一种无线子网异构互联方法和系统与流程

1.本发明涉及智慧海洋无线通信技术领域，尤其涉及到一种无线子网异构互联方法和一种无线子网异构互联系统。


背景技术：

2.随着国家对于“智慧海洋”的重视程度不断提高，“智慧海洋”迎来了快速发展的最佳时机。面向智慧海洋应急通信试验网络建设新需求，无线通信系统需集成4g网、lte专网等通信手段，实现岸基综控系统与应急保障船、浮标间的业务接入，保障岸基指挥中心、应急通信保障船、浮标之间的无线通信。该系统基于标准ip数据包进行应用业务的承载，构建具有岸、船、浮标间端到端寻址路由能力的ip网。但无线通信系统面临如下问题：
3.其一，各节点通信设备部署于私网，在基于4g网、lte专网的网络互联时，必然面临着私网用户通过nat设备连接到公网，nat设备会把私网地址和端口号映射到公网地址和端口号，同时nat设备为私网用户建立网络地址映射具有一定的时效性，在绑定有效期内需要不间断数据的传送，以维持映射关系的存在，超过保留时间后，映射关系就会被丢弃。
4.其二，由于话音业务是基于sip协议实现的，媒体流数据的收发不是在固定端口上进行的，而是通过invite和200ok的sdp消息体中携带的媒体参数动态确定的，而sip消息应用层中的地址信息是不会随着nat映射改变的，这会导致在sip媒体协商时，协商的地址为私网地址，无法实现正常媒体互通。
5.其三，在近海区域，4g网络可支持岸基与浮标互联互通；但4g基站无法覆盖较远区域，在较远海域浮标上4g无线路由器将无法接入岸基基站。而船上部署lte基站，浮标和船可通过lte终端实现船与浮标间的互联互通，但岸基与船在较远，超出lte通信距离时，岸基无法通过lte基站直接与浮标互通。目前如何通过船中继实现岸基与浮标间子网异构互联，是影响岸和浮标间通信效果和通信质量的重要问题。


技术实现要素：

6.针对现有计算方法的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无线子网异构互联方法和一种无线子网异构互联系统，其可以解决现有无线子网适用的通信距离较短，通信过程中sip信令和媒体流对于nat设备的穿越以及nat映射具有失效性的问题。
7.具体的，本发明实施例提供一种无线子网异构互联方法，包括：配置岸基、目标船和浮标中各节点的综合业务网关的基础信息，使所述各节点的所述综合业务网关通过对应的4g路由器与公有云服务器建立通讯连接；由所述公有云服务器接收所述各节点的所述综合业务网关周期性发送的可达性探测消息得到对应的4g可达信息，并获取经过nat设备映射后的公网地址和端口号；以及由所述公有云服务器周期性向所述各节点推送对应的所述4g可达信息，并将所述公网地址和所述端口号告知对应的所述综合业务网关。
8.在本发明的一个实施例中，所述无线子网异构互联方法还包括：将私有云服务器部署于所述目标船上，通过lte终端与所述目标船以及各个所述浮标的所述综合业务网关
建立通讯连接。
9.在本发明的一个实施例中，所述无线子网异构互联方法还包括：由所述私有云服务器接收各个所述浮标的所述综合业务网关周期性发送的可达性探测消息得到对应的lte可达信息；由目标船的所述综合业务网关获取所述lte可达信息，并通过所述4g路由器上报至所述公有云服务器；由所述公有云服务器将所述lte网可达信息推送给所述岸基。
10.在本发明的一个实施例中，所述无线子网异构互联方法还包括：由所述公有云服务器将所述岸基的所述4g可达信息发送至所述目标船的所述综合业务网关；由所述私有云服务器通过lte终端获取所述岸基的所述4g可达信息，并将所述岸基的所述4g可达信息推送给各个所述浮标。
11.在本发明的一个实施例中，所述无线子网异构互联方法还包括：由所述岸基的所述综合业务网关检测电话摘机信号，在检测到所述摘机信号时生成sip信令呼叫请求；将所述呼叫请求转发至所述公有云服务器，由所述公有云服务器对所述sip信令进行解析和处理，得到目的节点需要经过的所述目标船；将所述sip信令呼叫请求转发至所述目标船的所述综合业务网关。
12.在本发明的一个实施例中，所述由所述公有云服务器对所述sip信令进行解析和处理，包括：分析所述sip信令的requestline字段中被叫用户所在目的节点需经过的所述目标船；重新填写所述sip信令的contact头字段和sdp消息体中c行地址信息为所述公有云服务器本身对外的公网地址和端口号；申请一对媒体流端口分别作为与所述岸基和所述目标船的所述综合业务网关通信的媒体端口，将所述sip信令的sdp消息体中m行媒体流端口填入对应的所述媒体端口。
