CN110830524A - 一种广域物联网通信系统架构及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广域物联网通信系统架构及通信方法，该系统架构包括终端设备层、广域物联网通信(WIoTa)网络层和业务提供商网络层，其中，所述终端设备层包括至少一个物联网的终端设备，终端设备与WIoTa网络层的接入点通信；所述WIoTa网络层包括至少一个接入点、至少一个业务提供商网关和中心管理数据库服务器，接入点负责与终端设备的交互，也负责与业务提供商网关的交互，业务提供商网关用于决定终端设备的数据包将传送给业务提供商网络层的哪个业务提供商的网络接口服务器，中心管理数据库服务器用于存储数据；所述业务提供商网络层包括至少一个业务提供商，所述业务提供商包括网络接口服务器和应用服务器，网络接口服务器与应用服务器通信。
Description
技术领域
本发明涉及物联网通信技术领域，尤其涉及一种广域物联网通信系统架构及通信方法。
背景技术
随着物联网IoT应用的爆发式增长，IoT通信也在蓬勃发展。近距离物联网技术已经比较齐备，但有着广泛应用前景的广域物联网技术还在蓄势待发节点。目前从IoT广域通信技术上来说，有两大阵营，运营商阵营和非授权频谱阵营。非授权频谱阵营在不同行业深耕多年，多家公司在不同的领域都有出色的表现，如sigfox和lora系统。而运营商阵营在2016年底快速推出NB-IoT协议力争在该领域分一本羹。NB-IoT以蜂窝移动通信网络为基础，可以认为是针对高端的IoT的应用。而非授权频段在资费和设备成本上更具备优势。两者是相辅相成的关系，都将发挥重要作用。
广域物联网的核心是大覆盖、低功耗、大量的连接、低成本。而传统的3G、4G等通信协议是为高性能设计，不能兼顾成本和功耗以及大量连接。而现有的Lora等通信协议，以降低性能为代价，部分程度上达到了低成本、低功耗的目的。但由于采用了比较落后的扩频技术(20年前第三代移动通信中采用)，设计的性能在复杂环境下大打折扣，比如在城区环境下覆盖范围一般低于2km的水平。而例如SIGFOX等窄带技术抗干扰能力不强。尤其是现有的帧结构不能做到上下行完全同步，从而导致多载波、多系统通信中资源浪费和效率降低。
由于IoT应用很多是垂直应用，传统蜂窝网在支撑IoT的时候都是在IP数据网的上面做承载，效率不高,例如，每次上报几十个bit的应用中，通过IP来承载是非常浪费的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种广域物联网通信系统架构及通信方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明提供的一种广域物联网通信系统架构，该系统架构包括终端设备层、广域物联网通信(WIoTa)网络层和业务提供商网络层，其中，
所述终端设备层包括至少一个物联网的终端设备，终端设备与WIoTa网络层的接入点通信；
所述WIoTa网络层包括至少一个接入点、至少一个业务提供商网关和中心管理数据库服务器，接入点负责与终端设备的交互，也负责与业务提供商网关的交互，业务提供商网关用于决定终端设备的数据包将传送给业务提供商网络层的哪个业务提供商的网络接口服务器，中心管理数据库服务器用于存储数据；
所述业务提供商网络层包括至少一个业务提供商，所述业务提供商包括网络接口服务器和应用服务器，网络接口服务器与应用服务器通信。
进一步，网络接口服务器用于完成数据包的解析、加解密和压缩等处理，并将数据包发送给应用服务器。
进一步，该系统结构还包括IP网络，所述业务提供商还包括IP网关，业务提供商通过该IP网关与IP网络通信，网络接口服务器可以将数据包适配到IP网络。
进一步，所述IP网络可以是现有的授权频段公网，网络接口服务器通过CPE与授权频段公网通信，应用服务器不直接与网络接口服务器通信，而是通过该授权频段公网与网络接口服务器通信。
