一种基于移动稍带的5G广域物联网络架构及其数据传输方法

一种基于移动稍带的5g广域物联网络架构及其数据传输方法
技术领域
1.本发明属于无线通信架构技术领域，具体地，涉及一种基于移动稍带的5g广域物联网络架构及其数据传输方法。


背景技术：

2.5g作为新一代信息通信技术的主要发展方向，将开启万物互联的数字化新时代，对建设网络强国、打造智慧社会、发展数字经济，实现我国经济高质量发展具有重要战略意义。统计结果表明，用于人与人之间的通信只占应用总量的20％左右，而80％的应用是在物与物之间的通信，移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进。随着物联网技术的成熟，物联网的应用愈发广泛，如基于物联网的智慧运输，智能可穿戴设备等。在不远的将来，万物互联是必然趋势，物联网将实现与传统产业深度融合，实现信息服务产业的智慧化。
3.mmtc作为5g三大应用场景之一，重点解决传统移动通信无法很好支持的物联网及垂直行业应用的问题，面向智慧城市、环境监测、智能家居、森林防火等以传感器和数据采集为目标的应用场景。这类传感器终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，还要保证终端的超低功耗和超低成本。然而5g基础建设昂贵的费用严重阻碍了5g时代的全面到来。此外，覆盖范围不足也带来了海量机器的入网问题，大量感知信息得不到有效传递和利用，限制了万物互联的发展。据统计，单个5g基站成本约为4g基站的两倍，其建设密度约为4g基站的1.5
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5倍，因此这极大加重了运营商建成5g网络的投入。尽管目前大部分热点城市地区已经开始部署5g，但是由于基站建设费用、能耗等一系列限制因素的存在，实现5g网络的全覆盖还需要很长一段时间，海量机器终端数据收集设备迫切需要一张支持广域接入的网络来实现互联互通需求。


