專網(wǎng)無線通信技術(shù)與云計算平臺融合演進的研究

劉宏波，潘鴦鴦，劉 洋

（海能達通信股份有限公司，深圳 518057）

專網(wǎng)無線通信技術(shù)與云計算平臺融合演進的研究

劉宏波，潘鴦鴦，劉 洋

（海能達通信股份有限公司，深圳 518057）

隨著信息網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)需求的高速發(fā)展，通信技術(shù)正在快速與IT技術(shù)進行融合，無線通信技術(shù)與云計算平臺融合的研究已在業(yè)內(nèi)逐步展開。本文就專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)層及應(yīng)用層依托云計算平臺進行演進的發(fā)展方向進行了研究和探討。

無線專網(wǎng)；云計算；虛擬化

1 專網(wǎng)無線通信技術(shù)簡介

無線專網(wǎng)通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于公共安全、軌道交通、航空運輸、石油石化、電力等專業(yè)場景或?qū)W(wǎng)絡(luò)有特殊要求的行業(yè)。由于用戶對象和使用場景的不同，相對于無線公網(wǎng)通信，專網(wǎng)系統(tǒng)具有用戶規(guī)模小、覆蓋廣、接續(xù)時間短、可靠性與安全性要求高等特點。當(dāng)前較為流行的專網(wǎng)無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有TETRA，DMR，PDT，LTE等，此外，國產(chǎn)的GoTa等標(biāo)準(zhǔn)也在積極開拓市場，本文后續(xù)所討論的專網(wǎng)無線通信不針對任何一項具體的標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)可分為如下三層：

（1）終端層：最終用戶所使用的手持終端、車載終端，以及用于數(shù)據(jù)采集和上傳的數(shù)傳終端等，通過系統(tǒng)層所提供的空中接口接入系統(tǒng)實現(xiàn)通信。

（2）系統(tǒng)層：包括無線接入基站、核心交換中心、及其他對外網(wǎng)關(guān)設(shè)備，系統(tǒng)層完成終端的空口接入，呼叫信令的處理、語音編解碼以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（語音、短信）的路由交換等功能，并通過對外網(wǎng)關(guān)設(shè)備與外網(wǎng)聯(lián)通，此外，系統(tǒng)層還提供豐富的應(yīng)用層接口，以便針對客戶實際場景和需求，基于系統(tǒng)層進行應(yīng)用層設(shè)備的二次開發(fā)工作。

（3）應(yīng)用層：基于系統(tǒng)層開放的應(yīng)用層接口，根據(jù)用戶應(yīng)用場景開發(fā)的應(yīng)用設(shè)備，典型的應(yīng)用層設(shè)備有調(diào)度臺、錄音設(shè)備、GIS等。

圖1 專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)三層架構(gòu)

在系統(tǒng)層和應(yīng)用層方面，當(dāng)前主流的專網(wǎng)系統(tǒng)供應(yīng)商均已采用成熟的商業(yè)服務(wù)器作為核心交換中心、網(wǎng)管設(shè)備、及應(yīng)用層設(shè)備的硬件平臺。隨著虛擬化技術(shù)的成熟，未來也將逐漸過渡到企業(yè)客戶的數(shù)據(jù)中心或云平臺。

1.2 專網(wǎng)當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢

從實際使用場景來看，目前國內(nèi)三家電信運營商在拓展公網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)的同時，不斷植入政府所需的應(yīng)用和功能，以滿足各級政府日常管理和應(yīng)急指揮保障要求，通過擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積和加大支持保障力度，逐漸形成專網(wǎng)核心保障和公網(wǎng)外圍支持的特殊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以預(yù)見在大融合的背景下，未來專網(wǎng)和公網(wǎng)的邊界將變得更加模糊。

從市場和技術(shù)的角度來講，專網(wǎng)所面臨的客戶對于高速率數(shù)據(jù)傳輸、低接續(xù)時間以及集群調(diào)度等均有了更高的要求，傳統(tǒng)的窄帶專網(wǎng)技術(shù)及當(dāng)前的公網(wǎng)寬帶技術(shù)均無法完全滿足用戶的需求，專網(wǎng)寬帶技術(shù)目前還不成熟，尤其在語音集群調(diào)度方面依然存在問題，因此，可以預(yù)見今后一段時間將形成寬窄帶融合的發(fā)展趨勢，市場也將根據(jù)用戶需求平衡未來寬窄帶技術(shù)走勢，并最終由用戶和市場來共同檢驗。

