4GTD-LTE移动互联网技术在监测监管数据传输中的研究
刘远飞 方超 刘博
（国家新闻出版广电总局二八一台 国家新闻出版广电总局监管中心 国家新闻出版广电总局二八一台）
[摘要]随着广播电视监测监管业务不断的扩展，需要将监测设备放置在较为偏远的地方，而这些地方传统的通讯线路可能无法敷设到位，势必将影响到后期监测监管业务的发展。随着移动通讯技术的发展，类似于4G通信技术的逐步成熟和开发应用，将会给我们的广播电视监测监管工作带来前所未有的新体验。[关键词]4G；数据；传输；TD-LTE；FDD-LTE；网络1 概论
随着广播电视监测监管业务不断的扩展，以及全国统一监管平台建设的不断推进，监测监管的范围及自动化程度也达到了空前的程度，由最初的中短波广播监测扩展到调频广播、地面开路电视、有线模拟、有线数字、移动多媒体等方面。考虑到业务的需要，监测设备的部署量也将陆续增多，在监测设备的选址踏勘过程中，为了确保监测监管数据的稳定回传，网络问题是选址人员考虑的重要因素，同时也成为了制约站点选址的重大因素。传统的站点通讯方式就是通过电信、联通或者广电等网络运营商开通一条数据专线，以保证监测站点7×24小时在线，满足收测需求，但是由于各家运营商的网络覆盖范围不尽相同，有的地方光缆无法敷设到位，给我们的站点建设带来了极大的困难，那么，有办法解决这个监测监管数据传输难题吗？随着网络技术的发展与进步，我们选择网络的范围也更加广泛：由最初的PSTN拨号上网到后面的DDN数字专线再到后面的3G无线网络直到最新的4G无线上网技术。中国移动等运营商更是提出了在2014年年底前将4G信号覆盖至乡镇级别，投入力度之大可见一斑。为此，我们可以考虑选择技术比较成熟、便捷性比较高、覆盖比较广泛的4G技术作为监测监管数据传输的媒介之一。2 4G技术简介
4G即是第四代移动通信标准，也是3G之后的延伸。国际电信联盟（下称ITU）在2005年10月的ITU-RWP8F第17次会议上，把4G技术正式命名为：IMT-Advanced。IMT-Advanced标准将继续依赖原有的3G标准组织已发展的多项新定标准从而加以延伸，比如：IP核心网技术、开放式业务架构技术以及当前发展最为迅速的IPv6技术。4G技术主要有两个标准：LTE Advanced、WiMAX-Advanced。2.1 4G网络的两个标准简介：2.1.1 LTE Advanced：该技术是LTE的增强型技术，完全兼容后期版本的LTE，其峰值速率可高达：下行1Gbps，上行500Mbps。是第一批被ITU承认的4G标准，也是事实上唯一投入正式商用的4G标准。2.1.2 WiMAX-Advanced：相当于IEEE 802.16m是WiMAX的增强版本，其峰值速率下行与上行最高只能达到300Mbps，但是在静止定点测试时其峰值下行与上行速率可高达1Gbps。该技术也是ITU承认的4G标准之一。2.2 LTE两种技术差异对比根据频率使用方式（双工方式）不同，LTE可分为TD-LTE和FDD-LTE两种技术模式，通常FDD-LTE使用成对的频率资源，TD-LTE使用的不是成对的频率资源，但是二者使用的都是同一个核心网，即LTE平台核心网，所以在性能表现方面基本差不多。但是TD-LTE更适合不对称的互联网业务，且具有频率资源利用灵活，高速率、低延时、永远在线等优点；而FDD-LTE更适合上行、下行速率对称的语音、视频通话类业务，且FDD-LTE的通信过程必须使用成对的频率，如上行和下行各使用20MHz，这样就会给有限的频率资源带来较大的浪费。目前，TD-LTE已形成全球发展的产业格局，且综合各方面技术分析，用于传输监测监管数据这种不对称的互联网业务较为实用，故本文将重点就TD-LTE的使用做相应探讨。下面先对TD-LTE与FDD-LTE技术差异做一个简单的对比。