CN113411772B - 一种高铁场景下的5g组网系统及方法 - Google Patents

一种高铁场景下的5g组网系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高铁场景下的5G组网系统及组网方法，属于通信领域，所述方法包括：配置5G小站和统一管理平台的IP地址；启动客户端和第一网关，在5G通信网关和统一管理平台之间建立专用VPN隧道；通过所述专用VPN隧道，完成5G小站的注册；通过所述专用VPN隧道，传输所述5G小站和5G用户的数据。本发明的实施例中，列车在运行过程中经过沿线的各省份核心网，均无需为了5G小站合法入网再进行相关配置，不增加运维成本和改动工作。车内5G用户在列车移动过程中，始终注册到统一管理平台，业务连续性好。车内5G小站配置简化，同时可以拉大沿线宏站部署间距，降低成本。

Description

一种高铁场景下的5G组网系统及方法
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种高铁场景下的5G组网系统及方法。
背景技术
5G网络对高速铁路的营运生态尚缺少全面的覆盖支撑，5G网络覆盖解决方案需要重点关注站点规划与布局、系统切换重叠区域设计、频率纠偏等方面，才能实现更好的网络性能。
如图1所示，按照传统的覆盖方式，高铁线路覆盖站址建议以“之”字形布站，以最大限度保证列车两边座位都有比较好的覆盖，尤其是在列车会车的时候能保证车内通信质量最佳。
现有的高铁组网方案存在以下问题：
1.无法避免车体穿损，穿透损耗大。由于5G主流的3.5GHz频段频率高于4G的频段频率，5G时代高铁覆盖更加困难，导致用户体验差。
2.成本高，将是4G建网成本的3-4倍。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高铁场景下的5G组网系统及方法，通过在每节车厢部署一体化5G小站、在列车中心车厢部署5G通信网关、以及在地面部署统一管理平台，建立5G通信网关与统一管理平台之间的专用VPN(虚拟专用网络)隧道，由统一管理平台通过专用VPN隧道对5G小站和5G用户进行统一管理。列车在运行过程中经过沿线的各省份核心网，均无需为了5G小站合法入网再进行相关配置，不增加运维成本和改动工作。车内5G用户在列车移动过程中，始终注册到统一管理平台，业务连续性好。车内5G小站配置简化，同时可以拉大沿线宏站部署间距，降低成本。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种高铁场景下的5G组网系统，所述系统包括列车网络和统一管理平台；
所述列车网络包括5G小站和5G通信网关，所述5G小站被部署在每节车厢内，所述5G通信网关被部署在列车中心车厢内，所述5G通信网关部署有客户端；
所述统一管理平台部署有第一网关，通过所述第一网关和所述客户端，所述统一管理平台与所述5G通信网关建立专用VPN隧道，对5G小站和车内5G用户进行统一管理；
所述5G小站通过所述5G通信网关和所述专用VPN隧道将5G用户的数据传输至统一管理平台。
优选地，所述统一管理平台为5G融合核心网，部署的网元包括：接入和管理功能网元、会话管理功能网元、用户面功能网元；
所述对5G小站进行统一管理包括：对5G小站进行参数配置和状态监控；
所述对5G用户进行统一管理包括：对5G用户进行用户信息管理、注册管理、接入管理、会话管理、用户网络策略管理、以及用户面数据路由管理。
优选地，所述5G通信网关对所述5G小站和所述5G用户的数据进行封装得到加密报文，将所述加密报文经所述专用VPN隧道传输至所述第一网关，所述第一网关对所述加密报文进行解封装，得到所述5G小站和所述5G用户的数据。
优选地，配置所述5G小站和所述统一管理平台的IP地址；所述统一管理平台与运营商的5G核心网对接，完成用户的认证鉴权。
优选地，所述5G小站与所述统一管理平台之间的第一、第二和第三接口报文通过所述5G通信网关进入专用VPN隧道传输至所述第一网关，所述第一网关对信令面和控制面数据进行处理，完成用户的接入和鉴权。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种应用于5G组网系统的5G组网方法，所述方法包括：
