CN116170468B - 一种5g专网专线的无人系统异构网络通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G专网专线的无人系统异构网络通信系统及方法，该方法主要应用处于异构网络环境下的无人系统与指挥控制中心的实时数字图传通信及操控。该方法可令无人系统通过5G专网专线的网络环境下，与指挥控制中心进行安全、可靠、低延时的实时异构网络通信，实现了指挥控制中心对无人系统在视距或超视距下的状态信息实时获取及操控，保证了无人系统和指挥控制中心之间更加高效、安全、稳定的双向通讯，确保数据传输的安全性和稳定性。

Description

一种5G专网专线的无人系统异构网络通信系统及方法

技术领域

本发明涉及5G网络移动通信技术领域，尤其涉及一种基于5G专网专线的无人系统异构网络通信系统及方法。

背景技术

移动通信技术是提升无人系统在视频数据的实时传输、行为状态监控、高精度定位导航和超视距操控的关键。5GNR(New Radio，新空口)作为新一代移动通信技术，具有覆盖面积广、时延性低、超高带宽、大连接等特性，可满足无人系统在自动驾驶方面和避障技术的升级，将赋予网联无人系统实时超高清图传、状态监控、超视距低时延控制、通讯信号长期稳定在线、高精度定位、安全网络、自主避障及集群控制等重要功能，与网络切片和边缘计算能力相结合，将加速无人系统行业应用的创新和发展。

无人系统现已进入网联化阶段，将无人系统联入低空蜂窝移动通讯网络，实现无人系统互联互通、超视距控制、集群协同、数据实时回传等。但目前无人系统的网联化技术主要集中在 4G网络且功能实现有限，并且，受制于 4G 网络在带宽、时延、空间覆盖范围、干扰协同等方面的限制，要满足无人系统的高速率、高效率、高覆盖率、实时化等需求，与5G通讯技术的结合势在必行。

另外，针对于行业应用的无人系统，其任务执行与数据传输均具有一定的保密性和稳定性要求。若将无人系统联入运营商的5G公共网络，容易造成数据泄露的风险。

此外，当5G核心网和无人系统管理平台等需架设在公网的云服务器上时，同样存在数据泄露和窃取的隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有无人系统数据传输技术上的缺陷，提供一种基于5G专网专线的无人系统通信技术，以解决目前行业应用中无人系统无法与指挥控制中心实现高速率、高效率、高覆盖率的超视距实时化通信与操控的问题。

为实现本发明目的，本发明实施例提供一种5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，其特征在于，包括无人系统和指挥控制中心，所述无人系统和所述指挥控制中心布置于不同的局域网网络环境中，通过所述5G专网专线进行数据传输；

所述无人系统包括上位机、5G通信模组、5G专网专线SIM卡、5G天线；所述上位机上安装5G专网专线异构网络客户端，以提供所述无人系统与所述5G专网专线数据传输的参数配置；所述5G天线用于将所述无人系统接入所述5G专网专线；所述上位机连接所述5G通信模组，通过所述5G专网专线SIM卡插入所述5G通信模组对APN和5G信号工作频段进行设置；

所述指挥控制中心上安装5G专网专线异构网络客户端，以提供所述指挥控制中心与所述5G专网专线数据传输的参数配置；所述指挥控制中心包括无人系统管理平台、无人系统控制平台、无人系统图像处理平台、无人系统数据分析平台、无人系统数据库、无人系统图像显示屏幕、无人系统移动控制器；所述无人系统管理平台提供无人系统账号的管理；所述无人系统控制平台提供所述无人系统的控制界面；所述无人系统图像处理平台提供所述无人系统的实时图片和视频直播界面、人工智能处理图片和视频界面；所述无人系统数据分析平台提供所述无人系统的实时状态信息；所述无人系统数据库用于无人系统的数据存储和调用；所述无人系统图像显示屏幕用于所述指挥控制中心的全部内容显示；所述无人系统移动控制器提供远程操控所述无人系统的功能。

本发明实施例的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统的通信方法，其特征在于，所述5G专网专线包括5G专网和5G专线，所述5G专网包括5G核心网和5G基站，所述5G专线包括Console Connect专线平台、5G专网网关、指挥控制中心网络网关、云服务器，所述通信方法包括：

