一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法及装置

技术领域

本发明涉及工业网络技术领域，特别是指一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法及装置。

背景技术

时间敏感网络(TSN, Time Sensitive Networking)常应用在工业互联网领域，由于工业现场网络传输的低时延要求和高可靠性要求，使得时间敏感网络成为该领域的研究热点之一。时间敏感网络具有确定时延保障和多业务承载能力，可用于实时确定性的、一定范围内的、低时延的工业通信，具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能，也具有低抖动和极低数据包丢失率的功能，从而使得以太网能适用于高可靠性和低时延要求的时间敏感型应用场景。5G网络的R16标准定义了5G-TSN协同架构，5G整个网络包括终端、无线、承载和核心网，在TSN网络中作为一个透明的网桥。为了与TSN网络进行适配，5GS(5G System)一方面新增了网元功能。另一方面，5G系统对原有的核心网元进行了功能增强。

作为业务传输过程中需要经过的5G系统的2个网关，在5G-TSN协同传输架构下允许集中网络控制器(CNC, Centralized Network Configuration)对其门控信息进行配置，可以有效减小数据在空口传输的抖动。时间敏感业务传输至5G网桥需要经过DS-TT、NW-TT网关，业务数据在网关处队列进行缓存，基站根据TSCAI信息描述业务流的到达时间、周期时间、流方向和控制面确定的流量调度策略，在端口DS-TT/NW-TT设置周期性的门控列表。

然而，端口网关队列能缓存的数据量有限，当待传输的时间敏感业务过多时，若全部待传输业务数据能在端口网关队列处进行缓存，会造成端口网关DS-TT处队列溢出，导致丢包等问题。在基站处对时间敏感业务进行调度时，现有技术缺乏对端口网关DS-TT处队列信息的考虑，不能准确、高效地进行数据传输。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法及装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法，该方法由电子设备实现，该方法包括：

采集基站终端侧数据，获得基站数据信息；

采集当前队列缓存数据，获得队列缓存信息；

根据所述基站数据信息对业务包进行进一步处理，获得待调度业务包；

根据所述队列缓存信息进行计算，得到待调度业务包的等待时延；

根据所述待调度业务包的等待时延判断是否超出等待时延要求，获得时延判断结果，根据所述时延判断结果对所述待调度业务包进行传输。

其中，所述基站数据信息，包括5G域用户终端上报的用户信息及信道信息。

可选地，所述根据所述基站数据信息对业务包进行进一步处理，获得待调度业务包，包括：

根据所述基站数据信息判断是否需要进行重传操作；当需要进行重传操作时，对业务包进行重传操作，获得待调度业务包；当不需要进行重传操作时，对业务包进行排序操作，获得待调度业务包。

可选地，所述根据所述队列缓存信息进行计算，得到待调度业务包的等待时延，包括：

根据所述队列缓存信息，获得当前时隙在DS-TT队列中的缓存数据量和DS-TT队列数据量的队列阈值；

根据所述DS-TT队列数据量的队列阈值和预设的队列缓存控制因子进行计算，得到DS-TT队列的缓存阈值；所述队列缓存控制因子为小于1的正数；

将所述DS-TT队列中的缓存数据量、所述DS-TT队列的缓存阈值和所述DS-TT队列数据量的队列阈值进行对比，获得对比结果；

根据所述对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

可选地，所述对比结果为所述DS-TT队列中的缓存数据量小于所述DS-TT队列的缓存阈值；

所述根据所述对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延，包括：

将所述待调度业务包的等待时延确定为0。

可选地，所述对比结果为所述DS-TT队列中的缓存数据量大于所述DS-TT队列的缓存阈值且小于所述DS-TT队列数据量的队列阈值；

所述根据所述对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延，包括：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的最小值；根据所述周期内未开启门控的开启时间的最小值进行计算，得到所述待调度业务包的等待时延。

