CN111585906A - 一种面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，包括以下步骤：(1)按照分流比例将总数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据；(2)计算采用蜂窝网络传输第一数据时的第一传输时延和采用局域网网络传输第二数据时的第二传输时延；(3)以最小化系统传输时延为目标，根据第一传输时延和第二传输时延确定最佳分流比例；(4)依据该最佳分流比例将总数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据，并进行数据传输。该方法能够充分考虑实际网络状态，对蜂窝网络与局域网网络进行分流，减小数据传输时延，提升工业互联网的性能。

Description

一种面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法。
背景技术
工业互联网是智能制造发展的基础，可以提供共性的基础设施和能力。作为新一代信息技术，工业互联网，与制造业深度融合，通过对人机物的全面互联，构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型生产制造和服务体系。与蜂窝网络中，人人通信要求不同，工业互联场景以机器通信为主，其传输的内容主要是机器采集的如视频、图像、语音等等大带宽数据，由于数据量很大，导致网络传输时延较长，而工业互联场景通常对传输的时延要求较高，如何降低工业互联场景下大数据的传输时延成为工业互联急需解决的一个问题。
在授权频段的通信上，随着5G技术的逐渐成熟，5G网络采用更加先进的无线传输技术和网络技术，如大规模多输入多输出(Multiple input Multiple output，MIMO)技术，非正交多址技术，网络切片技术以及面向服务的网络体系架构，使得5G网络具有大带宽，低时延和高可靠的特点。5G网络主要的应用场景分为增强移动宽带业务(enhanced MobileBroadband，eMBB)、大规模机器通信(massive Machine Type Communication，mMTC)和低时延高可靠性通信(Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC)。其中，5G网络凭借大带宽，高速率，高容量的特点使其成为支撑工业互联场景下大数据传输的主要网络。
在免授频段的通信信道上，WiFi具有传输速率高，部署简单，使用费用成本低的特点，以WiFi6为代表的免授权频段的通信，作为下一代新的WiFi技术，通过正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)和发射波束成形技术，对传输效率和网络容量有了很大的提高，WiFi6最高速率可达9.6Gbps。因此WiFi6网络和5G网络可以协同配合传输，能够有效的降低5G单一网络在工业互联网场景中传输大数据时的承载压力，大大降低大带宽业务的传输时延，这对工业互联网场景来说至关重要。
现有技术中，业界提出将LTE技术和WLAN技术结合的融合/聚合网络(LTE WLANAggregation，LWA)技术，其本质为LTE网络与WLAN网络组成的混合网络架构。LWA的目的是通过在LTE网络中融合WLAN网络，利用WLAN网络传输速率快，成本低的特点来分流部分LTE系统数据，以减轻LTE网络负载的目的。
随着5G技术和WiFi6技术的发展，将5G网络和WiFi6网络两个不同的网络相互融合，对于数据量较大的数据，5G网络和WiFi6网络共同传输，通过对数据进行不同的网络分流和汇聚，达到降低大数据传输时延的目的，这在工业互联场景中有着重要的意义。现有技术中针对异构网络联合传输数据主要针对降低单一网络传输的承载压力，未能针对工业互联网这一特殊场景下，大数据传输时延较高的问题。关于数据分流的研究通常采用固定的比例，不能根据网络的状态自适应调整，无法充分发挥网络分流所带来的低时延的潜力。
发明内容
本发明的目的就是提供一种面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，该方法能够充分考虑实际网络状态，对蜂窝网络与局域网网络进行分流，以减小数据传输时延，提升工业互联网的性能。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，所述低时延自适应数据分流传输方法适用于蜂窝网络与局域网网络共存且属于统一运营商，多模终端同时连接蜂窝网络与局域网网络进行数据传输的场景；
所述低时延自适应数据分流传输方法包括以下步骤：
(1)按照分流比例将数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据；
(2)计算采用蜂窝网络传输第一数据时的第一传输时延和采用局域网网络传输第二数据时的第二传输时延；
(3)以最小化系统传输时延为目标，根据第一传输时延和第二传输时延确定最佳分流比例；
