CN113978522A - 一种基于5g专网实现的车地转储方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G专网实现的车地转储方法，所述5G转储系统采用5G毫米波进行专网部署。机车车载部分部署车载网关及5G车载终端。在机务段咽喉区、整备场部署5G地面基站RBS，进行机车数据存储转发，车载设备采用该方案实现从车到地面服务器的数据传输、转储功能；基于59～64GHz的5G专网无线技术实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能；车载视频、制动、绝缘、防火、列供、走行部数据采用该方案实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能；车运行到站、段、临时点、目的地后采用无线技术实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能；基于华为5G专网无线技术实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能。
Description
技术领域
本发明涉及5G通信技术领域，具体涉及一种基于5G专网实现的车地转储方法。
背景技术
随着铁路建设与发展，机车、动车、地铁、巡检车、综合检测等移动装备在行车过程中产生海量数据，单个交路可能会产生从十几GB到几十GB，甚至上百GB的数据量，如6A视频数据、3C数据等。
目前少量数据通过中国机车远程监测与诊断系统(简称CMD系统)进行数据回传。对于海量数据如6A视频数据、3C数据，只能存储于车载视频监控设备中，每日视频存储容量巨大。目前实施的方案主要是在机车运行过程中U盘实时拷贝；机车到段后专人通过USB设备批量拷贝；定时拆卸存储硬盘；曾经有人做过基于民用WIFI或5G公网技术实现车地数据转储方案，由于这两种方案都有自己先天缺陷，无法满足铁路行业要求，一直未实现列装。
目前正在使用的USB转储方案耗时耗力，人工干预出错，USB设备易丢失、损坏，数据不全等现实问题，同时USB设备容易感染病毒、数据下载慢、USB接口易松落、损坏等诸多问题。基于无线通信技术转储数据是铁路建设与发展的必然趋势。
5G公网主要上行速率低，无法满足大批量数据上传。机车运行速度快，现有技术车载终端无法实现全线无缝基站切换，上行速率无法保障；固定点上行速率低也无法满足大批量数据上传；同时铁路行业保密性，不能使用公网实现车地转储。
WIFI6主要不足是上行速率不够高；全线专线部署成本高，易遭破坏，易受监听；民用技术抗干扰能力弱，易受攻击；无法满足铁路行业数据安全属性。因此，本领域技术人员提供了一种基于5G专网实现的车地转储方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
机车、动车、地铁、巡检车、综合检测等移动装备在行车过程中产生海量数据，单次交路可能会产生几十GB到上百GB的数据。随着铁路建设里程预计智能化发展，需要一种大带宽上行的无线通信技术满足车到地大带宽传输要求，用以解决铁路海量车载数据落地及综合应用问题。为解决上述技术问题。
本发明提供一种基于5G专网实现的车地转储方法，其中：所述5G转储系统采用5G毫米波进行专网部署，机车车载部分部署车载网关及5G车载终端。在机务段咽喉区、整备场部署5G地面基站RBS，机务段信息中心部署高速转储一体机及转储平台，高速转储一体机通过网络安全设备隔离访问机务段数据中心存储服务器，进行机车数据存储转发。
优选的：所述5G转储系统采用5G毫米波进行专网部署，机车车载部分部署车载网关及5G车载终端，在机务段咽喉区、整备场部署5G地面基站RBS，机务段信息中心部署高速转储一体机及转储平台，高速转储一体机通过网络安全设备隔离访问机务段数据中心存储服务器，进行机车数据存储转发。
优选的：所述机车子系统中，车载网关通过USB或GE口从6A视频模块或3C设备中获取并存储，当机车运行至机务段，车载网关通过5G高速专网通道快速转储到地面缓存，并经过防火墙进入数据存储中。
优选的：所述数据传输流程为：6A系统视频监测，子系统→车载网关→车载终端(TAU)→地面基站(RBS)→地面缓存设备→视频存储服务器→视频分析等应用。
优选的：所述5G高速转储系统方案建设部署分别涉及机车车载网络、无线网络及地面设备网络，各网络内部及临界点均进行网络安全设计。
优选的：所述机车车载网络主要为新装车载设备自建独立网络，车载设备与6A系统通过USB线缆或网线进行连接，6A系统使用现有设备或增加视频取流卡通过6A内部总线获取视频监控数据，并对数据进行加密，再将加密后的数据通过网线直连方式转发给车载网关，车载网关对数据进行临时安全存储。
