面向确定性时延保障的5G-TSN跨域协同调度方法技术

本发明专利技术涉及一种面向确定性时延保障的5G

【技术实现步骤摘要】
面向确定性时延保障的5G
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TSN跨域协同调度方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，涉及为物联网设备提供确定性时延保障问题，具体涉及一种面向确定性时延保障的5G
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TSN跨域协同调度方法。

技术介绍

[0002]5G在低时延、高可靠等性能做了新的技术改进，“5G+赋能行业”相关应用成为了工业领域和通信领域的共同需求。大量计算密集和时间敏感业务的产生，对未来无线蜂窝网络提供大规模连接和保障用户服务质量(Quality of Service，QoS)提出了挑战。在工业物联网系统中，物联网设备往往只能够提供简单的数据上传功能。在这种环境下，迫切需要能够缓解核心网络压力的解决方案，同时解决计算瓶颈问题。然而，工业业务对网络提出了极为严格的性能要求，在具有低时延、低抖动和高可靠等性能的承载网基础上，还要求能够提供确定性时延保障。因此，在5G赋能核心环节面临的关键技术问题就是如何提升5G网络的确定性时延保障能力。而时间敏感网络(Time
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Sensitive Networking，TSN)技术能够为基于以太网的通信提供具有保证的服务，为周期性业务提供流量整形调度、资源预留、分组无等待传输等，能够满足时间敏感型应用的要求。传统工业自动化系统大都基于有线实时网络，联合有线技术与无线技术可以带来部署的灵活性、减少维护成本等好处。工业应用对实时服务与确定性传输具有十分严格的要求，在时间敏感网络中分析各种网络时延的影响因素有利于协调调度。
[0003]大规模通信网络是智能工厂的一个重要方面，不仅支持控制器和传感器之间的通信，而且还集成了大型计算资源，如边缘云和工厂云系统。以往有线TSN网络难以满足终端接入及数据传输需求，而无线通信在系统中实现了高度的灵活性、动态交互和移动性支持。此外，要确保TSN网络为大多数业务在其截止期限内通过有限的资源提供确定性服务是具有挑战性的。第五代移动通信技术具有广泛的覆盖范围、安全性、可靠性等，边缘网络可以辅助扩展交换机和路由器等通信中间设备的计算和存储资源。因此，5G与TSN的结合不仅是5G向工业领域从应用层到物理层实现垂直集成服务的需求，更是智慧工厂的内生需求。工业4.0的实现依赖于操作技术和通信技术(OT&IT)的融合，而云计算难以保证业务的严格QoS要求不能用于工业应用的OT。因此，工业物联网成为现实的可能是基于边缘计算的范式，5G与TSN的联合将驱动未来工业领域的内生需求发展。少有研究工作兼顾了5G无线信道带来的不确定性，这可能会对网络的可调度性产生不利影响。
[0004]因此，亟需一种优化的调度方法，为设备提供确定性时延保障。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向确定性时延保障的5G
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TSN跨域协同调度方法，综合考虑可靠性传输、系统可用资源来设计高效调度策略，为时间敏感类和非时间敏感类业务流提供确定性时延保障能力。具体是，从设备的发射功率、网关资源以及业务调度对时延进行了优化，首先，为了保证业务的可靠性需求，推导了业务在5G无线信道传输的
中断概率表达式以及最优发射功率的求解条件。其次，为了实现5G与TSN的互联互通，设计了一种贪婪的网关资源预分配来优化调度。最后考虑到低时延需求，采用了基于抢占式的业务调度，通过抢占低优先级业务来保证高优先级业务得到及时服务。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种面向确定性时延保障的5G
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TSN跨域协同调度方法，首先构建了在边缘辅助SDN(软件定义网络)集中管理框架下5G
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TSN跨域协同模型；然后，分析了5G无线传输时延与TSN处理时延构建了时延加权优化问题；最后，设计了跨域协同调度方法对进行优化。具体包括以下步骤：
[0008]S1：构建5G
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TSN跨域协同优化通信系统：考虑联合5G和TSN的协同调度，将传感器设备时间敏感型和非时间敏感型业务从5G注入到TSN，TSN网关和5G微基站部署在边缘层，在TSN网关中配置有5G的标准接口，用以辅助TSN网关在5G网络的集中管理下与传感器设备进行通信，5G微基站充当边缘计算节点，而整个边缘5G系统充当TSN逻辑网桥；
[0009]S2：构建5G无线传输时延与TSN处理时延加权优化模型：为了在5G与TSN之间寻找一个最优跨域调度实现总体业务流在截止时间内的时延优化，根据业务流的服务需求，构建5G无线传输时延与TSN处理时延的加权优化模型；
[0010]S3：设备发射功率分配：无线信道的可靠性传输与发射功率息息相关，在满足终端设备的可靠性传输要求下推导中断概率封闭表达式和最优功率的求解条件，为数据交付提供可靠性保障；
[0011]S4：TSN网关资源预分配：要确保TSN网络中大多数业务在其截止时间内通过有限的资源容量提供确定性服务，对网关资源进行预分配能够有效提升系统的服务能力，基于贪婪算法来获得网关资源预分配，为任务提供最优的TSN网关放置和处理资源分配；
