一种5G-TSN工业异构虚拟网络架构和虚拟资源细粒度调度方法技术

本发明专利技术公开了一种5G

【技术实现步骤摘要】
一种5G
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TSN工业异构虚拟网络架构和虚拟资源细粒度调度方法


[0001]本专利技术涉及工业通信领域，尤其涉及一种5G
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TSN工业异构虚拟网络架构和虚拟资源细粒度调度方法。

技术介绍

[0002]面对新一轮数字化浪潮，如何实现制造业数字化智能化成为国家未来产业竞争力的战略方向之一，因此，亟需突破先进技术实业化壁垒，将以第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)和时间敏感网络协议(Time Sensitive Networking,TSN)为代表的新兴通信技术应用在工业现场，通过无线
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有线融合方式实现“人机物料法环”等的全要素互联和端到端按需交付。
[0003]在未来小批量、定制化的工业生产需求下，传统的竖井式工业部署无法满足上层应用的动态需求，极大地阻碍了工业通信技术的发展。为此学界和工业界引入软件定义网络(Software
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Defined Networking，SDN)和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)技术对网络资源进行不同水平的虚拟化调配而不考虑底层技术的实现细节，通过集中式资源调度和动态化指令下发，为服务质量(Quality ofService，QoS)各异的应用提供了一种通用型的通信解决方案。因此，采用SDN和NFV技术对5G
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TSN工业异构网络进行虚拟化网络建模，有利于打破异构协议转换的技术壁垒，从资源视角对5G
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TSN新型网络架构进行调度机制设计。
[0004]虽然采用虚拟化网络建模无需考虑如协议转换、精准时钟同步等技术实现细节，但如何从资源视角对5G和TSN网络进行融合仍然存在很多挑战。首先，5G技术虽然相较于4G
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LTE和其他蜂窝技术在时延和可靠性上有了显著的提升，但对于以“感
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传
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算
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控”一体化为核心的未来工业网络来说，现场信息能否被实时采集和端到端确定性交付都极大地影响了数据计算效率和控制质量。且工业现场电磁环境复杂、移动终端设备众多、多径衰落效应严重，5G通信机制对通信质量和效率的提升无法完全克服无线通信固有的不确定性缺陷，因此，如何在融合5G和TSN两种异构网络时保证数据的端到端确定性交付是一个极大的挑战。其次，对于QoS各异的定制化生产需求，是否能够差异化地保障其产品质量是检验生产性能的一大标准。为此，TSN和5G分别指定了包括帧抢占、时间感知门(Time Aware Shaper,TAS)、流过滤(Per
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stream Filtering and Policing，PSFP)等机制和5QI(5G QoS Identifier)、IPV(Internal Priority Value)等参数对多优先级数据提供差异化服务。然而，作为两种新兴的通信技术，如何实现二者之间数据QoS的互通是5G
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TSN融合的关键所在。
[0005]作为一种衡量信息时效的参数，信息年龄(Age ofInformation，AoI)表示了一个数据包从生成至到达目的地以来所经过的时间，同时与采样频率和控制效率有关，是工业系统中反映状态更新及时性的重要指标。因此，在5G
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TSN工业异构网络架构下采用AoI来刻画5G接入网数据传输的信息时效可以很好地匹配“感
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传
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算
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控”一体化的工业通信需求，
进一步保障数据的端到端确定性交付。
[0006]经对现有文献检索发现，最近似的实现方案为中国专利申请号为：202110702240.6，名称为：一种支持5G和TSN互联的工业网络异构流量整形器，其具体内容为：提出了三种5G与TSN互联的端到端(End
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to
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End,E2E)通信类型。对于控制流量采用先入先出(First In First Out,FIFO)规则进行整形，对于非控制流量采用基于信用值(Credit
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based Scheduling,CBS)的规则进行整形，通过这种差异化整形机制满足数据的各异QoS需求。该方法为控制流单独分配高优先级队列进行传输，但由于采用FIFO规则，无法保证后到达队列的控制流得到实时转发，导致排队时延的产生。专利申请号为：201980020000.9，名称为：跨蜂窝接口的时间敏感网络帧抢占，其具体内容为：为高优先级数据和低优先级数据分别预留一定的时频资源供其传输。在为高优先级数据预留的时间段内，若高优先级数据到达则可实现无等待转发；在为低优先级数据预留的时间段内，若高优先级数据到达则可中断低优先级数据传输，进行抢占。但预留资源在流量预测精度较低的情况下会造成资源浪费，且两类优先级无法适配复杂工业情形。专利申请号为：202110718079.1，名称为：一种5G