优选的：所述无线网络的车载5G终端与地面基站之间多重身份互认证，建立安全、保密传输通道，在机车进入地面5G基站无线覆盖范围内时，车载5G终端与地面基站通过小区ID和密钥接入认证，MAC地址白名单认证，在通过应用层进行设备ID身份认证，三种方式实现接入安全认证，防止非法设备接入，无线链路传输通道采用AES128对微波链路传输的客户数据进行加密，在链路层进一步增强微波链路传输数据的安全性，防止数据被窃取。
优选的：所述地面基站通过光纤、交换机及高速缓存服务器建立独立网络，再通过高速缓存服务器接入内网，在高速缓存服务器前端部署防火墙等边界防护设备提供的受控接口进行通信，保护内网安全，对访问的源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议、数据流向等制定控制策略及访问控制规则，及时删除多余访问控制规则，优化控制列表，严禁非法访问。
本发明的技术效果和优点：
1、车载设备采用该方案实现从车到地面服务器的数据传输、转储功能。
2、基于59～64GHz的5G专网无线技术实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能。
3、车载视频、制动、绝缘、防火、列供、走行部数据采用该方案实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能。
4、车运行到站、段、临时点、目的地后采用无线技术实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能。
5、基于华为5G专网无线技术实现车辆到地面服务的数据传输、转储功能。
6、该5G无线通信技术需满足机车、动车、地铁等移动装备在机务段、动车段(所)/车站等热点区域的大容量数据回传需求。
附图说明
图1是本申请实施例提供的基于5G专网实现的车地转储方法的网络结构图；
图2是本申请实施例提供的基于5G专网实现的车地转储方法中视频数据传输流程示意图；
图3是本申请实施例提供的基于5G专网实现的车地转储方法中机务段布局方案示意图；
图4是本申请实施例提供的基于5G专网实现的车地转储方法西安机务段现场平面图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
请参阅图1～3，在本实施例中提供一种基于5G专网实现的车地转储方法，其中：TAU：5G车载终端设备、RBS：5G地面基站设备、车载网关：安装在机车上，收集机车6A视频、3C设备等数据并存储，通过TAU、RBS把数据传输到地面服务器。
5G转储系统采用5G毫米波进行专网部署。机车车载部分部署车载网关及5G车载终端。在机务段咽喉区、整备场部署5G地面基站RBS，机务段信息中心部署高速转储一体机及转储平台，高速转储一体机通过网络安全设备隔离访问机务段数据中心存储服务器，进行机车数据存储转发。
1.网络方案
1.1.网络结构
5G转储系统采用5G毫米波进行专网部署。机车车载部分部署车载网关及5G车载终端。在机务段咽喉区、整备场部署5G地面基站RBS，机务段信息中心部署高速转储一体机及转储平台，高速转储一体机通过网络安全设备隔离访问机务段数据中心存储服务器，进行机车数据存储转发。
系统网络结构如下图1所示：
机车子系统中，车载网关通过USB或GE口从6A视频模块或3C设备中获取并存储。当机车运行至机务段，车载网关通过5G高速专网通道快速转储到地面缓存，并经过防火墙进入数据存储中。
1.2.数据传输
以6A视频监控数据为例。机车6A系统视频监控数据从采集、缓存、下载到视频数据分析应用过程的业务流程示意图2如下：
数据传输流程为：
6A系统视频监测
子系统→车载网关→车载终端(TAU)→地面基站(RBS)→地面缓存设备→视频存储服务器→视频分析等应用。
详细流程说明如下：
(1).数据采集和缓存：6A系统视频监控子系统→车载网关。
(2).无线传输链路建立：车载终端(TAU)→地面基站(RBS)。
机车在进入机务段5G地面基站(RBS)无线覆盖范围后，与5G车载基站(TAU)之间自动建立高速(峰值速率1.5Gbps)、安全(AES加密)、可靠的无线物理传输通道。
机务段5G地面基站(RBS)理想的无线覆盖范围300米，采用60GHz毫米波，通过波束赋形、波束跟踪等技术自动对准、自动连接、白名单认证，建立5G车载基站(TAU)与5G地面基站(RBS)高速物理传输通道。
(3).端到端数据传输链路建立：车载网关→车载终端(TAU)→地面基站(RBS)→地面缓存设备。
