一种5G和TSN融合网络流调度框架与资源分配方法与流程

一种5g和tsn融合网络流调度框架与资源分配方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，涉及一种5g和tsn融合网络流调度框架与资源分配方法。


背景技术：

2.传统工业自动化系统通过有线网络实现低延迟高可靠的通信要求，时间敏感网络(tsn)是一种新的解决现有工业以太网技术跨域灵活性的方法，它基于标准以太网进一步增强了时间同步、确定性流调度和高可靠无缝冗余等功能，为端到端数据传输提供了高可靠，确定性有界低时延、低抖动的服务保证。另外，tsn支持根据拓扑和通信要求进行高度灵活的配置，可以为所有基于以太网的通信提供一个统一的工业网络。然而随着无线网络，尤其是5g网络的快速发展，为满足工业互联网中设想的高度灵活的网络系统要求，使用5g网络作为tsn在无线域上的扩展是一个很有前途的方法，无线通信实现了更高的灵活性和模块化，并进一步实现了涉及例如移动车辆、自动导向车辆(agv)或移动控制台等移动设备的情况。目前，5g和tsn主要的融合方案是将5g网络作为tsn的逻辑网桥，即5g网络作为tsn在无线网络的扩展。这种扩展的融合网络可以为工业场景带来很多优势，无线通信带来的高灵活性优势使得工业网络可以支持移动设备和用例，并且由于网络融合的统一管控，可以简化配置和维护，带来更好的垂直融合和模块化。
3.半持续调度(semi-persistent scheduling,sps)技术的预分配方案是一种很有前途的降低接入时延的方法。在半持续调度(sps)中，gnb通过一个包含初始控制命令的包为ue配置周期性的时频资源，资源分配所需的命令的数量大大减少，因此可以显著减少控制信道的开销、对准时间、传输时间和处理时间。工业互联网中，大规模机器设备的高密度和移动性要求频繁的资源分配请求，这会成为中心基站的重负载，并且导致网络拥塞以及较大的信令和处理延迟，严重抵消5g标准中超低时延优化的好处，并危及安全应用的有效性。与动态调度相比，sps具有更高的计算效率，可显著降控制信道的负载。sps最初是为提高voip(voice over internet protocol)服务qos而设计的，因为它们的传输速率通常是固定的，并且是已知的，所以可以对其进行完美的调度。目前工业场景下5g和tsn融合流调度主要存在以下几个问题：
4.业务qos需求保证：来自tsn网络的流量可能包含多种业务类型，一般可分为时延敏感流量和非时延敏感流量，它们都具有不同的qos要求。从tsn传输到达的各种业务的分组由tsn转换器进入5g系统，其中控制、同步、循环业务流对时延和抖动要求最为敏感，具有最高优先级和关键程度，配置诊断、音视频和尽力而为(best effort,be)业务类型具有较低的优先级和关键程度，且对时延和抖动的要求较低。如何保证不同业务类型的流量及时转发和处理以及避免与其他业务流量的冲突是一个重要的问题。
5.时间敏感流量的时延保证：tsn网络为工业应用提供了毫秒级甚至更低的确定性低时延服务，为时延敏感流量提供了数据传输保证。虽然5g系统的超可靠低时延通信(urllc)框架支持延迟要求低至1ms的实时应用，然而由于无线信道的时变行为，无线系统
中的调度通常比有线系统更复杂，并且蜂窝网络中传统动态接入方案由于其复杂的“调度请求-调度授权(sr-sg)”信令过程而不能保证严格的及时性。因此如何在5g无线系统中保证时延敏感流量的低时延要求是一个重要的问题。