配置5G小站和统一管理平台的IP地址；
启动客户端和第一网关，在5G通信网关和统一管理平台之间建立专用VPN隧道；
通过所述专用VPN隧道，完成5G小站的注册；
通过所述专用VPN隧道，传输所述5G小站和5G用户的数据。
优选地，所述第一网关为IPSEC网关，所述建立专用VPN隧道包括：
所述5G通信网关向所述第一网关发送IKE安全提议，所述第一网关向所述5G通信网关返回确认的IKE安全提议；
所述5G通信网关与所述第一网关之间相互交换密钥生成信息以及身份和验证数据。
优选地，所述5G小站的注册包括：
所述5G小站向所述5G通信网关发送第二接口连接建立请求消息；
所述5G通信网关对所述第二接口连接建立请求消息进行封装，通过专用VPN隧道发送至所述第一网关；
所述第一网关对消息进行解封装，向所述统一管理平台发送连接建立请求消息。
优选地，所述5G小站的注册包括：
所述第一网关接收所述统一管理平台发送的接受连接建立请求消息，并通过专用VPN隧道向所述5G通信网关返回应答消息，所述5G通信网关向所述5G小站发送第二接口连接应答消息。
优选地，所述通过所述专用VPN隧道，传输所述5G小站和5G用户的数据，包括：
所述5G通信网关对车内5G用户的数据进行封装，添加消息报头后经核心网转发至所述第一网关，所述第一网关对所述数据进行解封装后发送至所述统一管理平台，所述5G用户的数据包括用户面数据和控制面数据。
本发明具有以下有益效果：
1.列车在运行过程中经过沿线的各省份核心网，均无需为了车载小站合法入网再进行相关配置，不增加运维成本和改动工作。
2.车内UE在列车移动过程中，始终注册到统一管理平台，业务连续性好。
3.车内5G小站配置简化，无需考虑沿线宏站配置。
4.可拉大沿线宏站部署间距，降低成本。
通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。
附图说明
图1是现有技术中列车组网示意图；
图2是本发明的高铁5G组网系统示意图；
图3是本发明的高铁5G组网方法流程示意图；
图4是本发明的建立专用VPN隧道的方法示意图；
图5是本发明的5G小站注册流程示意图；
图6是本发明的报文封装、解封装流程示意图；
图7是本发明的核心网内通过专用VPN隧道转发数据的流程示意图；
图8是本发明的跨核心网通过专用VPN隧道转发数据的流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图2是本发明的高铁5G组网系统示意图。如图2所示，本发明提供一种高铁场景下的5G组网系统，所述系统包括列车网络和统一管理平台；
所述列车网络包括5G小站和5G通信网关，所述5G小站被部署在每节车厢内，所述5G通信网关被部署在列车中心车厢内，所述5G通信网关部署有客户端；
所述统一管理平台部署有第一网关，通过所述第一网关和所述客户端，所述统一管理平台与所述5G通信网关建立专用VPN隧道，对5G小站和车内5G用户进行统一管理；
所述5G小站通过所述5G通信网关和所述专用VPN隧道将5G用户的数据传输至统一管理平台。
具体地，在每节车厢部署一体化5G小站；在列车中心车厢部署5G通信网关，打通车地之前回传链路；在地面部署统一管理平台；5G网关部署VPN客户端，地面统一管理平台部署第一网关，即VPN网关，作为平台内的出口；使用VPN隧道技术建立列车到统一管理平台的链路。
整个系统架构由列车网络、回传网络和地面统一管理平台组成。
列车网络：列车网络具体还可以分为列车骨干网和列车接入网。列车骨干网通过万兆交换机和CAT7(ISO七类线)以太网线建立车厢间的网络互联。列车接入网基于5G小站实现列车车厢的室分覆盖，各小站通过地面管理平台与运营商核心网和以太网完成数据交互。
回传网络：主要负责车地通信，将车内5G小站、5G用户数据通过专用VPN隧道，安全可靠地传到统一管理平台。回传5G网关通过双载板六通道(单载板支持移动、电信、联通)，实现高速回传。
优选地，所述统一管理平台为5G融合核心网，部署的网元包括：接入和管理功能网元AMF、会话管理功能网元SMF、用户面功能网元UPF；
所述对5G小站进行统一管理包括：对5G小站进行参数配置和状态监控；
所述对5G用户进行统一管理包括：对5G用户进行用户信息管理、注册管理、接入管理、会话管理、用户网络策略管理、以及用户面数据路由管理。