13.在本发明的一个实施例中，所述无线子网异构互联方法还包括：由所述目标船的所述综合业务网关收到所述sip信令后进行如上述实施例中所述的解析和处理步骤，并将处理后的sip信令转发至所述私有云服务器；由所述私有云服务器收到所述sip信令后进行如上述实施例中所述的解析和处理步骤，并将处理后的sip信令转发至所述浮标的所述综合业务网关；由所述浮标的所述综合业务网关收到所述sip信令后解析所述sdp消息体，申请本地媒体流地址和端口并填入所述sip信令的2000k消息体中，将所述2000k消息回复给所述私有云服务器，并由所述私有云服务器经所述目标船的所述综合业务网关转发至所述岸基的所述综合业务网关。
14.在本发明的一个实施例中，所述岸基的所述综合业务网关将电话话音转换为rtp媒体流后发送到所述浮标的所述综合业务网关，所述浮标的所述综合业务网关将所述rtp媒体流转换为模拟化音，并通过音频口将所述模拟化音发送给对应的水下电话。
15.另外，本发明实施例提出一种无线子网异构互联系统，用于执行上述中任意一个实施例所述的无线子网异构互联方法，包括：岸基、应急保障船、浮标、公有云服务器和私有云服务器；其中，所述公有云服务器通过4g路由器分别与所述岸基、所述应急保障船和所述浮标建立通信连接；所述私有云服务器通过lte终端分别与所述应急保障船和所述浮标建立通信连接。
16.在本发明的一个实施例中，所述岸基和所述应急保障船上设置有电话，各节点的所述浮标设置有水下电话，分别与对应的综合业务网关建立通信连接。
17.由上可知，本发明所构思的上述方案与现有技术相比，可以具有如下有益效果：
18.(1)通过将岸、船和浮标通过4g网络与云服务器建立通讯连接，通过云服务器接收各节点综合业务网关周期性发送的可达性探测消息，可从中获取并更新业务网关nat转换后的公网ip地址和端口号，并在该可达性探测消息返回各节点时告知对应的综合业务网关，以此解决了nat映射公网地址端口的发现问题和网络地址映射的失效性问题；
19.(2)岸、船和浮标进行通话业务时，主被叫用户的信令和媒体流都发向云服务器，由云服务器收到信令和媒体包后，将根据相关记录，修改应用层地址信息，而后对媒体流进行转发，解决了电话通信过程中sip信令和媒体流对于nat设备无法穿越的问题；
20.(2)无线子网异构互联系统在岸、浮标间基于4g网、lte专网进行异构网络集成，利用4g网作为岸船间传输信道，岸基、应急保障船、浮标间可形成跨网异构互联，依托4g网和lte专网，通过4g网一跳中继将无线通信子网进行铰链，实现无线通信手段的范围的延伸，打通岸基、浮标间的ip业务互通，在深浅海特定海域，为岸基指挥中心、应急通信保障船及浮标间的应急通信信息的迅速、准确、畅通地传输与交换提供保障。
21.通过以下参考附图的详细说明，本发明的其他方面的特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
23.图1为本发明实施例提供的无线子网异构互联方法的流程图；
24.图2为本发明实施例提供的nat映射连接结构示意图；
25.图3为本发明实施例提供的无线子网异构互联方法的具体通信流程示意图；
26.图4为本发明实施例提供的无线子网异构互联方法的部分执行设备的框架结构示意图；
27.图5为本发明实施例提供的无线子网异构互联方法的sip信令交互流程示意图；
28.图6为本发明实施例提供的无线子网异构互联方法的话音业务信令和媒体流转发指示图；
29.图7为本发明实施例提供的无线子网异构互联系统的结构示意图。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相组合。下面将参考附图并结合实施例来说明本发明。
31.为了使本领域普通技术人员更好地理解本发明的技术方案，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的一部分实施例，而不是全部的实施例，都应当属于本发明的保护范围。
