CN114245388A - 融合5g接入和自组织网接入的一体化系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种融合5G接入和自组织网接入的一体化系统和方法，包括：自组织节点：用于在融合一体化节点间进行通信，通过自组织网空口进行连接，形成自组织网络；自组织网协议栈：用于在自组织网节点间发送接收控制信令和用户数据；数据管理模块：通过IP接口和融合一体化节点中的5G核心网相连接，进行用户数据的路由管理和数据转发；同步模块：实现融合一体化节点间的同步；融合模块：通过与5G接入波形和信道一致的自组织物理层波形和信道，时分复用相同的频谱资源。本发明可采用同一套基带、射频和天线来并发支持5G接入和自组织网，极大的降低了设备成本和部署复杂度，并同时提升了频谱利用率。

Description

融合5G接入和自组织网接入的一体化系统和方法
技术领域
本发明涉及5G通信和专网通信融合技术领域，具体地，涉及一种融合5G接入和自组织网接入的一体化系统和方法。
背景技术
5G作为下一代移动通讯技术，理论传输速度可达每秒数十Gbit。5G目前的典型应用场景包括增强型的移动宽带(EnhancedMobileBroadband,EMBB)、海量连接的机器通信(massiveMachine-TypeCommunications,mMTC)，以及高可靠、低时延的联网应用(Ultra-ReliableandLowLatencyCommunications,URLLC)，并规定了包括频谱效率、峰值速率、时间延迟、可靠性、连接密度及用户体验速率等多个维度的关键技术指标。比如吞吐量1～10Gbit/s，端到端延迟1ms，容量提高1000倍，可用性99.999％，覆盖率100％，节省90％网络能耗。围绕这些指标5G网络引入了异构密集网络、大规模天线(MassiveMIMO)、毫米波通信、新型波形复用与信道编译码、网络虚拟化与切片技术等关键技术作为支撑。
专利文献CN101127663A(申请号：CN200710121753.8)公开了一种移动自组织网络接入一体化网络的系统及方法，是一种将移动自组织网络接入一体化化网络的网络体系结构，以及移动自组织网络与一体化网络之间的路由建立和数据分发的方法，本发明移动节点MN、接入交换路由器ASR、映射服务器IMS、认证中心AC，运行步骤是发现及建立路由，接入交换路由器的发现以及移动自组织网络内部路由的建立过程；移动节点的注册过程。
5G一体化基站(包含5G基站和核心网的一体化基站)是当前的研究热点，多用于抢险救灾、野外救援、煤炭矿山、机场隧道和车载机动通信场景中，具有体积小、重量轻、安装方便等特点，可以快速覆盖需要通信的区域。但是目前5G一体化基站只能最为一个孤岛覆盖服务一片独立的几百米区域，如果目标覆盖区域较大，跨度为几公里或者几十公里时，单个一体化基站则无法实现覆盖，需要多个一体化基站才能覆盖，并且一体化基站间没有合适的通讯手段(野外或者紧急场景更为困难)，此时如何在野外没有基础设施支撑的情况下实现多个一体化基站间的互联互通成为了急需解决的问题。业界对此问题的解决方案是在5G一体化基站基础上，再叠加一套自组织网系统，来解决两个一体化基站间通信的问题，此方案的缺点是需要一套独立基带/射频/天线系统来部署自组织网，导致成本高和部署困难，如图15a所示。更进一步的缺点是自组织网需要分配单独的频段并和5G频段间要预留保护间隔(为避免干扰，保护间隔至少20MHz)，大大降低了频谱利用率。本发明提出了一种新的基于5G技术的融合波形系统，该系统可以用一套基带/射频/天线系统来同时支持5G接入和自组织网连接，通过高效的TDD融合波形设计，支持在一个频段下，既支持5G接入，也支持自组织网连接，极大的简化了设备成本、部署成本，也极大的提升了频谱使用率，如图15b所示。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种融合5G接入和自组织网接入的一体化系统和方法。
根据本发明提供的融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，包括：
自组织节点：用于在融合一体化节点间进行通信，通过自组织网空口进行连接，形成自组织网络；
自组织网协议栈：用于在自组织网节点间发送接收控制信令和用户数据；
数据管理模块：通过IP接口和融合一体化节点中的5G核心网相连接，进行用户数据的路由管理和数据转发；
