CN115802304A - 一种工业无线网络与5g融合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业互联网与5G融合技术领域，具体涉及一种工业无线网络与5G融合系统及方法；该方法包括：IWE、工业网关、5G接入网和5G核心网，IWE接入工业网关，5G接入网包括gNB和IWIWF模块，UE通过gNB建立空口接入5G核心网，IWE通过IWIWF模块的逻辑接口接入5G核心网；本发明解决了IWE通过N3IWF在5G核心网侧融合的成本高、要求设备处理能力强与通过5G工业网关将工业网络协议转换为5G空口协议接入5G核心网的协议栈复杂、维护难度高、部署不灵活等缺点，具有实际的工业应用场景和应用价值。

Description

一种工业无线网络与5G融合系统及方法

技术领域

本发明属于工业互联网与5G融合技术领域，具体涉及一种工业无线网络与5G融合系统及方法。

背景技术

随着5G技术标准的日益完善和商用部署的快速发展，5G技术已经走进我们的日常生活中。但5G因其具有的高速率、大带宽、高可靠、低时延等特征，将给工业领域注入全新的发展动力。但在实际的工业生产环境中，除5G技术外，还使用了大量的如LoRa、WIA-FA等无线通信网络技术，在相当长的时间内，5G还不能完全取代传统的工业无线网络。因此，5G作为一种补充网络与其他工业无线网络在工业领域共存的情景是真实存在的，所以研究5G与工业无线网络的融合系统及方法对整合工业场景中各设备通信网络具有重大的意义。

目前，5G与工业无线网络的融合方式主要分为两种：一种是5G接入网融合，它将工业网关与gNB(gNodeB，5G基站)合并在接入网级别实现功能集成，将无线通信设备的工业网关功能整合到gNB中或者将gNB协议栈的虚拟基站功能实现到相应的通信协议网关中，工业无线网络通过转换为5G新空口协议接入5G核心网。一种是5G核心网融合，它通过3GPP(3rdGeneration Partnership Project，第三代合作伙伴计划)中定义的N3IWF(Non-3GPPInterWorking Funtion，非3GPP互通功能)提供不受信任的非3GPP网络(指3GPP网络运营商不信任由非3GPP接入网络提供的安全性)和5G核心网之间的安全连接。3GPP通过N3IWF保证了Non-3GPP UE(User Equipment，用户终端)与5G核心网之间的安全连接，因为N3IWF一方面与UE建立通过IKEV2协议(Internet Key Exchange version 2，互联网密钥交换协议)建立IKE SA模式，待UE完成鉴权之后，再基于派生的N3IWF密钥建立IPsec SA(InternetProtocol Security，国际网络安全协议)隧道，另一方面，N3IWF与5G核心网基于控制面与用户面协议栈建立标准的N2与N3接口，然后在UE和AMF(Access and Mobility ManagementFunction，接入和移动管理功能)之间中继上行和下行控制平面信令，在UE和UPF(UserPlane Function，用户面功能)之间中继上行和下行用户平面数据包。

针对上述两种融合架构，它们都没有充分考虑工业环境的实际情况。第一种5G接入网融合虽然技术方案已经足够成熟，但它更适合于单一网络通信的工业生产环境。若工业环境中的无线工业网络种类繁多，会导致基站的技术栈复杂冗余、成本极高、后期维护难度高等。第二种通过N3IWF的5G核心网融合方案目前属于研究热点，虽然该方案的安全性、部署灵活性等都得到了保障，但是它需要UE具有类似手机一样的强大的计算能力用于信息的加密解密、并且数据包较大、耗费的无线资源传输较多等，而IWE(Industrial WirelessEquipment，工业无线终端)一般是低功耗、低计算能力、传输资源有限的设备，不能支持通过N3IWF接入5G核心网的所需的计算能力与传输资源消耗。除此之外，普通的用户设备的责任人是个人，而IWE的责任人是企业，企业需在一定程度上保证多个接入运营商网络的用户设备本身的安全性，以降低身份验证与加密流程的复杂度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种工业无线网络与5G融合系统及方法，该方法包括：IWE、工业网关、5G接入网和5G核心网，IWE接入工业网关，5G接入网包括gNB和IWIWF模块(Industrial Wireless InterWorking Funtion，工业无线网络互通功能)，UE通过gNB建立空口接入5G核心网，IWE通过IWIWF模块的逻辑接口接入5G核心网。

