CN111818490A - 用于在工业环境中通信的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在工业环境中通信的系统。该系统包括服务器布置，该服务器布置经由数据通信网络被通信地耦接至至少一个网络核心和多个设备。该系统使用服务器布置生成用于多个设备中的每个设备的定时信息，并且定时信息被转换为待由多个设备中的每个设备接收的多个定时分组。该系统经由至少一个网络核心，向多个设备中的每个设备广播多个第二封装的定时分组。数据通信网络的通信信道可对多个定时分组进行第一封装，并且至少一个网络核心，对多个第一封装的定时分组进行第二封装。该系统基于定时信息，从多个设备中的每个设备接收用于通信的上行链路数据，并将下行链路数据提供给与该系统对应的所述多个设备。

Description

用于在工业环境中通信的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及电信和网络领域，尤其涉及一种用于在工业环境中通信的系统和方法。
背景技术
在过去的数十年中，工业控制系统已经见证了显着的技术进步，其允许有线和无线通信网络来支持各种设备之间的通信。总体上，环境中设备之间的通信促进了大规模复杂过程的自动化。此外，该环境还需要一种可靠的方式来实现可被分布在通信网络的蜂窝和固定基础设施中的工业设备之间的无缝连接和实时连接。
通常，使用设备之间的串行接口来建立直接物理连接，以使得能够在该环境中进行通信。但是，近来，基于工业以太网的协议(例如，EtherCAT、PROFINET、PROFIBUS、通用工业协议、HART、POWERLINK、Modbus-TCP和以太网/IP)以在工业环境中进行鲁棒通信的运用激增，而这是由于其能够使用标准的组网硬件来进行有线通信和无线通信，并且进一步地，还由于其能够对使用以太网基础架构所进行的数据交换的可靠性和时间敏感性进行微调。在一个示例中，具有一系列信道的以太网基础设施具有用于无时间限制的数据交换的标准TCP/IP信道、用于对数据(例如警报和关键数据)实时通信的信道，以及用于在环境中的控制设备之间进行非常精确的高速通信的同步实时(Isochronous Real Time，IRT)信道。此外，基于以太网的协议利用了精确透明时钟协议(例如，精确时间协议(Precision TimeProtocol，PTP)和网络时间协议(Network Time Protocol，NTP))来实现工业环境中的工业设备的一致并且时间同步的操作。精确时钟协议(Precise Time Clock Protocol，PTCP)假设了与数据下行链路有关的延迟时间(即，下行链路延迟时间)和数据上行链路有关的延迟时间(即，上行链路延迟时间)相等。此外，如果基于以太网的协议没有遵循这样的假设，则在在所述网络上进行的数据交换期间会出现定时误差，其中，该定时误差为下行链路延迟时间和上行链路延迟时间的时间之差的一半。另外，由于定时误差而导致的这种延迟不对称性，归因于数据下行链路和数据上行链路的不对称路由，而这又进一步导致了在工业环境中通过有线通信网络和无线通信网络来交换数据时所固有的不对称性。
此外，蜂窝网络被设计为用于最佳数据交换，其中，数据的上行链路和数据的下行链路本质上为不对称的，从而允许从固定网络下载数据。在这方面，蜂窝网络为数据的下行链路分配大部分资源(例如带宽)。但是，这种分配方式影响了由此所采用的PTCP(例如PTP和NTP)中的时钟同步。另外，该用于下行链路的资源分配方式进一步限制了工业环境中数据的上行链路。而且，通常地，蜂窝网络将上行链路和下行链路隧道分配给将数据从设备封装到移动核心的设备(例如，远程设备)，其中，隧道终止于分组数据网络网关(Packet DataNetwork Gateway，PGW)。此外，PGW将设备连接至固定网络(例如，公共Internet、专用LAN等等)。然而，这种蜂窝网络并不向设备提供基于以太网的协议，从而阻止设备发送以太网帧。因此，通过蜂窝网络的连接仅限于通过Internet传送的IP数据。另外，用于双向数据通信以进行设备发现和地址分配的单播、多播或广播在蜂窝网络上均是不可行的。
近来，第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)已经指定了无线电接口，例如，窄带物联网(Narrowband-Internet of Things，NB-IoT)和机器长期演进(Long-Term Evolution for Machines，LTE-M)，以使得设备能够发送以太网帧。因此，使得设备能够发送以太网帧，以太网帧被封装为信令消息并在PGW之后被进一步解封装再作为以太网帧进行发送。随后，可以使用此类无线电接口交换IP数据和非IP数据。然而，所述无线电接口并不允许设备将以太网帧直接发送至固定网络。另外，由于被封装为信令消息，在所述无线电接口上传输的分组大小和延迟均受到了限制。此外，当交换大量数据时，其下行链路是存在问题的。
另外，在拥塞的情况下，由于用于数据传输的通信信道的可用性有限，所以可被连接至通信网络(即，蜂窝网络)的设备的数量将受到限制。而在这种情况下，常规系统并不能满足工业环境中来自每个设备的传输请求，从而导致工业环境中的操作延迟。
因此，根据前述讨论，需要克服与用于工业环境中的多个设备之间的连接的常规系统相关联的前述缺点。
发明内容
