本發(fā)明屬于工業(yè)通信，涉及一種基于時(shí)延預(yù)算與smt的5g-tsn聯(lián)合調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)通信技術(shù)和系統(tǒng)越來越受到產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(如profinet、ethercat、sercos?iii等)缺乏開放性和互操作性。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(tsn)是ieee?802.1工作組提出的一組新標(biāo)準(zhǔn)。它為工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸提供確定性有界低延遲、高可靠性和跨域靈活性。然而，tsn存在有線傳輸固有的問題，如覆蓋范圍有限、維護(hù)成本高、安裝復(fù)雜等。它不能滿足新興工業(yè)用例所要求的靈活性。

2、5g為未來的工業(yè)應(yīng)用提供了靈活、超可靠、低時(shí)延的通信服務(wù)。引入時(shí)敏通信(tsc)，提供時(shí)延和可靠性的性能保證。因此，利用5g網(wǎng)絡(luò)作為tsn在無線領(lǐng)域的擴(kuò)展，是滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)對高靈活性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性通信需求的一種很有前景的解決方案。

3、在5g-tsn聯(lián)合調(diào)度方面，目前主要存在三個(gè)問題：

4、(1)不同數(shù)據(jù)流在5g中所分配的無線資源不同，如何根據(jù)數(shù)據(jù)流無線資源在tsn域?qū)?shù)據(jù)流進(jìn)行處理。

5、(2)ue上報(bào)cqi(channel?qualityindicator，信道質(zhì)量指示)存在時(shí)延，當(dāng)cqi上報(bào)時(shí)延超過信道的相干時(shí)間，將導(dǎo)致上報(bào)時(shí)刻的cqi與調(diào)度時(shí)的信道質(zhì)量不匹配。

6、(3)5g空口時(shí)變特性對確定性數(shù)據(jù)傳輸造成的不可控影響?？湛跁r(shí)變特性可能會造成數(shù)據(jù)包順序紊亂以及數(shù)據(jù)包丟失的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)時(shí)延抖動以及接收端收到數(shù)據(jù)不完整等問題。

7、目前，針對5g與tsn聯(lián)合調(diào)度算法、協(xié)同傳輸機(jī)制層面的研究則相對缺乏，5g與tsn已有的方法沒有結(jié)合5g、tsn自身的特性(數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、實(shí)時(shí)性、可靠性、低延遲等要求)，直接采用已有的方法不能滿足5g-tsn的諸多需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于時(shí)延預(yù)算與smt的5g-tsn聯(lián)合調(diào)度方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于時(shí)延預(yù)算與smt的5g-tsn聯(lián)合調(diào)度方法，包括以下步驟：

4、步驟一：根據(jù)5g-tsn組網(wǎng)架構(gòu)搭建場景；

5、步驟二：軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器sdnc獲取tsn網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)流信息、5g無線信道信息；

6、步驟三：集中網(wǎng)絡(luò)配置cnc確定調(diào)度約束條件，帶入smt求解器求出發(fā)送端側(cè)tsn交換機(jī)以及ds-tt門控列表；

7、步驟四：第一集中網(wǎng)絡(luò)配置cnc1將cqi歷史值帶入cqi預(yù)測模型，得到調(diào)度時(shí)刻cqi預(yù)測值；

8、步驟五：sdnc根據(jù)cqi與調(diào)制與編碼策略mcs的映射表和傳輸塊大小tbs與mcs的映射表將信道質(zhì)量映射為空口傳輸速率；

9、步驟六：sdnc根據(jù)設(shè)定的信道質(zhì)量對應(yīng)的最大重傳次數(shù)計(jì)算出5g系統(tǒng)傳輸時(shí)延預(yù)算；

10、步驟七：sdnc根據(jù)tsn交換機(jī)門控列表、5g系統(tǒng)傳輸時(shí)延預(yù)算、tsn有線鏈路傳輸時(shí)延，計(jì)算出nw-tt以及接收端tsn交換機(jī)門控列表；