[0012]S5：采用基于抢占的启发式算法来实现跨域协同调度。
[0013]进一步，步骤S1中，构建5G
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TSN跨域协同优化通信系统，具体包括以下步骤：
[0014]S11：为了实现对确定性时延的保证，TSN网关提供时间感知整形器，通过预先计算的门控制列表为特定流量类别提供保证的时隙，使得时间敏感型业务在截止时间内完成任务的交付，TSN调度以集中方式进行计算，采用IEEE 802.1Qcc标准中定义的完全集中架构，并且通过软件定义网络(Software Defined Network，SDN)控制器来实现集中管理，包括集中用户配置和集中网络配置；
[0015]S12：第i个业务y
i
由一系列有序的子任务集组成，通常被称为任务功能链，具有严格的执行顺序，表示为任意表示业务y
i
的子任务，表示业务y
i
的子任务数量，每个子任务具有参数集具有参数集表示子任务执行需要的CPU资源，表示子任务执行需要的缓存空间大小，是需要上传的子任务数据大小；
[0016]S13：为了保证时延敏感类业务得到及时服务，应用程序有必要为业务保留优先级标记，以协调不同优先级业务的处理；
[0017]S14：TSN网络可以由不完整的连接图来表示，其中集合是辅助5G网络与传感器节点通信的TSN网关节点，集合是分别用于TSN网关之间通信的有线链路集，对于第j个网关具有CPU资源大小为c
j
，缓存容量大小为β
j
以及邻居节点集合
由直接连接到节点n
j
的邻居TSN网关节点组成，业务在5G网络中的时延预算主要跟空口信道有关，而空口速率R
5G
与无线信道质量息息相关，伴随着一定的不确性。
[0018]进一步，步骤S2中，构建5G无线传输时延本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向确定性时延保障的5G
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TSN跨域协同调度方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：构建5G
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TSN跨域协同优化通信系统：考虑联合5G和TSN的协同调度，将传感器设备时间敏感型和非时间敏感型业务从5G注入到TSN，TSN网关和5G微基站部署在边缘层，在TSN网关中配置有5G的标准接口，用以辅助TSN网关在5G网络的集中管理下与传感器设备进行通信，5G微基站充当边缘计算节点，而整个边缘5G系统充当TSN逻辑网桥；S2：根据业务流的服务需求，构建5G无线传输时延与TSN处理时延的加权优化模型；S3：设备发射功率分配：在满足终端设备的可靠性传输要求下推导中断概率封闭表达式和最优功率的求解条件；S4：TSN网关资源预分配：基于贪婪算法来获得网关资源预分配，为任务提供最优的TSN网关放置和处理资源分配；S5：采用基于抢占的启发式算法来实现跨域协同调度。2.根据权利要求1所述的5G
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TSN跨域协同调度方法，其特征在于，步骤S1中，构建5G
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TSN跨域协同优化通信系统，具体包括以下步骤：S11：TSN网关提供时间感知整形器，通过预先计算的门控制列表为特定流量类别提供保证的时隙，TSN调度以集中方式进行计算，采用IEEE 802.1 Qcc标准中定义的完全集中架构，并且通过软件定义网络控制器来实现集中管理，包括集中用户配置和集中网络配置；S12：第i个业务y
i
由一系列有序的子任务集组成，通常被称为任务功能链，具有严格的执行顺序，表示为任意表示业务y
i
的子任务，表示业务y
i
的子任务数量，每个子任务具有参数集表示子任务执行需要的CPU资源，表示子任务执行需要的缓存空间大小，是需要上传的子任务数据大小；S13：为了保证时延敏感类业务得到及时服务，应用程序为业务保留优先级标记，以协调不同优先级业务的处理；S14：TSN网络由不完整的连接图来表示，其中集合是辅助5G网络与传感器节点通信的TSN网关节点，集合是分别用于TSN网关之间通信的有线链路集，对于第j个网关具有CPU资源大小为c
j
，缓存容量大小为β
j
以及邻居节点集合由直接连接到节点n
j
的邻居TSN网关节点组成，业务在5G网络中的时延预算跟空口信道有关，而空口速率R
5G
与无线信道质量相关。3.根据权利要求2所述的5G
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TSN跨域协同调度方法，其特征在于，步骤S2中，构建5G无线传输时延与TSN处理时延加权优化模型，具体包括以下步骤：S21：设备端通过5G无线系统将数据注入TSN网络，设备端的功率配置既需要保证数据的可靠性传输，同时也需要优化无线传输时延；S22：在TSN网络中，根据业务和子任务的到达时间和完成时间计算子任务在网关的处理时间；S23：按顺序处理组成相同业务的子任务集，对于时间敏感约束而言，需遵循TSN的流隔离和帧隔离特性；S24：设备端生成的业务请求由5G系统作为TSN逻辑网桥注入到TSN网络处理，分析业务
在5G段的无线传输时延和TSN网...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汝言，高雪莲，李职杜，唐桐，吴大鹏，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：