隨著寬帶專網(wǎng)的應(yīng)用，必然會給終端層和應(yīng)用層帶來更多的業(yè)務(wù)機會，同時專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)對于高速數(shù)據(jù)的處理能力，系統(tǒng)的高可靠性與彈性擴容等也提出更高的要求。

2 云計算發(fā)展

近年來隨著虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，云計算平臺服務(wù)已經(jīng)越來越多的成為政企客戶IT業(yè)務(wù)的新選擇。云計算服務(wù)是指將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個計算資源池向用戶提供按需服務(wù)。用戶通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需資源和服務(wù)。云計算廠商及企業(yè)/政府私有云數(shù)據(jù)中心通過虛擬化技術(shù)將基礎(chǔ)設(shè)施（CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡(luò)帶寬等）、平臺（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、Web容器）以及應(yīng)用軟件（HR系統(tǒng)、CRM系統(tǒng)）等以服務(wù)的形式提供給用戶，用戶可以像使用自來水一樣獲得高質(zhì)量、高可靠的云服務(wù)資源，并依據(jù)使用量付費，而無需事先自行采購和興建基礎(chǔ)設(shè)施。

2.1 彈性計算

目前，國內(nèi)的各大城市的交警部門都在城市主要路段部署了車牌識別系統(tǒng)用于流量監(jiān)測、違章拍照等，如圖2所示。車牌識別系統(tǒng)涉及牌照定位、字符分割、字符識別等步驟，需要基于模板匹配算法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等多種算法的支持，且每天需采集、傳輸、處理、分析和集中管理海量的車輛甚至人臉數(shù)據(jù)（駕駛員識別），對系統(tǒng)的計算能力及安全可靠性要求都非常高，此外車流量每天隨時間有明顯的變化，上下班高峰期車流明顯增多，對計算資源消耗迅速攀升；夜晚時分車輛較少，對計算資源的消耗就會明顯下降。如采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心使用服務(wù)器自行部署維護和管理，除需要耗費大量資金進行數(shù)據(jù)中心建設(shè)，支付高昂的數(shù)據(jù)中心運行和維護費用之外，服務(wù)器等硬件資源還需要按系統(tǒng)最高負(fù)荷進行估算和采購，在系統(tǒng)非忙時，大量資源處于空跑狀態(tài)，造成資源的浪費。為提升效率的同時最大程度降低成本和開支，目前已有很多城市將車牌自動識別系統(tǒng)的中央處理部分部署在云端，部署好一臺虛擬服務(wù)器后可在幾分鐘內(nèi)設(shè)置多個鏡像。當(dāng)高峰時段，云平臺根據(jù)事先配置好的資源使用門限，自動啟動鏡像以增強處理能力；當(dāng)非繁忙時段，云平臺可自動逐步關(guān)閉一部分鏡像，從而達到節(jié)省資源的目的。交警部門無需進行服務(wù)器資源的采購，也無需建設(shè)和運營數(shù)據(jù)中心，更無需雇傭人力花費財力來自行進行數(shù)據(jù)中心的維護工作，如同我們普通用戶使用水電一樣，只要根據(jù)使用量向自來水廠和供電局購買，而無需自行建設(shè)自來水廠和電廠，云平臺服務(wù)商根據(jù)資源使用情況向使用者收取費用，如鏡像未開啟，則僅收取存儲的費用，從而極大節(jié)省了交警部門的預(yù)算。

圖2 車牌自動識別系統(tǒng)

2.2 服務(wù)模式

云計算的服務(wù)模式主要被劃分為SaaS，PaaS，IaaS這三個大類或?qū)哟?。PaaS和IaaS源于SaaS理念，PaaS和IaaS可以直接通過SOA/Web Services向平臺用戶提供服務(wù)，也可以作為SaaS模式的支撐平臺間接向最終用戶服務(wù)。

（1）IaaS（Infrastructure-as-a-Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)），也稱Hardware-as-a-Service，是早期基礎(chǔ)設(shè)施托管服務(wù)?？蛻魺o需自己搭建數(shù)據(jù)中心，而是將硬件外包到別的地方去。IaaS提供商會提供場外數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)硬件以供客戶租用，從而為客戶節(jié)省了機房建設(shè)成本和維護成本，客戶可以在任何時候利用這些硬件來運行其應(yīng)用。

