以移动通信网络实现工业自动化的装置及其运作方法与流程

1.本发明涉及一种工业自动化的装置及其运作方法，尤指一种以移动通信网络实现工业自动化的装置及其运作方法。


背景技术：

2.随着物联网(internet of things,iot)科技开启了第四次工业革命，并从传统的工业自动化迈入以物联网为基础的高度自动化智能制造，透过自主移动机器人(autonomous mobile robot,amr)，人机协同(collaborative robot,cobot)制造，已经是未来工厂的必要建置，当现代工厂导入各式自动化联网生产设备，工厂数字化所需的网通系统需求与机具间的互联共通介面标准也将随之提高，以提供即时控制和可靠通信的系统架构。
3.而未来工厂的概念则是以智能制造为核心，并运用网络，云端计算，感测等资讯，通信技术，可实现生产制造厂域，机台与过程的即时管理(虚实整合)，其中最为重要的是物联网使用的通信环境与通信协定标准，例如当前的第4代(4g)无线存取和核心网络(如长期演进(long
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term evolution,lte))提供了简单网络架构所带来的高峰值数据传输速率，低延迟，改进的系统容量及低运行的成本，但是下一代(5g)新无线(new radio,nr)网络则可提供更高的数据传输速率和容量，同时亦可支援从人类，机器到感测器的各式通信需求，并能于保证高可靠性的同时，提供10～50毫秒(ms)的端对端(end to end,e2e)延迟及服务品质(quality of service,qos)保障。
4.开放式通信协定标准能够更容易让各种控制器，感测器及其他装置具备联网通信的能力，新世代机器人操作系统(robot operating system2,ros2)提供高效率数据互传的中介层(middleware layer)，已逐渐成为智能型机器人的应用编程接口(api)标准，并以具备高度服务品质控制能力的数据分发服务(data distribution service,dds)提供分散式/非同步数据交换机制，使未来工厂内部机具之间具有实时通信，可扩展性，高可靠数据交换与共享，高性能，互操作性及动态发现能力，例如工厂内的静态设备及移动机具，甚至人机介面及感测器等，都可以利用ros2平台导入dds发布(publish)与订阅(subscribe)机制的传输协定来进行即时相互联网与协作沟通，并将数据传送至云端运用人工智能进行存储及分析，使厂域内各式的移动机器人投产，无人机(uav)取件，自动导引车(agv)搬运物流与自动仓储等，皆于无人无线或人机协作环境下完成，借以实现各种未来工厂中智能制造的应用场景。
5.因此，dds规范定义了较为全面的与时间相关的qos管理控制策略，包括传输的频宽，传送的时延，数据的丢包率及时延抖动等，要如何把ros2平台导入的dds qos于无线通信的环境下实现最佳化，提供服务品质的保证，对网络资源进行合理的规划和分配，使网络资源得到高效的利用，又可维持整体网络效能，即为本领域长久以来欲改善的重要课题所在。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的乃于使搭配有数据分发服务的用户设备透过移动通信网络(如4g，lte或5g系统网络)进行即时相互联网与协作沟通，所述数据分发服务包括qos配置档(qos profiles)，可用以设定qos参数，且所述qos参数由所述数据分发服务透过即时发布订阅协定介面(rtps port)传送至传输量流范本(tft)或封包过滤器(packet filter)进行过滤，再透过数据机(modem)，演进封包核心(epc)或核心网络(cn)映射到移动通信网络内的各种承载或封包流(如ip封包流或qos封包流)，以实现应用相同的qos服务，于移动通信网络中可透过保证传输的频宽，降低传送的时延，降低数据的丢包率及时延抖动等措施来提高服务品质。
7.为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
8.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，于不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
9.图1为根据本发明的以移动通信网络实现工业自动化的装置及其运作方法的使用环境示意图；
10.图2为根据本发明的用户设备的架构实施例示意图；
11.图3为根据本发明的应用于4g环境的实施例示意图；
12.图4为根据本发明的qos映射于4g环境的种类及参数示意图；
13.图5为根据本发明的应用于5g环境的实施例示意图；以及
14.图6为根据本发明的用户设备的运作方法流程示意图。
15.附图标记
16.100 移动通信网络
17.200，300 用户设备
18.210 处理器
19.220 移动通信介面
20.230 输出入介面
21.240 存储介质
22.250 管理程式
23.251 操作系统
24.252 数据分发服务
25.p
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gw 网关
26.s
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gw 服务网关
27.ip flow 1～5 ip 封包流
28.sdf1～4 服务数据流范本
29.cn 核心网络