技术实现要素：

4.为了克服传统网络架构中基站覆盖范围小，只能通过增大基站布设密度实现广域覆盖的问题，进而导致的现有5g网络针对海量终端入网存在布设费用昂贵、覆盖范围不足以及运营功耗高等困难，本发明提出了一种基于移动稍带的5g广域物联网络架构及其数据传输方法，实现扩展网络覆盖范围，降低系统运维成本，支持海量设备入网的功能。
5.本发明是通过以下方案实现的：
6.一种基于移动稍带的5g广域物联网络架构，所述架构包括：地面终端1，移动转发节点2，网络接入节点3和核心网4；
7.所述地面终端1连接移动转发节点2，所述移动转发节点2连接网络接入节点3，所述网络接入节点3连接核心网4；
8.所述地面终端1由手持移动台101、智能穿戴设备102和传感器103组成；所述手持移动台101和智能穿戴设备102均与第一移动转发节点201的第一无线传输模块2011连接，所述传感器103与第二移动转发节点202的第二无线传输模块2021连接；
9.所述移动转发节点2包括第一移动转发节点201和第二移动转发节点202，所述第一移动转发节点201和第二移动转发节点202进行无线通信连接，所述第一移动转发节点201由第一无线传输模块2011、第一业务控制单元2012和第一自组网模块2013组成；所述第二移动转发节点202由第二无线传输模块2021、第二业务控制单元2022和第二自组网模块2023组成；
10.所述网络接入节点3由归属用户信息管理模块301、终端身份鉴权模块302和移动性管理模块303组成。
11.进一步地、在所述第一移动转发节点201中，通过第一无线传输模块2011实现与网络接入节点3和地面终端1的互联；
12.第一业务控制单元2012实现存储管理与业务相关的用户信息、用户优先级和调度员列表信息；
13.第一自组网模块2013用于支持移动转发节点2之间应能够实现数据互传，动态路由，自组织网络管理功能；
14.在所述第二移动转发节点202中，通过第二无线传输模块2021实现与网络接入节点3和地面终端1的互联；
15.第二业务控制单元2022实现存储管理与业务相关的用户信息、用户优先级和调度员列表信息；
16.第二自组网模块2023用于支持移动转发节点2之间应能够实现数据互传，动态路由，自组织网络管理功能。
17.进一步地、在所述网络接入节点3中，
18.所述归属用户信息管理模块301用于存放无线接入系统管辖区内的终端管理相关信息；
19.所述终端身份鉴权模块302用于存储鉴权信息和加密密钥；
20.所述移动性管理模块303用于存储和管理移动转发节点2的位置和移动线路信息，实现对移动转发节点2的调度和管控。
21.一种基于所述网络架构的数据传输方法：
22.使用如第一移动转发节点201和第二移动转发节点202具有移动能力的数据转发节点，将地面终端1的数据带回核心网4：传输方法分为以下两个步骤：
23.步骤一：地面终端1激活和数据上传；
24.步骤二：数据捎带和转发；
25.步骤三：数据入网。
26.进一步地：
27.对于网络中时延非敏感业务，移动转发节点2在经过地面终端1设备附近区域时，将地面终端1待发送信息采集到该节点缓冲区上，并在移动过程中一直保存该信息；直到移动转发节点到达基站通信范围内时，移动转发节点2将终端业务传输到网络接入节点3上，最后将信息传输至核心网4；
28.对于网络中时延要求较高的业务，采用数据多跳转发入网方式，多个移动转发节点形成自组织网路，采用无线多跳的形式，将终端业务传到网络接入节点3上,最后传输至核心网4。
29.本发明有益效果
30.(1)本发明的网络架构所提出的移动转发节点可以更靠近用户终端，理论上能够有效减少终端因接入而带来功耗开销；
31.(2)本发明的终端通过移动节点间接入网的方式避免了终端同时向基站发送申请而引发的随机接入碰撞问题，因此该方案能够有效支持物联网设备的海量接入；
32.(3)本发明的网络架构能够降低系统对基站布设密度的要求，从而降低网络部署和运营维护成本。
附图说明
33.图1为本发明的基于移动稍带的5g广域物联网络架构示意图；
34.图2为本发明的基于移动稍带的5g广域物联网络原理示意图。
具体实施方式
35.一种基于移动稍带的5g广域物联网络架构，所述架构包括：地面终端1，移动转发节点2，网络接入节点3和核心网4；
36.所述地面终端1连接移动转发节点2，所述移动转发节点2连接网络接入节点3，所述网络接入节点3连接核心网4；
37.所述地面终端1由手持移动台101、智能穿戴设备102和传感器103组成；所述手持移动台101和智能穿戴设备102均与第一移动转发节点201的第一无线传输模块2011连接，所述传感器103与第二移动转发节点202的第二无线传输模块2021连接；
38.所述移动转发节点2是一种基于无线捎带的无线数据转发设备，该设备的显著特点是具有数据传输和转发的能力，同时还具备可控的移动能力。用于实现终端数据到网络接入节点的信息转发。移动转发节点2具备无线数据传输、终端业务控制以及自组织网络三个功能；
39.所述移动转发节点2包括第一移动转发节点201和第二移动转发节点202，所述第一移动转发节点201和第二移动转发节点202进行无线通信连接，所述第一移动转发节点201由第一无线传输模块2011、第一业务控制单元2012和第一自组网模块2013组成；所述第二移动转发节点202由第二无线传输模块2021、第二业务控制单元2022和第二自组网模块2023组成；
40.所述网络接入节点3由归属用户信息管理模块301、终端身份鉴权模块302和移动性管理模块303组成。
41.进一步地、在所述第一移动转发节点201中，通过第一无线传输模块2011实现与网络接入节点3和地面终端1的互联；
42.第一业务控制单元2012实现存储管理与业务相关的用户信息、用户优先级和调度员列表信息；
43.第一自组网模块2013用于支持移动转发节点2之间应能够实现数据互传，动态路由，自组织网络管理功能；
