5G公网信号上高速铁路1+N组网方案探讨

Exploration of 1+N Networking Solutions for 5G Public Mobile Network Signals on High Speed Trains

摘要

为解决在高速动车组车厢内5G信号覆盖差、不能为旅客提供优质5G服务的问题，结合旅客手机归属于不同运营商的现状和高速铁路轨旁有多家运营商网络覆盖的实际情况，提出一种全新5G公网信号上高速铁路的组网方案。方案从车厢内网络、车地回传网络以及地面网络等多环节的联合组网出发展开研究，重点论述车地回传中轨旁运营商网络通道的选择，从技术可行性、网络复杂度、社会集约化等多因素考虑，结合带宽叠加、智能选路以及边缘计算等技术，探讨实现5G公网信号上高速铁路的最优方案。此外，分析了旅客在车厢内通过5G信号访问互联网前注册5G核心网关键流程。最后研究了该组网方案下的各种经济效益和社会效益，全面完善方案的可落地性，为5G公网信号上高速铁路的部署提供参考。

Abstract

In view of poor 5G signal coverage and inability to provide quality 5G services for passengers on high speed trains, a new networking solution for 5G public mobile network was proposed, based on the fact that high speed train passengers subscribe to different mobile operators and there are multiple operator networks along the railway tracks. With a focus on joint networking across various links, including onboard networks, train-to-ground backhaul networks, and ground networks, the proposed solution particularly emphasized the selection of operator network channels for train-to-ground backhaul; taking into account factors such as technical feasibility, network complexity, and social efficiency, this study explored optimal approaches to achieve 5G public network signal coverage on high speed trains by leveraging techniques like bandwidth aggregation, intelligent routing, and edge computing. Additionally, it analyzed key processes related to user registration with the 5G core network before accessing the internet via 5G signals inside train carriages. Finally, the economic benefits and social impacts under this networking solution are examined in order to comprehensively enhance its practicality as a reference for deploying 5G public network signals on high speed trains.

Graphical abstract

关键词

5G / 小基站 / 边缘计算 / 多通路回传 / 共建共享

Key words

5G / Small Base Station / Edge Computing / Multi-path Feedback / Co-construction and Sharing

0　引言

在5G技术逐步成熟以及高速铁路旅客数量快速增长的趋势下，中国移动通信集团有限公司(以下简称“中国移动”)、中国联合通信集团有限公司(以下简称“中国联通”)、中国电信集团有限公司(以下简称“中国电信”)等电信运营商均开始在高速铁路沿线开展5G网络建设工作。目前京雄高速铁路(北京—雄安)全线、京张高速铁路(北京北—张家口)全线实现了3家电信运营商5G网络的全覆盖，鲁南高速铁路(日照—兰考)、广深港高速铁路(广州—深圳—香港)内地段完成了中国移动的5G网络建设与覆盖。然而，5G工作频段高、高速移动场景下的多普勒频移大、信号进入高速动车组车厢穿损大以及切换频繁等因素导致车厢内5G信号差，严重影响旅客上网体验。为了解决该问题，亟需一种5G公网信号上高速铁路的技术方案。

IMT-2020(5G)推进组在《5G无线技术架构》中^[1]，重点探讨了解决高速移动场景下5G网络接入与承载问题的关键技术，国内外专家学者也纷纷开展了高速铁路场景下的5G网络覆盖及部署策略的研究^[2]，提出了5G公网信号上高速铁路的直放站、小基站、中继等多种方案^[3]，但大多数方案仅从某一家运营商角度出发，未充分考虑旅客手机归属于多家不同运营商的实际情况，且未有详细方案描述。从5G及高速铁路自身特点出发，兼顾多家运营商用户，考虑可操作性和经济性，基于小站方案提出一种5G公网信号覆盖高速动车组车厢的组网方案，梳理了该方案下的业务流程，并进行了经济效益和社会效益分析。

1　技术方案

1.1　系统架构

5G公网信号上高速铁路1+N组网方案主要包含列车网络、车地回传以及地面网络三大部分，5G公网上高速铁路1+N组网系统架构如图1所示。

在1+N组网方案中，1代表一个车地回传通道，N代表多家运营商，根据目前国内实际情况，本组网方案包括了中国移动、中国联通、中国电信和中国广播电视网络有限公司(以下简称“中国广电”)共4家运营商。