优选的，每个IWE在企业私人信息数据库中注册一张对应身份信息表，用来存储设备ID和对应的5G用户信息映射关系。

进一步的，身份信息表中的信息包括设备ID、SUPI、KI、OPc_type、auth_method、S-NSSAI、SST、SD。

优选的，工业网关以自组网的形式管理一个或多个IWE，IWE与工业网关之间通过无线通信协议传输，工业网关将IWE信息封装成IP包通过网络发送到IWIWF模块。

优选的，5G核心网划分为控制面与用户面，控制面包括AMF、SMF、UDM、UDR、NRF和AUSF，用户面包括UPF。

进一步的，IWIWF模块通过标准的N2接口与AMF连接，通过标准的N3接口与UPF连接。

优选的，5G核心网负责对接入的UE或IWE进行身份验证，通过身份验证后，执行控制策略并通过UPF为UE或IWE设备分配数据传输资源，建立数据传输通道

一种工业无线网络与5G融合方法，包括：

S1：初始化工业无线网络与5G融合系统，IWE在企业私人信息数据库中注册身份信息表；

S2：工业网关根据IWE进行自组网，并为IWE分配网内ID和数据传送无线通道；

S3：IWE将IWE设备ID信息通过工业网关转发至IWIWF模块，IWIWF模块根据IWE设备ID从企业私人信息数据库中的身份信息表中获取IWE的身份信息；

S4：IWIWF模块将IWE的身份信息通过控制面协议栈进行封装并通过N2接口发送给5G核心网的AMF；

S5：AMF将身份信息转发给AUSF、UDM和UDR，AUSF、UDM和UDR对IWE进行身份验证，验证成功后，AMF向IWIWF模块发送认证响应消息；

S6：IWIWF模块根据IWE的身份信息向AMF发送会话建立请求，5G核心网执行会话建立流程，通过UPF与IWIWF之间的用户面协议栈建立N3接口用于IWE的数据传输。

本发明的有益效果为：本发明通过IWIWF模块作为IWE与5G融合时的控制信令与数据传输的中继站。一方面，它解决了目前在比较传统的5G接入网侧融合中工业无线网络通过转换为5G新空口协议接入5G核心网时产生的5G基站的部署成本高、部署不灵活、电信运营商的基站通常不会携带无线通信协议转换功能、多工业无线网络使基站技术栈复杂等问题；另一方面，解决了IWE通过N3IWF在5G核心网侧融合中的成本高、通过5G工业网关将工业网络协议转换为5G空口协议接入5G核心网的协议栈复杂、维护难度高、要求设备处理能力强等缺点。综上所述，本发明充分考虑了IWE低功耗、处理能力较低、网络传输资源有限等特点，具有实际的工业应用场景和应用价值。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构图；

图2为本发明的IWE身份信息表；

图3为本发明的逻辑接口图；

图4为本发明的控制面协议栈示意图；

图5为本发明的用户面协议栈示意图；

图6为本发明的IWE注册与会话建立程序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种工业无线网络与5G融合系统及方法，如图1所示，所述系统包括：IWE、工业网关、5G接入网和5G核心网，IWE接入工业网关，5G接入网包括gNB和IWIWF模块，UE通过gNB建立空口接入5G核心网，IWE通过IWIWF模块的逻辑接口接入5G核心网。

IWE：根据不同的工业无线协议，IWE的架构可能不尽相同，但它们都部署在无线终端感知层，与各式传感器或其他执行器相连接，进行信息的采集与控制。企业将运营商提供的5G用户信息与IWE的ID形成唯一的映射关系，每个IWE在企业私人信息数据库中注册一张对应身份信息表，用来存储设备ID和对应的5G用户信息映射关系，该表由企业负责维护与管理；如图2所示，身份信息表中的信息包括设备ID(每台IWE的唯一身份标识)、SUPI(Subscription Permanent Identifier，签约永久标识符；分配给每个用户的5G全球唯一订阅永久标识符)、KI(鉴权密钥，与每个5G用户信息绑定)、OPc_type(运营商密钥类型，可选OP或OPc)、OPc(运营商密钥)、auth_method(鉴权方法)、S-NSSAI(Singel-Network SliceSelection Assistance Information，单个网络切片选择辅助信息)、SST(Slice/Servicetype，切片/服务类型)、SD(Slice Differentiator，切片差分器)。

