一种基于解耦机制的5G-TSN流量调度动态门控方法和装置与流程

本技术涉及通信，尤其涉及一种基于解耦机制的5g-tsn流量调度动态门控方法、装置、计算机可读存储介质及电子设备。

背景技术：

1、随着工业制造业数字化转型，将5g系统作为无线网桥引入时间敏感网络（time-sensitive networking，tsn）已成为实现工业设备灵活部署的重要方式。

2、5g空口处于开放电磁环境时，容易受到多径效应、阴影衰落和同频干扰影响，并可能触发harq/arq重传，使原本相对稳定的传输时延产生随机抖动。

3、门控调度依赖统一时间基准和门控列表（gate control list，gcl）规定的开门、关门时刻，当同步偏差或空口时延抖动累积时，报文到达时刻可能与预定门控时隙失配，进而增加排队、时延和丢包风险。

4、现有门控方案通常采用固定相位和固定安全冗余度。安全冗余度设置过小，难以吸收突发时延和时钟漂移；设置过大，又会压缩可用于传输的有效时间窗口，降低链路利用率。

5、部分方案依据单次同步观测直接调整门控相位，容易将无线高频测量噪声误认为时钟低频漂移，导致补偿量频繁波动，甚至使噪声方差估计发散。

6、因此，需要一种面向5g空口动态变化的门控调度算法，在不改变门控周期和门序的前提下，分离高频测量噪声与晶振漂移，估计主从同步偏差，并在下一调度周期到达前动态修正门控相位和安全冗余度，以提高5g-tsn融合网络中关键流量传输的确定性。

7、在5g与tsn融合的工业场景中，存在一个关键矛盾：5g无线链路的不确定性与tsn门控调度的严苛时间确定性之间的冲突。现有门控调度方法通常难以同时区分“长期漂移”与“无线瞬时测量噪声”，并根据二者的变化特性对门控相位进行自适应调整。

技术实现思路

1、本技术提出一种基于解耦机制的5g-tsn流量调度动态门控方法和装置，解决现有门控方案难以区分时钟漂移与无线瞬时噪声、容易产生过度补偿及滤波发散的问题。

2、本技术实施例提供一种基于解耦机制的5g-tsn流量调度动态门控方法，包括以下步骤：

3、获取5g空口传输的同步报文，提取当前时刻的时钟偏差观测值。

4、根据预先配置的晶振漂移状态转移模型，对当前时刻的时钟状态进行预测，并根据时钟偏差观测值与预测观测值之间的残差对无线时变测量噪声进行估计。

5、确定当前时刻的测量噪声协方差。

6、根据所述晶振漂移状态转移模型对当前时刻的时钟状态进行预测，得到先验预测值。

7、根据所述当前时刻的测量噪声协方差，调整对所述先验预测值的修正权重，对所述先验预测值进行修正，得到当前时刻的最优同步偏差估计值。

8、本技术实施例中，将晶振固有的低频热噪声和相位噪声归入所述晶振漂移状态转移模型的过程噪声中，所述过程噪声的统计特性通过硬件离线标定测试预先获取并保持恒定；将5g空口因多径效应、阴影衰落、同频干扰及harq重传引起的突发抖动归入所述无线信道观测模型的测量噪声中。

9、本技术实施例中，所述确定当前时刻的测量噪声协方差，进一步包括：利用滑动残差窗口统计各历史时刻的观测残差，从所述无线时变测量噪声量中确定当前时刻的测量噪声协方差，所述观测残差为所述时钟偏差观测值与根据所述晶振漂移状态转移模型预测得到的预测值之差。

10、本技术实施例中，所述利用滑动残差窗口统计各历史时刻的观测残差，从所述无线时变测量噪声量中确定当前时刻的测量噪声协方差，进一步包括：将当前时刻的观测残差存入长度为n的滑动时间窗；计算所述滑动时间窗内所有历史观测残差的统计协方差值；从所述统计协方差值中扣除所述先验预测值的不确定度分量，再取预设正定下界值作为约束下限，得到当前时刻的测量噪声协方差。

11、本技术实施例中，所述滑动时间窗的长度n根据5g无线信道的相干时间和晶振模块的热时间常数联合配置，具体为：所述滑动时间窗的长度n不小于所述相干时间与采样周期的比值，且不大于所述热时间常数与采样周期的比值。

12、本技术实施例中，所述对当前时刻的时钟状态进行预测，进一步包括：根据前一时刻的最优状态估计值与状态转移矩阵，计算当前时刻的同步偏差先验预测值和晶振漂移率先验预测值；根据前一时刻的误差协方差矩阵与预先获取的过程噪声协方差矩阵，计算当前时刻的先验误差协方差矩阵，作为所述先验预测值的不确定度。