（2）PaaS（ Platform-as-a-Service，平臺即服務(wù)），某些時候也叫做中間件。客戶的所有開發(fā)工作都可以在這一層進行，節(jié)省了時間和資源。PaaS服務(wù)提供商在云平臺提供各種開發(fā)和分發(fā)應(yīng)用的解決方案，比如虛擬服務(wù)器、操作系統(tǒng)、Web容器，客戶可將時間和精力放在其擅長的業(yè)務(wù)開發(fā)上，而不必過多考慮其他方面；目前主流的IaaS及PaaS服務(wù)商包括AWS、微軟、IBM與Google等，國內(nèi)也有阿里云、百度云等。

（3）SaaS（Software-as-a-Service，軟件即服務(wù)），即將軟件平臺部署在云端，客戶可通過瀏覽器或其他客戶端訪問該軟件系統(tǒng)從而享受服務(wù)。目前眾多企業(yè)級應(yīng)用軟件提供商，如Salesforce（CRM廠商），Workday（HR廠商）甚至一些ERP廠商均將其平臺部署在云端，為企業(yè)級客戶提供服務(wù)，每個企業(yè)相當(dāng)于一個租戶，每個租戶之間數(shù)據(jù)隔離但平臺（如數(shù)據(jù)庫、Web容器）和基礎(chǔ)設(shè)施共享。

除以上三種服務(wù)模式外，目前一些廠商也提出了CaaS和MaaS的概念：

（1）CaaS（Communications-as-a-Service，通信即服務(wù)），也可稱為協(xié)作即服務(wù)，是將傳統(tǒng)電信的能力如消息、語音、視頻、會議、通信協(xié)同等封裝成API（Application Programming Interface，應(yīng)用軟件編程接口）或者SDK（Software Development Kit軟件開發(fā)工具包）通過互聯(lián)網(wǎng)對外開放，提供給第三方（企業(yè)、SME、垂直行業(yè)、CP/SP以及個人開發(fā)者等等）使用，將電信能力真正作為服務(wù)對外提供。CaaS也被稱為云計算的第四種業(yè)務(wù)形式，目前國內(nèi)華為已經(jīng)在著手在建立CaaS的生態(tài)圈。

（2）MaaS（Machine-as-a-Service，物聯(lián)網(wǎng)即服務(wù)），隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的增加，對數(shù)據(jù)存儲和計算量的需求也上升了一個新臺階，物聯(lián)網(wǎng)的高級階段需要虛擬化云計算，SOA等技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的泛在服務(wù)TaaS（everTING-as-a-Service）。

2.3 云計算優(yōu)勢

結(jié)合上述介紹，云計算擁有以下優(yōu)勢：

（1）大大降低企業(yè)運營成本：云計算可以讓所有資源得到充分利用，如云服務(wù)提供商在工作時段可將大量計算資源（其中包括價格昂貴的服務(wù)器以及各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）提供給企業(yè)使用，而非工作時段可將這些計算資源給一些游戲或娛樂行業(yè)使用，客戶的資源共享使成本均攤，較之客戶自行建設(shè)數(shù)據(jù)中心、購買硬件、搭建系統(tǒng)、自行進行運營和維護的傳統(tǒng)方式，其成本得到大大降低。

（2）資本支出轉(zhuǎn)移到運營成本：云計算使企業(yè)從資本轉(zhuǎn)移支出（資本支出）資金運營開支（OpEX），使客戶能夠更加專注于其核心價值，如業(yè)務(wù)和流程的洞察力，而非建立和維護IT基礎(chǔ)設(shè)施。

（3）動態(tài)可擴展性：大多數(shù)應(yīng)用的部署都是估算峰值，過度購買基礎(chǔ)設(shè)施資源以應(yīng)對，與適應(yīng)這些尖峰相反，云服務(wù)彈性計算資源能順利和有效地處理這些峰值規(guī)模，以更加符合成本效益的根據(jù)使用量支付的模式。