本发明试图提供一种用于在工业环境中通信的系统。本发明还试图提供一种用于在工业环境中通信的方法。并且，本发明试图提供一种解决方案，来解决现有问题中由于通信信道的拥塞而导致的工业环境中的操作延迟和通信请求被拒绝的问题，进一步地解决用于在工业环境中的有线设备和无线设备之间进行直接传输的数据的重新封装问题。本发明的目的是提供一种解决方案，来至少部分地克服现有技术中所遇到的问题，并且还提供一种系统，其基于定时信息使得多个设备能够在工业环境中进行操作以实现其不间断操作，并进一步实现工业环境中的有线设备和无线设备的可靠连接，以在它们之间进行直接通信。
根据一个方面，本发明的实施例提供了一种用于在工业环境中通信的系统，该系统包括：服务器布置，该服务器布置经由蜂窝网络被通信地耦接至至少一个网络核心和工业环境中的多个无线设备；其中，该系统被配置为：
-使用服务器布置生成多个无线设备中的每个无线设备的定时信息，其中，定时信息被转换为多个定时分组，以被多个无线设备中的每个无线设备所接收；
-经由至少一个网络核心，向多个无线设备中的每个无线设备广播多个第二封装的定时分组，其中，
使用蜂窝网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装；以及
使用至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装，其中，至少一个网络核心还向多个无线设备传递多个第二封装的定时分组；
-基于定时信息，从多个无线设备中的每个无线设备中接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的多个无线设备。
根据另一个方面，本发明的实施例提供了一种用于在工业环境中通信的方法，其中，使用一种系统来实现所述方法，该系统包括：服务器布置，该服务器布置经由蜂窝网络被通信地耦接至至少一个网络核心和多个无线设备，其中，该方法包括：
-使用服务器布置生成多个无线设备中的每个无线设备的定时信息，其中，定时信息被转换为多个定时分组，以被多个无线设备中的每个无线设备所接收；
-通过向蜂窝网络提供多个定时信息，来广播该多个定时信息；
-使用蜂窝网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装；
-使用至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装；
-经由至少一个网络核心，将多个第二封装的定时分组广播至多个无线设备中的每个无线设备；
-基于定时信息，从多个无线设备中的每个无线设备中接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的多个无线设备。
本发明的实施例基本上消除了或至少部分解决了现有技术中的上述问题，并通过避免通信信道出现拥塞的情况的方式，在工业环境中实现了系统性的数据通信、使得在工业环境中的蜂窝网络上能够对基于Internet协议(Internet Protocol，IP)的数据和基于非IP的数据进行可靠传送、并且还使得能够在有线设备和无线设备之间通过蜂窝网络进行直接通信，从而大大减少了操作延迟。
根据附图以及结合对随后所附权利要求进行解释的说明性实施例的详细描述，本发明的其他方面、优点、特征和目的将变得显而易见。
应当理解的是，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，本发明的特征易于以各种组合方式进行组合。
附图说明
通过当结合附图进行阅读时，可以更好地理解以上所述内容，以及下文对于说明性的实施例的详细描述。而为了说明本发明的目的，在附图中示出了本发明的示例性构造。然而，本发明并不限制于本文所公开的特定方法和手段。此外，本领域技术人员将理解，附图未按比例绘制。在可能的情况下，相同的元件均由相同的数字进行表示。
现在，仅以示例的方式，参考以下附图来描述本发明的实施例，其中：
图1为根据本发明的实施例的一种用于在工业环境中通信的系统的示意图；
图2为根据本发明的实施例的一种工业环境中通信系统的网络环境的示意图；以及
图3为根据本发明的实施例的描述了一种在工业环境中通信的方法的步骤的流程示意图。
在附图中，带下划线的数字用于表示带下划线的数字所在的元件或与带下划线的数字相邻的元件。未加下划线的数字与将未加下划线的数字链接到该元件的行所标识的元件有关。当数字未加下划线并带有关联的箭头时，该未加下划线的数字用于标识箭头所指向的常规元件。
具体实施方式
以下详细描述示出了本发明的实施例以及可以实现这些实施例的方式。尽管本文已经公开了实现本发明的一些模式，但是本领域技术人员将认识到，用于实现或实践本发明的其他实施例也是可能的。
根据一个方面，本发明的实施例提供了一种用于在工业环境中通信的系统，该系统包括服务器布置，该服务器布置经由蜂窝网络被通信地耦接至至少一个网络核心和工业环境中的多个无线设备；其中，该系统被配置为：
-使用服务器布置生成用于多个无线设备中的每个无线设备的定时信息，其中，定时信息被转换为待由多个无线设备中的每个无线设备接收的多个定时分组；
-经由至少一个网络核心，向多个无线设备中的每个无线设备广播多个第二封装的定时分组，其中，
使用蜂窝网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装；以及
使用至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装，
其中，至少一个网络核心还向多个无线设备传递多个第二封装的定时分组；
-基于定时信息，从多个无线设备中的每个无线设备中接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的多个无线设备。