同步模块：实现融合一体化节点间的同步；
融合模块：通过与5G接入波形和信道一致的自组织物理层波形和信道，时分复用相同的频谱资源。
优选的，在终端和5G基站之间采用符合3GPP标准的NRUU接口，在5G基站和5G核心网之间采用符合3GPP标准的NG接口，在5G核心网和自组织网节点之间通过标准的IP接口连接，在自组织网节点之间采用自定义的SO-link接口，所述SO-link接口的协议和物理信道均与NRUU接口一致。
优选的，包括自组织网物理层信道；
所述自组织网物理层信道包括：
同步和广播信道：复用3GPP中的SSB信号，用于自组织网节点间的时间同步和自组织网节点间时间提前量估计；
上行物理共享信道或下行物理共享信道：复用3GPP中的PUSCH或PDSCH信道，用于承载自组网数据发送和接收；
自组织网物理层的波形采用符合3GPP标准的5G波形正交频分复用CP-OFDM或DFT-s-OFDM，波形参数和3GPP标准一致。
优选的，所述融合一体化节点间的同步包括：在每个融合一体化节点上设置北斗/GPS，通过北斗/GPS进行不同融合一体化节点间的时间同步和帧边界同步。
优选的，所述融合一体化节点间的同步包括：首先通过在同步槽slot中发送单边带SSB信号进行粗同步，然后采用业界标准的同步算法进行精同步，从而保证自组网节点间的时间同步；
所述业界标准的同步算法包括RBS、DNTS、FTSP和TPSN。
根据本发明提供的融合5G接入和自组织网接入的一体化方法，执行：
步骤1：通过自组织节点在融合一体化节点间进行通信；
步骤2：通过自组织网协议栈在自组织网节点间发送接收控制信令和用户数据；
步骤3：通过数据管理模块进行用户数据的路由管理和数据转发；
步骤4：进行融合一体化节点间的同步；
步骤5：通过与5G接入波形和信道一致的自组织物理层波形和信道，时分复用相同的频谱资源。
优选的，在终端和5G基站之间采用符合3GPP标准的NRUU接口，在5G基站和5G核心网之间采用符合3GPP标准的NG接口，在5G核心网和自组织网节点之间通过标准的IP接口连接。
优选的，设置自组织网物理层信道，进行自组织网节点间的时间同步、自组织网节点间时间提前量估计，以及承载自组网数据发送和接收；
自组织网物理层的波形采用符合3GPP标准的5G波形正交频分复用CP-OFDM或DFT-s-OFDM，波形参数和3GPP标准一致。
优选的，所述融合一体化节点间的同步包括：在每个融合一体化节点上设置北斗/GPS，通过北斗/GPS进行不同融合一体化节点间的时间同步和帧边界同步。
优选的，所述融合一体化节点间的同步包括：首先通过在同步槽slot中发送单边带SSB信号进行粗同步，然后采用业界标准的同步算法进行精同步，从而保证自组网节点间的时间同步；
所述业界标准的同步算法包括RBS、DNTS、FTSP和TPSN。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的5G基站和自组织网采用同一套基带、射频和天线设备，极大降低硬件成本和部署成本；
(2)本发明的5G基站和自组织网采用同一段频谱资源，5G接入和自组织网接入采用TDD方式来共享频谱资源，极大提升了频谱效率；
(3)本发明的5G基站和自组织网采用了融合的波形设计，一套波形方案通过时分方式同时支持5G接入和自组织网接入，极大降低了实现的复杂度和维护成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为自组织网络节点组成图；
图2为星型组网图；
图3为链型组网图；
图4为星链混合组网图；
图5为自组织网系统接口设计图；
图6为自组织节点控制面协议栈示意图；
图7为自组织节点数据面协议栈示意图；
图8为自组织路由模块(ZZW-U)转发功能示意图；
图9为SSB时域频域结构图；
图10为ZZW-PUSCH信道中PRB结构图；
图11为ZZW节点开机时间同步流程图；
图12为5G和自组织网3:2时分复用示例图；
图13为5G和自组织网4:1时分复用示例图；
图14为融合一体化节点组网实例图；
图15a为目前的方案自组织网图(5G空口和自组织网空口采用不同波形不同频段)，图15b为本发明方案自组织网图(5G空口和自组织网空口采用相同波形相同频段)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
