基于NPN公专网互通的智慧交通专网

2022-04-25 作者:中兴通讯 叶建阳 阅读量:
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基于NPN公专网互通的智慧交通专网

发布时间:2022-04-25  作者:中兴通讯 叶建阳  阅读量:

截至2020年底,全国铁路营业里程达14.63万千米,其中高速铁路运营里程达3.8万千米,高铁已成为中国的一张“新名片”。由于高速移动、信号被金属车体屏蔽等原因,在以高铁、地铁和飞机为代表的交通领域,5G网络覆盖面临着很大的挑战。如果将5G网络直接部署到交通工具内部,跟随交通工具一起移动,与交通工具相对静止,就不存在穿损、多普勒频移、频繁切换等问题,可以解决高铁、飞机等交通工具内部大量的传感器、摄像头等设备的5G网络连接需求,同时满足布线和维护需求。

但对于公众用户来说,网络的注册和控制均在地面5G公众网络,如果要使用交通工具内部的专用网络来接入5G网络,就需要解决高速移动的交通工具上专用网络与地面网络的互通问题。

3GPP组织定义的5G协议中基于专网的场景,提出了非公众网络(Non-Public Network,NPN)的概念,并且就独立的非公众网络(Stand-alone Non-Public Network,SNPN)与公众网络(Public Land Mobile Network,PLMN)之间的互通方案进行了相应的阐述:如图1所示,将SNPN作为PLMN的一个non-3GPP接入点,通过数据网络(Data Network,DN)与公众网络中的N3IWF(Non-3GPP InterWorking Function)建立加密遂道,从而实现NPN专网和PLMN公网之间的互通,同时又保持了公专网之间的相对独立性。

     图1  基于NPN公专网互通的智慧交通专网示意

在此架构中,SNPN、PLMN和DN都是相对独立的,这对于构建高速移动的交通网络有着重要的参考意义。如果把交通网络切分为3个部分,那么车厢内的网络可以看作是一个SNPN,地面网络可以看作是PLMN,车厢网络到地面网络之间的回传通道可以通过轨道沿线的DN网络来构建。

车厢网络部分,可以采用轻量化的i5GC产品来部署SNPN,遂道端点可以采用高性能CPE,将CPE天线伸出车厢,从而消除车体穿损对信号的衰减。

回传网络可以采用轨道沿线现有5G网络覆盖,也可以专门建设大带宽回传网络,例如毫米波等。基于DN回传网络,车载SNPN的UPF与公众网络的N3IWF之间建立IPSec遂道,从而打通移动的车厢与静止的地面之间的连接。

假设用户锚定在PLMN上(锚定在SNPN上同理)可以理解为切换, 公众用户的移动,例如乘客的上下车,可以理解为网络的切换,上车即是从PLMN网络切换到SNPN网络,下车即是从SNPN网络切换到PLMN网络。

对于高铁场景,相比于标准的NPN方案,可以将SNPN演进为高铁专用网络方案,将SNPN的控制面迁移到地面,这样SNPN与公众网络的互通都是相对静止的,可以直接采用路由互通的方案进行。车厢小站作为SNPN的基站,连接车厢UPF实现同质视频内容的车厢卸载,而车厢(SNPN-UPF)与高铁专网(SNPN-控制面)之间的回传通道使用沿途5G覆盖,地面的SNPN控制面可以作为一个汇聚点一边对接大量的列车,一边与公众网络实现互通,从而避免了列车与公众网络的直接多点对多点的遂道连接,简化了网络拓扑,降低了对接的复杂度,提升了网络的安全性和可靠性。

与此类似,对于地铁场景,除了可以完全参考高铁的场景外,还可以有另外一种场景,车厢小站作为公众网络PLMN的基站,SNPN采用毫米波天线构建超大带宽的回传网,从而提供给公众网络运营商来租用,便于现有运营商将其网络服务延伸至地铁车厢。

而航空场景,由于公众网络无法覆盖飞行高度,可专门建设基于SNPN的ATG网络作为回传网,机舱的CPE作为回传网的用户,可以直接为机舱用户提供Wi-Fi服务,在地面网络支持的情况下,可以基于机舱Wi-Fi为手机提供VoWi-Fi服务;另外CPE可以通过回传网与地面网络构建回传遂道,从而打通公众网络与机舱网络内的机载SNPN网络,从而使得直接为机舱内用户提供5G网络服务成为可能。

随着5G网络建设的深入推进,在高速运行的交通工具内享受便捷的5G网络服务将成为刚需,基于NPN的公专互通机制构建的智慧交通专网,对解决交通工具对信号的穿损、高速移动带来的切换和频移、用户的漫游、切换管理机制等问题提供了一个很好的解决思路。相信通过建设统一的支持航空、高铁和地铁的智慧交通专网,很快会让用户在高铁、地铁和飞机中便捷享受5G网络服务成为现实。

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