可选地，所述DS-TT队列中的缓存数据量大于所述DS-TT队列数据量的队列阈值；

所述根据所述对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延，包括：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的中间值；根据所述周期内未开启门控的开启时间的中间值进行计算，得到所述待调度业务包的等待时延。

可选地，所述根据所述时延判断结果对所述待调度业务包进行传输，包括：

当所述时延判断结果为超出时延要求时，将所述待调度业务包传输至紧急队列中，立即进行传输；当所述时延判断结果为未超出时延要求时，将所述待调度业务包传输至DS-TT队列，等待门控开启后进行传输。

另一方面，提供了一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理装置，该装置应用于一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法，该装置包括：

基站信息采集模块，用于采集基站终端侧数据，获得基站数据信息；

队列信息采集模块，用于采集当前队列缓存数据，获得队列缓存信息；

重传判断模块，用于根据所述基站数据信息对业务包进行进一步处理，获得待调度业务包；

时延计算模块，用于根据所述队列缓存信息进行计算，得到待调度业务包的等待时延；

时延判断模块，用于根据所述待调度业务包的等待时延判断是否超出等待时延要求，获得时延判断结果，根据所述时延判断结果对所述待调度业务包进行传输。

其中，所述基站数据信息，包括5G域用户终端上报的用户信息及信道信息。

可选地，所述重传判断模块，进一步用于：

根据所述基站数据信息判断是否需要进行重传操作；当需要进行重传操作时，对业务包进行重传操作，获得待调度业务包；当不需要进行重传操作时，对业务包进行排序操作，获得待调度业务包。

可选地，所述时延计算模块，进一步用于：

根据所述队列缓存信息，获得当前时隙在DS-TT队列中的缓存数据量和DS-TT队列数据量的队列阈值；

根据所述DS-TT队列数据量的队列阈值和预设的队列缓存控制因子进行计算，得到DS-TT队列的缓存阈值；所述队列缓存控制因子为小于1的正数；

将所述DS-TT队列中的缓存数据量、所述DS-TT队列的缓存阈值和所述DS-TT队列数据量的队列阈值进行对比，获得对比结果；

根据所述对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

可选地，所述对比结果为所述DS-TT队列中的缓存数据量小于所述DS-TT队列的缓存阈值；

所述时延计算模块，进一步用于：

将所述待调度业务包的等待时延确定为0。

可选地，所述对比结果为所述DS-TT队列中的缓存数据量大于所述DS-TT队列的缓存阈值且小于所述DS-TT队列数据量的队列阈值；

所述时延计算模块，进一步用于：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的最小值；根据所述周期内未开启门控的开启时间的最小值进行计算，得到所述待调度业务包的等待时延。

可选地，所述DS-TT队列中的缓存数据量大于所述DS-TT队列数据量的队列阈值；

所述时延计算模块，进一步用于：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的中间值；根据所述周期内未开启门控的开启时间的中间值进行计算，得到所述待调度业务包的等待时延。

可选地，所述时延判断模块，进一步用于：

当所述时延判断结果为超出时延要求时，将所述待调度业务包传输至紧急队列中，立即进行传输；当所述时延判断结果为未超出时延要求时，将所述待调度业务包传输至DS-TT队列，等待门控开启后进行传输。

另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法。

另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明提出了基于DS-TT队列缓存情况的5G-TSN联合资源调度机制。主要提出了一种基站根据周期性门控列表和端口网关DS-TT队列当前缓存情况及队列容量对时间敏感业务的调度机制，通过端口网关队列与基站调度的联动，减小了端口网关DS-TT处队列压力，提出了周期性门控列表的不同设置模式，提高了时间敏感业务在5G-TSN架构下传输的可靠性。在对时间敏感业务进行调度中，实现了准确、高效地数据传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理装置框图；

图3是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例提供了一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法，该方法可以由电子设备实现，该电子设备可以是终端或服务器。如图1所示的一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：