1.2　列车网络

列车网络即高速动车组车厢内网络，主要由骨干网和接入网组成。

每节车厢部署车厢间交换机，通过CAT7类以太网线连接，从而组成整车骨干网络。骨干网支持万兆带宽，结合链路聚合技术实现双链路负载，避免单链路故障。

在每节车厢内部署包括中国移动、中国电信、中国联通以及中国广电5G频段的小型基站，完成车厢内5G信号覆盖，形成车厢接入网络。为避免同频干扰，车厢内外频谱进行异频规划：车厢外轨旁宏站部分，中国移动、中国电信/中国联通、中国广电，分别采用N41、N78(3.5 GHz)、N28频段覆盖；车厢内小站部分，中国移动采用N79，中国电信、中国联通、中国广电采用N78(3.4 GHz)频段覆盖。此外，在中心车厢部署用户面功能(User Plane Function，UPF)^[4]、多接入边缘计算服务(Multi-access Edge Computing，MEC)^[5-6]，结合列车骨干网和接入网，形成带边缘计算功能的整车局域网络。

1.3　车地回传

车地回传系统主要由位于列车中部的5G通信网关^[7]客户端、运营商的轨旁宏站、承载网、核心网以及5G通信网关服务端组成。

搭载客户前置设备^[8](Customer Premise Equipment，CPE)功能的5G通信网关客户端通过馈线连接车顶天线，再通过无线信号连接至轨旁宏站，继而通过承载网连接至运营商5G核心网，最后通过Internet网络到达5G通信网关服务端，形成车地回传通道。同时，在5G通信网关客户端以及5G通信网关服务端安装VPN软件，利用隧道技术(IPsec)^[9]对通信报文进行封装、加密，实现数据的安全传输。地面运营商高速铁路核心网借助回传通道和车厢网络进行通信，完成对车内小站、UPF的管理以及5G用户数据等消息的传送。

5G通信网关客户端通过双载板多通道(单载板支持中国移动、中国电信、中国联通、中国广电多家运营商)实现高速、冗余的多链路回传。基于此特点，当车内网络和地面网络进行通信时，可选择用户归属运营商回传通道或任意运营商回传通道。

（1）选择用户归属运营商回传通道。该模式下，车厢内用户通过归属运营商轨旁宏站建立的回传通道和地面网络通信，选择用户归属运营商回传通道如图2所示。

以中国移动用户及8编组列车为例：1—4车厢用户连接移动小站组1，再通过5G通信网关客户端中移动模组1与移动核心网建立的IPsec隧道和5G通信网关服务端通信；5—8车厢用户连接移动小站组2，再通过5G通信网关客户端中移动模组2与移动核心网建立的IPsec隧道和5G通信网关服务端通信。模组1和模组2互为备份，当其中任意一个模组损坏后，系统进行自动切换。

（2）选择任意运营商回传通道。该模式下，车厢内用户通过任意运营商轨旁宏站建立的回传通道和地面网络通信，选择任意运营商回传通道如图3所示。

车厢内用户手机连接到归属运营商小站后，其消息被转发至5G通信网关客户端，网关根据带宽叠加和智能链路选择策略，结合各个通道的网络质量，从所有4家运营商通道中选择一条适合用户业务的通道，将数据发送至5G通信网关服务端，完成车地之间的消息回传。

1.4　地面网络

地面网络主要包括各个运营商的5G高速铁路核心网^[10]。5G高速铁路核心网借鉴云原生的架构，采用微服务、网络功能虚拟化、控制面与用户面分离、网络切片、边缘计算、网络能力开放等技术，对用户注册、连接、可达性、移动性等控制面进行管理，并进行用户的会话建立、修改和释放等数据面管理。此外，地面网络对车厢内小站和UPF进行管理。

充分利用5G核心网中控制面和用户面的分离架构特点，使UPF下沉于车厢，和MEC结合，为用户提供低延时、丰富的本地车厢服务。

2　业务流程

基于1+N的组网方案可以满足车厢内用户的互联网访问、语音以及短信等业务，其各个流程均需经过车地回传通道中的VPN隧道，以用户注册为例，车厢用户注册流程图^[11]如图4所示。

当车厢内用户向车厢内归属运营商小站发起注册请求后，消息被转发至5G通信网关客户端并进行IPsec的消息封装，封装后的注册请求消息通过VPN隧道转发至5G通信网关服务端并进行IPsec消息的解封装，解封装后的注册请求消息被转发至用户归属运营商5G高速铁路核心网。5G高速铁路核心网通过统一数据管理(Unified Data Management，UDM）^[12]进行用户签约信息查询：如果为老用户(用户之前已经注册至该5G高速铁路核心网且注册信息未过期)且包含所请求业务的签约信息，则5G核心网直接准许用户接入并进行后续流程；如果为新用户(用户未在该5G高速铁路核心网内注册过或曾经在该5G高速铁路核心网注册过但注册信息已经过期)，则5G核心网向终端用户发起身份获取消息。新用户的身份获取消息在5G通信网关服务端进行IPsec消息封装并通过VPN隧道转发至5G通信网关客户端，到达5G通信网关客户端后，进行IPsec消息的解封装并通过车内小站转发至终端用户，之后用户返回的身份信息通过原路返回至用户归属运营商5G高速铁路核心网，在5G高速铁路核心网中进行用户鉴权、认证以及策略选择等步骤，最后向终端用户返回完成注册消息，完成车厢内用户注册。