根据另一个方面，本发明的实施例提供了一种用于在工业环境中通信的方法，其中，使用一种系统来实现所述方法，该系统包括服务器布置，该服务器布置经由蜂窝网络被通信地耦接至至少一个网络核心和多个无线设备，其中，该方法包括：
-使用服务器布置生成用于多个无线设备中的每个无线设备的定时信息，其中，定时信息被转换为待由多个无线设备中的每个无线设备接收的多个定时分组；
-通过向蜂窝网络提供多个定时信息，来广播该多个定时信息；
-使用蜂窝网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装；
-使用至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装；
-经由至少一个网络核心，将多个第二封装的定时分组广播至多个无线设备中的每个无线设备；
-基于定时信息，从多个无线设备中的每个无线设备中接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的多个无线设备。
如本发明上文所描述的，本发明提供了一种系统，该系统提供了在工业环境中的无线设备(例如，跨越车间地板的无线设备)与工业环境中的有线设备(例如，通过蜂窝网络被连接至专用网络中的有线设备)之间的无缝连接。该系统进行了精确定时信息的交换，以在多个设备之间进行同步通信。因此，该系统通过对与所述设备中每个设备相关联的时间进行同步，使得在包括有线设备和无线设备的整个工业环境中实现一致的功能。典型地，系统为多个设备中的每个设备生成定时信息，其中，该定时信息表征来自多个工业设备中的每个工业设备的上行链路数据的时隙。有益地，为来自多个设备中的每个设备的上行链路数据分配时隙，可以防止拥塞情况的发生。随后，对于来自多个设备的上行链路数据的请求被系统性地满足，从而大大减少了与系统中数据的上行链路有关的负载峰值。此外，该系统通过为数据的下行链路和数据的上行链路分配基于需求的资源(例如，延迟时间和带宽)，从而能够在蜂窝网络上进行最佳的数据交换，以实现数据的对称路由和非对称路由。此外，在工业环境中，该系统能够在一组有线设备和一组无线设备之间实现蜂窝网络上的非IP数据的直接通信。另外，在蜂窝网络上的一组有线设备和一组无线设备之间的数据交换期间，该系统采用了现有的基础设施来实现这种一致性，从而大大降低了用来维持这种工业环境的可靠和无缝运行的基础设施和人工干预的成本。
本文所述的系统克服了与目前所使用的过程现场网络(Process Field Net，PROFINET)系统相关联的缺点，在工业环境中，该PROFINET系统被部署为通过工业以太网进行数据通信。此外，该系统还克服了与在工业环境中常规蜂窝网络的部署相关联的限制。所述系统可以被部署在工业环境中，例如配电厂、智能电网、发电厂、制造设施、仓库、生产设备等。另外，该系统还被配置为通过避免数据通信网络(即，蜂窝网络)中的拥塞时段，来对工业环境中来自多个设备的数据传输过程进行优化。
该用于在工业环境中通信的系统使得能够在工业环境中进行数据的无线通信。具体地，数据的无线通信是在蜂窝网络上实现的。蜂窝网络使得在不采用电线、电缆或任何其他形式的电导体的情况下能够进行数据的远距离传输。具体地，蜂窝网络使得无需在两个点(例如两个设备)之间进行任何物理连接而能够进行数据传输。例如，通过使用电磁波(即，无线电波)的频谱，使得蜂窝网络很方便地得以实现。此外，使用基站收发器(即，至少一个基站；其将在后文中进行详细讨论)，使得在蜂窝网络上的这种无线通信可以很方便地得以实现。可选地，用于数据传输的无线电波的频率在3千赫兹(kHz)到300吉赫兹(GHz)的范围以内。更可选地，用于数据传输的无线电波的频率在30千赫兹(kHz)到100千赫兹(kHz)的范围以内。
该系统包括服务器布置。在整个本发明中，术语“服务器布置”是指包括了被配置为存储、处理和/或共享信息的可编程和/或非可编程部件的结构和/或模块。可选地，服务器布置包括了能够增强信息以执行各种计算任务的物理或虚拟计算实体的任何布置。此外，需要理解的是，服务器布置可以为单个硬件服务器和/或以并行或分布式架构操作的多个硬件服务器。在一个示例中，服务器布置可以包括诸如存储器、处理器、网络适配器等的部件，以与诸如多个设备的其他计算部件共同存储、处理和/或共享信息。可选地，服务器布置被实现为向其他设备、模块或装置提供各种服务(例如，数据库服务、处理服务等)的计算机程序。
此外，术语“数据通信网络”是指彼此互连并用作单个大型网络的单个网络或其集合。可选地，这种数据通信网络为通过有线通信网络、无线通信网络或其组合来实现的。应当理解的是，建立物理连接是为了实现有线网络，而无线网络则是通过使用电磁波来实现。这种数据通信网络的示例包括但不限于：局域网(Local Area Networks，LANs)、广域网(Wide Area Networks，WANs)、城域网(Metropolitan Area Networks，MANs)、无线LAN(Wireless LANs，WLANs)、无线WAN(Wireless WANs，WWAN)、无线MAN(Wireless MANs，WMANs)、互联网、第二代(2nd Generation，2G)电信网络、第三代(3rd Generation，3G)电信网络、第四代(4th Generation，4G)电信网络、第五代(5th Generation，5G)电信网络和全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)、不同代的无线接入(WiFi a、b、an、ac、ax)网络。