工业网关：不同通信协议对应的工业网关主要完成IWE的自组网以及数据包封装转发。工业网关以自组网的形式管理一个或多个IWE，IWE与工业网关之间通过无线通信协议传输，同一个网络内的IWE的所有信息通过该工业网关传输，工业网关将IWE信息封装成IP包通过网络发送到IWIWF模块。

5G核心网：如图3所示，5G核心网负责对接入的UE或IWE进行身份验证，通过身份验证后，执行控制策略并通过UPF为UE或IWE设备分配数据传输资源，建立数据传输通道，5G核心网划分为控制面与用户面，控制面包括AMF、SMF(Service Management Function，会话管理功能)、UDM(Unified Data Management，统一数据管理)、UDR(Unified DataRepository，统一数据存储)、NRF(Network Repository Function，网络存储功能)和AUSF(Authentication Server Function，鉴权服务器功能)，用户面包括UPF。

IWIWF模块：IWIWF(Industrial Wireless InterWorking Funtion，工业无线网络互通功能)模块与数据库之间通过https协议进行通信，IWIWF与5G核心网通过标准的N2接口与N3接口分别完成控制面与用户面的交互。

如图4、图5所示，对控制面，设备的注册请求会通过IP包的形式到达IWIWF，IWIWF对注册请求进行解封装/封装并通过与5G核心网建立的控制面协议栈发送至5G核心网；用户面协议栈涉及IWE、工业网关、IWIWF和UPF中用于在IWE和数据网络之间传输流量的协议。

本发明还提供一种工业无线网络与5G融合方法，如图6所示，包括：

S1：初始化工业无线网络与5G融合系统，IWE在企业私人信息数据库中注册身份信息表。

电信运营商将相关的5G用户信息存储在5G核心网的数据库中，并且考虑到IWE的移动性较低、数据处理规则简单等实际情况，可将相应的鉴权策略(如使用统一的鉴权方式)、会话建立策略(如针对同一批相同工作环境的设备采取固定的会话控制策略)固定化，简化其流程。

S2：工业网关根据IWE进行自组网，并为IWE分配网内ID和数据传送无线通道。

S3：IWE将IWE设备ID信息通过工业网关转发至IWIWF模块，IWIWF模块根据IWE设备ID从企业私人信息数据库中的身份信息表中获取IWE的身份信息。

工业网关发送携带设备ID的认证请求给IWIWF模块，IWIWF模块根据设备ID从企业私人信息数据库中的身份信息表中查询身份信息，身份信息包括SUPI(签约永久标识符)、KI(鉴权密钥)、OPc(运营商密钥)、鉴权方式等用于5G的身份验证的参数并触发身份验证流程。

S4：IWIWF模块将IWE的身份信息通过控制面协议栈进行封装并通过N2接口发送给5G核心网的AMF。

对IWE的身份信息通过控制面协议栈进行封装得到认证接入请求，将认证接入请求发送给AMF。

S5：AMF将身份信息转发给AUSF、UDM和UDR，AUSF、UDM和UDR对IWE进行身份验证，验证成功后，AMF向IWIWF模块发送认证响应消息。

IWIWF模块接收认证响应请求后触发会话建立流程。

IWE向工业网关上传数据，工业网关发送设备数据传输请求给IWIWF模块。

S6：IWIWF模块根据IWE的身份信息向AMF发送会话建立请求，5G核心网执行会话建立流程，通过UPF与IWIWF之间的用户面协议栈建立N3接口用于IWE的数据传输。

IWIWF模块接收数据传输请求后，根据IWE的身份信息触发会话建立流程，向5G核心网的AMF发送会话建立请求。AMF接收到会话建立请求后，根据已经准备好的配置策略执行5G的会话建立流程，通过UPF与IWIWF之间的用户面协议栈建立N3接口用于IWE的数据传输。之后，AMF向IWIWF模块发送会话建立响应，IWIWF模块接收会话建立响应，将身份信息表反向映射成设备ID并向工业网关发送数据传输响应，工业网关通过N3接口与5G核心网进行传输。

优选的，以典型的LPWAN(Low Power Wide Area Network，低功耗广域网)网络协议LoRa为例，工业无线网络与5G融合方法有以下步骤：

步骤一：初始化融合系统，多个LoRa终端与工业网关形成自组网，并且工业网关根据设备分配网内ID，并根据设备ID生成一张组网表，包括使用的通道、SNR、RSSI、接受包数、发送包数、离线时间等参数。