S1、采集基站终端侧数据，获得基站数据信息。

其中，基站数据信息，包括5G域用户终端上报的用户信息及信道信息。

一种可行的实施方式中，时间敏感业务在5G网络（5G Network,5G)至时间敏感网络(Time-Sensitive Network，TSN）跨网传输过程中，需要经过端口网关网络侧的TSN转换器（Network side TSN Translator，NW-TT）和设备侧的TSN转换器（Device Side TSNTranslator，DS-TT）。基站对时间敏感业务进行调度时，不仅接收终端上报的用户信息及信道质量信息，同时接收端口DS-TT反馈的队列缓存信息，避免所有业务传输至端口网关队列等待，造成队列溢出，导致丢包问题。

S2、采集当前队列缓存数据，获得队列缓存信息。

一种可行的实施方式中，收集当前队列缓存信息并反馈给基站，缓存并管理到达DS-TT队列等待传输的业务包。

S3、根据基站数据信息对业务包进行进一步处理，获得待调度业务包。

可选地，根据基站数据信息对业务包进行进一步处理，获得待调度业务包，包括：

根据基站数据信息判断是否需要进行重传操作；当需要进行重传操作时，对业务包进行重传操作，获得待调度业务包；当不需要进行重传操作时，对业务包进行排序操作，获得待调度业务包。

一种可行的实施方式中，在5G-TSN网络的数据传输的过程中有可能出现数据包丢失、数据包重复或者无序的情况。为了保证数据传输正确，不重复和有序，需要对传输的业务包进行判断。

S4、根据队列缓存信息进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

可选地，根据队列缓存信息进行计算，得到待调度业务包的等待时延，包括：

根据队列缓存信息，获得当前时隙在DS-TT队列中的缓存数据量和DS-TT队列数据量的队列阈值；

根据DS-TT队列数据量的队列阈值和预设的队列缓存控制因子进行计算，得到DS-TT队列的缓存阈值；队列缓存控制因子为小于1的正数；

将DS-TT队列中的缓存数据量、DS-TT队列的缓存阈值和DS-TT队列数据量的队列阈值进行对比，获得对比结果；

根据对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

一种可行的实施方式中，本发明提出基于DS-TT队列缓存情况的5G-TSN联合资源调度机制，该机制通过基站信息收集功能、队列管理功能和联合资源决策以及DS-TT的数据管理功能和队列缓存管理功能共同实现。

在未考虑DS-TT队列缓存压力的5G-TSN联合资源调度机制下进行数据传输时，当待传输的时间敏感业务流过多时，很容易导致大量数据缓存于DS-TT队列中，造成丢包问题。所提机制可以明显降低DS-TT队列缓存量，即使待传输的用户数量增加，也能保障DS-TT队列缓存量不会超出其阈值，提高了时间敏感业务跨网传输的可靠性，减小了DS-TT队列缓存压力。

可选地，对比结果可能包括三种，第一种为DS-TT队列中的缓存数据量小于DS-TT队列的缓存阈值，第二种为DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列的缓存阈值且小于DS-TT队列数据量的队列阈值，第三种为DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列数据量的队列阈值，三种不同的对比结果设置了不同的计算待调度业务包的等待时延的方式，下面分别对三种对比结果分别进行说明：

第一种：当对比结果为DS-TT队列中的缓存数据量小于DS-TT队列的缓存阈值时，根据对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延，可以采用下述步骤：

将待调度业务包的等待时延确定为0。

一种可行的实施方式中，基于此流程进行仿真，仿真表明DS-TT队列容量的控制因子δ影响时间敏感业务端到端传输的时延。经仿真验证可以确定当δ≥0.3时，业务的平均时延和DS-TT处的队列缓存量没有明显优化趋势，因此针对δ=0.1、δ=0.2和δ=0.3的情况进行验证讨论。结果表明当δ=0.1时，DS-TT队列缓存压力最小，这是因为立即传输至DS-TT队列的业务需要满足的要求相比于δ=0.2和δ=0.3时更为严格。因此选择以δ=0.1作为控制系数。

