【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及計算機網絡的確定性實時傳輸，具體為一種具備高可調度性的5g+tsn融合網絡異步流量優化調度方法。
技術介紹
1、第五代移動通信技術簡稱5g和時間敏感網絡簡稱tsn的融合組網是實現工業4.0中柔性制造和移動應用的重要技術，tsn基于標準以太網并在ieee802.1qbv中引入了時間觸發的傳輸機制，在工業控制中硬實時的流量一般被建模為周期性的流量，該機制為這種周期的數據流在傳輸鏈路上周期性地預留傳輸資源，也即為每個數據包規劃好在路由途經設備上的發送時刻，因此需要全網的時鐘同步，5g的三大技術愿景之一就是實現傳輸的超可靠低時延，為此引入了半持久調度，其與tsn的時間觸發傳輸類似，也為數據包預留周期性的傳輸資源，因此非常適合與tsn共同組網以實現更加靈活的數據傳輸，在現有5g與tsn融合網絡的流量調度工作中，普遍的做法是估計出流量在5g網絡中的最壞時延，并在tsn網絡中按照5g最壞時延預留傳輸資源，于是流量按照最壞時延來接入tsn網絡，這種方案會有以下兩個問題：(1)最壞時延難以估計(2)按照最壞時延有可能難以滿足流量端到端的時延要求；將從5g網絡接入tsn的流量視作異步終端發出的流量進行異步的流量調度是一個很有前景的解決方案。
2、現有技術中，如中國公開號為：cn202110583698.4的“一種異步終端的傳輸確定性接入方法”，包含兩個機制，一是異步轉同步機制，二是時延適配機制，具體包括第一臺交換機接收到報文后駐留到最近的發送時間點再發送出去，報文在同步域內根據tsn的時間觸發傳輸機制傳輸到邊緣交換機，邊緣
3、現有技術中，將這種異步終端的確定性接入方法直接應用在5g與tsn的組網調度中，會出現一個棘手的問題：流量在tsn網關的調度容易失敗。由于：(1)tsn網關起到兩個網絡溝通的橋梁作用，所有從5g網絡進入tsn網絡的流量都要在tsn網關進行匯聚并分發，網關高負載；(2)異步確定性機制往往要為流量提供更多的傳輸資源；這兩個因素共同作用容易造成網關處的流量調度失敗，在傳統tsn流量調度中，提高流量可調度性的典型方法可以分為兩種：時間域的松弛和空間域的松弛；但是，將該時域和空間域的松弛引入到異步確定性接入機制，將會面臨以下三個還未解決的問題：
4、(1)如何平衡流量端到端時延和網絡資源的消耗：根據異步確定性接入機制的原理，對齊時間的物理意義是數據包在網關處等待傳輸的最大等待時間，假設引入時域松弛前后為一個流分配的平均資源周期相同，由于時域松弛使得傳輸時隙呈現非周期性，其對齊時間必然大于未引入時域松弛的情況。為了減少一個流的對齊時間，我們可以提供更多的傳輸資源，但是留給其他流量的資源也會相應變少，面對網絡中復雜的異構流量及其時延需求，如何綜合考慮為每個流分配合適的資源數量？
5、(2)如何在時間域和空間域松弛的情況下建模對齊時間：對于原始的異步確定性接入機制，對齊時間即為資源周期；但引入了時域和空間域的松弛之后，對齊時間變得更難計算；如何在引入了時域和空間域松弛的情況下建模異步確定性接入機制的對齊時間？
6、(3)如何協調5g與tsn網絡資源分配：在5g與tsn的異構網絡中，端到端的時延既包括tsn的時延，也包括5g的時延；如果在5g網絡中的資源分配情況發生變化，對tsn的資源調度也會產生影響，如數據包占用更多的頻率資源以便消耗更少的時域資源，5g的時延就會變小，對tsn網絡的調度壓力就會變小，但會消耗更多的頻率資源，面對網絡中復雜的流量，如何協同分配5g與tsn網絡的資源？
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種具備高可調度性的5g+tsn融合網絡異步流量優化調度方法，以解決上述
技術介紹
提出的如何平衡流量端到端時延和網絡資源的消耗、如何在時間域和空間域松弛的情況下建模對齊時間以及如何協調5g與tsn網絡資源分配的問題。
2、為實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：一種具備高可調度性的5g+tsn融合網絡異步流量優化調度方法，包括以下步驟：
3、s1、在5g與tsn的融合網絡中，首先由中心的控制器通過網絡控制協議收集網絡的整體信息，這些信息包括5g網絡中的信道條件和頻率資源，tsn網絡的網絡拓撲和鏈路速率，流量的通信需求；
4、s2、通過中心控制器運行5g+tsn混合網絡的異步流量優化調度模型，對上一步驟中搜集到的流量在混合網絡中進行路由決策和傳輸調度，獲得調度結果，并在滿足硬實時流量的傳輸需求的同時最小化網絡資源的消耗；
5、s3、根據上一步驟得到的調度結果計算出每個網絡設備的配置信息，這些配置信息包括tsn交換機的隊列門控列表、異步接入確定性機制中網關和邊緣交換機的資源時間配置；
6、s4、在運行階段，數據包從5g網絡到達tsn網關時，網關識別出該數據包歸屬哪個流量，交付給為該流量準備的最近的時隙傳輸，網關將數據包的等待時間添加到數據包payload的后方，然后按照標準以太網的方式進行報頭和報尾的封裝；
7、s5、在運行階段，數據包通過tsn的傳送到達邊緣交換機時，計算駐留時間，按照原始的異步確定性接入機制，駐留時間應該為對齊時間與網關處等待時間之差，并且還需要引入額外的駐留時間，其值大小為該流所有candidate的最大tsn時延與傳輸數據包實際的candidate的tsn時延之差。
8、優選的，在步驟s2中，所述5g+tsn混合網絡的異步流量優化調度模型包括時間域和空間域松弛條件下的對齊時間模型、5g網絡資源調度模型和tsn網絡資源調度模型。