可选地，数据通信网络为蜂窝网络。需要理解的是，蜂窝网络是指无线电通信网络，其中，蜂窝网络通过小区被分布于地面上。具体地，每个小区包括固定位置收发器，例如基站。需要理解的是，蜂窝网络允许多个设备之间的不对称通信，并且由常规蜂窝网络所促进的进一步数据传输包括了基于互联网协议(IP)的数据。根据本发明的实施例，蜂窝网络采用了诸如窄带物联网(Narrowband Internet of Things，NB-IoT)和长期演进机器类型通信(Long-Term Evolution-Machine Type Communication，LTE-M)的低功率广域网无线电接口，以便于通过促进非IP数据的传输，从而使得在蜂窝网络上进行设备到设备的通信。
服务器布置经由数据通信网络，被通信地耦接至至少一个网络核心和多个设备。具体而言，“网络核心”是指连接主要节点的高容量(high capacity)通信设施。网络核心提供了用于在不同子网之间进行数据交换(即，数据传输)的路径。网络核心通过数据通信网络从源设备获取数据，并将该数据进一步传输至固定网络(例如，固定以太网)，从而将数据传输至接收器设备中。需要理解的是，源设备和接收器设备可以为有线设备或无线设备。可选地，网络核心具有平面拓扑或网状拓扑。更可选地，网络核心采用电路交换技术、分组交换技术或其组合。
在一个实例中，网络核心为4G演进分组核心(Evolved Packet Core，EPC)或5G核心(5G Core，5GC)。而在这种情况下，该网络核心至少由以下组成元素之一构成：家庭订户服务器(Home Subscriber Server，HSS)、统一数据管理(Unified Data Management，UDM)、服务网关(Serving Gateway，SGW)、会话管理功能(Session Management Function，SMF)、分组数据网络网关(Packet Data Network Gateway，PDN GW)、用户平面功能(User PlaneFunction，UPF)、移动性管理实体(Mobility Management Entity，MME)和访问移动性管理功能(Access Mobility management Function，AMF)。组成元素使网络核心能够有效地将数据从一个设备(即，发送设备)路由至另一个设备(即，接收设备)。在另一个实例中，网络核心为4G中的服务能力开放功能(Service Capability Exposure Function，SCEF)或5G中的服务兼容性服务器(Service Compatibility Server，SCS)。4G SCEF将与网络开放功能(Network Exposure Function，NEF)集成，而NEF将成为在5G中支持蜂窝优化IoT通信的SCS。需要理解的是，利用诸如NB-IoT和LTE-M的无线电接口所实现的SCEF或SCS网络核心使得能够使用以太网帧来在多个设备之间交换非IP数据。
在一个示例中，服务器布置和多个设备经由至少一个基站被连接至至少一个网络核心。在另一示例中，多个设备经由至少一个网络核心彼此连接。在这种情况下，多个设备可以采用服务器布置来连接至至少一个网络核心。在又一个示例中，多个设备经由服务器布置被连接至网络核心。在这种情况下，服务器布置被连接至至少一个基站，以与至少一个网络核心进行通信。
可选地，“基站”是指用于无线通信的固定通信点，例如蜂窝网络。具体地，基站可中继服务器布置。更可选地，至少一个基站向一个或多个发送单元/接收单元提供信息，或从一个或多个发送单元/接收单元获取信息。根据本发明的实施例，基站将数据中继至多个设备和/或服务器布置，以及中继来自多个设备和/或服务器布置的数据。基站被配置为分配控制无线电信道(Control radio Channels，CCH)和数据无线电信道(Data radioChannels，DCCH)，用于对来自多个设备和/或服务器布置的数据进行单播上行链路传输。另外，该至少一个基站被配置为：为多个设备和/或服务器布置的数据的下行链路接收分配不同的无线电控制信道(多播控制信道MCCH)和业务无线电信道(多播业务信道MTCH)。
另外，术语“设备”是指与工业环境相关联(或用在工业环境中)的电子设备、机械设备或其组合。多个设备能够执行与前述系统相关联的特定任务，例如，发送数据和/或接收数据。此外，多个设备旨在被广泛地解释为包括可用于通过有线通信网络或无线通信网络进行语音和/或数据通信的任何电子设备。多个设备的示例包括但不限于：蜂窝电话、个人数字助理(Personal Digital Assistants，PDA)、手持设备、无线调制解调器、便携式计算机、个人计算机、电动机、电动执行器、控制器、传输设备、收发器站、路由器和网络设备。另外，可选地，多个设备包括壳体、功能单元、存储器、处理器、网络接口卡、麦克风、扬声器、小键盘、显示器，发射器和接收器。而且，多个设备将被广泛地进行解释，以涵盖通过操作来执行某一功能的各种不同类型的设备(例如，电气设备、机械设备、电子设备等)。可选地，在工业环境中，通过数据通信网络来控制或促进由多个设备中的每个设备执行的功能。在这方面，在一种实例中，工业环境中的设备可以基于从工业环境中的另一设备接收的指令来进行操作，其中，通过使用数据通信网络来传输该指令。
此外，可选地，该系统包括一组有线设备和一组无线设备。在这方面，在工业环境中，一组有线设备使用诸如电缆、光纤等来实现相互连接。在一个实例中，在工业环境中，一组有线设备之间的这种有线连接形成了LAN。更具体地，PROFINET电缆可用于该组有线设备之间的有线通信，从而提供了以太网电缆通信相对于工业环境的优势。可替选地，可以使用无线通信网络(例如，蜂窝网络)来连接该组无线设备。还可以使用Internet来实现一组无线设备之间的这种无线连接，其中，可以使用以下任意一种来提供Internet：2G协议、3G协议、4G协议、5G协议。