30.pdn，dn 数据封包网络
31.gnb 存取节点
32.s610～s630 步骤
具体实施方式
33.为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及其构造，绘图就本发明的较佳实施例详加说明其构造与功能如下，以使完全了解。
34.请参阅图1，图1为根据本发明实施例的以移动通信网络实现工业自动化的装置及其运作方法的使用环境示意图，其包括透过移动通信网络100通信连接的用户设备(user equipment,ue)200，300，所述用户设备200，300即实现工业自动化的装置，借此，所述用户设备200以及所述用户设备300可透过所述移动通信网络100快速进行指令或资讯的交换，并根据接收的指令进行对应的作动。此外，透过所述移动通信网络100进行通信，所述用户设备200与300之间无须透过实体缆线连接，使所述用户设备200，300不受环境限制并具有更灵活的配置以及使用方式，达到优化工业自动化的目的。
35.于一个实施例中，所述等用户设备200，300的其中一者可以机器人控制器来实现，所述等用户设备200，300的其中另一者可以机械手臂，自动导引车，加工机，智能眼镜，无人机等与所述移动通信网络100通信连接的自动化装置来实现。
36.于一个实施例中，以所述机器人控制器实现的所述自动化用户设备(例如200)可与多个自动化用户设备300通信连接，且本发明不以此为限制。
37.为了进一步说明本发明的用户设备，请参考图2，于此实施例中将以所述用户设备200为例来说明，然本发明不以此为限制。
38.所述用户设备200至少包括处理器210，移动通信介面220，至少一输出入介面230以及存储介质240，其中，所述处理器210与所述移动通信介面220，所述至少一输出入介面230以及所述存储介质240电性连接。
39.所述移动通信介面220例如为符合第四代移动通信标准，第五代移动通信标准的通信介面，以与图1所示的所述移动通信网络100通信连接。于一个实施例中，所述移动通信介面220例如以包括移动通信电路的通信晶片来实现，且本发明不以此为限制。
40.所述至少一输出入介面230用以与其他外部装置电性连接。于一个实施例中，所述至少一输出入介面230例如为强固型usb介面，pcle介面，canbus介面，di/do介面，i2c介面等，且本发明不以此为限制。本领域技术人员可根据所述用户设备200的类型以及应用领域来调整所述至少一输出入介面230的数量以及种类。
41.所述存储介质240包括所述用户设备200运作时所需的管理程式250。于本实施例中，所述管理程式250至少包括操作系统251以及数据分发服务(data distribution service，dds)252，且本发明不以此为限制，本领域技术人员可根据所述用户设备200的类型以及应用领域来增加其他应用程式。
42.于一个实施例中，所述操作系统251例如为新世代机器人操作系统(robot operating system,ros2)，且本发明不以此为限制。
43.所述数据分发服务252是位于操作系统251与应用程式(application)之间的中介
management entity,mme)进行用户数据封包承载的操作管理。eps承载(eps bearers)是lte系统中以承载作为qos控制机制下的最基本单位，每一个承载对应到一组qos参数，所述qos参数用以确保用户数据封包可于网关p
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gw经由服务网关s
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gw，存取节点(evolved node
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b，enode
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b或enb)到用户设备ue(例如：所述用户设备200)之间的传输，能符合应用服务的需求。
51.再者，eps承载结合qos参数与用户设备的ip位址(ue ip address)，并以网关p
‑
gw将下行(downlink)数据封包(如图3中ip flow 1～5)经由传输量流范本(tft)和服务数据流(service data flow,sdf)范本(如图3中sdf1～4)进行过滤(filtering)后，再映射至承载或封包流，即相同承载上的所有ip封包流(如ip flow 1～5ip封包流)将获得相同的qos服务，而不同类型的封包流则可映射至不同承载，以提供不同的qos服务，其中qos承载(bearers)包含专用承载(dedicated bearer)及预设承载(default bearer)。专用承载的qos参数依据业务(traffic)需要由所述核心网络cn配置的，给予保证位元速率(guaranteed bit rate，gbr)承载或不能保证位元速率(non
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gbr)承载，non
‑
gbr承载与gbr承载相反，即网络资源不能永久分配给特定承载，并且适用于能够忍受一定数据丢包率的服务。预设承载的qos参数则来自核心网络cn或本地配置(例如：所述用户设备200)，给予不能保证位元速率(non
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gbr)承载。
