CN111988219A - 一种基于5g的多接口多协议无线网关系统及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及5G通信技术领域，目的是提供一种基于5G的多接口多协议无线网关系统和通信方法，其中，一种基于5G的多接口多协议无线网关系统，所述无线网关通过所述API接口在开机启动时自动配置IP和DNS，所述5G通信单元通过数据转发模块与所述自动配置模块连接，所述5G通信单元包括有Uu端口和PC5端口，所述无线网关通过所述Uu端口与基站进行无线连接，所述无线网关通过所述PC5端口与其他车辆上的无线网关进行无线连接，所述无线网关上还设置有串口、USB、路由器和三层交换机，所述无线网关通过串口或者USB与车辆上适配的设备连接，所述无线网关还通过路由器或者三层交换机与车载终端无线连接。

Description

一种基于5G的多接口多协议无线网关系统及通信方法
技术领域
本发明涉及车载5G技术领域，具体涉及一种基于5G的多接口多协议无线网关系统和方法。
背景技术
网关又叫做网络连接器，是最复杂的网络连接设备，只有设置好网关的IP地址，才能实现不同网络之间的通信。网关的IP地址是具有路由功能的设备的IP地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器、代理服务器。要想让车内设备的数据发送出去，就需要利用无线网关进行转发。
随着5G技术的日益发展和标准的逐渐成熟，5G通信技术的应用场景不断拓展。技术的发展和应用的需求使得基于5G技术的车联网成为可能。车联网技术不仅可以应用于汽车领域，还可以应用于轨道交通等领域。车联网的提出和发展，可以大大提高道路交通网络的运输效率、安全水平、智能化水平及环保水平，为建成一种适应现代道路交通网络与运输发展的建设、运营、管理模式提供突破口。因此，通过基于5G、大数据等信息技术手段来保证行车安全，提升运行效率，成为现代智能交通的必然趋势。车联网技术的功能包括：车-车通信(V2V)，车-路边基础设施通信(V2I)，车-人通信(V2P)以及车-网络/云端通信(V2N/V2C)。
国内主推的蜂窝车联网(C-V2X)包括LTE-V2X和NR-V2X。目前LTE-V2X已完成了R14和R15标准化工作，随着R16标准的冻结，NR-V2X的演进路径也逐渐清晰，其商业化势在必行，政府、各设备商、车场以及运营商正紧锣密鼓推进。
目前，基于3G、4G、Wi-Fi或其他物联网通信模块的网关已经有着比较成熟的设计方案，但5G网关的设计仍然比较少，已有网关中存在如下缺陷：1、协议单一。仅支持Uu端口通信，不支持PC5端口，即数据需要通过基站或RSU进行转发，而不能在车辆间直接进行通信，导致传输延时大大增加；此外也难以应对基站瘫痪、损坏等特殊情况。2、接口单一，且数量有限。仅支持通过单个网络端口或单个串口传输数据，难以满足多种多样的数据传输的需求，通常需要多种接口，且需要多个某些接口(如网络端口)。3、网络配置较为复杂。大多数无线网关往往需要在开机后通过命令行或者管理页面配置路由信息，在大多数应用场景中，不够灵活、不易使用，这种配置方式有很大的局限性。
因此，需要一个能够实现5G的车载之间的通信设备。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于5G的多接口多协议无线网关系统和方法，将通用的三层交换机或者路由器与5G无线收发设备集成，从而形成支持5G的无线网关设备，该网关设备不仅支持5G Uu口通信，还支持PC5口通信，并且通过与交换机或路由器的集成，扩展了设备的接口，使该网关设备具有更高的可扩展性，无线网关设备具有开机启动时自动配置路由信息的功能，用户无需通过网页客户端或者命令行的方式进行网关配置，该网关设备会自动配置IP和DNS等信息，本发明结构合理，设计巧妙，适合推广；
