高速公路無(wú)線寬帶專網(wǎng)技術(shù)方案

田艷中，孫朝暉（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410126）

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高速公路無(wú)線寬帶專網(wǎng)技術(shù)方案

田艷中，孫朝暉
（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410126）

摘 要本文通過(guò)對(duì)高速公路的業(yè)務(wù)需求和多種無(wú)線寬帶技術(shù)的分析，提出了3種高速公路無(wú)線寬帶專網(wǎng)方案，并進(jìn)行了比選分析，為下一步高速公路無(wú)線寬帶專網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)提供一種借鑒。

關(guān)鍵詞高速公路；無(wú)線寬帶；專網(wǎng)；建設(shè)成本

近幾年，我國(guó)汽車大眾化趨勢(shì)明顯，同時(shí)選擇高速公路自駕出行也成為很多人的首選，因此加快高速公路的全面信息化和智能化、建設(shè)高速公路出行綜合信息服務(wù)平臺(tái)勢(shì)在必行。而承載這個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)除了光纖有線傳輸網(wǎng)絡(luò)外，亟需統(tǒng)籌建設(shè)和運(yùn)營(yíng)一張有效覆蓋高速公路的無(wú)線寬帶專網(wǎng)。由于無(wú)線技術(shù)具備對(duì)移動(dòng)體的高效及時(shí)管理等優(yōu)勢(shì)，因此基于無(wú)線寬帶專網(wǎng)的高速公路出行綜合信息服務(wù)平臺(tái)將能很好的解決現(xiàn)有的大規(guī)模交通堵塞、居高不下的交通事故和緊急救援等問(wèn)題，發(fā)展交通行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“人車路”一體化道路交通安全管理，提高高速公路的運(yùn)行效率和安全運(yùn)行水平，同時(shí)為協(xié)助國(guó)家重特大自然災(zāi)害救援和疏導(dǎo)提供強(qiáng)有力的支持。

本文在分析和總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有的高速公路無(wú)線專網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了無(wú)線寬帶專網(wǎng)技術(shù)方案建議，為我國(guó)高速公路無(wú)線寬帶專網(wǎng)的建設(shè)提供技術(shù)支持。

1　高速公路專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求分析

（1）客戶需求分析：對(duì)內(nèi)客戶為高速公路管理、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的內(nèi)部人員。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部管理，如遠(yuǎn)程監(jiān)控建設(shè)過(guò)程、日常辦公、應(yīng)急救援、人車路的信息采集等。對(duì)外客戶為高速公路出行的司乘人員。目前，高速公路對(duì)公眾進(jìn)行交通信息發(fā)布的主要手段或途徑為交通頻道、路側(cè)可變信息標(biāo)志等。對(duì)外客戶將通過(guò)終端（主要是手機(jī)）上的高速公路出行服務(wù)APP來(lái)獲取各種服務(wù)，如擁堵信息、氣象信息、實(shí)時(shí)路況預(yù)報(bào)、交通指引、沿線吃住玩旅游推薦等。

（2) 業(yè)務(wù)類型分析：在高速公路條件下的話音、數(shù)據(jù)、多媒體（如視頻等）等業(yè)務(wù)需求。

（3) 對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求分析：60～120碼的高速接入，交通安全類業(yè)務(wù)時(shí)延要求小于100 ms。

業(yè)務(wù)模型：下行單用戶業(yè)務(wù)模型=開(kāi)機(jī)率×平均每附著用戶建立承載數(shù)×每承載平均吞吐量，某運(yùn)營(yíng)商4G每承載平均吞吐量規(guī)劃取值0.02～0.03 Mbit/s,專網(wǎng)近期參考取大值和1.2倍系數(shù)， 4G開(kāi)機(jī)率取值0.8，平均每附著用戶建立承載數(shù)取值1.1。經(jīng)計(jì)算，下行單用戶業(yè)務(wù)模型值為0.031 68 Mbit/s?？紤]到專網(wǎng)信息采集上傳特點(diǎn)，上行單用戶業(yè)務(wù)模型按下行的80%考慮。

一個(gè)扇區(qū)下行業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)：一個(gè)扇區(qū)按覆蓋1 500 m考慮，每100 m內(nèi)按2輛車、1輛車按3個(gè)對(duì)外客戶考慮，外加10臺(tái)對(duì)內(nèi)客戶，那么總用戶數(shù)為100戶，則每扇區(qū)下行業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)為3.168 Mbit/s。服務(wù)區(qū)所在扇區(qū)和節(jié)假日需考慮2倍系數(shù)，堵車需考慮4倍系數(shù)；如果是使用某一個(gè)運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，還需考慮實(shí)際的市場(chǎng)占用率。

