和定制，并对包括无线网、传输网的资源以及核心网用户面与控制面的网络功能进行了编排管理，可以满足业务隔离的需求。而在安全性方面，5G 相对于4G 在协议和架构层面进行了安全增强，能够更好地防止封闭区域数据泄露和网间攻击。在系统实际运行时，可以根据对终端、无线接入网、MEC、承载网、核心网以及应用等端到端的安全域的不同要求，相应定制分级安全保障策略。

综上分析，5G 在业务性能、安全保障和互通可达性等方面均具备与TETRA 融合的可行性。

4 5G+TETRA 融合演进方案

根据“宽窄融合、公专结合、平战分流”的策略制定5G+TETRA 融合演进方案。其中，TETRA 侧的互联互通如前所述，5G 侧的部署方案如图2 所示。对讲终端及调度台均可通过无线切片接入5G 基站，基站与边缘UPF 间采用GTP 隧道和PDU Session 实现业务隔离和保障，PoC服务器下沉至用户侧边缘节点部署，处理经由边缘UPF分流的集群业务数据。这样可以最大程度降低传输时延和带宽消耗，保障用户体验，且数据安全性和私密性强，充分满足集群共网用户的业务承载要求。

图2 5G 承载集群通信业务网络拓扑

方案从宏观层面实现了5G+TETRA 集群共网的融合演进以及业务承载，但在实际工程部署应用时，还需重点考虑以下问题。其一，基于PRB 预留的切片方式会占用现网资源并对现网资源负荷造成一定的影响，在实际中无法全网应用，仅适用于特定区域或特定时段。因此，可以针对集群共网用户默认采用QoS 调度的切片方式，当且仅当出现重点保障需求且业务发生区域明确时，针对特定集群用户预留PRB 资源。这就要求运营商能够面向特定用户提供动态配置和开通切片的功能。其二，由于PoC 部署在内网环境，如终端或调度台的PoC 应用需访问公网获取地图应用服务，则必须签约UL CL 方案或LADN 方案。其中，UL CL 方案的具体实现主要包括4 类，即特定位置UL CL 方案、位置及用户签约UL CL 方案、位置及应用检测UL CL 方案、能力开放UL CL 方案。位置及应用检测UL CL 方案能够满足前述场景需求，当用户移动到MEC 区域时，PCF 结合用户位置信息及应用流检测结果，触发UL CL 插入，除地图应用外的集群类业务通过边缘UPF 锚点转发，地图应用及其他公网业务则通过中心UPF 转发。但目前厂商仅支持前2 类UL CL 实现方案，但暂不支持位置及应用检测UL CL方案以及LADN方案，仍需进一步研发升级。其三，运营商网络的资源投放策略一般是“网随人动”，也即网络部署侧重于人流密集、高价值的区域，但集群共网业务的发生区域则不限于人流稠密地带，而可能发生在森林、郊区等边缘地带，运营商网络如何满足集群业务的流动需求，也是下阶段应重点探讨的问题。

5 结束语

随着移动宽带化、多业务融合等需求的驱动，TETRA 窄带集群共网亟待宽带化演进。5G 兼具性能和成本优势，可依托其自身出色的性能、网元虚拟化、架构开放化和编排智能化的技术特性，与TETRA 网络实现宽窄融合，并在业务性能、安全保障和互通可达性等方面适配集群用户需求。文中提出的5G+TETRA 集群共网融合演进方案可作为实际工程部署的参考。