本發(fā)明屬于工業(yè)通信，涉及一種基于時延預算與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。時間敏感網(wǎng)絡(luò)(tsn)是ieee?802.1工作組提出的一組新標準。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、維護成本高、安裝復雜等。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)應用提供了靈活、超可靠、低時延的通信服務(wù)。引入時敏通信(tsc)，提供時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)域的擴展，是滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)對高靈活性、適應性和可擴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)流進行處理。

5、(2)ue上報cqi(channel?qualityindicator，信道質(zhì)量指示)存在時延，當cqi上報時延超過信道的相干時間，將導致上報時刻的cqi與調(diào)度時的信道質(zhì)量不匹配。

6、(3)5g空口時變特性對確定性數(shù)據(jù)傳輸造成的不可控影響?？湛跁r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，導致出現(xiàn)時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、實時性、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延預算與smt的5g-tsn聯(lián)合調(diào)度方法。

2、為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于時延預算與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)拓撲、數(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預測模型，得到調(diào)度時刻cqi預測值；

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)量對應的最大重傳次數(shù)計算出5g系統(tǒng)傳輸時延預算；

10、步驟七：sdnc根據(jù)tsn交換機門控列表、5g系統(tǒng)傳輸時延預算、tsn有線鏈路傳輸時延，計算出nw-tt以及接收端tsn交換機門控列表；

11、步驟八：sdnc向兩個集中網(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，接收端tsn交換機發(fā)送門控列表。

13、進一步，步驟一所述5g-tsn組網(wǎng)架構(gòu)如下：

14、一個tsn發(fā)送端終端連接一個發(fā)送端tsn交換機，通過設(shè)備側(cè)時間敏感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器ds-tt進入5g系統(tǒng)，5g系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)時間敏感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器nw-tt連接到一個接收端tsn交換機，最后連接到一個tsn接收端終端；在軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器sdnc處進行基于時延預算與smt的5g-tsn聯(lián)合調(diào)度計算。

15、進一步，步驟二中，當發(fā)送端要向接收端發(fā)送tsn流時，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)拓撲，并將tsn的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息轉(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交換機門控周期schedcycle為流經(jīng)tsn交換機所有數(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交換機門控周期內(nèi)的傳輸時隙數(shù)量ni等于tsn交換機門控周期除以該數(shù)據(jù)流發(fā)送周期：

21、

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

23、

24、

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

26、

27、發(fā)送端側(cè)tsn域最大傳輸時延滿足：

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交換機的發(fā)送速率，dpro為tsn交換機的處理時延，rwired為有線鏈路傳輸速率；

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

31、每個端口一次只能有一個報文進入鏈路，進入同一鏈路的報文在時域上不能重疊，即數(shù)據(jù)流fi第m個數(shù)據(jù)包的發(fā)送時刻要大于等于數(shù)據(jù)流fj第(m-1)個數(shù)據(jù)包到達tsn交換機的時刻：

32、

33、

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

35、

36、8)數(shù)據(jù)流fi的數(shù)據(jù)包到達發(fā)送端tsn交換機時，傳輸時隙窗口必須在相應的調(diào)度周期內(nèi)，數(shù)據(jù)流fi的數(shù)據(jù)包到達發(fā)送端tsn交換機后，只能選擇到達時刻fi以內(nèi)的傳輸時隙窗口進行調(diào)度，確定了第一個數(shù)據(jù)包的傳輸時隙后，同一數(shù)據(jù)流中其他數(shù)據(jù)包的傳輸時隙也隨之確定，即滿足：

37、

38、

39、cnc1運行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域最大傳輸時延，修改約束條件，再次進行求解，重復此過程，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域最大傳輸時延。

42、進一步，步驟四中，cnc1將cqi歷史值帶入cqi預測模型，得到調(diào)度時刻cqi預測值；cqi預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為對應層的連接權(quán)重矩陣；選取t時刻之前共n個時刻的cqi歷史值作為樣本對cqi預測模型進行訓練；將數(shù)據(jù)流fi第m個數(shù)據(jù)包到達ue的時刻作為5g側(cè)調(diào)度時刻。

43、進一步，cqi預測模型訓練步驟如下：

44、1)將t時刻之前共n個時刻的cqi歷史值作為cqi預測模型的輸入，則其輸入矩陣為：

45、

46、2)對輸入數(shù)據(jù)進行標準化處理，使處理后的數(shù)據(jù)符合標準正態(tài)分布，即均值為0，標準差為1；根據(jù)以下公式對輸入的cqi歷史值進行標準化處理：

47、

48、其中，μ為輸入的n個時刻的cqi歷史值的平均值，σ為輸入的n個時刻的cqi歷史值的標準差；

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

50、4)根據(jù)連接權(quán)重以及神經(jīng)元的偏置計算第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)最后一個神經(jīng)元的輸出即為標準化后的調(diào)度時刻cqi預測值，對于t時刻來說，即為對其進行反標準化得到調(diào)度時刻cqi預測值cqtt，pr，反標準化公式如下：

55、

56、6)對其t時刻cqi實際值進行標準化，得到計算最終輸出的cqi預測值與cqi實際值之間的誤差，最后一個神經(jīng)元(1+2n)的誤差計算如下式所示：

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的誤差計算所得，具體的公式為：

59、ej＝oj(1-oj)∑kωj，kek

60、8)計算出隱含層所有神經(jīng)元的誤差，再進行連接權(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為學習率，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達到閾值，結(jié)束訓練；否則，迭代次數(shù)h加1，轉(zhuǎn)向步驟4)繼續(xù)使用當前樣本進行訓練，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上報時延導致的誤差，ep為cqi實際值與預測值之間的誤差，當滿足ep＜αer時結(jié)束訓練，α取0～1之間的常數(shù)；

68、將每條數(shù)據(jù)流第一個數(shù)據(jù)包到達ue的時刻作為其5g側(cè)調(diào)度時刻，選取調(diào)度時刻之前共n個時刻的cqi歷史值作為cqi預測模型的輸入，預測其調(diào)度時刻cqi，每條數(shù)據(jù)流之后的數(shù)據(jù)包調(diào)度時采用第一個數(shù)據(jù)包調(diào)度時刻的cqi預測值。

69、進一步，步驟五中，cnc1獲取到調(diào)度時刻的cqi預測值之后，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、由下式計算出數(shù)據(jù)流fi的5g超可靠低時延通信空口數(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、進一步，步驟六中，5g系統(tǒng)傳輸時延預算由數(shù)據(jù)包大小，空口傳輸速率，重傳次數(shù)，重傳時延決定，如下式所示：

75、

76、ki的值根據(jù)數(shù)據(jù)流fi調(diào)度時刻的cqi預測值設(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)度機制，考慮在滿足5g時延預算的情況下，將tsn數(shù)據(jù)流時隙規(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)流時隙規(guī)劃的結(jié)果；本發(fā)明基于5g系統(tǒng)傳輸時延預算調(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)傳輸帶來的時間抖動，從而為時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流提供確定性端到端時延保障；本發(fā)明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測cqi方法，根據(jù)系統(tǒng)中已獲得的cqi歷史值來預測調(diào)度時刻的當前cqi值，減少cqi上報時延帶來的影響。

79、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，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)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。