所述5G专网专线SIM卡插入所述5G通信模组；

所述上位机完成所述5G通信模组的配置；

所述无人系统由所述5G天线通过所述5G基站接入所述5G核心网，然后经所述5G专网网关接入所述Console Connect专线平台，最终接入所述云服务器；

所述指挥控制中心经所述指挥控制中心网络网关接入所述Console Connect专线平台，最终接入所述云服务器；

所述无人系统和所述指挥控制中心通过所述5G专网专线进行双向通讯。

通过本发明实施例提供的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，可以根据3GPP对5G标准构建的企业或行业无线专网采用独立部署模式，实现由企业独立部署从基站到核心网到云平台的整个5G网络，实现与运营商的5G公网隔离。

本发明实施例提供的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，用于无人系统与其指挥控制中心在异构网络下，通过5G专网专线的方式，将5G专网的数据通过5G专线进行传输，实现高速率、高效率、高覆盖率的超视距实时化通信与操控，确保数据传输的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统框图；

图2为本发明实施例的5G专网专线组成和配置框图；

图3为本发明实施例的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统的通信架构示意图；

图4为本发明实施例的5G专线组成和配置框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

为了本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解发明，但并不构成对本发明的限定。本发明公开的功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本发明阐述的实施例中。

应当理解，本发明使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本发明中被使用时，指定所声明的参数、配置、设置、端口、传输、地面控制站和/或终端的存在性，并且不排除一个或多个其他参数、配置、设置、端口、传输、指挥控制中心、无人系统和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1

本实施例提供一种5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，如图1所示，包括无人系统(无人机、无人车、无人船和机器人等无人载具) 和指挥控制中心，无人系统和指挥控制中心布置于不同的局域网网络环境中，无人系统和指挥控制中心通过5G专网专线进行数据传输。

无人系统包括上位机、5G通信模组、5G专网专线SIM卡和5G天线。

具体地，上位机上安装5G专网专线异构网络客户端，以提供无人系统与5G专网专线之间数据传输的参数配置，包括添加、修改、删除接入5G专网专线的云服务器的IP地址、端口、设备名称和通信标志。5G天线用于将无人系统接入5G专网专线。上位机通过UART串口与5G通信模组连接，将5G专网专线SIM卡插入5G通信模组后，上位机对APN和5G信号工作频段进行设置，无人系统由5G天线通过5G基站接入5G专网专线，实现无人系统与指挥控制中心的实时通信。

指挥控制中心上安装5G专网专线异构网络客户端，以提供指挥控制中心与5G专网专线之间数据传输的参数配置，包括添加、修改、删除接入专线的云服务器的IP地址、端口、设备名称和通信标志。

指挥控制中心包括无人系统管理平台、无人系统控制平台、无人系统图像处理平台、无人系统数据分析平台、无人系统数据库、无人系统图像显示屏幕、无人系统移动控制器。

具体地，无人系统管理平台提供无人系统账号的管理；无人系统控制平台提供通过5G专网专线接入的无人系统的控制界面。无人系统图像处理平台提供无人系统的实时图片和视频直播界面、人工智能实时/后处理图片和视频界面。无人系统数据分析平台提供无人系统的实时状态信息。无人系统数据库用于存储和调用无人系统相关数据，包括账号注册信息、无人系统的实时状态数据、图片和视频数据、历史任务数据、人工智能实时/后处理图片和视频数据、5G专网专线连接信息。无人系统图像显示屏幕提供指挥控制中心的全部内容显示；无人系统移动控制器提供远程操控无人系统功能，包括无人系统的移动、旋转、翻滚、镜头缩放、拍照、拍摄功能。

本实施例中的异构网络包括无人系统和指挥控制中心所处不同的局域网网络环境。局域网包括有线连接的网络和无线连接的网络。无线连接的网络包括5G信号连接的网络、Wi-Fi信号连接的网络。

实施例2

本实施例提供上述5G专网专线无人系统异构网络通信系统中的5G专网专线，如2、3所示，本实施例的5G专网专线包括5G专网和5G专线，5G专网包括5G基站(GNB, the nextGeneration Node B)、5G核心网(Core)，5G专线包括Console Connect专线平台、5G专网网关、指挥控制中心网络网关、云服务器。