可选地，多个无线设备为基于物联网(Internet of Things，IoT)的设备。具体地，基于IoT的设备为非标准计算设备，其无线连接到数据通信网络以进行数据传输。通常，非标准计算设备为非Internet启用的物理设备。应当理解的是，Internet技术被嵌入到非标准设备中，从而使它们能够被远程监视和控制。更可选地，基于IoT的设备具有并入其中的演进多媒体广播多播服务(Multimedia Broadcast Multicast Services，eMBMS)功能。该eMBMS功能使基于IoT的设备和工业IoT(Industrial IoT，IIoT)设备能够通过点对多点接口的方式来进行通信。有利地，这种点对多点接口支持在IoT设备之间进行广播通信。基于IoT的设备被应用于工业环境中时，可以实现可用传感数据的传送，可用传感数据的传送由于诸如NB-IoT或LTE-M的无线接口而能够实现多个设备之间的直接通信，以及实现用户与多个设备之间的直接通信，从而实现工业环境中的自动化。需要理解的是，用户可以为在工业环境中的人或机器人，和/或与工业环境远程关联的人或机器人。
该系统被配置为使用服务器布置为多个设备中的每个设备生成定时信息。具体地，“定时信息”为表示多个设备中的每个设备的特定布置或时间序列的数据或数据集。具体地，特定布置或时间序列描述了多个设备中的每个设备的时隙。更具体地，如定时信息中所指定的，多个设备中的给定设备用于根据与该给定设备相对应的给定时隙来发送数据。在示例中，定时信息通过列表的方式来表示，该列表包括有与多个设备中的每个设备相关联的唯一标识所对应的时隙。具体地，定时信息使得能够对多个设备加时间戳，以使同步该多个设备。有利地，定时信息是由服务器布置生成的，以避免在多个设备进行数据传输的过程中发生冲突，从而最小化延迟时间并优化工业环境中的操作。可选地，定时信息可被实现为文件或文件夹中的数据。
定时信息被转换成待由多个设备中的每个设备接收的多个定时分组。具体地，服务器布置将长的定时信息分解成较小的分组(即，多个定时分组)。应当理解的是，多个定时分组中的每个定时分组在源(即，服务器布置)和接收器(即，多个设备中的每个设备)之间跨越。多个定时分组在与数据通信网络相关联的多个通信链路上进行发送。
可选地，设备的定时信息包括：设备的上行链路时隙或设备的下行链路时隙中的至少一个。根据本发明的实施例，术语“上行链路时隙”是指当设备传输或上传用于通信的数据时的时隙。此外，术语“下行链路时隙”是指当设备操作以接收或收听所上传的数据时的时隙。在一个示例中，正如定时信息中所指定的，多个设备中的设备根据对应于该设备的下行链路时隙进行操作来接收数据。可替选地，在另一示例中，多个设备中的设备操作来接收由例如基站所提供的所有下行链路数据。
可选地，本发明的系统采用了时间参考时钟来生成定时信息。更可选地，通过全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收器、全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)接收器、或原子钟来启用时间参考时钟。此外，可选地，服务器布置从时间参考时钟接收定时信息的参考。在这种情况下，服务器布置对由时间参考时钟提供的定时信息的参考进行封装，以生成定时信息。具体地，时间参考时钟使服务器布置能够实现精确的时隙，以用于生成定时信息。
该系统被配置为经由至少一个网络核心向多个设备中的每个设备广播多个第二封装的定时分组。应当理解的是，“广播”是指通过电子介质(通常为电磁频谱)所进行的数据分配。该系统通过多个第二封装的定时分组将定时信息传送到多个设备。此外，在工业环境中，由服务器布置生成的定时信息作为一个或多个广播消息，被至少一个网络核心广播至多个设备中的每个设备。值得注意的是，网络核心对多个定时分组进行路由，以便将其传送至与其相对应的预期接收器中。
可选地，多个定时分组为以下至少之一：基于Internet协议(Internet Protocol，IP)的分组、非IP分组或其组合。应当理解的是，基于IP的分组的路由本质上需要Internet(蜂窝网络)。具体而言，IP仅基于被存储于基于IP的数据分组中的IP地址，将基于IP的数据分组从源传递至接收器。随后，基于IP的定时分组仅包括用于基于IP的定时分组的接收器的IP地址。此外，非IP数据分组通过使用物理连接来进行路由。具体地，仅基于被存储于非IP数据包分组中的媒体访问控制(Media Access Control，MAC)地址，即可采用物理连接将非IP数据分组从源被传递至接收器。随后，基于非IP的定时分组仅包括基于非IP的定时分组的接收器的MAC地址。根据本发明的实施例，在一个示例中，多个定时分组中的定时分组包括接收器的IP地址和接收器的MAC地址。在另一示例中，当接收器为来自一组无线设备的设备时，多个定时分组中的定时分组包括IP地址，而当接收器为来自一组有线设备的设备时，多个定时分组中的定时分组包括MAC地址。
可选地，该系统被配置为向多个设备提供修改的时钟协议(Clock Protocol，CP)，其中，修改后的时钟协议是通过使用透明传递方法而提供的。修改的时钟协议(CP)是指修改的PTP(即，精确时间时钟协议(Precision Time Clock Protocol，PTCP))。此外，可选地，修改的CP与定时信息一同被发送。通常，多个设备采用PTCP来校正其内部时钟的漂移。PTCP提供了一种频谱高效方法，用于在设备重新启动时校正设备的“日期”和“时间”。随后，PTCP可以同步发送和接收定时信息。而定时信息的这种同步发送和接收使得能够在无拥塞的网络中进行数据的实时或同步通信。