6.资源分配公平性保证：虽然sps可以大量较少控制信令的开销并有效降低时延，但是与voip中的流量传输速率固定且已知不同，工业互联网中的流量可能包含多种业务类型，具有多种不同qos需求的流量在工业上通常是零散、可变的，如果将传统的sps直接应用于面向工业互联网的5g和tsn融合网络中的上行链路调度而不进行改进，则接入延迟将以牺牲频谱利用率为代价而降低。另外，对于可变比特率(vbr)流量，不足的rbs分配会导致更长的时延，过多的rbs会导致无线资源浪费。传统的静态资源分配算法不能充分利用负载较小的5gan资源，使其他qos流的传输时延不断增大，导致网络吞吐量逐渐减小。动态资源分配算法中ue通过向基站请求动态调整权值并分配无线资源进行数据传输，若不考虑各用户的实际资源分配需求，无法实现资源分配的公平性，造成带宽的浪费。因此需要一种合理的资源分配机制，保证带宽资源的公平分配。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种5g和tsn融合网络流调度框架与资源分配方法，能够保证5g和tsn融合网络流调度时高优先级流量的端到端低时延，以及带宽资源分配的公平性等性能。
8.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一方面，本发明提供一种5g(包括同时使用授权频带与非授权频带的5g-u)和tsn(time-sensitive networking)融合网络流调度框架，包括tsn网络集中式网络配置(cnc)模块、5g网络应用功能(af)模块、策略控制功能(pcf)模块、会话管理功能(smf)模块以及tsn转换器；5g网络作为tsn网络中的逻辑网桥，通过af获得来自tsn业务流量的qos信息，发送给pcf模块并由pcf映射到5g qos框架，生成5qi映射表和相应的转发控制规则，然后smf根据接收到的转发控制规则将配置信息发送给ran(radio accessnetwork)以实现资源分配；所述tsn转换器包括网络侧转换器(nw-tt)和设备侧转换器(ds-tt)，作为5g和tsn网络的逻辑端口，实现5g系统和tsn网络的适配。
10.进一步，包括tsn到5g业务流的qos的特征映射过程，具体为：在控制平面，5g系统通过tsn af功能与tsn cnc通信，完成网络配置、管理信息的映射和互通，获得来自tsn网络的流量的qos参数，包括延迟要求、数据包大小及优先级三种qos特性并将其发送给pcf；pcf根据获得的qos特征参数，参照3gpp 5qi标准化qos特征映射表，将来自tsn的qos流映射到满足其流量特征的相应的5qi值，进而生成5qi映射表，并发送给smf以配置5g系统内qos流的调度；在数据平面，来自tsn的qos流通过tsn转换器(nw-tt/ds-tt)传输到5g系统，并根据pcf提供的映射配置转发控制规则，建立相应的5g系统内的qos流；对于不同类型的qos流，对其配置相应的5qi，从而在5gs内进行转发处理。
11.更进一步，对于8种类型的tsn qos流，关键程度最高的5种qos流(优先级值7～3)的数据传输保证都有较高的时延要求，对于这些tsn流量，映射到延迟关键gbr类型的5qi；由于配置和诊断类型的tsn流量需要带宽保证且gbr类型保证pdu会话的带宽，因此该类型流量应映射到gbr类型的5qi；对于音视频和尽力而为类型的tsn流量，其关键度低且不要求
带宽保证，映射到non-gbr类型5qi；进而考虑qos流的延迟要求、数据包大小及优先级流量特性，得到静态映射的5qi映射表。
12.另一方面，本发明提供一种5g和tsn融合网络流调度资源分配方法，5g pcf根据映射后5g qos框架下的5qi映射表生成相应的转发控制规则并发送给smf；5g smf功能将调度转发控制规则提供给ran，进而ran根据每个qos流的需求和特性分配资源块；完成资源分配后qos流使用分配的资源块完成数据传输。
13.进一步，根据流量类型和优先级使用混合静态和动态资源分配的半持续调度机制，并结合基于最大最小公平分配(max-min fairness，mmf)的动态资源分配算法为每个qos流分配无线资源块。
14.进一步，本方法具体包括以下步骤：
15.步骤一：来自tsn的qos流经过tsn转换器传输到5g系统，根据5g的tsn af功能获取来自tsn流量的相关qos信息，由pcf转换到5g系统的qos框架，生成5qi映射表，得到5g qos框架下的流量qos信息，并生成qos流的转发控制规则；