2　無(wú)線網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

根據(jù)業(yè)務(wù)需求分析、高速公路管理公司已有的有線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀以及無(wú)線產(chǎn)品的商用程度，目前能夠滿足高速公路的無(wú)線寬帶接入建設(shè)需求的技術(shù)主要有3種：802.11p技術(shù)、TD-LTE技術(shù)和LTE FDD技術(shù)。表1 對(duì)3種技術(shù)的主要指標(biāo)和應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了比較。

另外，3G技術(shù)所能提供的實(shí)際無(wú)線帶寬有限，無(wú)法恒定保證客戶的帶寬需求；WiFi（802.11n或802.11ac）技術(shù)無(wú)法滿足高速移動(dòng)接入；4G標(biāo)準(zhǔn)中的802.16m商用網(wǎng)絡(luò)較少，在我國(guó)將能獲得的頻段會(huì)比較高，基站覆蓋能力將比較差。

3　技術(shù)方案比選分析

3.1 方案1（自建專網(wǎng)方案）

美國(guó)的IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)于2010年7月頒布，專為道路交通覆蓋制定。它是在802.11a協(xié)議的基礎(chǔ)上改良而成，工作頻段為5.85～5.925 GHz，該頻段不屬于公共頻段。該技術(shù)通過(guò)降低頻點(diǎn)寬度和提高保護(hù)間隔長(zhǎng)度，提高了覆蓋距離、切換能力和準(zhǔn)高速移動(dòng)，因此該技術(shù)應(yīng)用到高速公路在理論上基本可行。采用802.11p+xPON技術(shù)和利舊自有的光纖資源自建專網(wǎng)方案如圖1所示。

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研，我國(guó)未分配5.9GHz頻段給該標(biāo)準(zhǔn)，且目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有廠家研發(fā)或生產(chǎn)該技術(shù)主設(shè)備產(chǎn)品；市場(chǎng)上也沒(méi)有終端。美國(guó)的思科、摩托羅拉和艾克賽爾等主流廠家也沒(méi)有生產(chǎn)該技術(shù)主設(shè)備。因此該方案處于理論階段，無(wú)法搭建試驗(yàn)網(wǎng)。

3.2 方案2（與運(yùn)營(yíng)商共建4G專網(wǎng)方案）

圖1　自建專網(wǎng)方案（802.11p+xPON）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表1　3種技術(shù)的主要指標(biāo)和應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

2013年12月4日，工信部向三大電信運(yùn)營(yíng)商發(fā)放了TD-LTE技術(shù)的4G牌照，并分配了豐富的頻段；2015年2月27日，工信部向中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通發(fā)放了LTE FDD技術(shù)的4G牌照。目前LTE FDD商用網(wǎng)絡(luò)一個(gè)20 MHz載頻實(shí)際能提供下行平均約50 Mbit/s、上行平均約25 Mbit/s的速率；TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò)一個(gè)20 MHz載頻實(shí)際能提供下行平均約30 Mbit/s、上行平均約15 Mbit/s的速率。考慮到平臺(tái)目前業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求比較高，以及以后新增業(yè)務(wù)的帶寬需求，該方案建議載頻速率全部用于高速公路無(wú)線網(wǎng)平臺(tái)帶寬需求，專網(wǎng)專用，確保無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的暢通無(wú)阻。采用4G+IPRAN或PTN技術(shù)與運(yùn)營(yíng)商共建專網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2　與運(yùn)營(yíng)商共建4G專網(wǎng)方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

該方案TD-LTE或LTE FDD無(wú)線基站全部采用S11的站型，利舊合作運(yùn)營(yíng)商的塔桅或新建18 m（或24 m）H桿、9m立桿等低成本塔桅；移動(dòng)牌照由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)，再由運(yùn)營(yíng)商為該網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)專用的頻點(diǎn)（20 MHz或10 MHz或5 MHz）；利舊運(yùn)營(yíng)商已有的核心網(wǎng)平臺(tái)和AAA系統(tǒng)；傳輸設(shè)備和線路利舊運(yùn)營(yíng)商已有的，對(duì)于容量不夠的基站則擴(kuò)容。另外由高速公路管理公司建設(shè)自己的后臺(tái)管理平臺(tái)和終端APP。

可以直接使用該專網(wǎng)的用戶為對(duì)內(nèi)客戶和屬于該合作運(yùn)營(yíng)商的對(duì)外客戶。屬于另外兩家運(yùn)營(yíng)商的對(duì)外客戶則通過(guò)手機(jī)APP來(lái)獲得服務(wù)，因此高速公路后臺(tái)作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的SP需要與另外兩家運(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)對(duì)接。