（4）簡化維護：云計算平臺的資源監(jiān)測、系統(tǒng)備份、維護升級等均由服務(wù)商自行處理，客戶無需投入人力和財力從事上述工作。

3 專網(wǎng)無線通信與云計算融合

上文已簡述了專網(wǎng)無線通信的發(fā)展趨勢以及云計算的優(yōu)勢，專網(wǎng)無線通信技術(shù)與云計算有著很強的融合趨勢。以公共安全行業(yè)為例，公共安全專網(wǎng)無線通信在通常時段業(yè)務(wù)量較小，但在重大賽事或自然災(zāi)害、重大治安事件發(fā)生之時，其業(yè)務(wù)量將迅速激增，公共安全的專網(wǎng)無線通信對彈性計算資源有著強烈的需求。此外，公共安全專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用層也需要與氣象局的天氣數(shù)據(jù)、地理位置信息數(shù)據(jù)、人口資源數(shù)據(jù)等多個政府平臺的數(shù)據(jù)進行整合計算與大數(shù)據(jù)處理，對于計算和存儲資源的消耗也需要云計算平臺的支持。對于其他行業(yè)來說，國內(nèi)運營商已經(jīng)擁有強大的IaaS平臺為政企客戶提供基礎(chǔ)設(shè)施托管服務(wù)，隨著運營商之間競爭日益激烈，運營商對于成本降低有著極為強烈的渴望，因此運營商也有融合的資源和動機。對于企業(yè)客戶來說，隨著企業(yè)IT系統(tǒng)的發(fā)展，大多數(shù)使用專網(wǎng)無線通信的企業(yè)都自建了私有云平臺（如大型石化行業(yè)），個別企業(yè)已經(jīng)開始使用云服務(wù)商提供的公有云服務(wù)甚至開始使用SaaS應(yīng)用，專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)與云計算融合必將降低企業(yè)設(shè)備采購成本與運維成本，從而受到企業(yè)用戶的歡迎。當(dāng)然，由于專網(wǎng)的特殊性，專網(wǎng)無線通信的用戶對于新技術(shù)的接受程度相對比較保守，因此，可以預(yù)見專網(wǎng)無線通信與云計算融合也將是一個過程，而非一蹴而就。

對于專網(wǎng)無線通信設(shè)備廠商來說，如前文所述，當(dāng)前各主流廠商均采用商用服務(wù)器作為核心交換設(shè)備、網(wǎng)管設(shè)備以及應(yīng)用層服務(wù)器設(shè)備，因此從技術(shù)角度來說該層面的融合并不復(fù)雜。專網(wǎng)通信由于其使用場景復(fù)雜性要求，對于高可靠性有著非常強烈的需求，而主流的云服務(wù)廠商在建設(shè)云計算數(shù)據(jù)中心時就已經(jīng)考慮了異地冗余，一般企業(yè)私有云數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時也會建設(shè)災(zāi)備中心。作為專網(wǎng)無線通信的設(shè)備廠商，系統(tǒng)冗余設(shè)計會增加系統(tǒng)復(fù)雜度，也會消耗大量的研發(fā)成本，而在融合的背景下，系統(tǒng)冗余可放置在云平臺進行，設(shè)備廠商可將工作重心更多的放在業(yè)務(wù)的研發(fā)上，從而降低企業(yè)運營成本。

中國移動曾基于公網(wǎng)基站BBU+RRU架構(gòu)演進的背景下提出過C-RAN云基站的概念，即在站點僅部署射頻單元接入模塊，而基帶的處理、基站控制器、核心網(wǎng)及各類網(wǎng)關(guān)、計費中心、增值業(yè)務(wù)等均部署在云平臺。由于射頻單元接入模塊可室外安裝在天線抱桿下，因此該方案能夠極大的降低建網(wǎng)成本，運營商無需再為基站建設(shè)機房、較之機房部署方式，饋線的長度也可大大削減。但考慮到專網(wǎng)相對公網(wǎng)在接續(xù)時間上有更為苛刻的要求（公網(wǎng)一般為秒級而專網(wǎng)要求在幾百毫秒內(nèi)）該方案對網(wǎng)絡(luò)時延要求高，因此在專網(wǎng)領(lǐng)域推廣該方案尚不成熟。

基于當(dāng)前專網(wǎng)無線通信行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，專網(wǎng)無線通信與云計算的融合將經(jīng)歷兩個階段：