13、本技术实施例中，所述调整对所述先验预测值的修正权重，进一步包括：根据所述先验预测值的不确定度与所述当前时刻的测量噪声协方差，计算当前时刻的滤波修正增益；当所述当前时刻的测量噪声协方差增大时，所述滤波修正增益相应减小，从而降低对所述当前时刻的时钟偏差观测值的修正权重；当所述当前时刻的测量噪声协方差减小时，所述滤波修正增益相应增大，从而提升对所述当前时刻的时钟偏差观测值的修正权重。

14、本技术实施例中，还包括以下步骤：根据所述最优同步偏差估计值以及所述先验预测值的不确定度，确定用于吸收残余误差的动态冗余时长；将所述最优同步偏差估计值与所述动态冗余时长叠加至门控列表的基准时间上，生成相位补偿后的门控列表。

15、本技术实施例中，所述相位补偿后的门控列表保持原始门控周期、各队列的开门时长以及各队列的门序不变，仅对门控开启时刻和关闭时刻的时间相位进行整体偏移。

16、本技术实施例中，所述动态冗余时长根据所述先验预测值的不确定度计算，所述先验预测值的不确定度越大，所述动态冗余时长越长；所述先验预测值的不确定度越小，所述动态冗余时长越短。

17、本技术实施例中，所述确定当前时刻的测量噪声协方差，包括：在所述滑动残差窗口的样本数量未达到预设长度n时，使用预设的基准测量噪声协方差作为当前时刻的测量噪声协方差。

18、本技术实施例中，所述方法采用两阶段运行机制：在滑动残差窗口的样本数量未达到预设长度n的初始阶段，采用固定参数的基准测量噪声协方差进行滤波，并临时增大所述动态冗余时长的放大倍数，以吸收初始化阶段未完全解耦的晶振漂移误差；在滑动残差窗口的样本数量达到预设长度n后的稳态阶段，启用基于滑动残差统计的测量噪声协方差自适应确定机制，并将所述动态冗余时长恢复为标准配置值。

19、本技术实施例还提供一种基于解耦机制的5g-tsn流量调度动态门控装置，用于实现上述任一实施例所述的方法，包括：

20、观测提取模块，用于获取5g空口传输的同步报文并提取当前时刻的时钟偏差观测值；

21、滑动残差解耦模块，用于利用滑动残差窗口统计各历史时刻的观测残差，从所述时钟偏差观测值中确定当前时刻的测量噪声协方差；

22、状态预测模块，用于根据晶振漂移状态转移模型对当前时刻的时钟状态进行预测，得到先验预测值及其不确定度；

23、自适应滤波修正模块，用于根据所述当前时刻的测量噪声协方差调整修正权重，并利用所述当前时刻的时钟偏差观测值对所述先验预测值进行修正，输出最优同步偏差估计值；

24、门控相位动态重构模块，用于根据所述最优同步偏差估计值及所述先验预测值的不确定度确定动态冗余时长，对门控列表的基准时间进行相位补偿并下发至门控执行单元。

25、本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本技术任一实施例所述的方法。

26、本技术实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本技术任一实施例所述的方法。

27、本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

28、第一，本技术建立了晶振漂移与高频测量噪声相互分离的双时间尺度估计模型，将晶振固有的低频漂移归入状态转移过程，将5g空口多径、衰落及重传引起的突发抖动归入时变测量噪声；通过滑动残差窗口在线计算残差协方差，扣除状态预测不确定度并施加正定下界，得到动态测量噪声协方差。通过上述处理，解决了现有门控补偿方法难以区分时钟漂移与无线瞬时噪声、容易产生过度补偿及滤波发散的问题，使卡尔曼增益能够随空口状态自适应调整，提升估计精度。

29、第二，本技术在保持门控周期、各队列开门时长及门序不变的条件下，引入由同步偏差估计值和估计协方差共同确定的动态门控相位补偿量，并在下一调度周期到达前更新gcl的开门、关门相位。通过上述门控方法，解决了固定相位难以跟踪跨域同步偏差、固定大冗余度压缩有效传输窗口的问题，使门控时间窗能够随报文到达时刻和估计可信度动态调整，降低时隙失配、排队积压和丢包风险，提高链路利用率。

30、第三，本技术针对自适应估计在初始化阶段残差样本不足的问题，设置由样本充足度触发的两阶段初始化机制：在k