(4)依据该最佳分流比例将待传输总数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据，并进行数据传输。
本发明中，该低时延自适应数据分流传输方法适用于多模终端可以同时连接多个网络的工业互联网场景，其中，可以选择接入的网络包括：蜂窝网络和局域网络，且蜂窝网络与局域网络属于同一运营商。蜂窝网络可以是工作在授权频段的网络，如2G，3G，4G和5G网络以及未来的6G网络；无线局域网可以是工作在免授权频段的网络，如WiFi6和LTE-U、NR-U等。优选地，所述蜂窝网络为5G网络，所述局域网网络为WiFi6网络。
步骤(1)中，拆分的数据可以是样本数据，目的是为了计算传输第一数据的第一传输时延和第二数据的第二传输时延，当然拆分的数据也可以是待传输总数据。为了方便计算第一传输时延和第二传输时延，可以限定第一数据和第二数据具有相同的数据量。
在核心网和多模终端中均存在数据缓冲区。优选地，在进行数据分流之前，判断待传输的总数据是否大于数据缓冲区的数据承载缓冲阈值，当待传输的总数据大于数据缓冲区的数据承载缓冲阈值时，执行所述低时延自适应数据分流传输方法。否则，直接采用单网络通信方式，即选择蜂窝网络或者局域网网络通信。
优选地，当确定的最佳分流比例大于网络状态阈值时，再根据该最佳分流比例将总数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据，并进行数据传输。否则，数据传输将不再分流，由分流比例大的网络负责全部数据传输，也就是直接采用采用单网络通信方式，即选择蜂窝网络或者局域网网络通信。其中，网络状态阈值可以按需设置，比如设置为1％。
为降低数据的传输时延，所述低时延自适应数据分流传输方法对上行链路和下行链路的数据传输均适用。其中，下行链路的数据分流主要由移动核心网控制，上行链路的数据分流主要由多模终端进行控制。
其中，下行传输时，核心网将总数据下发至蜂窝网络基站，蜂窝网络基站通过接口将总数据按照最佳分流比例分流第二数据至局域网网络无线接入点后经无线局域网络传输至多模态终端，分流第一数据给蜂窝网络直接传输给多模态终端。
其中，上行传输时，多模态终端按照最佳分流比例分流第二数据至局域网网络通过局域网网络无线接入点的Xw口传输至蜂窝网络基站，分流第一数据给蜂窝网络直接传输至蜂窝网络基站，所述第一数据和第二数据在蜂窝网络基站汇聚后上传至核心网。
优选地，所述面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法在蜂窝网络基站或多模态终端的分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)层执行。
在进行数据传输的分流时，采用占空比的方式进行。总数据定义为Ds，将占总数据为α(α∈[0,1])的数据D5G分流至5G网络，将剩余(1-α)的数据Dwifi6分流到WiFi6网络，即
Figure BDA0002487045850000051
其中，第一传输时延的计算方法为：
Figure BDA0002487045850000052
Figure BDA0002487045850000053
其中，t5G表示5G网络的第一传输时延，α为分流比例，即将占总数据的比例，Ds为总数据，R5G(N)表示N个用户的5G网络的通信速率，B是每个信道的带宽，P表示信号的发射功率，h代表信道的增益，σ2为噪声功率；
第二传输时延的计算方法为：
Figure BDA0002487045850000054
Figure BDA0002487045850000055
其中，twifi表示WiFi6网络的第二传输时延，RW(N)表示N个用户的WiFi6网络的通信速率，Ts表示的是传输成功时隙的平均持续时间，Tc是由于用户间的冲突碰撞而导致信道处于忙碌状态的平均时间，Tσ代表空时隙的间隔时间，E[P]是包的平均长度。此外，Ptr是一个时隙中至少有一个用户在传输的概率，Ps为一个时隙中用户成功传输的概率。
为降低数据的传输时延，将传输数据在5G和WiFi6网络之间分流传输，需要找到一个最优的分流比例α。对于最优分流比例的确定，采用最小化系统传输数据时延的原则，即通过调整α的大小，将数据进行调整分流传输，实现总数据的传输时延最低，表示为：
Figure BDA0002487045850000061
则确定的最佳分流比例为：
Figure BDA0002487045850000062
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明能够根据同时连接的蜂窝网络和局域网网络状态，根据当前蜂窝网络与局域网网络的负载状况，并结合用户所处的信道状态信息，自适应调整传输数据在不同网络的分流比例，以减小终端用户的通信时延，提升工业互联网的性能。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明实施例提供的多模终端上传数据时数据分流示意图。
图2是本发明实施例提供的核心网下发数据时数据分流示意图。