具体地，5G核心网包括：

用户平面功能服务器，被配置为用于提供用户平面功能(UPF, User PlaneFunction)，用户平面功能主要提供5G专网专线的数据从基站到网络的路由转发。

控制平面功能服务器，被配置为用于提供控制平面功能，包括接入和移动管理功能、会话管理功能、统一数据管理功能、鉴权服务功能、策略控制功能、统一数据仓库功能。

其中，接入和移动管理功能(AMF, Access and Mobility ManagementFunction)，通过设置5G专网专线的数据网络名称(Data Network Name, DNN)，对插入5G专网专线SIM卡的无人系统进行身份验证、鉴权、注册、移动性管理和连接管理。

会话管理功能(SMF, Session Management Function)，负责与分离的用户平面交互，创建、更新和删除协议数据单元(PDU, Protocol Data Unit)会话，并管理与UPF的会话环境，及给插入5G专网专线SIM卡的无人系统分配IP地址功能。

统一数据管理功能(UDM, Unified Data Management)，负责对插入5G专网专线SIM卡的无人系统进行标识、签约数据、鉴权数据的管理和服务网元注册管理。

鉴权服务功能(AUSF, Authentication Server Function)，用于接收AMF对插入5G专网专线SIM卡的无人系统进行身份验证的请求，通过向UDM请求密钥，再将UDM下发的密钥转发给AMF进行鉴权处理。

策略控制功能(PCF, Policy Control Function)，提供策略规则给5G核心网实施执行，并访问UDR的订阅信息。

统一数据仓库功能(UDR, Unified Data Repository)，用于UDM存储订阅数据或读取订阅数据以及PCF存储策略数据或者读取策略数据。

分组数据网关(PDN-GW, Packet Data Network Gateway)，将5G专网专线的数据与互联网进行隔离。

具体地，5G基站包括：

基带处理单元(BBU, Baseband Unit)，提供编码、复用、调制和扩频功能，并将RRU的数据回传到5G核心网。

集线单元(Hub)，提供多RRU单元的接入，可以扩展5G专网专线的信号覆盖范围和无人系统的接入数量。

基站射频拉远单元(RRU, Radio Remote Unit)，通过5G基站的5G天线接收/发射通过中频信号到射频信号变换的5G专网专线数据。

5G专网专线数据通过5G基站的5G天线传送至RRU单元，由RRU单元的CPRI接口将数据传输至Hub单元，再由Hub单元将数据传输至BBU单元，最后通过BBU与5G核心网连接的交换机实现5G核心网与BBU单元的数据通信。

5G基站进一步可包括基站管理平台，用于提供5G专网专线的运维管理功能，包括：登录界面、基本信息显示、设备状态信息配置、常用模式配置、移动性管理配置、网关配置、系统配置和高级配置功能。

具体地，Console Connect专线平台提供用户自定义管理功能，用于搭建5G基站与云服务器之间的高速、低时延、稳定安全的专属5G专网连接通道，确保接入到5G专网专线的无人系统通过专享私密通道进行通信，数据业务与公共网络隔离，提供极高的数据安全性。

具体地，5G专网网关由SD-WAN设备、网关设备(路由器、防火墙等)组成，提供5G基站与Console Connect专线平台的安全稳定连接模式，确保接入5G专网专线的无人系统的数据传输到云服务器的安全性和稳定性。

具体地，指挥控制中心网络网关，由SD-WAN设备、网关设备(路由器、防火墙等)组成，提供指挥控制中心所处局域网与Console Connect专线平台的安全稳定连接模式，确保接入5G专网专线的指挥控制中心的数据传输到云服务器的安全性和稳定性。

具体地，云服务器提供接入5G专网专线的无人系统与指挥控制中心的数据传输的转存与转发功能。通过在云服务器安装5G专网专线异构网络服务端，提供无人系统和指挥控制中心之间数据传输的参数配置，包括添加、修改、删除接入5G专网专线的无人系统/指挥控制中心的IP地址、端口、设备名称和通信标志。

实施例3

本实施例提供上述5G专网专线无人系统异构网络通信系统中的5G核心网，如图3所示，包括：

用户平面功能服务器，被配置为用于提供用户平面功能(UPF)，UPF主要提供5G专网专线的数据从基站到网络的路由转发。

控制平面功能服务器，被配置为用于提供控制平面功能，包括接入和移动管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、统一数据管理功能（UDM）、鉴权服务功能（AUSF）、策略控制功能（PCF）、统一数据仓库功能（UDR）。