11、步驟八：sdnc向兩個(gè)集中網(wǎng)絡(luò)配置cnc1，cnc2發(fā)送調(diào)度列表配置信息；

12、步驟九：cnc1，cnc2分別向發(fā)送端tsn交換機(jī)，接收端tsn交換機(jī)發(fā)送門控列表。

13、進(jìn)一步，步驟一所述5g-tsn組網(wǎng)架構(gòu)如下：

14、一個(gè)tsn發(fā)送端終端連接一個(gè)發(fā)送端tsn交換機(jī)，通過設(shè)備側(cè)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器ds-tt進(jìn)入5g系統(tǒng)，5g系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器nw-tt連接到一個(gè)接收端tsn交換機(jī)，最后連接到一個(gè)tsn接收端終端；在軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器sdnc處進(jìn)行基于時(shí)延預(yù)算與smt的5g-tsn聯(lián)合調(diào)度計(jì)算。

15、進(jìn)一步，步驟二中，當(dāng)發(fā)送端要向接收端發(fā)送tsn流時(shí)，集中網(wǎng)絡(luò)配置cnc1、cnc2根據(jù)鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議lldp發(fā)現(xiàn)tsn的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并將tsn的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑥D(zhuǎn)發(fā)到sdnc；終端設(shè)備通過用戶配置協(xié)議將每條數(shù)據(jù)流的發(fā)送周期、數(shù)據(jù)幀的大小、優(yōu)先級和對時(shí)延的要求信息發(fā)送給集中式用戶配置器，集中式用戶配置器通過用戶網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)流信息發(fā)送到cncl、cnc2，cnc1、cnc2將數(shù)據(jù)流信息轉(zhuǎn)發(fā)到sdnc。

16、進(jìn)一步，步驟三中，cnc1向smt求解器添加約束條件，對變量的取值范圍進(jìn)行約束，使其滿足網(wǎng)絡(luò)資源的限制及數(shù)據(jù)流的傳輸質(zhì)量需求，約束條件如下：

17、1)tsn交換機(jī)門控周期schedcycle為流經(jīng)tsn交換機(jī)所有數(shù)據(jù)流發(fā)送周期的最小公倍數(shù)：

18、

19、其中，f表示流經(jīng)tsn交換機(jī)的數(shù)據(jù)流集合，ti表示數(shù)據(jù)流fi的周期，lcm表示取括號中所有元素的最小公倍數(shù)；

20、2)數(shù)據(jù)流i在tsn交換機(jī)門控周期內(nèi)的傳輸時(shí)隙數(shù)量ni等于tsn交換機(jī)門控周期除以該數(shù)據(jù)流發(fā)送周期：

21、

22、3)數(shù)據(jù)流fi第m個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)刻要在第m-1個(gè)發(fā)送周期和第m個(gè)發(fā)送周期之間，數(shù)據(jù)流fi連續(xù)發(fā)送的兩個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)刻之間的時(shí)間差等于發(fā)送周期：

23、

24、

25、4)數(shù)據(jù)流fi的每個(gè)數(shù)據(jù)包必須在發(fā)送端側(cè)tsn域最大傳輸時(shí)延之內(nèi)被ds-tt接收：

26、

27、發(fā)送端側(cè)tsn域最大傳輸時(shí)延滿足：

28、

29、其中，ni,priority為優(yōu)先級大于等于數(shù)據(jù)流fi的數(shù)據(jù)流數(shù)量，li為數(shù)據(jù)流fi數(shù)據(jù)包大小，rtsn為tsn交換機(jī)的發(fā)送速率，dpro為tsn交換機(jī)的處理時(shí)延，rwired為有線鏈路傳輸速率；

30、5)tsn交換機(jī)的門控周期內(nèi)傳輸時(shí)隙不可重疊，即數(shù)據(jù)流fi的一個(gè)傳輸時(shí)隙的開啟時(shí)刻要大于等于數(shù)據(jù)流fj的一個(gè)傳輸時(shí)隙的結(jié)束時(shí)刻或結(jié)束時(shí)刻小于等于數(shù)據(jù)流fj的一個(gè)傳輸時(shí)隙的開始時(shí)刻：

31、每個(gè)端口一次只能有一個(gè)報(bào)文進(jìn)入鏈路，進(jìn)入同一鏈路的報(bào)文在時(shí)域上不能重疊，即數(shù)據(jù)流fi第m個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)刻要大于等于數(shù)據(jù)流fj第(m-1)個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)tsn交換機(jī)的時(shí)刻：