5G无线物理传输通道建立后，通过GE或USB，车载网关与6A系统地面综合运用平台端到端的物理链路，并进行信令交互，建立端到端数据传输链路。
数据传输通道建立之后，转储开始自动传输缓存的6A系统视频监控数据，数据传输完成后，删除缓存数据并断开链路。
(4).数据应用：地面缓存设备→视频存储服务器→视频分析。
地面缓存设备缓存地面基站接收的车载6A系统视频数据，通过与6A系统地面综合运用平台之间建立数据传输通道，将转储的视频数据按照应用系统的原有要求(路径、文件目录、文件名等)将数据自动上传到指定位置，应用系统按照原有的方式访问数据。
2.网络安全方案
2.1.安全等级
因本系统完全基于铁路专网实现，按照《信息安全技术网络安全等级保护定级指南》(GB/T 22240-2020)，本系统将按照网络安全等级保护要求第一级进行安全防护。
2.2.安全架构
按照等级保护要求，安全方案涵盖安全物理环境、安全通信网络、安全边界等方面。
2.3.安全物理环境
本系统机车单元相关的车载网关和5G车载终端全部采用工业级高可靠器件材料研发，完全符合机车车载设备的相关技术规范要求，具备良好的物理安全特性。地面服务器部署于机务段机房中，该机房基于国铁集团机房建设标准搭建，具备完备的安全管理，环境监控，应急保护和电力冗余等措施。
2.4.安全通信网络
5G高速转储系统方案建设部署分别涉及机车车载网络、无线网络及地面设备网络，各网络内部及临界点均进行网络安全设计。
机车车载网络主要为新装车载设备自建独立网络。车载设备与6A系统通过∪SB线缆或网线进行连接。6A系统使用现有设备或增加视频取流卡通过6A内部总线获取视频监控数据，并对数据进行加密，再将加密后的数据通过网线直连方式转发给车载网关，车载网关对数据进行临时安全存储。
无线网络的车载5G终端与地面基站之间多重身份互认证，建立安全、保密传输通道。在机车进入地面5G基站无线覆盖范围内时，车载5G终端与地面基站通过小区ID和密钥接入认证，MAC地址白名单认证，在通过应用层进行设备ID身份认证，三种方式实现接入安全认证，防止非法设备接入。无线链路传输通道采用AES128对微波链路传输的客户数据进行加密，在链路层进一步增强微波链路传输数据的安全性，防止数据被窃取。
2.5.安全边界
地面基站通过光纤、交换机及高速缓存服务器建立独立网络，再通过高速缓存服务器接入内网。在高速缓存服务器前端部署防火墙等边界防护设备提供的受控接口进行通信，保护内网安全，对访问的源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议、数据流向等制定控制策略及访问控制规则，及时删除多余访问控制规则，优化控制列表，严禁非法访问。边界防护设备能够对非授权设备或用户私自联到内网、外网的行为进行检查或限制，杜绝“一机双网”、违规外连。通过对基础设施的维护和监控手段，保证数据流的正常可控，以及保证网络出口和核心网络的访问质量和连接数量。定期对边界安全设备进行维护和升级，监测、防止或限制从外部发起的网络攻击行。
3.设备与软件配置
3.1.方案配置要求
系统在西安局西安机务段配置必要的高速缓存服务器，与相关的应用服务器之间通过铁路内网连接，基于通用的网络协议进行数据传输。系统的软硬件设备应根据相关的规范和标准，遵循可靠性、可扩展性、准确性和及时性原则进行配置。具体要求如下：
3.1.1.5G高速传输
(1)5G高速传输峰值速率可达1.5Gbit/s，传输速度是5G公网的十数倍，可快速将机车数据回传，提高用户作业效率。
(2)5G网络具有低时延的特性，对机车数据及时有效回传，保证视频数据完整度。
3.1.2数据安全性
(1)采用专用点对点网络，建立逻辑隧道专项传输，避免网络数据被修改和盗用，保证了用户数据的安全性；
(2)5G模块采用车规级模组，具有优越的防静电，防电磁干扰功能，适应环境温度可达到-40℃～70℃，可经受复杂严苛得环境考验，具备高可靠性；
(3)视频采集板卡采集的6A视频数据通过视频取流卡进行加密，存于缓存池中，经过5G传输回传到地面，更加有效保证用户数据安全性；
(4)6A系统数据通过5G高速网络在极短的时间内自动下载并存储，可完全替代人工使用存储介质进行转储6A系统数据的模式，提高了数据转储的稳定性，降低了劳动强度和安全风险。
3.1.3.可靠性
(1)当机车进入段内网络覆盖区域自动与视频高速转储管理系统连接，将缓存池中数据通过5G网络高速转储到数据管理平台，及时、有效、可靠的将数据保存；
(2)当机车数据回传尚未完成机车离开网络覆盖区域，地面视频管理系统会记录视频传输中断的位置，当机车再次进入网络覆盖区域时，立即从上次中断的位置继续传输视频，保证数据完整转储，保证机车数据可靠性；