具体地，统一管理平台负责车内5G小站的统一管理，包括5G小站的参数配置、5G小站的状态监控等；负责车内5G用户的统一管理，主要包括控制面的用户信息管理及用户存储、用户注册管理、接入管理、会话管理、用户网络策略管理、用户面数据路由转发管理等。统一管理平台为5G融合核心网，可以同时处理4G和5G消息，需部署部分必要网元，包括：AMF(接入和管理功能)、SMF(会话管理功能)、UPF(用户面功能)、NRF(网络存储库功能)，也可部署其他可选网元，包括：NSSF(网络切片选择功能)、UDM(统一数据管理)、AUSF(鉴权服务功能)，所有网元和运营商网络互联共同完成用户业务处理。
列车在移动场景下，车地回传的链路依赖4G/5G模组，使用标准的SIM卡，接入沿线轨旁宏站，而车内5G小站和接入小站的UE的控制面和用户面信令需要封装在车地回传模块的用户面中，即车内控制面信令在各省份核心网是不处理的，各省UPF/PGW等直接将数据转发到第一网关，完成数据传递，到统一地面管理平台的AMF和UPF处理控制面和用户面的数据。
优选地，所述5G通信网关对所述5G小站和所述5G用户的数据进行封装得到加密报文，将所述加密报文经所述专用VPN隧道传输至所述第一网关，所述第一网关对所述加密报文进行解封装，得到所述5G小站和所述5G用户的数据。
具体地，专用VPN隧道需要承载的数据包括小站的配置管理、用户的认证鉴权、用户的电话、短信、上网等数据。封装的数据包含5G小站的管理配置报文、用户的认证鉴权报文、用户的电话、短信、上网数据等，均通过专用VPN隧道转发。
优选地，配置所述5G小站和所述统一管理平台的IP地址；所述统一管理平台与运营商的5G核心网对接，完成用户的认证鉴权。
优选地，所述5G小站与所述统一管理平台之间的第一、第二和第三接口报文通过所述5G通信网关进入专用VPN隧道传输至所述第一网关，所述第一网关对信令面和控制面数据进行处理，完成用户的接入和鉴权。
具体地，车内小站和用户设备UE的第一、第二和第三接口可以是N1、N2、N3接口，相应的接口报文通过5G通信网关进入VPN隧道；各省份核心网正常处理5G网关的信令和用户面数据；第一网关解封装加密报文后，处理车内设备的信令面和控制面数据，完成用户的接入和鉴权。
通过本实施例，列车在运行过程中经过沿线的各省份核心网，均无需为了5G小站合法入网再进行相关配置，不增加运维成本和改动工作。车内5G用户在列车移动过程中，始终注册到统一管理平台，业务连续性好。车内5G小站配置简化，同时可以拉大沿线宏站部署间距，降低成本。
实施例2
如图3所示，根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种应用于5G组网系统的5G组网方法，该5G组网系统为实施例1中的组网系统，所述方法包括：
配置5G小站和统一管理平台的IP地址；
启动客户端和第一网关，在5G通信网关和统一管理平台之间建立专用VPN隧道；
通过所述专用VPN隧道，完成5G小站的注册；
通过所述专用VPN隧道，传输所述5G小站和5G用户的数据。
优选地，所述第一网关为IPSEC网关，所述建立专用VPN隧道包括：
所述5G通信网关向所述第一网关发送IKE安全提议，所述第一网关向所述5G通信网关返回确认的IKE安全提议；
所述5G通信网关与所述第一网关之间相互交换密钥生成信息以及身份和验证数据。
具体地，如图4所示，以第一网关为IPSEC网关为例，通过IPSEC网关建立专用VPN隧道的流程包括以下步骤：
S1. 5G通信网关向IPSEC网关发送IKE安全提议；
S2.IPSEC网关查找匹配的协议，向5G通信网关发送确认的IKE安全提议；
S3. 5G通信网关接受提议，向IPSEC网关发送密钥生成信息；
S4.IPSEC网关生成密钥，向5G通信网关发送密钥生成信息；
S5. 5G通信网关生成密钥，向IPSEC网关发送身份和验证数据；
S6.IPSEC网关执行身份认证和交互过程验证，向5G通信网关发送身份和验证数据
S7. 5G通信网关执行身份认证和交互过程验证，向IPSEC网关发送IPSEC安全提议、身份和验证数据；
S8.IPSEC网关查找匹配的安全提议，生成密钥，向5G通信网关发送确认的IPSEC安全提议、身份和验证数据；