本发明所采用的技术方案是：一种基于5G的多接口多协议无线网关系统，包括车载设备和车载设备上的无线网关，其特征在于，所述无线网关包括有自动配置模块、5G通信单元、数据转发模块，所述自动配置模块包括有API接口，所述无线网关通过所述API接口在开机启动时自动配置IP和DNS，所述5G通信单元通过数据转发模块与所述自动配置模块连接，所述5G通信单元包括有Uu端口和PC5端口，所述无线网关通过所述Uu端口与基站进行无线连接，所述无线网关通过所述PC5端口与其他车辆上的无线网关进行无线连接，所述无线网关上还设置有串口、USB、路由器和三层交换机，所述无线网关通过串口或者USB与车辆上适配的设备连接，所述无线网关还通过路由器或者三层交换机与车载终端无线连接。
优选的，所述无线网关上设置有GNSS模块。
另一方面，一种基于5G的多接口多协议无线网关通信方法，包括上述系统，所述自动配置模块的开机时的自动配置工作过程包括下列步骤：
S1:所述无线网关上电，在Linux操作系统新建一个目录ramdisk，通过配置自定义的ramdisk中的customer，得到Securehandover.sh文件后设置ecurehandover.sh启动脚本，在脚本中添加静态路由，使得无线网关获取IP地址，并打印配置信息，执行S2；
S2:完成初始化SDK后通过配置拨号APN，并在APN对应拨号通道中配置启动DNS，通过配置DHCP设置起止IP地址，执行S3；
S3:通过使用makefile对Linux操作系统中网络自动配置程序进行编译并生成可执行文件，通过对可执行文件进行处理更新当前运行的客户镜像，执行S3；
S4：重启无线网关，执行配置完成的自动配置工作。
优选的，当IP地址参数发生变化时，通过更改DHCP中的默认网关的配置继续通信。
优选的，所述步骤S1中，系统启动文件boot.img中包含kernel、用于更新的ramdisk和用户自定义的ramdisk。
优选的，所述步骤S2中，初始化SDK之后APP才能通过调用M2M的API完成其他的业务功能。
优选的，所述步骤S3中，将可执行文件放入online目录下，执行securehandover打包文件夹下的make.sh脚本生成客户镜像boot.img，将镜像文件放入online目录，当网关开机执行该目录下的文件时，可以进行网关的自动配置，并最后执行upg_test命令来更新当前运行的boot.image，执行步骤S4。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.无线网关设备具有开机启动时自动配置路由信息的功能，用户无需通过网页客户端或者命令行的方式进行网关配置，该网关设备会自动配置IP和DNS等信息；
附图说明
图1为本发明一种基于5G的多接口多协议无线网关系统的整体框图；
图2为本发明的实施例中操作流程图；
图3为本发明的实施例中客户镜像文件的示意图；
图4为本发明的实施例中软件的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～4，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
一种基于5G的多接口多协议无线网关系统，包括车载设备和车载设备上的无线网关，其特征在于，所述无线网关包括有自动配置模块、5G通信单元、数据转发模块，所述自动配置模块包括有API接口，所述无线网关通过所述API接口在开机启动时自动配置IP和DNS，所述5G通信单元通过数据转发模块与所述自动配置模块连接，所述5G通信单元包括有Uu端口和PC5端口，所述无线网关通过所述Uu端口与基站进行无线连接，所述无线网关通过所述PC5端口与其他车辆上的无线网关进行无线连接，所述无线网关上还设置有串口、USB、路由器和三层交换机，所述无线网关通过串口或者USB与车辆上适配的设备连接，所述无线网关还通过路由器或者三层交换机与车载终端无线连接。
值得说明的是，所述无线网关上设置有GNSS模块。
综上所述，本实施例支持多种通信方式，网关可以根据数据类型和需求，通过Uu接口或PC5接口进行数据通信。当车辆需要向周围车辆发送单播、广播或组播数据包时，可以通过PC5接口直接进行通信，而无需通过RSU或基站进行转发，使传输的丢包率和时延大大改善，即使在无蜂窝网络覆盖的区域内也可以进行车辆之间的通信。当数据需要向服务器传输时，可以通过Uu接口向基站发送数据，支持多种接口，网关可以通过RGMII接口(网络接口)、串口、USB等多种接口对于来自不同设备的数据进行转发，同时还可以提供GNSS信息。