16.步骤二：5g基站根据映射得到的5qi映射表和转发控制规则识别qos流的流量类型和关键程度，采用混合静态和动态资源分配的半持续调度机制进行资源分配；对于时延敏感的确定性周期流量(time-sensitive deterministic periodic flow，ts-dpf)预先持续静态分配一定数量的资源块进行数据传输以确保其调度的低时延，其他类型流量通过动态资源分配获得无线资源块；
17.步骤三：计算持续预分配的资源块是否满足持续静态分配资源流量的资源需求，若满足，将这部分不请求动态资源分配的qos流集合放入若不满足，qos流需要从基站请求动态资源，请求动态资源分配的qos流集合为v，并计算需要的动态资源块；
18.步骤四：对于集合v中需要动态分配资源的qos流，基于最大最小公平分配算法，根据流量优先级函数求得每条qos流资源分配权重，然后根据权重为每条qos流动态分配剩余的资源块；若分配的资源块满足流量的资源需求，则将多于流量资源需求的资源块回收，并将其从集合v中移除；若分配的资源块不满足资源需求，则转入步骤五；
19.步骤五：计算上一步分配后剩余可用于动态分配的资源块数量，并更新需要请求动态资源的集合v，返回步骤四；直到所有的qos流分得满足资源需要的资源块或剩余可分配的资源块耗尽，结束动态资源分配。
20.本发明的有益效果在于：
21.1)本发明可以降低时延敏感流量的平均端到端时延。采用本方案对融合网络的平均端到端时延进行仿真分析，与现有基于动态调度的资源分配方案相比，本发明对时延敏感流量的调度平均端到端时延更小，同时与现有基于静态调度的资源分配方案相比，本发明调度的成功率更高。
22.2)本发明可以提高调度的资源利用率。采用本方案对网络的资源利用率进行仿真分析，与现有的静态资源分配方案相比，在牺牲少量的端到端时延性能下，提高了整个网络的资源利用率，提高了整个系统的吞吐量；同时与现有的动态调度相比，本发明减少了控制信令的开销，且显著降低了计算成本。
23.3)本发明可以提高流调度的公平性。使用混合静态和动态资源分配的半持续调度机制并结合基于最大最小公平分配算法的动态资源分配算法，不仅保证了时延敏感流量的
确定性传输，也充分考虑了其他流量的数据传输机会和qos要求，与现有方案相比，能有效防止带宽滥用与饿死问题，提高网络带宽分配的公平性。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
26.图1为本发明采用的5g和tsn融合网络架构；
27.图2为基于半持续调度的5g和tsn融合网络流调度资源分配流程示意图；
28.图3为本实施例的工作状态示意图；
29.图4为本方案与静态调度方案和动态调度方案的网络资源利用率结果图；
30.图5为本方案与静态调度方案和动态调度方案的平均端到端时延时延结果图。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
33.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
34.一种5g和tsn(time-sensitive networking)融合网络流调度框架与资源分配方法，如图1所示，包括面向工业互联网的5g与tsn融合网络架构，包括tsn网络cnc模块；5g网络af模块、pcf模块、smf模块以及tsn转换器。其中5g网络作为tsn网络中的逻辑网桥，由af获得来自tsn业务流量的qos信息并进行分析，发送给pcf模块并由pcf映射到5g qos框架，生成5qi映射表和相应的转发控制机制，然后smf根据接收到的转发控制机制将配置信息发送给ran以实现资源分配；tsn转换器包括nw-tt和ds-tt作为5g和tsn网络的逻辑端口，实现
5g系统和tsn网络的适配。