32、

33、

34、7)數(shù)據(jù)包必須在相應(yīng)的傳輸時(shí)隙窗口內(nèi)傳輸，數(shù)據(jù)流fi在發(fā)送端tsn交換機(jī)門控周期內(nèi)第m個(gè)傳輸時(shí)隙的開啟時(shí)刻不能大于報(bào)文開始傳輸?shù)臅r(shí)間，傳輸時(shí)隙的結(jié)束時(shí)間不能小于數(shù)據(jù)包結(jié)束傳輸?shù)臅r(shí)刻：

35、

36、8)數(shù)據(jù)流fi的數(shù)據(jù)包到達(dá)發(fā)送端tsn交換機(jī)時(shí)，傳輸時(shí)隙窗口必須在相應(yīng)的調(diào)度周期內(nèi)，數(shù)據(jù)流fi的數(shù)據(jù)包到達(dá)發(fā)送端tsn交換機(jī)后，只能選擇到達(dá)時(shí)刻fi以內(nèi)的傳輸時(shí)隙窗口進(jìn)行調(diào)度，確定了第一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)隙后，同一數(shù)據(jù)流中其他數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)隙也隨之確定，即滿足：

37、

38、

39、cnc1運(yùn)行smt求解器，在求解空間中依次嘗試變量所有可能的取值，若第一輪求解未搜索到可行解，則返回不可調(diào)度信息；若搜索到可行解，則減少每條數(shù)據(jù)流發(fā)送端側(cè)tsn域最大傳輸時(shí)延，修改約束條件，再次進(jìn)行求解，重復(fù)此過程，直到無法搜索到可行解，輸出上一次求解結(jié)果；發(fā)送端側(cè)tsn域最大傳輸時(shí)延調(diào)整如下：

40、

41、其中為數(shù)據(jù)流fi第j次求解的發(fā)送端側(cè)tsn域最大傳輸時(shí)延。

42、進(jìn)一步，步驟四中，cnc1將cqi歷史值帶入cqi預(yù)測模型，得到調(diào)度時(shí)刻cqi預(yù)測值；cqi預(yù)測模型使用前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層、輸出層構(gòu)成，w1，w2為對應(yīng)層的連接權(quán)重矩陣；選取t時(shí)刻之前共n個(gè)時(shí)刻的cqi歷史值作為樣本對cqi預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練；將數(shù)據(jù)流fi第m個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)ue的時(shí)刻作為5g側(cè)調(diào)度時(shí)刻。

43、進(jìn)一步，cqi預(yù)測模型訓(xùn)練步驟如下：

44、1)將t時(shí)刻之前共n個(gè)時(shí)刻的cqi歷史值作為cqi預(yù)測模型的輸入，則其輸入矩陣為：

45、

46、2)對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使處理后的數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1；根據(jù)以下公式對輸入的cqi歷史值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

47、

48、其中，μ為輸入的n個(gè)時(shí)刻的cqi歷史值的平均值，σ為輸入的n個(gè)時(shí)刻的cqi歷史值的標(biāo)準(zhǔn)差；

49、3)初始化w1，w2，每兩個(gè)神經(jīng)元之間的連接權(quán)重ωi，j的值初始化為-1.0～1.0之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，每個(gè)神經(jīng)元的偏置θi也初始化為-1.0～1.0之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)；

50、4)根據(jù)連接權(quán)重以及神經(jīng)元的偏置計(jì)算第1層，第2層神經(jīng)元的輸入與輸出，由以下公式得出：

51、

52、激活函數(shù)采用logistic函數(shù)，則神經(jīng)元輸出為：

53、

54、5)最后一個(gè)神經(jīng)元的輸出即為標(biāo)準(zhǔn)化后的調(diào)度時(shí)刻cqi預(yù)測值，對于t時(shí)刻來說，即為對其進(jìn)行反標(biāo)準(zhǔn)化得到調(diào)度時(shí)刻cqi預(yù)測值cqtt，pr，反標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

55、

56、6)對其t時(shí)刻cqi實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到計(jì)算最終輸出的cqi預(yù)測值與cqi實(shí)際值之間的誤差，最后一個(gè)神經(jīng)元(1+2n)的誤差計(jì)算如下式所示：