32.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等适用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外。术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖
不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备国有的其它步骤或单元。
33.还需要说明的是，本发明中多个实施例的划分仅是为了描述的方便，不应构成特别的限定，各种实施例中的特征在不矛盾的情况下可以相结合，相互引用。
34.如图1所示，本发明第一实施例提出一种无线子网异构互联方法，例如包括：步骤s1，配置岸基、目标船和浮标中各节点的综合业务网关的基础信息，使所述各节点的所述综合业务网关通过对应的4g路由器与公有云服务器建立通讯连接；步骤s2，由所述公有云服务器接收所述各节点的所述综合业务网关周期性发送的可达性探测消息得到对应的4g可达信息，并获取经过nat设备映射后的公网地址和端口号；以及步骤s3，由所述公有云服务器周期性向所述各节点推送对应的所述4g可达信息，并将所述公网地址和所述端口号告知对应的所述综合业务网关。
35.具体的，在步骤s1中，各节点综合业务网关配置基础配置信息包含本节点id、本节点属性、电话网关ip和端口、子网网关ip地址和端口等信息，提到的目标船例如为应急保障船。各节点网关还需配置云服务器ip地址，例如含公有云服务器和私有云服务器配置信息。公有云服务器部署于internet网络，可通过4g网络访问；而在一个实施方式中，还设置私有云服务器部署于应急保障船上，与lte基站相连，可通过lte专用网络访问。各节点网关基于云服务器配置，生成两条分别到公有云服务器和私有云服务器的静态路由，配置下一跳分别为本地连接的4g无线路由器和lte路由器地址。
36.各节点网关基础配置信息如下表1和表2所示，其中岸基/船和浮标侧的综合业务网关由于功能定位略有差异，其基础配置有所不同。
[0037][0038]
表1岸基/船侧网关设备基础配置
[0039][0040]
表2浮标侧网关设备基础配置
[0041]
各节点网关云服务器配置及生成静态路由信息如下表3和表4所示。
[0042]
云类型云ip地址云sip端口接入网关公有云122.9.68.1505060192.168.1.254私有云9.132.22.145060192.168.1.224
[0043]
表3云服务器配置信息
[0044]
目的网段子网掩码接入点ip地址122.9.68.0255.255.255.0192.168.1.2549.132.22.0255.255.255.0192.168.1.224
[0045]
表4静态路由信息
[0046]
在步骤s2中，综合业务网关和云服务器通过可达性探测消息和路由推送消息实现双方的心跳维护。具体的，各节点综合业务网关基于实际子网连接情况，通过sip message消息向云服务器发送message信令，作为可达性探测消息。云服务器收到综合业务网关的可达性探测消息后，便汇集了实际子网可达拓扑情况，然后通过分析生成路由可达信息。
[0047]
综合业务网关和云服务器之间可能存在nat设备，且nat网络地址映射具有失效性，超过一定的时间，nat映射可能就会发生变化。如图2所示，综合业务网关在第一次发送可达性探测消息时，并不知道自己和云服务器之间是否有nat设备的存在，也不无法获知自己的nat映射后的公网地址和端口号。云服务器例如从周期性可达性探测消息套接字中获取并更新业务网关nat转换后的公网ip地址和端口号，在步骤s3中，将该信息告知综合业务网关，因此解决了nat映射公网地址端口的发现问题和网络地址映射的失效性问题。
[0048]
进一步的，岸基、应急保障船、浮标各综合业务网关周期性向公有云服务器推送各节点4g可达信息，而应急保障船、浮标各综合业务网关周期性向私有云推送各节点lte可达信息，故而公有云服务器维护着各节点4g网络可达拓扑，私有云服务器维护着各节点lte可达拓扑，如图3所示。
[0049]
以岸基节点为例，综合业务网关可达性探测消息携带xml格式如下：
[0050][0051]
公有云服务器路由推送消息携带xml格式如下：
[0052]
[0053][0054]