图3是本发明实施例提供的数据分流过程中数据的传输流程图。
图4是本发明实施例提供的面向工业互联网的低时延自适应数据分流机制示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
工业互联网场景中，不同于人人通信，机器之间的通信以视频，图片等为代表数据具有数据量大，时延要求较低的特点。为提升工业互联网的传输性能，减小数据传输的时延，数据传输过程中，核心网和多模终端可以将传输数据分流至不同网络，使用不同网络同时传输。
为了协调分流传输的比例，本发明提出一种面向工业互联网场景的低时延自适应数据分流传输方法。核心网或者多模终端能够根据WiFi6和5G网络的状态，自动调整数据分流比例，使得系统传输数据的时延最低。系统的时延取决于WiFi6和5G两个网络传输数据的最大时延，当某一网络时延较大时，适当减少其数据分流所占的比例，通过降低网络传输的数据量来降低数据传输的时延。
实施例一
参见图1，是本发明实施例提供的多模终端上传数据时，数据分流示意图。如图1所示，为降低总数据的传输时延，减轻单个网络传输数据的压力，多模终端在数据传输的时候，会将数据分流到WiFi6网络和5G网络，使用不同的网络同时传输。
本发明提出的低时延自适应数据分流传输方法，能够根据两个网络的状态，自动调整数据分流比例，通过优化分流比例，使数据分流传输的时延最低。在一种可能的实现方式中，多模终端可以获得5G和WiFi6网络信道的CSI信息，并且多模终端能够根据信道的CSI信息，计算出5G和WiFi6网络的传输速度。
对于一个含有N个用户的WiFi网络，其网络的通信速率可以表示为：
Figure BDA0002487045850000081
其中，Ts表示的是传输成功时隙的平均持续时间，Tc是由于用户间的冲突碰撞而导致信道处于忙碌状态的平均时间，Tσ代表空时隙的间隔时间，E[P]是包的平均长度。此外，Ptr是一个时隙中至少有一个用户在传输的概率，Ps为一个时隙中用户成功传输的概率。
所以对于WiFi6网络的传输时延可以表示为：
Figure BDA0002487045850000082
对于一个含有N个用户的5G网络，其网络的通信速率可以表示为：
Figure BDA0002487045850000083
其中B是每个信道的带宽，P表示信号的发射功率，h代表信道的增益，σ2为噪声功率。
对于5G网络的传输时延可以表示为：
Figure BDA0002487045850000084
获得5G和WiFi6网络的传输时延之后，计算最佳分流比例：
Figure BDA0002487045850000085
多模终端根据最佳分流比例，将占总数据量Ds为α(α∈[0,1])的数据D5G分流至5G网络，将剩余(1-α)的数据Dwifi6分流到WiFi6网络，即
Figure BDA0002487045850000091
数据分流后，分别在5G和WiFi6网络传输，WiFi6网络数据汇聚到5G基站内部的WiFi6网络无线终端节点，WiFi6 AP与5G基站通过Xw接口进行连接，最后由5G基站由两个网络汇聚的数据共同传输到核心网。
参见图2，描述的是面向工业互联网的低时延自适应数据分流方法在下行链路传输数据时的流程。与上行传输分流不同的是，由核心网下发的数据，是在5G基站侧进行分流，一部分数据由Xw接口分流到WiFi6网络，剩下的数据由5G网络负责传输，多模终端接收来自两部分网络的数据，并完成数据的汇聚拼接。
参见图3，描述的是数据分流过程中，数据的传输流程图。当多模终端或者核心网要进行数据传输时，传输数据首先要存入数据缓冲区，如果数据量很小，执行分流操作反而会增加传输时延，所以，在数据传输前，首先要对数据缓冲区中的数据与分流阈值进行比较，当数据缓存区中的数据大于分流阈值时，则执行数据分流操作，采用自适应数据分流方法，确定分流比例，将数据进行多网络传输。反之，则不进行数据分流操作，采用单网络传输的方法，选取5G网络和WiFi6网络时延低的网络进行数据传输。
实施例二
参见图4，描述的是本发明中面向工业互联网的低时延自适应数据分流机制示意图，5G核心网和无线终端节点主要采用双连接模式，它们之间通过Xw接口进行连接。此分流机制适用于数据的上行和下行传输。为了能够让分流顺利进行，在5G基站引入了基于PDCP的重新排序机制。相同IP流的PDCP协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)可以由5G基站通过5G网络和WiFi6网络独立传输，而多模终端的PDCP层重新排序机制确保被拆分数据的完整性。反之，多模终端的PDCP协议数据单元可以分流到5G网络和WiFi6网络，同时传输，WiFi6网络的无线终端节点通过Xw接口将数据传输到5G基站完成数据汇聚，在5G基站的PDCP层的重新排序机制将确保数据的完整性。