57、

58、7)得到的誤差需要從后向前傳播，前面一層神經(jīng)元j的誤差可以通過和它連接的后面一層的所有神經(jīng)元k的誤差計(jì)算所得，具體的公式為：

59、ej＝oj(1-oj)∑kωj，kek

60、8)計(jì)算出隱含層所有神經(jīng)元的誤差，再進(jìn)行連接權(quán)重ωi，j與神經(jīng)元偏置θi調(diào)整，調(diào)整公式如下：

61、ωi，j＝ωi，j+(l)oiej

62、θj＝θj+(l)ej

63、其中，l為學(xué)習(xí)率，設(shè)置為0～1之間的常數(shù)；調(diào)整完成后，如果最終輸出誤差小于可接受范圍或迭代次數(shù)h達(dá)到閾值，結(jié)束訓(xùn)練；否則，迭代次數(shù)h加1，轉(zhuǎn)向步驟4)繼續(xù)使用當(dāng)前樣本進(jìn)行訓(xùn)練，誤差接收范圍由以下公式確定：

64、

65、ep＝|cqit-cqtt，pr|

66、ep＜αer

67、其中，er為由于cqi上報(bào)時(shí)延導(dǎo)致的誤差，ep為cqi實(shí)際值與預(yù)測值之間的誤差，當(dāng)滿足ep＜αer時(shí)結(jié)束訓(xùn)練，α取0～1之間的常數(shù)；

68、將每條數(shù)據(jù)流第一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)ue的時(shí)刻作為其5g側(cè)調(diào)度時(shí)刻，選取調(diào)度時(shí)刻之前共n個(gè)時(shí)刻的cqi歷史值作為cqi預(yù)測模型的輸入，預(yù)測其調(diào)度時(shí)刻cqi，每條數(shù)據(jù)流之后的數(shù)據(jù)包調(diào)度時(shí)采用第一個(gè)數(shù)據(jù)包調(diào)度時(shí)刻的cqi預(yù)測值。

69、進(jìn)一步，步驟五中，cnc1獲取到調(diào)度時(shí)刻的cqi預(yù)測值之后，將其上傳sdnc，sdnc根據(jù)cqi與mcs的映射表，得到數(shù)據(jù)流fi的調(diào)制與編碼策略索引mcsindexi，再根據(jù)tbs與mcs的映射表，得到數(shù)據(jù)流fi的傳輸塊大小tbsi；由下式計(jì)算出分配給數(shù)據(jù)流fi的rb(resourceblock，資源塊)數(shù)目nrbi：

70、

71、由下式計(jì)算出數(shù)據(jù)流fi的5g超可靠低時(shí)延通信空口數(shù)據(jù)傳輸速率

72、

73、其中，brb為資源塊頻帶寬度，ptx為發(fā)射功率，n0為單邊噪聲譜密度，g為路徑損耗，全部都取固定值，只考慮cqi的影響。

74、進(jìn)一步，步驟六中，5g系統(tǒng)傳輸時(shí)延預(yù)算由數(shù)據(jù)包大小，空口傳輸速率，重傳次數(shù)，重傳時(shí)延決定，如下式所示：

75、

76、ki的值根據(jù)數(shù)據(jù)流fi調(diào)度時(shí)刻的cqi預(yù)測值設(shè)置，如下式所示：

77、

78、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于smt的流量調(diào)度機(jī)制，考慮在滿足5g時(shí)延預(yù)算的情況下，將tsn數(shù)據(jù)流時(shí)隙規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為約束滿足問題，通過使用smt求解器求解，得到數(shù)據(jù)流時(shí)隙規(guī)劃的結(jié)果；本發(fā)明基于5g系統(tǒng)傳輸時(shí)延預(yù)算調(diào)節(jié)方法，分析不同信道質(zhì)量與最大重傳次數(shù)的關(guān)系，消除數(shù)據(jù)包在5g系統(tǒng)傳輸帶來的時(shí)間抖動，從而為時(shí)間觸發(fā)業(yè)務(wù)流提供確定性端到端時(shí)延保障；本發(fā)明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測cqi方法，根據(jù)系統(tǒng)中已獲得的cqi歷史值來預(yù)測調(diào)度時(shí)刻的當(dāng)前cqi值，減少cqi上報(bào)時(shí)延帶來的影響。

79、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。