xml中“sipip＝"124.160.210.149"，sipport＝"22939"”即为综合业务网关nat映射后的nat映射后的公网地址和端口号。
[0055]
在一个实施方式中，应急保障船节点的综合业务网关从私有云服务器获取可达lte浮标节点信息后，同时将该信息通过message心跳上报给公有云服务器，然后公有云服务器将岸基可通过两跳至浮标可达的路由信息推送给岸基；进一步的，应急保障船节点的综合业务网关将从公有云服务器获取岸基节点4g可达信息通过message心跳上报给私有云服务器，然后私有云服务器将浮标可通过两跳至岸基可达的路由信息推送给各浮标；这样系统便完成了岸基和浮标间多跳中继路由学习，岸基综合业务网关可将路由上报上层应用系统呈现，如此一来实现了岸基能够和较远海域浮标进行业务通信。
[0056]
其中，岸基和浮标间学习的多跳中继路由如下表5所示。
[0057]
[0058][0059]
表5异构互联各节点网关可达信息
[0060]
进一步的，各节点综合业务网关由于都处于不同的私网中，如图4所示，这个地址是无法直接通信的，故而主被叫用户的信令和媒体流都必须经过云服务器进行中继转发。在sip话音业务呼叫控制流程中，主要通过invite呼叫请求和2000k响应携带sdp消息进行媒体协商，如图5所示，为一个完整的使用sip信令握手协商建立sip会话的过程。
[0061]
sip消息经过nat网关，但nat映射只针对网络层进行转换，并不能改变sip消息中头字段中地址信息以及sdp消息体中携带的媒体协商信息。如图6所示，系统结构中存在nat网关，需要考虑nat穿越问题，且需进行两次sip信令的nat穿越。在此过程中，主被叫用户的信令和媒体流都发向云服务器，云服务器收到信令和媒体包后，将根据相关记录，修改应用层地址信息，并对媒体流进行转发。
[0062]
具体步骤如下：岸基侧电话a摘机，通过拨号向浮标侧电话b发起话音呼叫业务，综合业务网关的电话网关模块检测到摘机信号，生成sip呼叫invite请求，该请求消息应用层
目的为电话b的用户名，ip层目的指向综合业务网关的子网网关模块。
[0063]
岸基侧综合业务网关的子网网关模块收到invite请求后，解析sip消息，获取目的节点id，分析判断岸基至该浮标节点是否可达。比如存在一条经船中继至目的浮标的两跳路由可达，其中岸基到船侧4g可达，船侧到浮标侧lte可达，则子网网关转发invite请求至公有云服务器，其中invite消息中的contact字段填写与公有云服务器message心跳交互获得的自己的公网地址和端口，目的指向公有云服务器ip地址。
[0064]
在一个实施方式中，当公有云服务器收到岸基侧综合业务网关的sip呼叫信令时，公有云服务器将对sip信令中携带的信息进行解析和处理，分析requestline字段中被叫用户所在目的节点需经过船中继。公有云服务器将重新填写contact头字段和sdp消息体中c行地址信息为公有云服务器本身对外的公网ip地址，同时申请一对媒体流端口分别作为和岸基侧、船侧综合业务网关通信的媒体端口，将sdp消息体中m行媒体流端口填入对应的媒体端口，然后将呼叫信令发送到船侧综合业务网关。
[0065]
进一步的，船侧综合业务网关收到sip呼叫信令后，同样对sip信令中携带的信息进行解析和处理，分析requestline字段中被叫用户所在目的节点浮标，且通过lte子网可达。然后重新填写contact头字段和sdp中c行地址信息为船侧综合业务网关通过与私有云心跳维护记录的在lte网络中对外的公网ip地址，m行媒体流端口为网关记录的在lte网络中分配的媒体端口，然后将呼叫信令发送给私有云服务器。
[0066]
当私有云服务器收到船基侧综合业务网关的sip呼叫信令时，对sip信令中携带的信息进行解析和处理，分析requestline字段中被叫用户所在目的节点为浮标。私有云服务器将重新填写contact头字段和sdp中c行地址信息为私有云服务器本身对外的公网ip地址，同时申请一对媒体流端口分别作为和船侧、浮标侧综合业务网关通信的媒体端口，将sdp消息体中m行媒体流端口填入对应的媒体端口，然后将呼叫信令发送到浮标侧综合业务网关。
[0067]
在一个实施方式中，浮标侧综合业务网关收到sip呼叫信令后，解析sdp消息体，同时申请本地媒体流地址和端口，并填入2000k消息体中，将2000k消息回复给私有云服务器。
[0068]