52.请同时参考图3以及图4，于4g lte系统的qos参数包含但不限于qos等级识别符(qos class identifier,qci)，存取点名称(access point name,apn)，传输量流范本(traffic flow template,tft)，分配和保持优先级(allocation and retention priority,arp)，ip位址(ip address)或其他qos参数，其中qci同时应用于gbr与non
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gbr承载，每一个qci的值定义了包含优先级(priority)，封包延迟(packet delay)及可接受的丢包率(packet loss)等指标(如第3图所示)，每一个qci的值与一个优先级相关联，优先级1为最高优先顺序，承载的qci的值决定了其于存取节点(enb)的处理策略，qos等级1
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4为保证位元速率(gbr)的服务，qos等级5
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9为不能保证位元速率(non
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gbr)的服务。
53.此外，所述用户设备200的udp/ip数据封包透过所述数据分发服务252的所述即时发布订阅协定介面rtps port将其qos参数映射到不同的eps承载来使所述eps承载应用相同的qos服务，这样的映射关系是透过传输量流范本(tft)实现的，传输量流范本包含映射到相应的eps承载所有封包过滤器(packet filters)的集合，封包过滤器可依据用户的服务数据流(sdf)范本映射到相应的承载上。所述用户设备200透过上行传输量流范本将上行数据封包映射到关联的承载上传输，而网关p
‑
gw则透过下行传输量流范本将下行数据封包映射到关联的承载上传输。封包过滤器包括来源(source)/目的地(destination)ip位址(ip address)，来源/目的地ip埠号及协定(protocol)号等内容，专有的eps承载必须有相应的传输量流范本，传输量流范本能够基于包含但不限于远端ip位址(remote ip address)，本地/远端介面的范围(local/remote port range)，协定号(protocol id)，服务类型(type of service,tos)，ipv4标头(ipv4 header)或其他属性来对数据封包进行过滤，以实现将数据分发服务的qos参数映射到4g lte系统网络内的eps承载来应用相同的qos服务的目的。
54.本发明的数据分发服务qos参数由qos配置档进行设定，若是应用于智能工厂的情境时，如固定频宽需求的aoi应用，低延迟的语音通信的智能眼镜服务与物联网控制讯号或
工具机现场生产等数据汇集应用，可进行设定的参数包含但不限于qos策略(如topic，传输优先级(transport_priority)，延迟预算(latency_budget)，持久性(durability)等)，并依据数据封包的数据分发服务的qos参数配置网络资源相对应的设置(如保证位元速率数据流，预设qos数据流(不保证位元速率数据流)，数据分发服务参与者，即时发布订阅协定介面等)，也可依实际的应用进行的调整，故于本技术以下的说明书内容中皆一起进行说明，合予陈明。
55.如图5所示，演进封包系统eps和5g系统(5g system,5gs)网络系封包交换(packet
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switched,ps)的ip网络，并以ip封包的形式发送所有数据业务，向所述用户设备200提供永久在线(always
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on)的ip连接。当所述用户设备200加入eps/5gs网络时，可向所述用户设备200分配数据封包网络pdn(dn)位址以连接到数据封包网络pdn上，而演进封包系统eps将所述用户设备200的ip存取连接(ip access connection)称为eps承载，是所述用户设备200和网关p
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gw之间的连接，且网关p
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gw系所述用户设备200的ip存取的预设网关，所以演进封包系统eps已经定义了预设eps承载来提供永久在线的ip连接。
56.然而，5g系统为了减少4g lte系统中的承载建立的讯号负担(signaling overhead)，提升qos管控精致度，故导入两阶映射，包括非接入层映射(non
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access stratum mapping，nas mapping)和接入层映射(access stratum mapping，as mapping)，基于串流建立qos机制，取消承载观念。