实施例2：
一种基于5G的多接口多协议无线网关通信方法，请参照图2，在实施例1系统的基础上实现具体的自动配置路由，S1:所述无线网关上电，在Linux操作系统新建一个目录ramdisk，通过配置自定义的ramdisk中的customer，得到Securehandover.sh文件后设置ecurehandover.sh启动脚本，在脚本中添加静态路由，使得无线网关获取IP地址，并打印配置信息，执行S2；
S2:完成初始化SDK后通过配置拨号APN，并在APN对应拨号通道中配置启动DNS，通过配置DHCP设置起止IP地址，执行S3；
S3:通过使用makefile对Linux操作系统中网络自动配置程序进行编译并生成可执行文件，通过对可执行文件进行处理更新当前运行的客户镜像，执行S3；
S4：重启无线网关，执行配置完成的自动配置工作。
值得说明的是，如附图3所示，系统启动文件boot.img中包含kernel、用于更新的ramdisk和用户自定义的ramdisk，因此只需要配置自定义的ramdisk中的customer即可。首先在Linux系统新建一个目录ramdisk，拷贝压缩文件ramdisk_custom_demo.tar到目录下，使用unrar命令解压压缩包以备用。进入ramdisk_cust_demo/ramdisk_cust/customer文件夹得到Securehandover.sh文件。将内核源码编译生成的img/目录下的kernel和img目录下的initrd.img.gz，mkbootimg，ramdisk.img文件,拷贝到ramdisk_cust_demo目录下，以供make.sh脚本调用。进入ramdisk_cust_demo/ramdisk_cust/customer文件夹得到Securehandover.sh文件，编写Securehandover.sh启动脚本，在脚本中添加静态路由，将eth0接口加入网桥br0，使网关获取IP地址之后即可通过此路由上网，并打印配置信息。
值得说明的是，步骤2中，请参照图4，需要对该应用初始化SDK，APP可以通过函数hw_m2m_sdk_init()完成M2M SDK的初始化，初始化SDK之后APP才能通过调用M2M API完成其他的业务功能。然后配置拨号APN，设置拨号通道、APN名、用户名和密码等信息。开启前一步APN对应拨号通道的数据连接。为了能够在上网过程中解析域名，还要为网关中开启的拨号通道配置并启动DNS。最后为了能够自动给设备分配IP地址，还需要配置DHCP，设置起止IP地址等配置信息。
值得说明的是，使用makefile对上述网络自动配置程序进行编译，并生成可执行文件，将可执行文件放入online目录下，执行securehandover打包文件夹下的make.sh脚本生成客户镜像boot.img，将镜像文件放入online目录，当网关开机执行该目录下的文件时，可以进行网关的自动配置，并最后执行upg_test命令来更新当前运行的boot.image，最后重启即可在启动时自动执行自动配置操作。
值得说明的是，本实施例中的路由器或者三层交换机与5G无线收发模块是分立的，通过中间的网线进行数据交互从而完成集成。另一种替代方案是将路由器或者三层交换机与网关集成在一起，做成一体化的设备，不通过网线而是直接通过电路板上的电路传输数据包，再交由网关将数据通过Uu接口或PC5接口发送出去。
值得说明的是，通过在镜像文件中添加启动脚本，利用DHCP自动给设备分配IP地址，参数一旦变化，只要更改DHCP中的默认网关的配置，即可正常通信。因此可在实现安全启动的同时，自动配置路由，不需手动配置，开机即可直接进行通信。
值得说明的是，5G无线网关设备启动，总体可以分为三个阶段：从onchip rom到kernel启动、模块system镜像DMVerity校验和客户镜像校验。在system镜像正常启动后，会自动执行打包进ramdisk中的启动脚本securehandover.sh，挂载客户分区。把自动配置路由的程序生成的可执行文件和客户镜像放入online目录下，即可实现开机自动配置路由的功能。