S9. 5G通信网关接受安全提议，并生成密钥，向IPSEC网关发送确认消息；
S10.IPSEC网关接受确认消息，IPSEC隧道建立成功。
优选地，所述5G小站的注册包括：
所述5G小站向所述5G通信网关发送第二接口连接建立请求消息；
所述5G通信网关对所述第二接口连接建立请求消息进行封装，通过专用VPN隧道发送至所述第一网关；
所述第一网关对消息进行解封装，向所述统一管理平台发送连接建立请求消息。
所述第一网关接收所述统一管理平台发送的接受连接建立请求消息，并通过专用VPN隧道向所述5G通信网关返回应答消息，所述5G通信网关向所述5G小站发送第二接口连接应答消息。
具体的，如图5所示，以第一网关为IPSEC网关为例，5G小站注册流程如下：
K1. 5G小站开站配置，所述5G通信网关发送第二接口连接建立请求消息；
K2. 5G通信网关对所述第二接口连接建立请求消息进行封装，通过专用VPN隧道发送至所述第一网关；
K3.IPSEC网关对消息进行解封装；
K4.IPSEC网关向所述统一管理平台发送连接建立请求消息；
K5.IPSEC网关接收所述统一管理平台发送的接受连接建立请求消息；
K6.IPSEC网关对消息进行封装，并通过专用VPN隧道向所述5G通信网关返回应答消息；
K7. 5G通信网关对消息进行解封装；
K8. 5G通信网关向所述5G小站发送第二接口连接应答消息。
在注册过程中，5G小站的部分参数已经提前规划好，车内5G小站上电后，需要与地面统一管理平台中的AMF通过VPN隧道建立第二接口连接，并在建立成功后，对第二接口隧道进行配置和管理。
UE上车后，接入车内5G小站，需要通过5G小站与AMF、UPF网元建立第一、第三接口连接，5G小站在建立第一、第三接口连接时，也通过VPN隧道转发至统一管理平台。UE通过第一、第三接口完成接入注册管理、连接管理、会话管理等。
UE入网后，基础电信业务，包括电话、短信、上网等数据均通过车内5G小站进行转发，5G小站则通过第一/第三接口进行首次封装，再通过VPN客户端进行二次封装直达第一网关。
优选地，所述通过所述专用VPN隧道，传输所述5G小站和5G用户的数据，包括：
所述5G通信网关对车内5G用户的数据进行封装，添加消息报头后经核心网转发至所述第一网关，所述第一网关对所述数据进行解封装后发送至所述统一管理平台，所述5G用户的数据包括用户面数据和控制面数据。
具体地，如图6所示，以第一网关为IPSEC网关为例，5G通信网关对车内C面/U面数据进行封装，添加IPSEC头，连同5G网关的U面数据一起通过核心网转发至IPSEC网关，IPSEC网关对数据进行解封装，去除IPSEC头，得到车内C面/U面数据。
图7和图8分别示出了在单个核心网内通过专用VPN隧道转发数据的流程示意图和跨核心网通过专用VPN隧道转发数据的流程示意图。
在图7示出的单个核心网5GC(5G核心网)内，列车运行线路和统一管理平台建设地方所属同一个省份，此时的数据经单个核心网进行转发。
在图8示出的跨核心网5GC的情形，列车运行线路需穿越多个省份，则数据经多个核心网进行转发。
5GC为运营商的核心网，本实施例的统一管理平台是专门管理车内小站和用户的高铁场景的“5GC”，需要与运营商的5GC进行对接，完成用户的认证鉴权，因为车内用户都是原来运营商的用户，开户套餐等信息还在运营商的5GC里。
沿线各省份的5GC对于车内5G小站和用户而言，其数据承载在专用VPN隧道上，沿线的5GC切换，只会使隧道断开一下马上建立，而车内5G小站和统一管理平台则始终相对是不变的，比如5G小站填写统一管理平台的一些网元地址永远是固定的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高铁场景下的5G组网系统，其特征在于，所述系统包括列车网络和统一管理平台；
所述列车网络包括5G小站和5G通信网关，所述5G小站被部署在每节车厢内，所述5G通信网关被部署在列车中心车厢内，所述5G通信网关部署有客户端；
所述统一管理平台部署有第一网关，通过所述第一网关和所述客户端连接，所述统一管理平台与所述5G通信网关建立专用VPN隧道，对5G小站和车内5G用户进行统一管理；
所述5G小站通过所述5G通信网关和所述专用VPN隧道将5G用户的数据传输至统一管理平台；