根据本发明提供的融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，自组织网络节点的组成如图1所示：
融合一体化节点(SO-node)：每个节点包括三部分，分别为自组织5G基站(SO-gNB)、自组织核心网(SO-5GC)和自组织节点(SO-ZZW)。SO-gNB实现5G基站的功能包括CU和DU，是一个完整的5G基站。SO-5GC包括5G核心网，是一个完整的5G核心网。SO-ZZW是自组织节点，通过和其他融合一体化节点下的SO-ZZW相互通信，形成一个自组织网络，从而解决两个融合一体化节点间通信的问题。每一个SO-node中的SO-ZZW可以和另一个SO-node中的SO-ZZW通过自组织网空口进行连接，SO-ZZW之间的链路被称为自组织网连接(SO-link)。
本发明的自组织网系统支持的网络拓扑包括星型组网、链型组网、星链混合组网三种方式，分别如图2、图3、图4所示。
接口设计：UE(终端)和gNB之间采用符合3GPP标准的NRUU接口。gNB和5GC之间采用符合3GPP标准的NG接口。5GC和ZZW之间通过标准的IP接口连接。如图5所示。
ZZW(自组织网节点)设计：
1.自组织网协议栈设计：自组织网协议栈设计分为控制面协议栈设计和数据面协议栈设计。控制面协议栈用来在自组织网节点间发送接收控制信令，如图6所示：
其中，ZZW-MAC继承3GPP标准的5GMAC协议栈功能。
ZZW-RLC继承3GPP标准的5GRLC协议栈功能。
ZZW-PDCP继承3GPP标准的5GPDCP协议栈功能。
ZZW-RRC继承3GPP标准的5GRRC协议功能。
数据面协议栈用来在自组织网节点间发送接收用户数据，如图7所示：
其中，ZZW-MAC继承3GPP标准的5GMAC协议栈功能。
ZZW-RLC继承3GPP标准的5GRLC协议栈功能。
ZZW-PDCP继承3GPP标准的5GPDCP协议栈功能。
ZZW-U是一个新增加模块，实现了用户数据的路由管理和数据转发功能，ZZW-U通过IP接口和本融合一体化节点中的5GC相连接。具体描述如下：
a.转发功能：所有从外部自组织网节点发送过来接收到的IP包，和从本地5GC需要发出的IP包都首先进入ZZW-U模块，由ZZW-U模块进行路由转发到对应的SO-link或者本地5GC。ZZW-U模块工作方式如图8所示：
b.路由管理：每条SO-link建立之后，ZZW-U模块负责将本地终端用户IP地址广播给下游和上游节点的对应的ZZW-U模块，并依据收到广播路由信息更新本地路由表，供转发模块使用。路由协议可以选择标准的RIP、OSPF等路由协议。
2.自组织网物理层波形信道设计
自组织网物理层波形采用符合3GPP标准的5G波形CP-OFDM或DFT-s-OFDM，波形参数和3GPP标准完全一致。
自组织网物理层信道主要包含两个信道ZZW-SSB信道和ZZW-PUSCH信道。
ZZW-SSB(SS/PBCHblock)信道：完全继承3GPP标准的5GSSB信道设计。该信道第一个作用是用来做ZZW节点间的时间同步，第二个作用是进行ZZW节点间时间提前量估计。本发明此处不限于采用5GSSB信道，只要能达到时间同步目标，包括5GPSS、5GSSS、5GPRACH信道均可使用。SSB时域频域结构如图9所示。
ZZW-PUSCH信道：完全继承3GPP标准的5GPUSCH信道设计。该信道的作用是用来承载自组网数据发送和接收。注意对ZZW节点间的通信来说，发送数据也是通过ZZW-PUSCH信道。本发明此处不限于采用5GPUSCH信道，只要能达到数据传输目标，发送信道和接收信道也可以采用5GPDSCH设计。
自组织网节点数据发送时需要考虑TA(时间提前量)的影响(保证发送端数据到达接收端时和接收端帧边界一致)，因此ZZW-PUSCH信道中数据传输不能像5GPUSCH那样占用PRB中全部14个symbol，数据一般只占用12个symbol，前两个symbol空闲，为发送时间提前量预留。本发明此处不限于采用前两个symbol空闲，根据自组织网节点的远近，也可以预留更多或更少的symbol作为提前量，预留symbol数从1到13均可。如图10，为ZZW-PUSCH时域频域结构图，前两个方格symbol预留用来作为发送时间提前量的示例，后面12个方格symbol可以用来发送PUSCHRE和DMRS。
融合一体化节点间同步设计：
融合一体化节点的同步有两种方法。