更可选地，采用透明传递方法来向一组无线设备提供精确时间时钟协议(Precision Time Clock Protocol，PTCP)，从而使得该组无线设备能够使用PROFINET。具体地，透明传送方法采用了3GPP在版本14中所讨论的七个技术规范。可选地，以多播/广播消息单频网络(Multicast/Broadcast message Single Frequency Network，MBSFN)模式发送PTCP，从而将蜂窝网络中的小区间的干扰转化为构造性分集。
此外，可选地，在NB-IoT传输中使用周期性的eMBMS子帧，以在向多个设备传送定时信息时达到更高的精度。
应当理解的是，可以将精确时间协议(Precision Time Protocol，PTP)或网络时间协议(Network Timing Protocol，NTP)提供给一组有线设备和/或一组无线设备以代替PTCP。时钟协议的这种选择取决于系统中的多个设备所需的定时精度。
使用数据通信网络的通信信道来进行多个定时分组的第一封装。具体地，通信信道向多个定时分组中的每个定时分组添加报头和/或报尾以用于每个定时分组的第一封装。更具体地，多个定时分组中的每个定时分组基于与其相关联的报头和报尾在数据通信网络内被不同地路由。此外，通信信道首先封装多个定时分组以添加使得其能够进行无缝传输的信息。在一个示例中，多个定时分组首先被封装以添加与将用于其传输的端口有关的报头信息。
此外，可选地，使用数据通信网络，来进一步封装多个定时分组中的每个定时分组以添加另一个报头。在这种情况下，定时分组被封装以添加与该定时分组的源(即，服务器布置)相关联的唯一标识符(例如，IP地址)以及与该定时分组的接收器(即，多个设备中的一个设备)相关联的唯一标识符(例如，IP地址，MAC地址)。
此外，使用至少一个网络核心来执行多个第一封装的定时分组的第二封装，其中，该至少一个网络核心还向多个设备传递多个第二封装的定时分组。通过该至少一个网络核心来进一步封装多个第一封装的定时分组，以增加报头和报尾。该至少一个网络核心并不会解封装多个第一封装的定时分组。可替选地，至少一个网络核心封装多个第一封装的定时分组，从而最小化由于这种解封装而导致的操作延迟。
可选地，数据通信网络为多个设备中的每个设备和服务器布置分配通信信道，以在其之间进行数据传输。在这种情况下，通信信道在至少一个网络核心中终止。可选地，通信信道包括上行链路隧道和下行链路隧道。更可选地，每个隧道由隧道端点ID(Tunnel EndPoints ID，TEID)进行标识。数据通信网络可以为IP网络或非IP网络，而除了TEID，上行链路和下行链路信道还可以通过其他方式(例如VLAN标签，MPLS标签等)来进行标识。
可选地，至少一个网络核心采用SYNC协议来对多个第一封装的定时分组进行第二封装。具体地，SYNC协议将报头添加到第一封装的定时分组中，其中，该报头包括参照多个定时分组的序列号而确定的定时分组的序列号，以及该定时分组的广播时间(Time toAir，TTA)。有益地，SYNC协议可确保在无线电接入网络(Radio Access Network，RAN)级别上进行单频网络(Single Frequency Network，SFN)操作，从而能够有效地利用电磁频谱以进一步地传输多个第二封装的定时分组。而且，由SYNC协议所添加的报尾限定了与定时分组相关联的同步周期、同步序列和时间戳。
可选地，RAN由至少一个演进型节点B(Evolved NodeB，eNB)所形成。更可选地，至少一个网络核心通过eNB被连接至服务器布置和/或多个设备，其中，eNB为提供基站功能的基站收发器。通常，每个eNB都包含一个多播协调实体(Multicast Coordination Entity，MCE)，其中，MCE为用于广播多个定时分组的eMBMS架构的逻辑实体部分。具体地，MCE基于被映射到每个多播流的服务质量类别标识符(Quality of Service Class Identifier，QCI)，选择出MBSFN的无线电参数(例如带宽)。另外，由MCE选择出的无线电参数必须在所有eNB之间保持一致，以便于满足MBSFN要求。更可选地，用户可以使用编排和管理(Orchestration and Management，O&M)接口为每个eNB手动设置无线电参数的分配。并且，可以在与每个帧有关的系统信息块(SystemInformation Block，SIB)中找到无线电参数的这种分配，其中，帧为由通信信道、蜂窝网络或至少一个网络核心所限定的封装定时分组。用于配置MBSFN子帧分配的无线电参数为：无线帧分配周期、无线帧分配偏移和子帧分配。有益地，选择用于数据传输的无线电参数使得能够分配用于数据传输的对称和/或非对称资源。因此，基于数据的改变资源分配可优化数据传输的操作。
更可选地，无线帧分配周期限定了直到分配出新的MBSFN子帧为止的帧之间的间隔，无线帧分配偏移量可指示相对于系统帧号为“0”的起始帧，并且子帧分配可以指示帧内的哪个子帧携带有组播数据。在一个示例中，多播定时传输的最大周期为每32个NB-IoT帧传输1MBSFN子帧。有利地，所选的这些值提供了传递多个定时分组的最小的带宽消耗，从而优化NB-IoT上的通信。