当DS-TT队列中的缓存数据量小于DS-TT队列的缓存阈值时，等待时延计算公式如式（1）所示：

其中，q为当前时隙缓存在DS-TT队列中的数据量；Q为DS-TT队列数据量的队列阈值；δ为DS-TT队列容量的控制因子；

第二种：当对比结果为DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列的缓存阈值且小于DS-TT队列数据量的队列阈值时，根据对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延，可以采用下述步骤：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的最小值；根据周期内未开启门控的开启时间的最小值进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

一种可行的实施方式中，当DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列的缓存阈值且小于DS-TT队列数据量的队列阈值时，等待时延计算公式如式（2）所示：

其中，q为当前时隙缓存在DS-TT队列中的数据量；Q为DS-TT队列数据量的队列阈值；k

第三种，当对比结果为DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列数据量的队列阈值时，根据对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延，可以采用下述步骤：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的中间值；根据周期内未开启门控的开启时间的中间值进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

一种可行的实施方式中，当DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列数据量的队列阈值时，等待时延计算公式如式（3）所示：

其中，q为当前时隙缓存在DS-TT队列中的数据量；Q为DS-TT队列数据量的队列阈值；k

S5、根据待调度业务包的等待时延判断是否超出等待时延要求，获得时延判断结果，根据时延判断结果对待调度业务包进行传输。

可选地，根据时延判断结果对待调度业务包进行传输，包括：

当时延判断结果为超出时延要求时，将待调度业务包传输至紧急队列中，立即进行传输；当时延判断结果为未超出时延要求时，将待调度业务包传输至DS-TT队列，等待门控开启后进行传输。

一种可行的实施方式中，为了进一步保障工业业务跨网传输的时延要求，本项目基于所提机制提出了紧急队列机制。在DS-TT端口网关队列处定义优先级最高的紧急队列，紧急队列的GCL一直保持开启模式。基站进行空口资源调度时，会估算传输当前时间敏感业务至TSN终端处所需要的时间，若所需时间超出了该用户的时延要求，则立即采用紧急队列进行传输，这是因为紧急队列拥有最高优先级，可以进行网络资源抢占立即传输业务。

在紧急队列机制下，一旦基站估算时延超出时间敏感业务的时延要求，则立即采用紧急队列进行传输。在仿真中，设定时间敏感业务的最小时延为1ms，仿真结果表明大多数用户的时延要求在紧急队列机制下均可以得到满足。同时，丢包率在该机制作用下也大幅下降。

一种可行的实施方式中，5G的资源调度机制与TSN的调度机制不同，5G是以时间传输间隔（Time Transmission Interval，TTI）为单位的动态资源调度，TSN是基于时间管理的流调度机制。如果在业务的跨网传输过程中，这两种机制不能做到高效适配，则会有大量的数据缓存于端口网关DS-TT队列中，造成端口网关队列溢出，导致丢包问题。因此，为了实现5G和TSN调度机制的高效适配，保障业务跨网传输的端到端时延，本发明将针对DS-TT处GCL的开启模式进行研究。当GCL的状态为ON时，门控开启，DS-TT队列中缓存的业务可以进行传输，否则待传输业务在队列内缓存等待。基于两种门控开启模式分别进行验证讨论，包括一个GCL周期内连续开启门控的模式和离散开启门控的模式。设定一个GCL的门控周期为

根据两种不同的门控开启模式，进行了仿真验证。仿真结果表明离散模式下业务的平均端到端传输时延低于连续模式下业务的平均端到端传输时延。原因在于离散模式下，一个GCL周期内，业务有更多的传输次数，减小了待传输业务在队列中的等待时延。虽然有

一种可行的实施方式中，为了保障工业业务跨网传输的时延要求，基于5G资源调度时间传输单位TTI对业务的跨网传输端到端时延进行研究。时间敏感业务

因此，整体时延的组成如下式(4)所示：

为了避免DS-TT队列溢出导致丢包问题，规定待传输业务在基站处等待至DS-TT队列门控开启前。该机制减小了待传输业务在DS-TT队列的等待时延，因此缓解了DS-TT的缓存压力。该问题的数学表达式如下式（5）所示：