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TSN跨域QoS与资源映射方法、设备和计算机可读存储介质，其具体内容为：根据业务流、数据包到达率﹑服务率﹐建立基于Markov过程的5G
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TSN资源映射转换关系模型，根据TSN业务流的优先级将业务流按序映射至5G资源。但其主要考虑物理资源块之间的映射，未考虑优先级映射与时延保证的关系。专利申请号为：202110718076.8，名称为：基于无线信道信息的5G与TSN联合调度方法，其具体内容为：根据信道质量信息CQI调整数据在5G网络的重传因子及其在TSN网络的传输时延，达到5G
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TSN联合网络内确定性传输的目的。但其仅仅根据阈值粗粒度得划分CQI的质量等级，并未细粒度地根据TSN队列情况和5G资源利用情况进行调度。专利申请号为：202080014340.3，名称为：对虚拟TSN桥接器管理、QoS映射和TSN Qbv调度的5G系统支持，具体内容为：给出了5G和TSN中QoS流映射具体的TSN接口及其相应功能，但对于具体如何计算QoS映射关系并未给出具体说明。专利申请号为：202080040110.4，名称为：TSN和5GS QoS映射
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基于用户面的方法，具体内容为：给出了5G和TSN中QoS流映射具体的5GS接口及其相应功能，但对于具体如何计算QoS映射关系并未给出具体说明。
[0007]现有联合研究5G和TSN传输技术的工作较少，多为针对TSN技术研究如何保证多QoS数据差异化传输问题，大多采用资源预留、采用多机制提供差异化服务等离线方式满足TSN网络数据流的不同优先级需求，灵活性程度不高。
[0008]现有的5G
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TSN工业异构网络研究多为在物理异构网络中考虑5G和TSN时钟同步、资源映射等问题，还未有考虑5G
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TSN工业异构虚拟网络场景下对虚拟资源跨域调度的研究。
[0009]现有关于T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种5G
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TSN工业异构虚拟网络架构，其特征在于，包括工业现场层、边缘计算层、SDN控制器；边缘计算层：采用NFV技术将边缘计算层的TSN智能网关虚拟化为具有TSN功能的虚拟机，虚拟机兼备物理TSN智能网关所具备的功能：5G微基站和异构协议转换；SDN控制器：集中式控制部署在边缘计算层的支持SDN技术的TSN智能网关，与NFV技术相结合对属于不同工业应用的QoS各异的网络切片进行调度管理。2.如权利要求1所述的5G
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TSN工业异构虚拟网络架构，其特征在于，所述工业现场层的设备以网络切片的形式平铺使用5G时频资源块，同一TSN智能网关管理的现场设备共享频谱资源，不同TSN智能网关管理的现场设备之间不存在资源竞争关系。3.如权利要求1所述的5G
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TSN工业异构虚拟网络架构，其特征在于，现场数据生成后只能通过管理本区域的TSN智能网关注入至TSN网络，即每个切片数据流注入TSN网络的起点(无线数据注入TSN网络的TSN智能网关)是固定的。4.如权利要求1所述的5G
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TSN工业异构虚拟网络架构，其特征在于，5G通信网络为物理5G通信网络的虚拟刻画，上层应用以由VNF按序组成的网络切片形式在5G
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TSN工业异构网络中传输，切片所对应的数据流平铺式使用现场时频资源块；TSN主干网为物理TSN网络的虚拟刻画，每个TSN智能网关都被虚拟化为具有TSN智能网关功能的虚拟机，具有计算能力和缓存能力，应用切片到达TSN网络后，内部VNF将结合TSN VM的性能按照顺序映射至TSN VM，占用TSN VM的资源，只有当属于一个网络切片的所有VNF全部映射完毕后可以视作应用通过TSN主干网交付至远端。5.如权利要求1所述的5G
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TSN工业异构虚拟网络架构，其特征在于，对于工业场景下数据流对实时采样的需求，引入信息新鲜度AoI指标对切片数据流进行信息年龄度量，数据自现场生成时刻起AoI开始增长，经由5G网络和TSN网络传至远端终点后AoI停止增长。6.如权利要求1所述的5G
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TSN工业异构虚拟网络架构，其特征在于，属于不同应用的切片及其相应数据流具有不同的优先级，因此不同切片具有不同的端到端年龄上界A
E2E
，5G
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TSN工业异构虚拟网络根据每个切片的年龄上界对多优先级切片数据流进行按...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彩莲，张雅静，许齐敏，关新平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：