综上所述，本实施例的实施原理为：整体可以分为两大模块，分别是自动配置模块和数据转发模块。其中自动配置模块通过调用无线模块提供的API接口，在开机启动时自动配置路由和DNS，实现开机即可直接进行数据通信的功能。数据转发模块用于根据应用的需求通过Uu端口或PC5端口收发数据，网关收到从上层应用下发的IP包时，可以通过端口号进行区分，将特定端口号的数据通过PC5口进行转发，而其他数据包从Uu口进行转发。当通过Uu端口发送时，数据可以经由基站发送给地面信息化系统或服务器，也可以以单播、广播或组播的方式转发给其他车载网关，当网关通过PC5端口收发数据时，直接与其他车载网关进行数据交互。另外，该网关可以通过三层交换机或路由器扩展网络接口，通过一个网口连接多个通过以太网传输数据的车载设备。对于车内的其他非以太网的数据接口，该网关还提供了串口、USB等多种接口收发数据，同时网关还可以提供GNSS信息，实现精准定位，本发明实用性强，设计巧妙，适合推广。

Claims (7)

1.一种基于5G的多接口多协议无线网关系统，包括车载设备和车载设备上的无线网关，其特征在于，所述无线网关包括有自动配置模块、5G通信单元、数据转发模块，所述自动配置模块包括有API接口，所述无线网关通过所述API接口在开机启动时自动配置IP和DNS，所述5G通信单元通过数据转发模块与所述自动配置模块连接，所述5G通信单元包括有Uu端口和PC5端口，所述无线网关通过所述Uu端口与基站进行无线连接，所述无线网关通过所述PC5端口与其他车辆上的无线网关进行无线连接，所述无线网关上还设置有串口、USB、路由器和三层交换机，所述无线网关通过串口或者USB与车辆上适配的设备连接，所述无线网关还通过路由器或者三层交换机与车载终端无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G的多接口多协议无线网关系统，其特征在于，所述无线网关上设置有GNSS模块。
3.一种基于5G的多接口多协议无线网关通信方法，包括权利要求2所述的一种基于5G的多接口多协议无线网关系统，其特征在于，所述自动配置模块的开机时的自动配置工作过程包括下列步骤：
S1:所述无线网关上电，在Linux操作系统新建一个目录ramdisk，通过配置自定义的ramdisk中的customer，得到Securehandover.sh文件后设置ecurehandover.sh启动脚本，在脚本中添加静态路由，使得无线网关获取IP地址，并打印配置信息，执行S2；
S2:完成初始化SDK后通过配置拨号APN，并在APN对应拨号通道中配置启动DNS，通过配置DHCP设置起止IP地址，执行S3；
S3:通过使用makefile对Linux操作系统中网络自动配置程序进行编译并生成可执行文件，通过对可执行文件进行处理更新当前运行的客户镜像，执行S3；
S4：重启无线网关，执行配置完成的自动配置工作。
4.根据权利要求3所述的一种基于5G的多接口多协议无线网关通信方法，其特征在于，当IP地址参数发生变化时，通过更改DHCP中的默认网关的配置继续通信。
5.根据权利要求3所述的一种基于5G的多接口多协议无线网关系统，其特征在于，所述步骤S1中，系统启动文件boot.img中包含kernel、用于更新的ramdisk和用户自定义的ramdisk。
6.根据权利要求3所述的一种用于交直流配电网结合改进乘子法的优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，初始化SDK之后APP才能通过调用M2M的API完成其他的业务功能。
7.根据权利要求3所述的一种用于交直流配电网结合改进乘子法的优化方法，其特征在于，所述步骤S3中，将可执行文件放入online目录下，执行securehandover打包文件夹下的make.sh脚本生成客户镜像boot.img，将镜像文件放入online目录，当网关开机执行该目录下的文件时，可以进行网关的自动配置，并最后执行upg_test命令来更新当前运行的boot.image，执行步骤S4。
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