第一种方法，每个节点自带北斗/GPS，用北斗/GPS来保证不同融合一体化节点间的时间同步和帧边界同步。
第二种方法，不需要节点自带北斗/GPS，首先通过在同步slot中发送SSB信号进行粗同步，在粗同步之后，采用业界标准的同步算法进行精同步，从而保证自组网节点间的时间同步。本发明采用的业界标准的同步算法包括但不限于RBS、DNTS、FTSP和TPSN。时间同步流程如图11所示。
5G接入和自组织接入融合设计：
通过和5G接入波形和信道一致的自组织物理层波形和信道设计，5G接入波形和自组织网波形可以时分复用相同的频谱资源，从而可以复用一套基带、射频和天线硬件设备。
自组网波形和5G接入波形常用的划分方式如图12所示。
此时分复用帧结构中，前面6个slot给5G使用，后面4个slot预留给自组织网使用，由自组织网高层控制。前6个slot可以按照5G的规则灵活分配为D子帧，U子帧或S子帧。分给自组织网波形使用的4个slot，也可以灵活分配为自组织网同步广播子帧或自组织网数据传输子帧。
根据自组织网的速率和时延的需求，可以灵活的配置预留给自组织网的slot，比如如图13所示可以预留2个slot给自组织网。
此帧结构中，前面8个slot给5G使用，后面4个slot预留给自组织网使用，由自组织网高层控制。
实际使用当中，5G使用的slot数和自组织网使用的slot数比例，可以非常灵活的配置，本发明不限于前面所述的两种方式，比例还可以是5:5、7:3或9:1。
本发明优选5G接入波形和自组织网波形采用时分复用(TDD)方式，但是本发明也可以支持5G接入波形和自组织网波形采用频分复用(FDD)方式，5G接入波形和自组织网波形可以分配在不同的独立频段上，也可以分配在同一频段的不同PRB上。
本自组织网系统中自组织网节点开机后工作步骤如下所述：
当SO-node启动后，会执行节点入网，网络拓扑发现、路由更新等功能。
步骤1.网络中第一个SO-node启动，SO-ZZW广播SSB，SSB包含标记本节点(CELL)的CELLID和标识。
步骤2.第二个SO-node启动，第二个SO-node中的SO-ZZW在广播发送本节点SSB的同时接收到第一个节点发送的SSB信号，并对第一个节点进行粗同步和精同步。
步骤3.完成精同步后，第二个节点中的SO-ZZW发起RRCConnectionSetupRequest消息，指示本节点标识。
步骤4.第一个节点收到RRCConnectionSetupRequest消息后，确认是合法请求，回复RRCConnectionSetup消息，包含本节点标识和路由信息。第二个节点成功收到该消息后，回复RRCConnectionSetupComplete消息，此时自组织网两个节点间连接成功建立。
步骤5.全网更新路由信息，更新网络拓扑
步骤6.自组织网正常工作，直到有新的节点接入，重复步骤2-5。
本发明可以在抢险救灾、野外救援、煤炭矿山、机场隧道和车载机动通信场景中实现，其典型实现网络架构如图14所示，该自组织网络中包含6个SO-node节点，每个节点之间通过SO-link相互连接，同时每个节点还能提供本节点覆盖区域内的5G终端连接，成功的组织了一张多节点多终端的应急通信网络。
使用本发明的方案后，可以快速构建自动部署高速率的5G接入和自组织接入融合网络，极大降低硬件成本、开发成本和部署成本。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，其特征在于，包括：
自组织节点：用于在融合一体化节点间进行通信，通过自组织网空口进行连接，形成自组织网络；
自组织网协议栈：用于在自组织网节点间发送接收控制信令和用户数据，复用5G标准的空口协议栈；
数据管理模块：通过IP接口和融合一体化节点中的5G核心网相连接，进行用户数据的路由管理和数据转发；
同步模块：实现融合一体化节点间的时间同步；
融合模块：通过与5G接入波形和信道一致的自组织物理层波形和信道，时分复用相同的频谱资源。
2.根据权利要求1所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，其特征在于，在终端和5G基站之间采用符合3GPP标准的NR UU接口，在5G基站和5G核心网之间采用符合3GPP标准的NG接口，在5G核心网和自组织网节点之间通过标准的IP接口连接，在自组织网节点之间采用自定义的SO-link接口，所述SO-link接口的协议和物理信道均与NR UU接口一致。