步骤二：当LoRa终端发送数据时，会触发注册程序，网关将包含终端的唯一ID的信息封装成IP包转发至IWIWF模块，IWIWF模块根据设备ID从企业私人信息数据库中查询该设备ID对应的5G身份信息，包括SUPI、K、OPc、鉴权方式等；

步骤三：IWIWF模块使用NGAP(Next Generation Application Protocol，下一代应用协议)和SCTP(Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议)协议与AMF建立N2接口，并将设备ID对应的5G身份信息通过N2接口发送至AMF用于身份验证；

步骤四：5G核心网执行5G内鉴权，需要说明的是对应的SUPI等信息已经提前存储在运营商的UDM/UDR中，5G核心网执行相应的鉴权方式，查询该5G身份信息是否已注册；若已注册则向IWIWF发送认证响应消息，回复是否验证成功；

步骤五：身份认证成功后，当LoRa终端需要上传数据时，网关会向IWIWF发送数据并触发会话建立请求，会话建立请求送至AMF，然后根据设备对应的5G身份信息执行5G的会话建立流程，并在IWIWF与UPF之间建立N3接口；

步骤六：会话建立成功后，AMF向IWIWF发送会话建立响应，并且LoRa终端的数据可以经过IWIWF的封装/解封装从建立的N3接口发送至UPF，然后经过UPF发送到LoRa的服务器或者用户终端。

本发明一个具体实施方式以LoRa协议为例，但是并不局限于此，可根据实际工业生产需求使用不同的工业无线协议。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种工业无线网络与5G融合系统，其特征在于，包括：IWE、工业网关、5G接入网和5G核心网，IWE接入工业网关，5G接入网包括gNB和IWIWF模块，UE通过gNB建立空口接入5G核心网，IWE通过IWIWF模块的逻辑接口接入5G核心网。

2.根据权利要求1所述的一种工业无线网络与5G融合系统，其特征在于，每个IWE在企业私人信息数据库中注册一张对应身份信息表，用来存储设备ID和对应的5G用户信息映射关系。

3.根据权利要求2所述的一种工业无线网络与5G融合系统，其特征在于，身份信息表中的信息包括设备ID、SUPI、KI、OPc_type、auth_method、S-NSSAI、SST、SD。

4.根据权利要求1所述的一种工业无线网络与5G融合系统，其特征在于，工业网关以自组网的形式管理一个或多个IWE，IWE与工业网关之间通过无线通信协议传输，工业网关将IWE信息封装成IP包通过网络发送到IWIWF模块。

5.根据权利要求1所述的一种工业无线网络与5G融合系统，其特征在于，5G核心网划分为控制面与用户面，控制面包括AMF、SMF、UDM、UDR、NRF和AUSF，用户面包括UPF。

6.根据权利要求3所述的一种工业无线网络与5G融合系统，其特征在于，IWIWF模块通过标准的N2接口与AMF连接，通过标准的N3接口与UPF连接。

7.根据权利要求1所述的一种工业无线网络与5G融合系统，其特征在于，5G核心网负责对接入的UE或IWE进行身份验证，通过身份验证后，执行控制策略并通过UPF为UE或IWE设备分配数据传输资源，建立数据传输通道。

8.一种工业无线网络与5G融合方法，其特征在于，包括：

S1：初始化工业无线网络与5G融合系统，IWE在企业私人信息数据库中注册身份信息表；

S2：工业网关根据IWE进行自组网，并为IWE分配网内ID和数据传送无线通道；

S3：IWE将IWE设备ID信息通过工业网关转发至IWIWF模块，IWIWF模块根据IWE设备ID从企业私人信息数据库中的身份信息表中获取IWE的身份信息；

S4：IWIWF模块将IWE的身份信息通过控制面协议栈进行封装并通过N2接口发送给5G核心网的AMF；

S5：AMF将身份信息转发给AUSF、UDM和UDR，AUSF、UDM和UDR对IWE进行身份验证，验证成功后，AMF向IWIWF模块发送认证响应消息；

S6：IWIWF模块根据IWE的身份信息向AMF发送会话建立请求，5G核心网执行会话建立流程，通过UPF与IWIWF之间的用户面协议栈建立N3接口用于IWE的数据传输。

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