3　效益分析

基于1+N组网方案的5G公网信号上高速铁路建设规模庞大、分布广泛，在支撑移动通信行业发展和服务广大铁路旅客方面，具有显著的经济和社会效益^[13]。

3.1　经济效益

5G和高速铁路均属于高投入的资金密集型行业。在5G公网信号上高速铁路的1+N组网方案中，充分结合5G和高速铁路行业特点，响应国家共建共享政策，合理利用资金，提升经济效益。

（1）减少高速铁路轨旁基站数量，节约成本。选取车厢内最低接收信号RSRP门限为-100 dBm，进行不同频段、不同车型条件下高速铁路沿线5G基站小区半径仿真结果如表1所示。

而5G公网信号上高速铁路后，原基站间距可以拉大为1 km，每公里减少1/2基站数量^[14]。

轨旁5G网络建设包含基站、承载网、传输网、核心网、IT支撑网等设备成本以及铁塔建设投入。根据目前市场情况，中国电信、中国联通、中国移动以及中国广电分别共建共享5G网络。参考5G设备集采价格，考虑场地租金、电力成本、管理维护等因素，预估基站成本约为100万元/km。

综上，按照3.8万km高速铁路线路计算，5G公网信号上高速铁路预计节省费用约380亿元。

（2）共建共享为企业发展降本增效。在国家大力提倡通信行业基础设施共建共享的背景下，中国电信、中国联通以及中国移动、中国广电分别共用通信铁塔，降低企业投资规模，节省占地面积，实现了社会资源节约。而利用5G公网信号上高速铁路1+N组网方案中的多通路车地回传系统，可以只选择一条回传通路进行车地通信，从而在铁路沿线仅建设一张5G无线网络，降低一半建设成本，进一步为企业、社会节约资金，相较于其他5G公网信号上高速铁路组网方案有较大成本优势。

（3）充分利用车厢边缘计算等资源，积极服务社会，提高经济收益。5G公网信号上高速铁路1+N组网方案中下沉UPF，与MEC形成的车厢边缘计算环境，为旅客提供车厢内高清视频、AR/VR、云游戏等新业务，丰富旅客的在途娱乐，提升铁路客运服务质量；同时，边缘计算可以针对铁路提供移动作业、融合通信、数据回传及远程诊断等服务，提高高速铁路运输生产和组织效率；此外，UPF结合MEC对车厢用户流量分流，让用户业务尽量本地化处理而不出车厢，在节约流量资源的同时，降低了车地通信带宽需求，减轻了车地通信压力，进而降低建设成本。借助车厢边缘计算场景，运营商和铁路实现双向资源共享，相互加持，拓宽业务边界，打造5G在铁路垂直行业的新业态，为双方企业带来新的经济效益。

3.2　社会效益

5G和高速铁路均为国家重要的基础设施工程，二者的结合需要充分发挥公益功能并推动社会效益的增长。

（1）促进社会资源节约利用^[15]。通过5G公网信号上高速铁路，减少轨旁宏站等通信基础设施的建设，结合共建共享大政方针，减少重复建设，大幅节约社会资源。

（2）提高旅客智慧出行服务质量。通过5G公网信号上高速铁路，实现高速动车组车厢内移动网络优质覆盖，满足广大旅客对高质量通信服务及互联网服务的追求，提升旅客智慧出行服务质量，让旅客受益。

（3）提升铁路运输安全性。借助5G公网信号上高速铁路1+N组网方案中的车厢边缘计算网络，为铁路运输保障相关的视频监控、危情提示、数据采集、影音系统等提供稳定、高速的网络通道和扩展服务，提高速铁路运输的安全性，保障人民出行安全。

（4）促进民生经济快速发展。随着5G公网信号上高速铁路的推广，助力客运服务品质提升，进一步促进区域之间的经济交流，推动资源开发和产业发展，在全面建设小康社会的进程中发挥重要作用。

4　结束语

5G公网信号上高速铁路1+N组网方案能实现高速动车组车厢内5G信号覆盖，满足用户在高速铁路上使用高质量5G业务需求，提升旅客出行体验，并有较好的经济和社会效益。5G公网信号上高速铁路方案中，车厢内无线覆盖较为复杂，不涉及该部分。在此基础上，还需要对使用单一运营商网络承载、4家运营商用户接入的模式进行标准研究和制定，对不同运营商建网、分工界面、商业模式等进行更多探讨。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(P2021G011)