其中，效用函数

本发明提出了基于DS-TT队列缓存情况的5G-TSN联合资源调度机制。主要提出了一种基站根据周期性门控列表和端口网关DS-TT队列当前缓存情况及队列容量对时间敏感业务的调度机制，通过端口网关队列与基站调度的联动，减小了端口网关DS-TT处队列压力，提出了周期性门控列表的不同设置模式，提高了时间敏感业务在5G-TSN架构下传输的可靠性。在对时间敏感业务进行调度中，实现了准确、高效地数据传输。

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理装置框图。参照图2，该装置包括：

基站信息采集模块210，用于采集基站终端侧数据，获得基站数据信息；

队列信息采集模块220，用于采集当前队列缓存数据，获得队列缓存信息；

重传判断模块230，用于根据基站数据信息对业务包进行进一步处理，获得待调度业务包；

时延计算模块240，用于根据队列缓存信息进行计算，得到待调度业务包的等待时延；

时延判断模块250，用于根据待调度业务包的等待时延判断是否超出等待时延要求，获得时延判断结果，根据时延判断结果对待调度业务包进行传输。

其中，基站数据信息，包括5G域用户终端上报的用户信息及信道信息。

可选地，重传判断模块230，进一步用于：

根据基站数据信息判断是否需要进行重传操作；当需要进行重传操作时，对业务包进行重传操作，获得待调度业务包；当不需要进行重传操作时，对业务包进行排序操作，获得待调度业务包。

可选地，时延计算模块240，进一步用于：

根据队列缓存信息，获得当前时隙在DS-TT队列中的缓存数据量和DS-TT队列数据量的队列阈值；

根据DS-TT队列数据量的队列阈值和预设的队列缓存控制因子进行计算，得到DS-TT队列的缓存阈值；队列缓存控制因子为小于1的正数；

将DS-TT队列中的缓存数据量、DS-TT队列的缓存阈值和DS-TT队列数据量的队列阈值进行对比，获得对比结果；

根据对比结果采用相应的算法进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

可选地，对比结果为DS-TT队列中的缓存数据量小于DS-TT队列的缓存阈值；

时延计算模块240，进一步用于：

将待调度业务包的等待时延确定为0。

可选地，对比结果为DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列的缓存阈值且小于DS-TT队列数据量的队列阈值；

时延计算模块240，进一步用于：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的最小值；根据周期内未开启门控的开启时间的最小值进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

可选地，DS-TT队列中的缓存数据量大于DS-TT队列数据量的队列阈值；

时延计算模块240，进一步用于：

根据网关处设置的周期性门控列表，获得周期内未开启门控的开启时间的中间值；根据周期内未开启门控的开启时间的中间值进行计算，得到待调度业务包的等待时延。

可选地，时延判断模块250，进一步用于：

当时延判断结果为超出时延要求时，将待调度业务包传输至紧急队列中，立即进行传输；当时延判断结果为未超出时延要求时，将待调度业务包传输至DS-TT队列，等待门控开启后进行传输。

本发明提出了基于DS-TT队列缓存情况的5G-TSN联合资源调度机制。主要提出了一种基站根据周期性门控列表和端口网关DS-TT队列当前缓存情况及队列容量对时间敏感业务的调度机制，通过端口网关队列与基站调度的联动，减小了端口网关DS-TT处队列压力，提出了周期性门控列表的不同设置模式，提高了时间敏感业务在5G-TSN架构下传输的可靠性。在对时间敏感业务进行调度中，实现了准确、高效地数据传输。

图3是本发明实施例提供的一种电子设备300的结构示意图，该电子设备300可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器（centralprocessing units，CPU）301和一个或一个以上的存储器302，其中，所述存储器302中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器301加载并执行以实现上述一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法的步骤。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述一种基于终端侧网关队列缓存的5G-TSN资源管理方法。例如，所述计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器（RAM）、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。