57.透过协定数据单元(protocol data unit，pdu)会话(pdu session)可定义所述用户设备200和数据封包网络之间的关联，其中数据封包网络pdn提供协定数据单元pdu连接服务，其包含复数qos封包流和qos规则，因此所述用户设备200基于qos规则执行用户平面功能(user plane function，upf)业务分类和标记，即ul业务和qos封包流之间的关联。
58.各qos封包流的数据封包都会有一个qos封包流识别符(qos flow id,qfi)来识别，一般对应5g qos识别符(5qi)的值。透过数据封包网络pdn向所述用户设备200发送预设qos规则以建立协定数据单元会话pdu session，并以过滤器filter将需要相同qos规则的数据封包从ip封包流(internet protocol flow,ip flow)映射到三类qos封包流，包括给予保证位元速率(guaranteed bit rate，gbr)qos封包流，延迟保证位元速率qos封包流及不能保证位元速率(non
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gbr)qos封包流。
59.于此实施例中，存取节点b(next generation node
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b，gnb)可依据无线资源状况配置将qos封包流映射到数据无线承载(data radio bearer,drb)的过程，并且要求有一条关联预设qos规则的qos封包流，于协定数据单元pdu的整个生命周期内的永久在线(always
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on)，且以non
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gbr作为qos管理。
60.于5g系统中的每一条qos封包流的qos配置档(qos profile)都会包含但不限于5g qos识别符(5g qos identifier,5qi)，分配和保持优先级(arp)，反射qos属性(reflective qos attribute,rqa)或其他qos参数，其中5qi是一个标量，用于索引一个5g qos特性，包含但不限于资源类型(如gbr或非gbr)，预设优先级，封包延迟预算(packet delay budget,pdb)，封包错误率packet error rate,per，预设最大数据突发量(default maximum data burst volume)及预设平均窗口(default averaging window)等指标，惟所述4g lte系统或5g系统中的承载，qos封包流的qos配置都会对应到一组qos参数，且所述qos参数对网络资源的分配为公知技术，并非是以此作为限制。
61.此外，所述用户设备200的udp/ip数据封包透过数据分发服务的即时发布订阅协定介面rtps port将其qos参数映射到不同的承载，ip封包流或qos封包流，以应用相同的qos服务，这样的映射关系是透过传输量流范本(tft)实现的，传输量流范本tft的packet filter可依据用户的服务数据流(sdf)范本映射到相应的承载，ip封包流或qos封包流，其中传输量流范本tft能够基于包含但不限于来源/目的地ip位址(source/destination ip address)，来源/目的地埠号(source/destination port number)，协定识别符(protocol id of the protocol above ip)，服务类型(type of service，tos)，ipv4标头(ipv4 header)或其他属性来对数据封包进行过滤，以达到将数据分发服务的qos参数映射到5g lte系统网络内的承载，ip封包流或qos封包流上应用相同的qos服务的目的。
62.由本发明的上述较佳实施例及应用方式可归纳出一以移动通信网络实现工业自动化的装置的运作方法，主要令上述所述用户设备200与所述移动通信网络100通信连接，如图6所示，所述方法包括以下步骤。
63.步骤s610：建立与数据封包网络之间的ip连接。进一步地，上述所述核心网络cn定义了数据封包网络连接，用以提供所述用户设备200与所述数据封包网络之间的ip连接。
64.步骤s620：以qos参数进行数据封包承载的管理。
65.于一个实施例中，例如为4g架构，所述用户设备200通过透过上行传输量流范本tft将上行数据封包映射到关联的承载上传输，以将其qos参数映射到关联的承载。
66.于一个实施例中，例如为5g架构，所述数据封包网络pdn提供复数qos封包流和qos规则至所述用户设备200，所述用户设备200基于qos规则执行用户平面功能的业务分类和标记。
67.步骤s630：交换数据封包。进一步地，所述用户设备200基于qos规则传送或接收数据封包。
68.借此，本发明的以移动通信网络实现工业自动化的装置可透过所述移动通信网络100传送数据封包，并以qos参数实现相同的qos服务的数据传输，以保证传输的频宽，降低传送的时延，降低数据的丢包率及时延抖动等措施来提高数据传输品质。
69.上述详细说明为针对本发明一种较佳的可行实施例说明而已，惟所述实施例并非用以限定本发明的权利要求范围，凡其他未脱离本发明所公开的技艺精神下所完成的均等变化与修饰变更，均应包含于本发明所涵盖的专利范围中。