35.包括tsn到5g的qos流的特征映射过程，具体为：在控制平面，5g系统通过tsn af功能与tsn cnc通信，完成网络配置、管理信息的映射和互通，获得来自tsn网络的流量的qos参数，主要包括延迟要求、数据包大小及优先级三种qos特性并将其发送给pcf；pcf根据获得的qos特征参数，参照3gpp 5qi标准化qos特征映射表，将来自tsn的qos流映射到满足其流量特征的相应的5qi值，进而生成5qi映射表，并发送给smf以配置5g系统内qos流的调度。在数据平面，来自tsn的qos流通过tsn转换器(nw-tt/ds-tt)传输到5g系统，并根据pcf提供的映射配置转发控制机制，建立相应的5g系统内的qos流。对于不同类型的qos流，对其配置相应的5qi，从而在5gs内进行转发处理。
36.对于8种类型的tsn qos流，关键程度最高的5种qos流(优先级值7～3)的数据传输保证都有较高的时延要求，因此对于这些tsn流量，映射到延迟关键gbr类型的5qi；由于配置和诊断类型的tsn流量需要带宽保证且gbr类型保证pdu会话的带宽，因此该类型流量应映射到gbr类型的5qi；对于音视频和尽力而为类型的tsn流量，它们关键度低且不要求带宽保证，映射到non-gbr类型5qi。进而考虑qos流的延迟要求、数据包大小及优先级流量特性，得到静态映射的5qi映射表如表1所示：
37.表1 tsn到5g的qos映射
[0038][0039]
5g系统考虑不同流量的qos需求，采用混合静态和动态资源分配的半持续调度机制，同时使用基于最大最小公平分配(max-min fairness,mmf)的动态资源分配算法，实现对时延敏感流量的确定性低时延调度。该方案(sps mmf)的目标是保证高优先级时延敏感流量的端到端低时延调度，为各个qos流公平地分配网络资源，从而避免网络发生碰撞，提高网络的吞吐量，并实现资源调度在低延迟和频谱效率之间的合理权衡。
[0040]
本发明还提供一种5g和tsn融合网络流调度资源分配方法，具体为：5g pcf根据映射后5g qos框架下的5qi映射表生成相应的转发控制机制并发送给smf；5g smf功能将调度转发控制机制提供给ran，进而ran根据每个qos流的需求和特性分配资源块；完成资源分配后qos流使用分配的资源块完成数据传输。
[0041]
5g和tsn融合网络流调度资源分配方法根据流量类型和优先级使用混合静态和动态资源分配的半持续调度机制，并结合基于最大最小公平分配(max-min fairness，mmf)的动态资源分配算法为每个qos流分配无线资源块。
[0042]
该方案具体步骤如图2：
[0043]
步骤201，ds-tt将qos流从tsn网络传输到5g系统，5g的tsn af功能获取qos流的统计特征信息识别流量的类型和相关qos信息，将其转换到5g系统的qos框架，得到5g qos框架下的流量qos信息；随后qos流流缓存到tsn转换器的队列中等待调度。
[0044]
步骤202，gnb根据5qi映射表得到5qi、流量类型等qos信息，识别qos流的流量类型和关键程度，判断其是否为周期性时延敏感流量，并采用混合静态和动态资源分配的半持续调度机制，对于ts-dpf预先持续静态分配一定数量的资源块进行数据传输以确保其调度的低时延，其他类型流量通过动态资源分配获得无线资源。
[0045]
步骤203，计算持续预分配的资源块是否满足持续静态分配资源流量的资源需求，若满足，则qos流可直接使用预分配的资源块进行数据传输；若不满足，qos流需要计算需要的动态资源块，并从gnb请求动态资源。
[0046]
步骤204，对于所有需要动态分配资源的qos流，基于最大最小公平分配算法根据流量优先级函数求得每条qos流资源分配权重，然后根据权重为每条qos流动态分配剩余的资源块。判断分配的资源块是否满足qos流的资源需求，若满足，则将多余流量资源需求的资源块回收，qos流可使用分配的资源进行数据传输；若不满足资源需求，则利用剩余rb继续分配无线资源，直到可用rb耗尽。
[0047]
步骤205，在资源分配算法运行结束后，gnb向ue发送“授权消息”，授权消息中包含了本周期内的资源分配结果。
[0048]
步骤206，gnb更新各ue qos流资源请求消息，进行资源分配结果的更新。
[0049]
