5G+TETRA 集群共網融合演進方案研究

［唐亞軍 蔡子華 張紫璇］

1 引言

數字集群共網是一種廣泛用于公共安全、交通、企事業生產領域，具備豐富指揮調度功能的專用移動通信網絡。TETRA 作為性能服務穩定、安全保密性功能強、兼容性良好且參與生產廠商眾多的數字集群標準，是集群共網中所采納的主流制式。但TETRA 本質上屬于窄帶通信系統，僅能支持語音和低速數據業務，無法滿足高速數據及視頻傳輸等寬帶業務需求。為此，業界積極探索TETRA 集群共網寬帶化的問題。當前的共識是，將現有的窄帶通信系統和寬帶通信系統相結合，組成集語音、數據、圖像、視頻于一體的多媒體集群融合共網。

2 寬窄融合路徑

業界關于寬窄融合的探索目前主要包括兩種路徑。一種是“專專互補”，即依托現有窄帶TETRA 專網承載語音業務、新建寬帶B-TrunC（LTE 集群）專網運行數據業務。這種路徑的優勢在于業務性能有保障、安全隔離度高，且網絡自主可控，但一次性建設投入成本大，且新建專網的網絡覆蓋面受限于投資。另一種是“公專結合”，即在現有窄帶TETRA 專網的基礎上，新增公網接入手段。公網一方面承載寬帶數據業務，另一方面也通過PoC的方式解決部分專網無覆蓋區域的集群語音通信問題。這種融合路徑充分利用了公網覆蓋面廣、容量大、可快速部署的優勢，但也存在諸多固有缺陷。其一，公網PoC 建立呼叫時長在2 s 以內（在LTE 網絡下），相對于TETRA 系統300 ms的典型呼叫建立時長而言，時延增大，用戶體驗不佳。其二，集群共網用戶與普通用戶共用現網資源，由于公網蜂窩小區支持的并發用戶數有限，當網絡發生擁塞時，集群用戶相對普通用戶無優先接入權，可能影響應急調度指揮。其三，新增公網接入后，現有集群通信平臺增大了暴露面，安全隔離受影響。

由上述分析可知，“專專互補”路徑是以較大的成本換取性能上的保障，而“公專結合”則是通過在一定程度上犧牲業務性能來合理控制成本。如果能夠解決“公專結合”中的通話質量、時延、安全性和差異化服務質量等問題，則有望依托“公專結合”實現寬窄融合性能與成本的更優平衡。

3 5G+TETRA 融合可行性論證

5G NR 相對于LTE 在部分能力指標上具有“斷代式”的提升，且能夠通過資源和能力定制化，提供具備高帶寬、大連接、低時延和高安全性等差異化能力和服務質量保障、靈活便捷的虛擬專用網絡。因此，可初步選擇5G 作為“公專結合”中公網能力的提供者。以下從互聯互通能力、切片保障能力、低時延保障能力、安全隔離能力等方面進一步論證5G+TETRA 融合的可行性。

3.1 系統互聯互通

5G 可基于網絡開放能力，提供必要的管理接口，以實現資源和用戶的自配置、自管理。具體來說，可基于IP/TCP/HTTP 協議的標準RESTFul API 接口，通過5G 核心網NEF 功能單元，調用音視頻、RCS 富媒體消息、切片和邊緣計算等專網能力。因此，5G+TETRA 互聯互通的瓶頸主要在于TETRA 側。

雖然TETRA 標準定義了系統間的互通接口，但在實際使用中，出于市場競爭和份額保護的考慮，先進入的廠家往往不愿配合現廠家進行互聯互通調試，由此造成跨廠家跨系統互聯互通的障礙。

一種可行的方案是通過集群語音對接網關實現寬窄帶系統的通信。其中，網關通過IP 接口與5G 寬帶系統對接，通過E1 接口與TETRA 窄帶系統對接，如圖1 所示。在具體配置時，網關兩側E1 參數應保持一致，并配置與TETRA 系統相同的群組和時隙的映射關系。當5G 系統，也即IP 側發起呼叫時，網關通過IP 接口接收到主叫終端的語音業務數據，并根據本地配置的映射關系，確定接收終端所在群組及為其分配的時隙，針對該群組發起呼叫并通過E1 接口在對應時隙上將語音業務轉發給TETRA 窄帶系統。反之，當TETRA 系統，也即E1 側發起呼叫時，亦做類似的處理，從而實現寬窄帶系統的互聯互通。這種方案對接簡單，且不受部署方式的制約。但是，由于一路E1 接口最大僅支持30 路群呼，系統容量受限。如群呼需求較大，需申請開放更多E1 接口并相應部署網關。