至少一个网络核心还向多个设备传递多个第二封装的定时分组。该至少一个网络核心将多个第二封装的定时分组中的每个定时分组路由至多个设备中的每个设备。可选地，该组有线设备经由PROFINET电缆，基于MAC地址获取多个第二封装定时数据分组。更可选地，该组无线设备经由蜂窝网络，基于IP地址获取多个第二封装的定时分组。
可选地，演进多媒体广播多播服务(Evolved Multimedia Broadcast MulticastService，eMBMS)用于向多个设备中的每个设备周期性地广播多个第二封装的定时分组，其中，多个设备为基于IoT的设备。具体地，使用eMBMS子帧周期性地增加了一组无线设备之间的数据广播的准确性。更可选地，该组无线设备采用NB IoT网络、LTE-M至少之一以用于在蜂窝网络上进行通信。
可选地，多个第二封装的定时分组作为以太网帧被广播至多个无线设备。具体地，以太网帧使得能够将定时信息以机器类型的方式传输至多个设备。更可选地，蜂窝网络采用诸如NB-IoT和LTE-M的无线电接口，以便能够将以太网帧传输(具体地，广播)至多个设备。此外，可选地，定时信息的给定以太网帧以以太网报头开始，其中，以太网报头包括源和目的地的MAC地址。此外，给定以太网帧的中间部分包括其他协议(例如Internet协议)的报头，并且，给定以太网帧以帧检查序列(Frame Check Sequence，FCS)结尾，以检测给定以太网帧中的任何数据传输中的损坏。有益地，采用以太网帧使得能够将定时信息传送到多个设备中，而不会对其信息造成任何失真或丢失。
可选地，本发明的系统被配置为当使用5G通信协议来实现蜂窝网络时，采用基于服务的体系结构(Service-based Architectures，SBA)来提供多个定时分组。更可选地，定时信息由SBA使用SYNC协议进行封装。另外，可选地，基于服务的体系结构使用透明传递方法来将修改的时钟协议提供至多个无线设备。具体地，基于服务的体系结构允许在蜂窝网络采用的5G通信协议的不同部分中定位网络功能，例如访问和移动性管理功能(Accessand Mobiility Management Function，AMF)和SCF。此外，5G通信网络可促进基于以太网(如PROFINET)的数据无缝传输的部署，在具有增强型SCEF或SCS的工业环境中使用，该部署用于桥接蜂窝网络和固定的以太网网络。通过将SCEF网络核心功能集成到下一代NodeB(Generation NodeB，gNB)或gNB所连接的第一台交换机中，可以实现这种增强的SCEF。
该系统被配置为基于定时信息从多个设备中的每个设备接收用于通信的上行链路数据。具体地，该系统从多个设备的每个设备接收“上行链路数据”以进行通信。可选地，所提供的上行链路数据为基于IP的数据、基于非IP的数据或其组合。在定时信息中指定的与其相关联的时隙中，可以从多个设备接收这种上行链路数据。在一个示例中，由给定设备所提供的上行链路数据将被传输至多个设备中的每个设备。在另一示例中，由该给定设备所提供的该上行链路数据将被传输至多个设备中的一组设备，其中，该上行链路数据，例如在功能上，与该组设备中的每个设备有关。在又一示例中，由该给定设备所提供的该上行链路数据从多个工业设备被传输至另一设备之中。在又一示例中，由该给定设备所提供的该上行链路数据将被传输至远程设备，其中，该远程设备在工业环境之外。
在一个示例中，由给定设备所提供的上行链路数据被至少一个网络核心直接路由至目标设备。在另一示例中，由给定设备所提供的上行链路数据被至少一个网络核心路由至服务器布置。在这种情况下，服务器布置可以存储上行链路数据或将其提供回至该至少一个网络核心，以用于该数据向目标设备的传输。
该系统被配置为向与其对应的多个设备提供下行链路数据。具体地，该系统向多个设备提供“下行链路数据”以进行通信。可选地，下行链路数据为基于IP的数据、基于非IP的数据或其组合。在一个示例中，下行链路数据对应于多个设备中的每个设备在其上行链路时隙中所提供的上行链路数据。在另一示例中，下行链路数据可以为由用户所提供的或由服务器布置从外部源所接收的数据。应当理解的是，数据被至少一个网络核心路由至与数据相对应的接收器中，并且进一步，被基站以单播、多播或广播的方式传输至下行链路。可选地，经由服务器装置来提供下行链路数据。在一个示例中，给定设备将接收由基站广播的多个下行链路数据。在这种情况下，给定设备将分析广播的多个下行链路数据，以确定对于给定工业数据有用的下行链路数据。在另一示例中，至少一个基站被同步，以便于在与给定工业设备相关联的下行链路时隙中，广播对于该给定工业设备有用的下行链路数据。并且根据可选实施例，代替广播或除了广播之外，可以使用多播。
在一个示例中，给定设备的下行链路数据由至少一个网络核心直接从源设备进行路由。在另一示例中，给定设备的该下行链路数据由至少一个网络核心从服务器布置进行路由。在这种情况下，服务器布置可以在与给定设备相关联的下行链路时隙处，将下行链路数据提供至该至少一个网络核心。
可选地，使用单播、多播或广播中的至少之一，将下行链路数据提供至该组无线设备。下行链路协议的选择取决于例如可用带宽，还取决于某些数据是否能用于两个或多个设备(多播或广播)。
根据可选实施例，包括了非IP数据帧的非IP数据可直接从一组有线设备被发送至一组无线设备之中，或者在一组有线设备之间进行发送。非IP数据的示例包括地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)消息，该消息通过广播或多播从一组有线设备进行发送，以用于发现工业环境中的其他设备。基本上，这些ARP消息将例如以其为非IP ARP的形式，通过蜂窝网络作为广播或多播消息被发送至多个设备。多播用于限制将要通过多播域的子网部分发送的ARP消息，而不是广播到多个设备中的每个设备。
