本技术方案聚焦于工业互联网与5G技术的融合,提出了一套创新的系统与方法。该方案涵盖工业无线网络设备(IWE)、工业网关、5G接入网络及5G核心网络。IWE连接至工业网关,而5G接入网络则由gNB和IWIWF模块组成。用户设备(UE)通过gNB实现与5G核心网络的无线接入,IWE则通过IWIWF模块的逻辑接口连接至5G核心网络。此技术有效解决了传统融合方式中成本高、设备处理能力要求高、协议栈复杂、维护难度大及部署不灵活等问题,为实际工业应用提供了高效、灵活的解决方案,具有显著的应用价值。
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。
实现思路