圖1 5G+TETRA 互聯互通示意圖

為了降低對網關的容量負荷要求，可采用“平戰分流”的策略，即對業務進行分類承載。如對于平時的非任務關鍵型業務，統一使用5G PoC 進行承載，對于戰時的任務關鍵型業務，優先歸集到TETRA 網絡承載和轉發，當且僅當任務關鍵型用戶處于TETRA 弱覆蓋或無覆蓋區域，才啟用寬窄融合機制實現對集群通信業務的承載和延伸。“平戰分流”策略相對于傳統策略，不再強調以窄帶系統作為語音業務承載的主要系統，而是根據實際業務的分類，盡量將業務流約束在同一網絡內，寬窄系統的互通僅是作為支撐系統運行的基礎條件以及最后的保障手段。

3.2 切片保障能力

5G 可用于承載集群共網業務的前提是可滿足共網用戶隨時隨地可接入。現實中，用戶通常疑慮，在大型活動保障等小區實際接入用戶數高于可并發處理用戶數的場景下，如何保障集群共網用戶的優先接入。對此，5G 切片可發揮關鍵作用，通常可基于QoS 調度來實現集群共網用戶與普通用戶的差異化調度。5G QoS 流的關鍵參數包括5QI 和ARP。其中，5QI 是一個標量，用于表示5G QoS 特征的標準化組合。ARP 參數則包含優先級、搶占能力和可被搶占性。優先級定義了資源請求的相對重要性，優先級取值越小，則在系統資源受限時，將能更優先調度資源。搶占能力表示了該業務流能否搶占較低優先級業務流的資源，相應的，可被搶占性則表示，如當前業務流優先級較低，是否會被更高優先級的業務流搶占資源。顯然，通過為集群共網用戶和普通用戶配置不同的QoS 策略，可一定程度保證集群共網用戶的高優先級接入。

更進一步的，可以在特定蜂窩小區范圍內為集群用戶預留分配一定量的PRB 資源，從而解決極端網絡環境下可調度資源不足的問題。為了驗證RB 資源預留的功能和能力能否滿足期望，在現網環境下進行了測試。

準備測試終端兩套，其中UE1 簽約集群切片Slice#1，UE2 為普通簽約用戶。測試小區2 和小區2 均配置關聯Slice #1 切片信息，并打開PRB 資源保障開關，配置資源分配模式為Strict模式，配置上行PRB 資源占比為ulMaxRatio=15%。UE1 接入小區1 后發起滿buffer 上行業務，其上行速率為28.93 Mbit/s，對應PRB 資源占比為15.07%，隨后UE2 也接入小區1 并發起滿buffer 上行業務，其上行速率為165.18 Mbit/s，PRB 占比58.6%。將UE1 和UE2 由小區1 向小區2 切換，在此過程中，UE1 一直獨占約15%資源。關閉小區2的PRB 資源保障開關，令UE2先行接入小區2 并發起滿buffer 上行業務，此時對應上行速率為213.52 Mbit/s，PRB 占比約為69%，無法占用預留給UE1的15%的資源（公共資源開銷約占16%）。測試表明，PRB 預留能夠保證集群切片用戶獨占特定比例的資源，普通用戶無法占用，符合預期。

3.3 低時延保障能力

公網PoC 建立呼叫時延主要包括空口時延、多重匯聚和轉發時延以及PoC 服務器響應時延。其中，相對于LTE 共計17 ms的時延理論值，5G 通過技術優化能夠將空口時延進一步壓縮至1 ms 級別。多重匯聚和轉發時延與傳輸距離以及傳輸設備的處理能力密切相關，可通過將UPF 下沉至本地進行業務分流，從而降低傳輸時延。根據測算，當用戶與UPF距離為100 km時，端到端環回時延（含空口時延）約為14 ms；當距離為500 km 時，端到端環回時延也僅為22 ms，基本可以滿足業務時延需求。PoC服務器響應時延與服務器設備的集中計算能力和處理能力等有關，實際上更需關注的是核心網用戶面UPF 至PoC服務器的傳輸距離。在UPF 下沉的前提下，可進一步將PoC 服務器部署在邊緣5G MEC 上。UPF 將業務直接轉發至MEC 應用上，從而有效降低整體業務時延。