进一步，终端设备与接入点、接入点与业务提供商网关、业务提供商网关与网络接口服务器及业务提供商网关与中心管理数据库服务器均通过定义的接口进行通信。
进一步，业务提供商网关缓存有部分用户和网络管理数据。
进一步，接入点可以和一个或多个业务提供商网关连接，并缓存有部分用户管理数据。
另一方面，本发明提供的一种应用于如上所述的广域物联网通信系统架构的通信方法，该通信方法包括：终端设备将数据包通过WIoTa网络层传输给业务提供商的网络接口服务器，业务提供商根据需要在网络接口服务器上做数据包的解析、加解密、压缩等处理，然后将数据包发送给应用服务器或者发送到IP网络。
进一步，数据包通过WIoTa网络层传输给业务提供商的网络接口服务器的方法包括：业务提供商网关与中心管理数据库服务器进行交互，获取中心管理数据库服务器中存储的终端设备和业务提供商的管理数据，根据获取到的数据将终端设备的数据包传送给相应的业务提供商的网络接口服务器。
进一步，网络接口服务器与中心管理数据库服务器进行交互，获取可以使用的业务提供商网关的信息。
本发明针对多种多样的IoT应用，设计了独特的网络和业务支撑架构。除了高效可扩展的架构外，还能高效的支撑多种多样的应用。例如，当WIoTa作为公网服务时，可以接入众多的业务提供商(SP,Service Provider)，不同的业务提供商根据自己需要来配置加密、压缩、数据解析等功能，这样可以大大提高系统效率。WIoTa对于业务，除了鉴权等等管理功能外，是完全透明的，保证了业务提供商的安全需求，也可以高效利用网络资源。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的广域物联网通信系统架构示意图；
图2为本发明实施例的公网业务部署场景示意图；
图3为本发明实施例的私有网络业务部署场景示意图；
图4为本发明实施例的授权频段公网配合布网示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
广域物联网通信(WIoTa，Wide-range Intetnet Of Things communicAtionprotocol)系统架构如图1所示，该系统架构可以分为终端设备层、WIoTa网络层和业务提供商网络层，各层中均包含了功能实体。其中主要的功能实体介绍如下。
1.IoTE(IoT Equipment)
IoT的终端设备(IoTE)集成WIoTa的调制解调器(modem)和业务处理功能，并与接入点AP通信。业务提供商(SP)，在业务部署的时候，会在终端设备上部署终端的业务实体，同时为通信实体配置网络参数、密钥、用户ID等。
终端设备的数据包，通过WIoTa网络(AP，SPGW)，然后传输到业务提供商的网络接口服务器。业务提供商根据需要在网络接口服务器做数据包的解析、加解密、压缩等等处理，最后发送到业务提供商端的应用服务器(或者发送到IP网络)。
2.AP(Access Point)
AP(接入点)负责空口与IoT的终端设备的数据交互与管理交互，也负责与业务提供商网关的交互。接入点可以和一个或多个业务提供商网关连接，并可以缓存部分用户管理数据，方便用户的管理和控制。一个AP可以承载多个载波，不同载波可以配置不同，但在WIoTa的设计中，不同载波的上下行是边界同步的。多个AP也可以为一个载波服务，形成一个虚拟小区，提高coverage的能力。同一个系统的多个AP完全同步。
3.SPGW(Service Provider GateWay)
业务提供商网关(SPGW)的主要作用是根据中心管理数据库服务器的业务提供商(service probider)配置，根据用户ID(USER_ID)来决定终端设备的数据包将传送给哪个业务提供商的网络接口服务器。
业务提供商网关与中心管理数据库服务器交互获得终端设备和业务提供商的管理数据，如用户状态、用户ID等。
在一些实施例中，业务提供商网关缓存部分用户和网络管理数据来加快处理流程，减少交互。业务提供商网关也提供用户管理数据给接入点。