非ts-dpf的动态资源分配采用基于最大最小公平分配算法的动态资源分配算法，通过该算法，网络资源会公平地分配给需要通信的各个qos流。其中网络资源按照流量流量的优先级进行分配，并限制每个qos流获得的资源小于等于其请求的资源，未得到满足的qos流继续分享剩余的无线资源，因此对于整个网络的qos流，可实现网络带宽分配的公平性，防止带宽滥用与饿死。
[0050]
下文中将结合附图3对本发明中5g和tsn融合网络流调度框架与资源分配方法的上行链路资源分配在多个周期内的实施进行详细说明。在该实施例中，5g和tsn网络通过tsn转换器和tsn af功能进行互联。当网络开始运行后，tsn af功能首先对来自tsn的流量特性进行分析，包括流量的字节大小、优先级、时延要求等特征信息，然后将其发送给5g pcf功能将qos信息映射到5g qos框架生成5qi映射表和qos流转发控制策略，识别其是时延敏感的确定性周期流还是非时延敏感的qos流，并发送给5g smf功能建立对qos流的配置和管理，然后将流量缓存到ue中。gnb实施混合静态和动态资源分配的半持续调度机制，接收到来自ue的调度资源请求信息后判断是否为时延敏感的确定性周期流，若为ts-dpf，则为其持续预分配固定时频资源块，然后运行基于最大最小公平分配的动态分配算法为不满足资源需求的ts-dpf和非ts-dpf流动态分配ran资源；在完成各传输时间间隔(tti)内的资源分配后，向ue发送授权消息，告知该周期内的资源分配结果，ue发送当前自身节点的缓存信息。gnb在收到ue节点的调度请求后，更新所有ue的缓存队列长度，并重复以上的资源分配过程。
[0051]
本实例展现了多个周期内的5g和tsn融合网络流调度框架与资源分配方案的上行链路资源分配实施过程。
[0052]
本发明“一种5g和tsn融合网络流调度框架与资源分配方法”中的资源分配与传统
的基于sps的5g网络资源分配方案不同。传统的基于sps的网络资源分配机制多通过各业务流量的权重因子进行动态的带宽分配，未考虑不同流量的qos需求的差异性，不能保证工业场景下高优先级时延敏感流量的确定性低时延传输和防止带宽滥用与饿死问题。采用5g和tsn融合网络流调度框架与资源分配方法，通过该方案实现5g和tsn融合网络流调度中高优先级流量的端到端低时延保证和带宽资源分配的公平性。本发明与传统的5g网络资源分配调度方案相比，具有以下优势：
[0053]
1)本发明可以提高流量调度的资源利用率，对本发明中的资源分配机制方案仿真和网络资源利用率的数值分析。如图4所示，随着网络负载(即qos流的个数)的增加，静态调度(ss)方案、动态调度(ds)方案以及sps mmf方案中网络资源利用率都不断增大，且sps mmf方案几乎与ds方案的资源利用率一样高，并且相比动态调度，本方案可以保证每个qos流公平的分配到资源，有效防止带宽滥用和饿死问题。同时与现有的静态调度(ss)方案相比，本发明的网络资源利用率更高，并且网络负载在200以上(即网络负载较大)时，sps mmf和ds方案的资源利用率优势更加明显。因此本发明在提高网络资源利用率表现上更具优势，提高了系统整体的吞吐量。
[0054]
本发明可以降低qos流调度的平均端到端时延，对本发明中的资源分配方案进行仿真和平均端到端时延的数值分析，与现有的动态调度(ds)方案相比，本发明的qos流调度的平均端到端时延更小，尤其是保障了时延敏感流量的端到端时延。如图5所示，随着网络负载增加，ss方案、ds方案以及sps mmf方案中的平均端到端时延都不断增大，由于sps mmf方案中通过sps调度节省了时延敏感流量的调度请求-调度授权(sr-sg)过程，其平均端到端时延相比ds方案要更小。相比ss方案，由于牺牲少量端到端时延提高资源利用率，其端到端时延比ss方案稍多，但sps mmf方案在各种流量负载下仍可实现小于4ms的上行链路时延，可满足tsn网络及urllc应用的极低时延要求。因此本发明具有良好的平均端到端时延性能，可实现确定性低时延的调度。
[0055]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。