9、優選的，所述時間域和空間域松弛條件下的對齊時間模型包括時間域和空間域松弛條件下異步確定性接入機制的資源分配方案和該方案下的對齊時間模型；
10、所述資源分配方案中tsn提供的基礎資源周期為t0，能夠在一條路由上為一個數據包提供從網關到目的節點的連續傳輸的slot資源集合，稱為一個candidate，candidate的周期即為t0，調度模型需要決策為每個流分配的candidate數量，用以實現異步確定性接入機制的資源分配，并決定每個candidate走過的路由及其在路由上的調度。
11、優選的，所述對齊時間模型是建模對齊時間的計算，其對齊時間的物理意義是數據包在網關處等待傳輸的最大等待時間，因此可以為一個流在網關處分散在不同出口鏈路的candidate抽象出一條邏輯鏈路，在該邏輯鏈路上，流fi的第j個candidate在網關處的offset被表示為再得到的邏輯鏈路上對齊時間計算模型；
12、規定為一個流fi能夠提供的最多的candidate數量為ni,max，其標號從j＝1開始到j＝ni,max，每個candidate擁有一個二元變量hij∈{0,1}，代表該candidate是否被選用，為了保證candidate的物理意義，其本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，在步驟S2中，所述5G+TSN混合網絡的異步流量優化調度模型包括時間域和空間域松弛條件下的對齊時間模型、5G網絡資源調度模型和TSN網絡資源調度模型。
3.根據權利要求2所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，所述時間域和空間域松弛條件下的對齊時間模型包括時間域和空間域松弛條件下異步確定性接入機制的資源分配方案和該方案下的對齊時間模型；
4.根據權利要求3所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，所述對齊時間模型是建模對齊時間的計算，其對齊時間的物理意義是數據包在網關處等待傳輸的最大等待時間，因此可以為一個流在網關處分散在不同出口鏈路的candidate抽象出一條邏輯鏈路，在該邏輯鏈路上，流fi的第j個candidate在網關處的offset被表示為再得到的邏輯鏈路上對齊時間計算
5.根據權利要求2所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，所述5G網絡資源調度模型中傳輸資源位于兩個維度：時間域和頻域，在5G的資源柵格中基本的調度單位在頻率上占用1個資源塊RB，在時域上占用一個傳輸時間間隔TTI,一個調度單位能夠承載一定的字節傳輸；
6.根據權利要求5所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡的異流量優化調度方法，其特征在于，所述決策變量需要滿足以下約束：
7.根據權利要求2所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，所述TSN網絡資源調度模型在TSN網絡中，即l∈LTSN，對一個流量分配的資源由如下決策變量組成：
8.根據權利要求7所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，所述決策變量需要滿足傳輸約束為：路由約束、幀約束、資源約束、對齊時間約束、傳輸順序約束、TDMA約束、幀隔離約束和端到端時延約束。
9.根據權利要求1所述的一種具備高可調度性的5G+TSN融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，在步驟S2中，所述滿足硬實時流量的傳輸需求的同時最小化網絡資源的消耗包括5G網絡部分和TSN網絡部分；
...【技術特征摘要】
1.一種具備高可調度性的5g+tsn融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種具備高可調度性的5g+tsn融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，在步驟s2中，所述5g+tsn混合網絡的異步流量優化調度模型包括時間域和空間域松弛條件下的對齊時間模型、5g網絡資源調度模型和tsn網絡資源調度模型。
3.根據權利要求2所述的一種具備高可調度性的5g+tsn融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，所述時間域和空間域松弛條件下的對齊時間模型包括時間域和空間域松弛條件下異步確定性接入機制的資源分配方案和該方案下的對齊時間模型；
4.根據權利要求3所述的一種具備高可調度性的5g+tsn融合網絡異步流量優化調度方法，其特征在于，所述對齊時間模型是建模對齊時間的計算，其對齊時間的物理意義是數據包在網關處等待傳輸的最大等待時間，因此可以為一個流在網關處分散在不同出口鏈路的candidate抽象出一條邏輯鏈路，在該邏輯鏈路上，流fi的第j個candidate在網關處的offset被表示為再得到的邏輯鏈路上對齊時間計算模型；
5.根據權利要求2所述的一種具備高可調度性的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李宗輝，李嘉程，趙永祥，李純喜，
申請(專利權)人：北京交通大學，
類型：發明
國別省市：
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