4.NIS(Network Interface Server)
网络接口服务器(NIS)的实体部署在业务提供商端，业务提供商可以根据自己的实际需要来配置。网络接口服务器主要完成数据包的加解密、鉴权、压缩、拆分、以及数据包格式的解析。网络接口服务器中的业务适配层(SAL)可以解析数据包并决定怎么发送给应用服务器(APP Server)，或者适配到IP网络。
在一些实施例中，网络接口服务器也会与中心管理数据库服务器交互，申请可以使用的业务提供商网关。
5.CMDS(Central Management Database Server)
中心管理数据库服务器(CMDS)存储了全局的用户和网络管理与状态数据。
业务提供商网关通过查询中心管理数据库服务器可以知道用户ID对应的网络接口服务器地址。中心管理数据库服务器也存储终端设备的状态、所在的接入点等信息。在一些实施例中，网络接口服务器通过与中心管理数据库服务器交互得到可以使用的业务提供商网关的信息。中心管理数据库服务器会对网络接口服务器的接入做鉴权、流量控制、计费等处理。
此外，各个实体间定义了接口(Interface)，主要接口如下：
a_I(air Interface)：IoT的终端设备与接入点之间的空中接口，包括物理层PHY、媒体接入层MAC、管理控制层MCL等协议层。
g_I(gateway Interface)：接入点与业务提供商网关之间的接口，底层通过安全连接相连，有数据层面和管理层面两种数据。
d_I(database Interface)：中心管理数据库服务器与业务提供商网关之间的接口，底层通过安全连接相连。
s_I(service provider Interface)：业务提供商网关与网络接口服务器之间的接口。
WIoTa网络能广泛适应各种不同的IoT网络部署需求。为IoT业务提供透明、高效、安全的网络服务。典型的IoT网络部署包括专有网络部署和公共网路部署，公共网络由独立的网络运营商运营，服务不同的服务商，对不同服务商提供高效可靠的网络要求以及网络的安全性需求较高。专有网络一般服务提供与网络统一运营，相对更易管理和控制，对网络的灵活性及效率要求较高。
典型的公网业务部署场景如图2所示。对于公共网络服务，如同NB-IoT和Lora等基础网络服务一样，通过在城市部署接入点AP，做完整的覆盖，WIoTa芯片可以在任何地点接入系统，获得服务。由于WIoTa网络和业务由不同的服务商提供，该支撑架构可灵活接入多个业务提供商，且不同的业务提供商可根据自己的需要来配置加密，压缩，数据解析等功能，这样可以大大提供系统效率。
终端设备将数据包通过WIoTa网络层传输给业务提供商的网络接口服务器，业务提供商根据需要在网络接口服务器上做数据包的解析、加解密、压缩等处理，然后将数据包发送给应用服务器或者发送到IP网络。WIoTa网络层的业务提供商网关可与中心管理数据库服务器进行交互，获取中心管理数据库服务器中存储的终端设备和业务提供商的管理数据，根据获取到的数据将终端设备的数据包传送给相应的业务提供商的网络接口服务器。在一些实施例中，网络接口服务器也可与中心管理数据库服务器进行交互，获取可以使用的业务提供商网关的信息。
而比较大的行业客户，可以购买专有的WIoTa AP和芯片，自行部署网络，只为自己的应用和客户服务。典型的私有网络业务部署场景如图3所示，由于私有网络只为自己的应用服务，此时只有一个业务提供商，可将WIoTa网络层与业务提供商网络层合并为一层进行管理。私有网络更多是为了安全性以及成本的角度考虑。
除此之外，WIoTa业务部署也可以灵活支持和现有的授权频段公网(如LTE等)配合布网，以实现高效，低成本的IoT应用布网方式，如图4所示。网络接口服务器可通过CPE(Customer Premise Equipment，客户终端设备)与授权频段公网通信，应用服务器不直接与网络接口服务器通信，而是通过该授权频段公网与网络接口服务器通信。