(3)当多台机车入段同步转储时，系统支持对已完成传输的链路进行自动断开，以保证机车数据同步效率和及时性，保证系统稳定、高效的视频转储；
(4)当无线链路发生故障时，系统可立即报警，通知作业人员对故障点修复，保证数据有效传输存储。
3.2.机务段配置部署
机车进出环境对地面RBS设备的规划至关重要，主要涉及地面站的覆盖规划、地面RBS设备数量规划，地面高速缓存、网络及资源等。为了保证数据下载速率，机车入库或整备车间相关的并发进路轨道数、整备区股道数、咽喉区距离、咽喉区信号灯数量、过咽喉区时间等都是需要考虑的因素。
实施例1
请参阅图4，在本实施例中，
基于目前西安机务段5G转储业务实际需求，现阶段选择位置1和位置2部署地面基站RBS，后期可根据业务发展需要在位置3和位置4进行地面覆盖扩容。为了保证信号的覆盖范围，如下所示为两套5G地面基站(RBS)所覆盖方向和角度。
通过对其它无线通信技术对比说明其他方案的缺点
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (8)
1.一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述5G转储系统采用5G毫米波进行专网部署，机车车载部分部署车载网关及5G车载终端。在机务段咽喉区、整备场部署5G地面基站RBS，机务段信息中心部署高速转储一体机及转储平台，高速转储一体机通过网络安全设备隔离访问机务段数据中心存储服务器，进行机车数据存储转发。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述5G转储系统采用5G毫米波进行专网部署，机车车载部分部署车载网关及5G车载终端，在机务段咽喉区、整备场部署5G地面基站RBS，机务段信息中心部署高速转储一体机及转储平台，高速转储一体机通过网络安全设备隔离访问机务段数据中心存储服务器，进行机车数据存储转发。
3.根据权利要求1所述的一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述机车子系统中，车载网关通过USB或GE口从6A视频模块或3C设备中获取并存储，当机车运行至机务段，车载网关通过5G高速专网通道快速转储到地面缓存，并经过防火墙进入数据存储中。
4.根据权利要求1所述的一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述数据传输流程为：6A系统视频监测，子系统→车载网关→车载终端(TAU)→地面基站(RBS)→地面缓存设备→视频存储服务器→视频分析等应用。
5.根据权利要求1所述的一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述5G高速转储系统方案建设部署分别涉及机车车载网络、无线网络及地面设备网络，各网络内部及临界点均进行网络安全设计。
6.根据权利要求1所述的一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述机车车载网络主要为新装车载设备自建独立网络，车载设备与6A系统通过USB线缆或网线进行连接，6A系统使用现有设备或增加视频取流卡通过6A内部总线获取视频监控数据，并对数据进行加密，再将加密后的数据通过网线直连方式转发给车载网关，车载网关对数据进行临时安全存储。
7.根据权利要求1所述的一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述无线网络的车载5G终端与地面基站之间多重身份互认证，建立安全、保密传输通道，在机车进入地面5G基站无线覆盖范围内时，车载5G终端与地面基站通过小区ID和密钥接入认证，MAC地址白名单认证，在通过应用层进行设备ID身份认证，三种方式实现接入安全认证，防止非法设备接入，无线链路传输通道采用AES128对微波链路传输的客户数据进行加密，在链路层进一步增强微波链路传输数据的安全性，防止数据被窃取。
8.根据权利要求1所述的一种基于5G专网实现的车地转储方法，其特征在于，所述地面基站通过光纤、交换机及高速缓存服务器建立独立网络，再通过高速缓存服务器接入内网，在高速缓存服务器前端部署防火墙等边界防护设备提供的受控接口进行通信，保护内网安全，对访问的源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议、数据流向等制定控制策略及访问控制规则，及时删除多余访问控制规则，优化控制列表，严禁非法访问。
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