当无人系统通过5G专网专线SIM卡接入进5G核心网中，在5G核心网预先完成5G专网专线SIM卡登记入网许可配置及DNN配置，首先AMF通过与BBU单元的N2接口连接，对接入5G专网专线SIM卡的无人系统进行身份验证、鉴权、注册、移动性管理和连接管理；然后由N11接口连接的SMF对插入5G专网专线SIM卡的无人系统分配IP地址、DNS、路由网关等信息；随后通过N10接口连接的UDM对插入5G专网专线SIM卡的无人系统进行标识、签约数据、鉴权数据的管理和服务网元注册管理；再通过N13接口连接的AUSF接收AMF对插入5G专网专线SIM卡的无人系统进行身份验证的请求，通过向UDM请求密钥，再将UDM下发的密钥转发给N12接口连接的AMF进行鉴权处理；同时，在5G核心网中，由N7接口与SMF连接的PCF提供策略规则给5G核心网实施执行，并通过N36接口访问UDR的订阅信息；UDR与UDM通过N35接口存储订阅数据或读取订阅数据，并且与PCF通过N36接口连接存储策略数据或者读取策略数据，最后，UPF通过与SMF下PDN-GW的N4接口验证回话信息，检查UE的请求与用户订阅是否相符。

此外，当插入5G专网专线SIM卡的无人系统通过身份验证后，其由N3接口数据请求至5G核心网的5G专网数据，即可通过UPF下PDN-GW的N6接口，将数据路由转发至5G专网网关，并通过 5G专网网关传输至Console Connect专线平台。

图3中的交换机是独立部分，在本发明的5G专网专线部署中，非必要存在。当5G核心网的部署和5G基站的部署之间存在距离较远、缺少硬件之间相连的物理接口的问题时，可以引入交换机作为媒介将5G核心网和5G基站连接起来了。

实施例4

本实施例提供上述5G专网专线的无人系统异构网络通信系统中的5G专线，如图2、4所示，5G专线主要由5G专线包括Console Connect专线平台、5G专网网关、指挥控制中心网络网关、云服务器组成。

首先，通过配置5G专网网关的SD-WAN的路由A端与Console Connect专线平台云路由A端的BGP(Border Gateway Protocol)线路，即可将5G专网数据通过5G专网网关接入至Console Connect专线平台；再通过配置Console Connect专线平台云路由B端，与云服务器的云路由B端的BGP线路，即实现5G专网与云服务器的数据通信；然后，配置在云服务器上云路由C端与Console Connect专线平台云路由C端的BGP线路，再通过配置Console Connect专线平台云路由与指挥控制中心网络网关D端的BGP线路，5G专网无人系统数据即可与指挥控制中心网络实现专线双向传输，最终实现5G专网专线无人系统异构网络的通信，指挥控制中心实现了对无人系统安全可靠的远程数据采集、视频监控、数据分析、操控指令下发等一系列功能。

实施例5

本实施例提供上述5G专网专线无人系统异构网络通信系统的通信方法，其通信架构如图3所示，该通信方法包括如下步骤：

5G专网专线SIM卡插入5G通信模组；

上位机完成5G通信模组的配置；

无人系统由5G天线通过5G基站接入5G核心网，然后经5G专网网关接入ConsoleConnect专线平台，最终接入云服务器；

指挥控制中心经指挥控制中心网络网关接入Console Connect专线平台，最终接入云服务器；

无人系统和指挥控制中心通过5G专网专线进行双向通讯。

本实施例的基于5G专网专线的异构网络通信方法，实现无人系统和指挥控制中心基于5G专网Console Connect专线平台的数据传输，指挥控制中心可以实时获取无人系统在视距或超视距下的状态信息，包括无人系统的状态数据、参数配置、实时图像视频、导航定位等信息，指挥控制中心也可以向无人系统发送控制指令，数据传输具有高速、低延迟等特点，能够实现高速率、高效率、高覆盖率的超视距实时化通信与操控，保证了无人系统和指挥控制中心之间更加高效、安全、稳定的双向通讯，确保数据传输的安全性和稳定性。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，其特征在于，包括无人系统和指挥控制中心，所述无人系统和所述指挥控制中心布置于不同的局域网网络环境中，通过所述5G专网专线进行数据传输，接入到所述5G专网专线的无人系统通过专享私密通道进行通信，数据业务与公共网络隔离；