3.3 方案3（租用運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)方案）

目前3家運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)都能提供豐富的帶寬接入能力，且高速公路在運(yùn)營(yíng)商“線”覆蓋策略中優(yōu)先級(jí)非常高，覆蓋率也會(huì)達(dá)到接近100%。因此目前高速公路平臺(tái)帶寬需求與運(yùn)營(yíng)商自有業(yè)務(wù)帶寬需求共存于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)是完全可行的，且有利于LTE網(wǎng)絡(luò)利用率的提高。

該方案是由高速公路管理公司出資租用一家運(yùn)營(yíng)商已建好用于覆蓋高速公路的4G網(wǎng)絡(luò)，后期根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)帶寬情況和新增業(yè)務(wù)的帶寬需求要求運(yùn)營(yíng)商對(duì)用于覆蓋高速公路的基站進(jìn)行載波聚合或多載波擴(kuò)容。另外再出資建設(shè)自己的后臺(tái)管理平臺(tái)和終端APP。

可以直接使用該租用4G網(wǎng)絡(luò)的用戶為對(duì)內(nèi)客戶和屬于該合作運(yùn)營(yíng)商的對(duì)外客戶。屬于另外兩家運(yùn)營(yíng)商的對(duì)外客戶則通過(guò)手機(jī)APP來(lái)獲得服務(wù)，因此高速公路后臺(tái)作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的SP需要與另外兩家運(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)對(duì)接。

3.4 3種方案建設(shè)成本對(duì)比

表2　TD-LTE網(wǎng)絡(luò)S11單站造價(jià)表

根據(jù)湖南省交通運(yùn)輸廳官方數(shù)據(jù)，到2014年底全省通車總里程達(dá)到5 493 km，位居全國(guó)第五。下面以5493km為例進(jìn)行投資估算，其中方案1每AP按8萬(wàn)的綜合造價(jià)（含塔桅、傳輸設(shè)備費(fèi)用）。因?yàn)檫@個(gè)方案由高速公路管理公司自主建設(shè)，因此綜合造價(jià)按政企購(gòu)買價(jià)高于運(yùn)營(yíng)商采購(gòu)價(jià)格考慮，另外還要建設(shè)自己的AAA系統(tǒng)和IT支撐系統(tǒng)。

方案2以TD-LTE為例，基站配置全部按S11考慮，單站造價(jià)如表2所示。新建的傳輸設(shè)備按每站2.4萬(wàn)元，共用運(yùn)營(yíng)商的傳輸設(shè)備按每站1.2萬(wàn)元，其中新建傳輸設(shè)備的站點(diǎn)按30%考慮。另外的管線和核心網(wǎng)使用費(fèi)按每站5萬(wàn)元考慮。如果采用LTE FDD技術(shù)，由于覆蓋能力稍強(qiáng)，那么所需要的基站少些，建設(shè)成本也就少一部分。

表3　3種方案建設(shè)成本對(duì)比

方案3租用網(wǎng)絡(luò)以LTE FDD為例，由于大部分基站需要兼顧運(yùn)營(yíng)商的另外一個(gè)目標(biāo)區(qū)域——沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村寨，那么有些基站離高速公路會(huì)有點(diǎn)距離，因此站間距到高速公路的投影按3km考慮。同時(shí)80%基站配置按S221考慮（未覆蓋高速公路的那個(gè)扇區(qū)按1載頻配置），20%基站配置按S22考慮，單站造價(jià)按方案2方式計(jì)算，S221為29.96萬(wàn)元，S22為26.53萬(wàn)元；傳輸設(shè)備全部按新建每站2.4萬(wàn)元考慮；租金總價(jià)為全省建設(shè)成本再乘以一個(gè)占比（與運(yùn)營(yíng)商談判得出，本案例按45%考慮。其中管線和核心網(wǎng)使用費(fèi)按每站5萬(wàn)元不再乘比例考慮）。具體支付方式可以按每年支付租金，租金算法是考慮一個(gè)通用的折舊年限，再將分?jǐn)偟慕ㄔO(shè)成本按平均折舊到每年的價(jià)格，同時(shí)需要考慮貸款利息。

3種方案的建設(shè)成本估算對(duì)比如表3所示。

本文沒(méi)有對(duì)3種方案每年的維護(hù)費(fèi)用，以及方案2和方案3的對(duì)內(nèi)對(duì)外客戶收費(fèi)方式與盈利模式進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.5 方案比選結(jié)果

從網(wǎng)絡(luò)成熟度、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、可實(shí)施性、建設(shè)成本、安全性等多方面綜合考慮以上3種方案，建議采用方案3。

4　結(jié)論

移動(dòng)通信5G時(shí)代在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)就考慮了物聯(lián)網(wǎng)（如物品接入）的建立，那么在5G時(shí)代對(duì)高速公路的無(wú)線管理將會(huì)更加容易和達(dá)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

中圖分類號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1008-5599（2016）02-0080-04