进一步的，私有云服务器收到浮标侧综合业务网关的2000k响应后，构造并向船侧综合业务网关发送2000k响应；同样船侧综合业务网关、公有云服务器执行类似的操作，待岸基侧综合业务网关收到2000k响应，这样整个呼叫流程中的sip协商完成，主被叫用户之间媒体流通道打通。
[0069]
上述话音业务实现步骤中，信令与媒体流经过各设备时的源ip地址和端口信息描述如下表6所示。
[0070][0071][0072]
表6话音业务流程中信令与媒体流信息描述
[0073]
在一个实施方式中，用户a端以二线口方式将话音发送到岸基综合业务网关，网关将话音转换rtp媒体流最终发送到浮标网关，浮标网关将rtp媒体流转换成模拟话音，并通过音频口将话音发送给水声电话用户b。其中公有云服务器和私有云服务器在进行媒体流中转时，需记录来自两个方向的媒体流公网端口，作为转发的目的端口。
[0074]
综上所述，本发明实施例提出一种无线子网异构互联方法，通过将岸、船和浮标通过4g网络与云服务器建立通讯连接，通过云服务器接收各节点综合业务网关周期性发送的可达性探测消息，可从中获取并更新业务网关nat转换后的公网ip地址和端口号，并在该可达性探测消息返回各节点时告知对应的综合业务网关，以此解决了nat映射公网地址端口的发现问题和网络地址映射的失效性问题；岸、船和浮标进行通话业务时，主被叫用户的信令和媒体流都发向云服务器，由云服务器收到信令和媒体包后，将根据相关记录，修改应用层地址信息，而后对媒体流进行转发，解决了电话通信过程中sip信令和媒体流对于nat设备无法穿越的问题；无线子网异构互联系统在岸、浮标间基于4g网、lte专网进行异构网络集成，利用4g网作为岸船间传输信道，岸基、应急保障船、浮标间可形成跨网异构互联，依托4g网和lte专网，通过4g网一跳中继将无线通信子网进行铰链，实现无线通信手段的范围的延伸，打通岸基、浮标间的ip业务互通，在深浅海特定海域，为岸基指挥中心、应急通信保障
船及浮标间的应急通信信息的迅速、准确、畅通地传输与交换提供保障。
[0075]
如图7所示，本发明第二实施例提出一种无线子网异构互联系统，例如包括：岸基、应急保障船、浮标、公有云服务器和私有云服务器；其中，所述公有云服务器通过4g路由器分别与所述岸基、所述应急保障船和所述浮标建立通信连接；所述私有云服务器通过lte终端分别与所述应急保障船和所述浮标建立通信连接。
[0076]
进一步的，所述岸基和所述应急保障船上设置有电话，各节点的所述浮标设置有水下电话，分别与对应的综合业务网关建立通信连接。
[0077]
本发明第二实施例公开的无线子网异构互联系统适用于前述第一实施例所述的无线子网异构互联方法，具体方法可参考第一实施例中所述的内容，为了简洁，不在此赘述，且本实施例的有益效果同前述第一实施例的有益效果相同。
[0078]
此外，可以理解的是，前述各个实施例仅为本发明的示例性说明，在技术特征不冲突、结构不矛盾、不违背本发明的发明目的前提下，各个实施例的技术方案可以任意组合、搭配使用。
[0079]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和/或方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元/模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多路单元或模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0080]
所述作为分离部件说明的单元/模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元/模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多路网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元/模块来实现本实施例方案的目的。
[0081]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元/模块的形式实现。
[0082]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。