2.2.1 TD-LTE与FDD-LTE频率占用方式对比TD-LTE是time division multiple access（时分多址）的LTE，即其把时间分割成周期性的帧，每一个帧在分割成若干个时隙向基站发送信号，基站可以在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。而FDD-LTE是frequency division multiple access（频分多址）的LTE。即其把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带（称为子频带），把每一个子频带分给一个用户专用，这样就避免了频带互相干扰的情况出现。详细的解释见图1：图1 TD-LTE与FDD-LTE频率占用方式
2.2.2 TD-LTE与FDD-LTE工作原理区别频分双工（FDD）和时分双工（TDD）是两种不同的双工方式。FDD必须采用包交换技术，即使用成对的频率，依靠不同的频率来区分上下行链路。TDD模式是的移动通信系统中，接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙，用保证时间来分离与接收传送信道。如图2所示：图2 TD-LTE与FD-LTE工作原理区别
2.2.3 TD-LTE与FDD-LTE频率信道利用率对比为了区分两种技术的优劣，更为直观的对比就是通过对比两者对频率信道的利用率来得出结论，如图3所示：图3 TD-LTE与FD-LTE频率信道利用率对比
由图3：横坐标为时间，而竖坐标为频率。DL代表下行数据，UL代表上行数据。在FDD的传输模式下，上行UL数据与下行DL数据在对称频率上，要求上下行数据必须在同一个时间里面传输，这种传输方式的优势在于频率带宽大，数据传输速率非常快，但是这种传输方式在遇到非对称业务，如直属监测台向前端监测设备采集音视频文件并实时回传、大量采集指标测量数据并实时回传、音视频实时监听监看等非对称业务时，上行、下行数据会大大不成比例，造成某一个通道的数据频率信道被占用。TDD的传输模式下，上下行数据在同一时间里面并不需要一起传输，因此TDD传输模式可以根据上下行的数据大小利用时间来进行动态分配。3 4GTD-LTE技术的安全性
那么，如果完全把4G技术应用于广播电视监测监管数据的传输，就不得不考虑该技术的安全性。3.1 4G通信技术面临的安全缺陷随着无线网络建设规模的不断扩大，无线网络环境也变得日趋复杂，无线网络链路的安全也受到了越来越大的威胁；与此同时，网络实体间的安全信任关系以及有线链路的安全不得不重新考虑。4G网络系统作为一个多种无线网络共存的通信系统，其主要包括移动通信终端、无线接入网终端、无线核心网络和IP骨干网（Internet）等4个部分，因此4G网络系统面临的主要安全威胁也来自于上述4个方面。为保证网络可靠的运行，只有通过认证才能为移动互联网业务提供可靠的保障。另一方面，只有高效安全的方案才能确保4G网络系统具有良好的安全策略，只有可靠的安全方案才能进一步推动移动终端的发展和各种无线应用的普及。所以面对网络的安全威胁，4G系统在确定网络架构的时候就已经将安全问题作为一个重点因素来考虑。3.2 几种常用的4G通信安全技术面对上述几种网络安全威胁，相关部门和运营商已经确定4G安全机制及安全技术的总体方向，具体为：3.2.1 建立适合4G移动通信网络系统的安全体系结构模型，比如：在4G通信网络安全体系结构模型中，应能至少能体现网络的安全需求分析、实现的安全目标等。3.2.2 由私钥密码向混合密码的转变：4G移动通信网络系统中，可以针对不同用户的安全特征与服务需求，采用私钥密码和公钥密码混合的方式提高密码的安全性，同时尽快建设WPKI（简称无线公钥基础设施），建设中国自己的以CA（认证中心）为核心的安全认证体系。3.2.3 4G安全体系的透明化发展：未来的4G移动通信网络安全中心应能独立于系统设备，具有开放的接口，能独立地完成双向鉴权、端到端数据加密等安全功能，甚至对网络内部人员也是透明的。