3.1 第一階段融合

即應(yīng)用層設(shè)備與云計算平臺融合，而系統(tǒng)層包括交換中心和基站模塊還將獨立部署運行。在大帶寬的背景下，許多業(yè)務(wù)將呈蓬勃發(fā)展之勢（如警用執(zhí)法記錄儀、機場航班進出港業(yè)務(wù)系統(tǒng)等），如前文中曾提到的公共安全的行業(yè)案例，其專網(wǎng)無線通信應(yīng)用層除了支持現(xiàn)有的調(diào)度臺、錄音等功能外還可以與人員戶籍信息系統(tǒng)、氣象預(yù)報系統(tǒng)等各政府機關(guān)和企事業(yè)單位的應(yīng)用平臺進行對接，進行大數(shù)據(jù)運算與分析，從而在發(fā)生自然災(zāi)害或社會治安事件時能夠作出趨勢分析并給指揮員正確決策提供參考依據(jù)。隨著專網(wǎng)運營商涉足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，在萬物互聯(lián)的大背景下對于數(shù)據(jù)的處理和分析需求也將爆發(fā)式增長。專網(wǎng)系統(tǒng)也需要更快速更高效的數(shù)據(jù)存儲與處理能力，同時可將采集的數(shù)據(jù)輸送至其他平臺進行大數(shù)據(jù)綜合分析，從而進一步挖掘潛在商業(yè)價值。如圖3所示。

圖3 第一階段融合

圖4 第一階段融合

在此階段盡管系統(tǒng)核心交換中心及綜合網(wǎng)管平臺等設(shè)備并未部署在云端，但更多的專網(wǎng)無線通信廠商將逐步采用虛擬化技術(shù)，由于虛擬化技術(shù)已非常成熟，利用虛擬技術(shù)實現(xiàn)冗余已變得非?？煽浚捎锰摂M技術(shù)還將降低客戶采購成本。因此，專網(wǎng)無線通信的應(yīng)用層將首先過度到PaaS階段。

3.2 第二階段融合

雖然現(xiàn)階段在專網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)如中移動所提出的C-RAN云基站尚不成熟，然而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，一旦該瓶頸被突破，未來專網(wǎng)系統(tǒng)全面與云計算平臺深度融合的時代也將到來，屆時專網(wǎng)無線設(shè)備廠商將實現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)容量動態(tài)調(diào)整云計算資源。由于云計算安全可靠，屆時客戶自行建網(wǎng)的市場可能會萎縮，而運營商甚至?xí)c云計算服務(wù)商合作共同運營專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。對于公共安全等特殊行業(yè)，可能會部署在其私有云上或者使用政府主導(dǎo)，委托運營商建設(shè)和運維的公有云平臺，但與托管方簽訂QoS和SLA協(xié)定，保證在緊急狀況下優(yōu)先保證公共安全專網(wǎng)的運行。對于大家所密切關(guān)注的安全性問題，必須要說明，即便傳統(tǒng)的客戶自行進行專網(wǎng)系統(tǒng)維護的場景也無法避免安全事件的發(fā)生，而要提升安全等級，使用方還需額外購買防火墻、入侵檢測等設(shè)備，并且制定嚴(yán)格的安全管理規(guī)范和安全流程與之相配套，此外還需引入信息安全人才團隊才能將其安全水平維持在較高級別。而采用云計算平臺、云計算服務(wù)商或托管方的專業(yè)團隊，將為用戶打造安全策略并有效執(zhí)行安全檢查和防范工作。也就是說，在此階段專網(wǎng)無線通信將逐步向SaaS甚至CaaS過度，向最終用戶提供一種專業(yè)無線通信的服務(wù)。如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文探討了專網(wǎng)無線通信技術(shù)與云計算平臺當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r，并對專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)與云計算融合進行了研究及趨勢分析。當(dāng)然，與任何其他技術(shù)一樣，本文所闡述發(fā)展方向依然有賴于某些關(guān)鍵技術(shù)結(jié)點的突破和市場的檢驗。

PMR Technology and Cloud Computing Integration Evolution

Liu Hongbo, Pan Yangyang, Liu Yang
(Hytera Communication Corporation Limited, Shenzhen, 518057)

With the rapid development of network technology and growing of business requirement, communication technology is rapidly merging with IT technology. The integration of wireless communication technology and cloud computing has been gradually started in communications industry. This document distribute the evolution of the system layer and the application layer of the PMR system based on cloud computing.

PMR; Cloud Computing; Virtualization Technology

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.006

TN915.85，TN915.81

A

1672-7274（2017）03-0021-05