3.根据权利要求1所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，其特征在于，包括自组织网物理层信道；
所述自组织网物理层信道包括：
同步和广播信道：复用3GPP中的SSB信号，用于自组织网节点间的时间同步和自组织网节点间时间提前量估计；
上行物理共享信道或下行物理共享信道：复用3GPP中的PUSCH或PDSCH信道，用于承载自组网数据发送和接收；
自组织网物理层的波形采用符合3GPP标准的5G波形正交频分复用CP-OFDM或DFT-s-OFDM，波形参数和3GPP标准一致。
4.根据权利要求1所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，其特征在于，所述融合一体化节点间的同步包括：在每个融合一体化节点上设置北斗/GPS，通过北斗/GPS进行不同融合一体化节点间的时间同步和帧边界同步。
5.根据权利要求1所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，其特征在于，所述融合一体化节点间的同步包括：首先通过在同步slot中发送单边带SSB信号进行粗同步，然后采用业界标准的同步算法进行精同步，从而保证自组网节点间的时间同步；
所述业界标准的同步算法包括RBS、DNTS、FTSP和TPSN。
6.一种融合5G接入和自组织网接入的一体化方法，其特征在于，采用权利要求1所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化系统，执行：
步骤1：通过自组织节点在融合一体化节点间进行通信；
步骤2：通过自组织网协议栈在自组织网节点间发送接收控制信令和用户数据；
步骤3：通过数据管理模块进行用户数据的路由管理和数据转发；
步骤4：进行融合一体化节点间的同步；
步骤5：通过与5G接入波形和信道一致的自组织物理层波形和信道，时分复用相同的频谱资源。
7.根据权利要求6所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化方法，其特征在于，在终端和5G基站之间采用符合3GPP标准的NR UU接口，在5G基站和5G核心网之间采用符合3GPP标准的NG接口，在5G核心网和自组织网节点之间通过标准的IP接口连接，在自组织网节点之间采用自定义的SO-link接口，所述SO-link接口的协议和物理信道均与NR UU接口一致。
8.根据权利要求6所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化方法，其特征在于，设置自组织网物理层信道，进行自组织网节点间的时间同步、自组织网节点间时间提前量估计，以及承载自组网数据发送和接收；
自组织网物理层的波形采用符合3GPP标准的5G波形正交频分复用CP-OFDM或DFT-s-OFDM，波形参数和3GPP标准一致。
9.根据权利要求6所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化方法，其特征在于，所述融合一体化节点间的同步包括：在每个融合一体化节点上设置北斗/GPS，通过北斗/GPS进行不同融合一体化节点间的时间同步和帧边界同步。
10.根据权利要求6所述的融合5G接入和自组织网接入的一体化方法，其特征在于，所述融合一体化节点间的同步包括：首先通过在同步槽slot中发送单边带SSB信号进行粗同步，然后采用业界标准的同步算法进行精同步，从而保证自组网节点间的时间同步；
所述业界标准的同步算法包括RBS、DNTS、FTSP和TPSN。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117082590A (zh) * 2023-07-10 2023-11-17 武汉船舶通信研究所(中国船舶集团有限公司第七二二研究所) 一种基于5g改进的海上编队通信方法

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CN117082590B (zh) * 2023-07-10 2024-05-07 武汉船舶通信研究所(中国船舶集团有限公司第七二二研究所) 一种基于5g改进的海上编队通信方法

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