3.2.4 新密码技术的广泛应用：随着密码学的发展以及移动终端处理能力的提高，新的密码技术如量子密码技术、椭圆曲线密码技术、生物识别技术（如指纹识别、虹膜识别）等将在移动通信系统中得到广泛应用，使得加密算法和认证算法自身的抗攻击能力更加强大，从而保证传输信息的机密性、完整性、可用性、可控性和不可否认性。3.2.5 4G移动通信网络的安全措施将更加体现面向终端用户的理念：即终端用户能够自己选择所需要的保密级别，相应的保密安全参数既可由4G网络默认，也可由终端用户根据自己的需求而设定。3.2.6 4G移动通信网络与既有的互联网络的连接的方式相适应，4G移动通信网络的安全可分为陆地部分和移动部分。固网部分的安全概念基本上与计算机(计算机网络)安全类似。所有针对计算机网络的安全问题在固网与互联网相联的网关服务器上都可得到体现，因此，4G移动通信网络网关服务器的安全也可以照搬原有计算机网络的安全模式解决，例如：对服务器、路由器、交换机等核心设备本身采用入侵检测机制、加装安全级别更高的防火墙、服务器系统及时升级至最新版本、及时安装安全补丁，必要的时候可进行物理隔离等等。4 TD-LTE技术在监测监管数据传输中的具体实施构想
上面已经对两种LTE技术作了一个详细的对比，同时对其安全性能作了详细的论述，那么，在监测监管在数据传输的具体过程中，我们现在能够做些什么呢？首先来看一下现有的监测网网络拓扑图，见图4：图4 现有监测网网络拓扑图
通过图4可以看出，现有的广播监测网在直属台层面就有三层结构，即：当地县乡级运营商机房、地市级运营商机房、省级运营商中心机房再到直属台机房，这种模式的网络架构比较复杂，如果再算上直属台到中心的话，网络结构就更加复杂，如果有了4G TD-LTE技术的普及，我们完全可以像手机通信那样，直接“一站式”将监测监管数据传输到台内，从而不受光纤敷设的限制，简化了网络结构，节约了网络初装成本，一种可能的基于4G TD-LTE的监测网的网络拓扑图可以按照图5所示来设计，现在已经有部分网络设备厂商推出了基于4G TD-LTE技术的无线路由器。图5 未来监测网网络拓扑图
那么，将4G TD-LTE技术应用于监测监管数据的传输，能够满足现有或者将来不断发展的监测监管业务的需求吗？比如说，在某一时刻，直属台需要大量调取监测前端的实时监测数据，这时候上行数据就比下行数据相对大得多，TD-LTE 4G系统可以通过一个检测机制，发现数据流不对称后，及时调整频率资源，尽量满足上行需求；如果这时候临时又有任务需要由直属台下达到监测前端，导致下行数据量也增大，TD-LTE 4G系统可以再次重新分配频率资源，在不影响监测监管业务的前提下，适当分出正在进行上传任务的频率资源，以满足下行监测监管数据的传输，这样就做到了上下行两不误，同时也极大地节约了相对短缺的频率资源，对于频率信道的利用率也就大大的提高了。当然，我们在选择TD-LTE系统作为监测监管数据传输媒介时，一定要对业务带宽需求做充分的论证，同时考虑选择开通带宽相对较大的无线数据链路，这样能够保证峰值情况下监测监管业务的正常开展。同时，如果现有的无线带宽满足不了新兴的监测监管业务需求，我们可以第一时间联系运营商，通过调整带宽（即频率带宽）来满足新的业务需求，这种方式的实施周期较为短，不像传统的传输链路，需要更改大量的网络配置，必要的情况下还得对核心路由器或者交换机进行配置升级。未来基于4G TD-LTE技术的广播电视监测专网将充分利用TDD传输模式下，其上（UL）下（DL）行数据在同一时间里面并不需要一起传输，而是根据上下行的数据大小利用时间来进行动态分配这一特点来进行监测监管数据的传输。比如说，当前时刻UL数据较DL大，TDD技术可以将UL通道的频率信道增大，这样上行传输速率就加快了；同样，另一个时刻DL数据较UL大，TDD技术又将UL通道的频率信道变小，将DL通道的频率信道增大，这样就保证了DL数据的传输速率。
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