3.4 安全隔離能力

由于集群共網業務對安全性敏感，因此5G 可用于承載集群共網業務的另一前提是滿足安全隔離要求。5G 切片在進行實例化時，已經按照業務場景的需要進行了網絡功能剪裁和定制，并對包括無線網、傳輸網的資源以及核心網用戶面與控制面的網絡功能進行了編排管理，可以滿足業務隔離的需求。而在安全性方面，5G 相對于4G 在協議和架構層面進行了安全增強，能夠更好地防止封閉區域數據泄露和網間攻擊。在系統實際運行時，可以根據對終端、無線接入網、MEC、承載網、核心網以及應用等端到端的安全域的不同要求，相應定制分級安全保障策略。

綜上分析，5G 在業務性能、安全保障和互通可達性等方面均具備與TETRA 融合的可行性。

4 5G+TETRA 融合演進方案

根據“寬窄融合、公專結合、平戰分流”的策略制定5G+TETRA 融合演進方案。其中，TETRA 側的互聯互通如前所述，5G 側的部署方案如圖2 所示。對講終端及調度臺均可通過無線切片接入5G 基站，基站與邊緣UPF 間采用GTP 隧道和PDU Session 實現業務隔離和保障，PoC服務器下沉至用戶側邊緣節點部署，處理經由邊緣UPF分流的集群業務數據。這樣可以最大程度降低傳輸時延和帶寬消耗，保障用戶體驗，且數據安全性和私密性強，充分滿足集群共網用戶的業務承載要求。

圖2 5G 承載集群通信業務網絡拓撲

方案從宏觀層面實現了5G+TETRA 集群共網的融合演進以及業務承載，但在實際工程部署應用時，還需重點考慮以下問題。其一，基于PRB 預留的切片方式會占用現網資源并對現網資源負荷造成一定的影響，在實際中無法全網應用，僅適用于特定區域或特定時段。因此，可以針對集群共網用戶默認采用QoS 調度的切片方式，當且僅當出現重點保障需求且業務發生區域明確時，針對特定集群用戶預留PRB 資源。這就要求運營商能夠面向特定用戶提供動態配置和開通切片的功能。其二，由于PoC 部署在內網環境，如終端或調度臺的PoC 應用需訪問公網獲取地圖應用服務，則必須簽約UL CL 方案或LADN 方案。其中，UL CL 方案的具體實現主要包括4 類，即特定位置UL CL 方案、位置及用戶簽約UL CL 方案、位置及應用檢測UL CL 方案、能力開放UL CL 方案。位置及應用檢測UL CL 方案能夠滿足前述場景需求，當用戶移動到MEC 區域時，PCF 結合用戶位置信息及應用流檢測結果，觸發UL CL 插入，除地圖應用外的集群類業務通過邊緣UPF 錨點轉發，地圖應用及其他公網業務則通過中心UPF 轉發。但目前廠商僅支持前2 類UL CL 實現方案，但暫不支持位置及應用檢測UL CL方案以及LADN方案，仍需進一步研發升級。其三，運營商網絡的資源投放策略一般是“網隨人動”，也即網絡部署側重于人流密集、高價值的區域，但集群共網業務的發生區域則不限于人流稠密地帶，而可能發生在森林、郊區等邊緣地帶，運營商網絡如何滿足集群業務的流動需求，也是下階段應重點探討的問題。

5 結束語

隨著移動寬帶化、多業務融合等需求的驅動，TETRA 窄帶集群共網亟待寬帶化演進。5G 兼具性能和成本優勢，可依托其自身出色的性能、網元虛擬化、架構開放化和編排智能化的技術特性，與TETRA 網絡實現寬窄融合，并在業務性能、安全保障和互通可達性等方面適配集群用戶需求。文中提出的5G+TETRA 集群共網融合演進方案可作為實際工程部署的參考。