所述无人系统包括上位机、5G通信模组、5G专网专线SIM卡、5G天线；所述上位机上安装5G专网专线异构网络客户端，以提供所述无人系统与所述5G专网专线数据传输的参数配置；所述5G天线用于将所述无人系统接入所述5G专网专线；所述上位机连接所述5G通信模组，通过所述5G专网专线SIM卡插入所述5G通信模组对APN和5G信号工作频段进行设置；

所述指挥控制中心上安装5G专网专线异构网络客户端，以提供所述指挥控制中心与所述5G专网专线数据传输的参数配置；所述指挥控制中心包括无人系统管理平台、无人系统控制平台、无人系统图像处理平台、无人系统数据分析平台、无人系统数据库、无人系统图像显示屏幕、无人系统移动控制器；所述无人系统管理平台提供无人系统账号的管理；所述无人系统控制平台提供所述无人系统的控制界面；所述无人系统图像处理平台提供所述无人系统的实时图片和视频直播界面、人工智能处理图片和视频界面；所述无人系统数据分析平台提供所述无人系统的实时状态信息；所述无人系统数据库用于无人系统的数据存储和调用；所述无人系统图像显示屏幕用于所述指挥控制中心的全部内容显示；所述无人系统移动控制器提供远程操控所述无人系统的功能。

2.如权利要求1所述的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，其特征在于，所述5G专网专线主要由5G专网和基于Console Connect专线平台的5G专线构成。

3.如权利要求2所述的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，其特征在于，所述5G专网包括5G核心网，所述5G核心网包括：

用户平面功能服务器，被配置为用于提供用户平面功能；

控制平面功能服务器，被配置为用于提供控制平面功能，包括接入和移动管理功能、会话管理功能、统一数据管理功能、鉴权服务功能、策略控制功能、统一数据仓库功能。

4.如权利要求2所述的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，其特征在于，所述5G专网包括5G基站，所述5G基站包括：

基带处理单元，提供编码、复用、调制和扩频功能，并将基站射频拉远单元的数据回传到5G核心网；

集线单元，提供多基站射频拉远单元的接入；

基站射频拉远单元，由5G天线接收/发射通过中频信号到射频信号变换的5G专网专线数据；

基站管理平台，提供5G专网专线的运维管理功能。

5.如权利要求2所述的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统，其特征在于，所述5G专线包括：

Console Connect专线平台，提供用户自定义管理功能，用于搭建5G基站与云服务器之间的专属5G专网连接通道，确保接入到5G专网专线的无人系统通过专享私密通道进行通信，数据业务与公共网络隔离；

5G专网网关，由SD-WAN设备、网关设备组成，用于5G基站与Console Connect专线平台的连接；

指挥控制中心网络网关，由SD-WAN设备、网关设备组成，用于指挥控制中心所处局域网与Console Connect专线平台的连接；

云服务器，提供接入5G专网专线的无人系统与指挥控制中心的数据传输的转存与转发功能；所述云服务器安装5G专网专线异构网络服务端，提供5G专网专线无人系统和指挥控制中心之间数据传输的参数配置。

6.如权利要求1-5任一项所述的5G专网专线的无人系统异构网络通信系统的通信方法，其特征在于，所述5G专网专线包括5G专网和5G专线，所述5G专网包括5G核心网和5G基站，所述5G专线包括Console Connect专线平台、5G专网网关、指挥控制中心网络网关、云服务器，所述通信方法包括：

所述5G专网专线SIM卡插入所述5G通信模组；

所述上位机完成所述5G通信模组的配置；

所述无人系统由所述5G天线通过所述5G基站接入所述5G核心网，然后经所述5G专网网关接入所述Console Connect专线平台，最终接入所述云服务器；

所述指挥控制中心经所述指挥控制中心网络网关接入所述Console Connect专线平台，最终接入所述云服务器；

所述无人系统和所述指挥控制中心通过所述5G专网专线进行双向通讯。