所述列车网络分为列车骨干网和列车接入网；所述列车骨干网通过万兆交换机和以太网线建立车厢间的网络互联；所述列车接入网基于5G小站实现列车车厢的室分覆盖，各小站通过统一管理平台与运营商核心网和以太网完成数据交互；
所述系统还包括回传网络：主要负责车地通信，将车内5G小站、5G用户数据通过专用VPN隧道，安全可靠地传到统一管理平台；回传5G网关通过双载板六通道，实现高速回传。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述统一管理平台为5G融合核心网，部署的网元包括：接入和管理功能网元、会话管理功能网元、用户面功能网元；
所述对5G小站进行统一管理包括：对5G小站进行参数配置和状态监控；
所述对5G用户进行统一管理包括：对5G用户进行用户信息管理、注册管理、接入管理、会话管理、用户网络策略管理、以及用户面数据路由管理。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述5G通信网关对所述5G小站和所述5G用户的数据进行封装得到加密报文，将所述加密报文经所述专用VPN隧道传输至所述第一网关，所述第一网关对所述加密报文进行解封装，得到所述5G小站和所述5G用户的数据。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，配置所述5G小站和所述统一管理平台的IP地址；所述统一管理平台与运营商的5G核心网对接，完成用户的认证鉴权。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述5G小站与所述统一管理平台之间的第一、第二和第三接口报文通过所述5G通信网关进入专用VPN隧道传输至所述第一网关，所述第一网关对信令面和控制面数据进行处理，完成用户的接入和鉴权。
6.一种应用于如权利要求1-5任一项所述的5G组网系统的5G组网方法，其特征在于，所述方法包括：
配置5G小站和统一管理平台的IP地址；
启动客户端和第一网关，在5G通信网关和统一管理平台之间建立专用VPN隧道；
通过所述专用VPN隧道，完成5G小站的注册；
通过所述专用VPN隧道，传输所述5G小站和5G用户的数据；
列车骨干网通过万兆交换机和以太网线建立车厢间的网络互联；列车接入网基于5G小站实现列车车厢的室分覆盖，各小站通过地面管理平台与运营商核心网和以太网完成数据交互；
回传网络负责车地通信，将车内5G小站、5G用户数据通过专用VPN隧道，安全可靠地传到统一管理平台；回传5G网关通过双载板六通道，实现高速回传。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一网关为IPSEC 网关，所述建立专用VPN隧道包括：
所述5G通信网关向所述第一网关发送IKE安全提议，所述第一网关向所述5G通信网关返回确认的IKE安全提议；
所述5G通信网关与所述第一网关之间相互交换密钥生成信息以及身份和验证数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述5G小站的注册包括：
所述5G小站向所述5G通信网关发送第二接口连接建立请求消息；
所述5G通信网关对所述第二接口连接建立请求消息进行封装，通过专用VPN隧道发送至所述第一网关；
所述第一网关对消息进行解封装，向所述统一管理平台发送连接建立请求消息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述5G小站的注册包括：
所述第一网关接收所述统一管理平台发送的接受连接建立请求消息，并通过专用VPN隧道向所述5G通信网关返回应答消息，所述5G通信网关向所述5G小站发送第二接口连接应答消息。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过所述专用VPN隧道，传输所述5G小站和5G用户的数据，包括：
所述5G通信网关对车内5G用户的数据进行封装，添加消息报头后经核心网转发至所述第一网关，所述第一网关对所述数据进行解封装后发送至所述统一管理平台，所述5G用户的数据包括用户面数据和控制面数据。
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