44.在所述第二移动转发节点202中，通过第二无线传输模块2021实现与网络接入节点3和地面终端1的互联；
45.第二业务控制单元2022实现存储管理与业务相关的用户信息、用户优先级和调度员列表信息；
46.第二自组网模块2023用于支持移动转发节点2之间应能够实现数据互传，动态路由，自组织网络管理功能。
47.进一步地、在所述网络接入节点3中，所述网络接入节点具备数据入网功能和网络维护管理能力，5g基站是其典型实例。
48.所述归属用户信息管理模块301用于存放无线接入系统管辖区内的终端管理相关信息；包括终端识别码、业务类型、访问能力等；以及工作状态信息，包括终端所在位置，传输能力等；
49.所述终端身份鉴权模块302用于存储鉴权信息和加密密钥；防止无权用户接入系统，并对无线接口中的数据和信令进行加密保护；
50.所述移动性管理模块303用于存储和管理移动转发节点2的位置和移动线路信息，实现对移动转发节点2的调度和管控。
51.使用具有移动能力的数据转发节点将终端数据携带回核心网，该信息传输方法称之为移动捎带。具体来说，网络中的移动载体如汽车、火车、客机等可以作为系统的移动转发节点2。对于网络中时延非敏感业务，移动转发节点2在经过终端设备附近区域时，可将终端待发送信息采集到该节点缓冲区上，并在移动过程中一直保存着该信息。直到移动转发节点到达基站通信范围内时，再将终端业务传输到网络接入节点上，信息由此进入核心网。对于时延要求较高的业务，可采用无线多跳的形式，将终端业务传到网络接入节点。
52.一种基于所述网络架构的数据传输方法：
53.使用如第一移动转发节点201和第二移动转发节点202具有移动能力的数据转发节点，将地面终端1的数据带回核心网4：传输方法分为以下两个步骤：
54.步骤一：地面终端1激活和数据上传；
55.步骤二：数据捎带和转发；
56.步骤三：数据入网。
57.进一步地：
58.对于网络中时延非敏感业务，移动转发节点2在经过地面终端1设备附近区域时，将地面终端1待发送信息采集到该节点缓冲区上，并在移动过程中一直保存该信息；直到移动转发节点到达基站通信范围内时，移动转发节点2将终端业务传输到网络接入节点3上，最后将信息传输至核心网4；
59.对于网络中时延要求较高的业务，采用数据多跳转发入网方式，多个移动转发节点形成自组织网路，采用无线多跳的形式，将终端业务传到网络接入节点3上,最后传输至核心网4。
60.根据图2所示，数据入网流程包括终端激活和数据上传，数据捎带和转发和数据入网三个过程，以下进行详细说明。
61.用户终端激活和数据上传：
62.本发明所述地面终端1包括手持移动台101、智能穿戴设备102、各类用途传感器103等设备。
63.为降低所属系统功耗，所述地面终端1在没有信息传输时处于休眠状态；所述移动
转发节点2周期性发送包括节点空闲资源，同步帧等先导信息。
64.当有待传输信息终端接收到某个移动转发节点广播的先导信号后，该终端从休眠状态切换到激活状态，如图2中103传感器节点所示的激活过程。
65.如图2中101手持移动台和102智能穿戴设备所示的数据上传过程，当用户成功激活后，可通过低功耗无线传输技术如zigbee，lora或其它新型技术给移动转发节点发送信息上传请求，该请求需包含实现数据上传所使用的传输资源。当所请求的传输资源在转发节点上没有其他用户占用时，转发节点给业务请求终端反馈应答信号，允许其接入，建立无线链路，实现业务信息上传；否则转发节点不反馈任何信息。当发送业务请求终端一定时间内未收到应答信号时，其请求被视为无效，该终端需在其他资源上再次进行请求过程。
66.数据捎带和转发：
67.所述移动转发节点2根据终端数据的业务类型、服务质量要求、时延要求等信息，为用户数据设定相应的用户处理优先级，优先处理网络中时延、服务质量要求高的业务。对于某一数据请求，当出现数据发送目标地址和移动转发节点运动方向不一致或业务数据需通过多跳方式实现转发的情况时，移动节点对该数据请求进行转发处理，如图2中第一移动转发节点201将数据通过无线链路传输给第二移动转发节点202。
68.对于数据发送目标地址和移动转发节点运动方向一致的情况，移动转发节点在运动过程中一直存储该信息，直到移动转发节点到达某一基站通信范围内时，将终端业务传输到网络接入节点上，如图2中第一移动转发节点201通过数据捎带的方式将数据卸载到网络接入节点3。
69.最后对于数据请求发送目标地址和移动转发节点运动方向不一致并且暂时没有下一个合适转发节点的情况，信息转发进入待定状态，移动转发节点暂时保存该信息，直至遇到合适的转发节点再进行数据转发。
70.对于数据转发的控制过程，移动转发节点可以在接入节点统一的调度和控制下实现信息互传，所述的网络接入节点3中移动性管理模块303可支持此功能的实现，也可通过节点间形成自组织网络的形式实现信息多跳传输，第一移动转发节点201中的自组网模块2013和第二移动转发节点202中的自组网模块2023可支持此功能的实现。动态路由协议和网络维护管理是保证信息转发的关键技术。
71.数据入网：
72.所述移动转发节点2在到达网络接入节点3附近区域时，对本节点接收到的终端数据进行汇总，再通过5g无线传输协议将信息传输到网络接入节点上。所述网络接入节点3对上传用户身份和信息通过终端身份鉴权进行合法性核验，将通过安全认证的数据上传到核心网，所述的网络接入节点3中终端身份鉴权模块302可支持此功能的实现。对于新加入网络的终端，通过归属用户信息管理中心进行登记和管理，所述的网络接入节点3中归属用户信息管理模块301可支持此功能的实现。系统定时维护网络节点信息，以保证系统稳定高效运行，并清理退出系统的节点信息，避免冗余信息对网络性能造成的影响。
73.以上对本发明所提出的一种基于移动稍带的5g广域物联网络架构，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。