5G和WiFi6分流传输数据机制采用交换承载的方式，数据包总是由5G基站通过WiFi6 AP(Access Point，AP)传输到多模终端；对于分离承载的数据包可以通过AP或5G传输到多模终端。数据流从5G基站的PDCP到LWAAP层再到WLAN MAC层最后传输到多模终端的过程。在AP中存在一个反馈机制，AP接收到来自基站中的数据包并向多模终端传输完成后会向基站发送一个反馈报告，同时在多模终端中同样会存在反馈机制，多模终端在接受数据包完成后向基站发送传输完成的反馈。其中，LWAAP实体作为PDCP层与WiFi6 MAC层之间的接口。基站的LWAAP实体向每个PDCP PDU附加一个字节的报头，以识别与PDCP实体相关联的数据无线承载，并允许多个数据无线承载的传输。
上述低时延自适应数据分流方法能够允许数据在多个网络同时传输，缓轻单个网络的传输压力。同时，能够根据不同网络的状态，自适应的调整数据分流比例，降低总数据的传输时延。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，所述低时延自适应数据分流传输方法适用于蜂窝网络与局域网网络共存且属于统一运营商部署，多模终端同时连接蜂窝网络与局域网网络进行数据传输的场景；
所述低时延自适应数据分流传输方法包括以下步骤：
(1)按照分流比例将数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据；
(2)计算采用蜂窝网络传输第一数据时的第一传输时延和采用局域网网络传输第二数据时的第二传输时延；
(3)以最小化业务数据传输时延为目标，根据第一传输时延和第二传输时延确定最佳分流比例；
(4)依据该最佳分流比例将待传输总数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据，并进行数据传输。
2.如权利要求1所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，在进行数据分流之前，判断待传输的总数据是否大于数据缓冲区的数据承载缓冲阈值，当待传输的总数据大于数据缓冲区的数据承载缓冲阈值时，执行所述低时延自适应数据分流传输方法。
3.如权利要求1所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，当确定的最佳分流比例大于网络状态阈值时，再根据该最佳分流比例将总数据拆分给蜂窝网络传输的第一数据和给局域网网络传输的第二数据，并进行数据传输。
4.如权利要求1所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，下行传输时，核心网将总数据下发至蜂窝网络基站，蜂窝网络基站通过Xw接口将总数据按照最佳分流比例分流第二数据至局域网网络无线接入点后经无线局域网络传输至多模态终端，分流第一数据给蜂窝网络直接传输给多模态终端。
5.如权利要求1所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，上行传输时，多模态终端按照最佳分流比例分流第二数据至局域网网络通过局域网网络无线接入点的Xw口传输至蜂窝网络基站，分流第一数据给蜂窝网络直接传输至蜂窝网络基站，所述第一数据和第二数据在蜂窝网络基站汇聚后上传至核心网。
6.如权利要求4或5所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，所述面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法在蜂窝网络基站或多模态终端的PDCP层执行。
7.如权利要求1所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，所述蜂窝网络为5G网络，所述局域网网络为WiFi6网络。
8.如权利要求7所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，第一传输时延的计算方法为：
Figure FDA0002487045840000021
Figure FDA0002487045840000022
其中，t5G表示5G网络的第一传输时延，α为分流比例，即将占总数据的比例，Ds为总数据，R5G(N)表示N个用户的5G网络的通信速率，B是每个信道的带宽，P表示信号的发射功率，h代表无线信道的增益，σ2为噪声功率；
第二传输时延的计算方法为：
Figure FDA0002487045840000031
Figure FDA0002487045840000032
其中，twifi表示WiFi6网络的第二传输时延，RW(N)表示N个用户的WiFi6网络的通信速率，Ts表示的是传输成功时隙的平均持续时间，Tc是由于用户间的冲突碰撞而导致信道处于忙碌状态的平均时间，Tσ代表空时隙的间隔时间，E[P]是数据包的平均长度。此外，Ptr是一个时隙中至少有一个用户在传输的概率，Ps为一个时隙中用户成功传输的概率。
9.如权利要求8所述的面向工业互联网的低时延自适应数据分流传输方法，其特征在于，确定的最佳分流比例为：
Figure FDA0002487045840000033
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