取决于实际部署场景，WIoTa的接口设计也易于实现云基站部署方式，例如将业务提供商网关、中心管理数据库服务器、网络接口服务器等网元集中放置，甚至将接入点单元集中，射频天线拉远。
根据网络规模，多个实体可以合并到一个硬件实体中。WIoTa的灵活架构充分考虑了IoT的多样性(diversity)的特性，在公共部署的时候，可以适应各种应用需求。例如：WIoTa将空口数据包的解析、加密、压缩等放到了业务提供商(SP,Service provider)的网络接口服务器上，不同的业务提供商可以根据自己需要决定数据包的处理方法。比如大多数业务都可以由短消息完成，这时消息格式可以由业务提供商自行定义，而有些业务可以使用IP包，需要在网络接口服务器上适配到IP包。
除了数据传输外，WIoTa网络和业务提供商之间还有管理信息传递，比如用户鉴权、激活等管理信息。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种广域物联网通信系统架构，其特征在于，该系统架构包括终端设备层、广域物联网通信(WIoTa)网络层和业务提供商网络层，其中，
所述终端设备层包括至少一个物联网的终端设备，终端设备与WIoTa网络层的接入点通信；
所述WIoTa网络层包括至少一个接入点、至少一个业务提供商网关和中心管理数据库服务器，接入点负责与终端设备的交互，也负责与业务提供商网关的交互，业务提供商网关用于决定终端设备的数据包将传送给业务提供商网络层的哪个业务提供商的网络接口服务器，中心管理数据库服务器用于存储数据；
所述业务提供商网络层包括至少一个业务提供商，所述业务提供商包括网络接口服务器和应用服务器，网络接口服务器与应用服务器通信。
2.根据权利要求1所述的一种广域物联网通信系统架构，其特征在于，网络接口服务器用于完成数据包的解析、加解密和压缩等处理，并将数据包发送给应用服务器。
3.根据权利要求2所述的一种广域物联网通信系统架构，其特征在于，该系统架构还包括IP网络，所述业务提供商还包括IP网关，业务提供商通过该IP网关与IP网络通信，网络接口服务器可以将数据包适配到IP网络。
4.根据权利要求3所述的一种广域物联网通信系统架构，其特征在于，所述IP网络可以是现有的授权频段公网，网络接口服务器通过CPE与授权频段公网通信，应用服务器不直接与网络接口服务器通信，而是通过该授权频段公网与网络接口服务器通信。
5.根据权利要求1所述的一种广域物联网通信系统架构，其特征在于，终端设备与接入点、接入点与业务提供商网关、业务提供商网关与网络接口服务器及业务提供商网关与中心管理数据库服务器均通过定义的接口进行通信。
6.根据权利要求1所述的一种广域物联网通信系统架构，其特征在于，业务提供商网关缓存有部分用户和网络管理数据。
7.根据权利要求6所述的一种广域物联网通信系统架构，其特征在于，接入点可以和一个或多个业务提供商网关连接，并缓存有部分用户管理数据。
8.一种应用于如权利要求3-7任一项所述的广域物联网通信系统架构的通信方法，其特征在于，该通信方法包括：
终端设备将数据包通过WIoTa网络层传输给业务提供商的网络接口服务器，业务提供商根据需要在网络接口服务器上做数据包的解析、加解密、压缩等处理，然后将数据包发送给应用服务器或者发送到IP网络。
9.根据权利要求8所述的一种通信方法，其特征在于，数据包通过WIoTa网络层传输给业务提供商的网络接口服务器的方法包括：业务提供商网关与中心管理数据库服务器进行交互，获取中心管理数据库服务器中存储的终端设备和业务提供商的管理数据，根据获取到的数据将终端设备的数据包传送给相应的业务提供商的网络接口服务器。
10.根据权利要求8所述的一种通信方法，其特征在于，网络接口服务器与中心管理数据库服务器进行交互，获取可以使用的业务提供商网关的信息。
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