在这方面，可选地，该系统包括至少一个管理设备，用于管理与一组有线设备的通信。该至少一个管理设备被配置为使得能够在一组有线设备和一组无线设备之间进行直接通信。该至少一个管理设备从一组无线设备中的一个无线设备中接收上行链路信号消息。可选地，经由eNB与NB-IoT消息和/或通信信道消息一同接收这样的上行链路信号消息。具体地，通过使用NB-IoT传感器在信号消息内引入非IP数据，可以在多个设备之间，特别是在一组有线设备和一组无线设备之间传输以太网帧。这些上行链路信号消息将被直接封装在以太网或多协议标签交换(MultiProtocol Label Switching，MPLS)之上，并且进一步地，这些上行链路信号消息被传递至将至少一个网络核心(特别是SCEF网络核心)连接至固定以太网的交换机。随后，可选地，SCEF将从多个设备接收到的包括以太网帧的所有上行链路信号消息，经由蜂窝网络转发至与之相对应的多个设备的接收器中，再转发至固定以太网。此外，可选地，SCEF包括对上行链路信号消息进行封装和/或解封装的功能，并将一组无线设备连接至固定以太网的功能。
另外，至少一个网络核心(使用SCEF或SCS功能实现)可以结合软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)功能，从而通过基于流量需求将流量分配给不同的虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)来管理系统中的流量。
更可选地，在5G通信协议中使用的SBA使得能够在工业环境中利用至少一个网络核心的本地部署。通常，当通过蜂窝网络的5G通信协议进行连接时，SBA将工业环境中来自云端的默认访问和移动性管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)连接重新定向至特定的AMF。特定的AMF将处理与工业环境相关联的网络切片，并使得能够隔离出用于工业环境的网络资源。网络资源的这种隔离针对工业环境向不同网络切片提供了特定的AMF，从而在工业环境中减少了延迟时间，并且提高了所实现的通信的可靠性。此外，将默认AMF重新定向至特定AMF还可在工业环境中启用多个网络核心。随后，多个网络核心会阻止通过云端将数据(例如，物联网(Internet of Things，IoT)或工业IoT数据)发送至多个网络核心。可替选地，可以使用gNB或gNB所连接的第一台交换机中的Industrial UPF或SCEF进行数据的传输。因此，该系统能够将工业环境中的一组无线设备高效且无缝地连接至工业网络中的固定以太网。随后，与固定以太网的这种连接使得能够在一组无线设备和一组有线设备之间无缝地传输数据的以太网帧，从而增强工业环境中的互操作性。
可选地，该系统使用服务器布置、基站、至少一个网络核心至少之一，来接收上行链路数据并提供下行链路数据。在一示例中，设备在与该设备相关联的上行链路时隙中经由基站直接向至少一个网络核心提供上行链路数据。在另一个示例中，设备将上行链路数据提供至服务器布置。在这种情况下，提供至服务器布置的上行链路数据可能不在与设备相关联的上行链路时隙中。随后，可选地，在与设备相关联的上行链路时隙中，通过服务器布置，将上行链路数据提供至基站，并且进一步提供至至少一个网络核心。可替选地，通过服务器布置，基于上行链路数据的优先级，将上行链路数据提供至基站，并且进一步提供至至少一个网络核心。在此，如果上行链路数据的优先级低，则当基站具有实质上更少的上行链路请求或没有上行链路请求(即，来自多个工业设备中的任何一个设备的用于通信的上行链路数据)时，在上行链路时隙中提供上行链路数据。此外，如果上行链路数据的优先级高，则将上行链路数据即刻实时地或近乎实时地提供至基站以及至少一个网络核心。
更可选地，该系统接收上行链路数据并基于所需的操作延迟时间来提供下行链路数据。应当理解的是，延迟时间被定义为在数据传输开始之前的延迟时间。根据本发明的实施例，术语“延迟时间”限定了经由服务器布置，从多个设备中接收上行链路数据并将其提供至至少一个网络核心时的延迟时间，或者经由服务器布置，将来自至少一个网络核心的下行链路数据提供至多个设备的延迟时间。
应当理解的是，在用于下行链路的数据(通常，作为数据分组)传输期间，经历了延迟。而这种延迟是由于以下至少之一所导致的：至少一个网络核心、基站(例如eNB)、空气传播、接收器处理。通常，归因于至少一个网络核心的延迟包括：来自时钟同步的传输延迟(例如来自NTP源的延迟)以及由于数据分组封装而导致的延迟。此外，归因于基站的延迟包括：来自服务网关(SGW)的传输延迟、SYNC协议的缓冲时间以及基站所需的内部处理时间。而空气传播延迟则包括：传输的数据分组从基站到达目的地所需花费的时间，并且，归因于接收器处理的延迟为：目标设备用来消除数据分组歧义，以便于导出数据并将数据传递至目标设备的操作系统的时间。
根据本发明的实施例，使用SYNC协议在至少一个网络核心处封装数据分组，将由于至少一个网络核心和基站而导致的延迟转变为确定性延迟。通常，SYNC协议将会迫使基站将来自时钟同步的总传输延迟和传输的数据分组放入空中确定的传输方法(例如eMBMS)中。总延迟被包含在由SYNC协议所添加的TTA报头中，TTA报头用以对每个数据分组进行封装。值得注意的是，当数据分组位于至少一个网络核心时，通过将SYNC协议的延迟与来自时钟同步的传输延迟相加，可以使得由于至少一个网络核心所导致的延迟和由于基站所导致的延迟能够被补偿。
此外，可以采用定时提前程序来补偿由于空气传播而导致的延迟。在这方面，当终端(例如发送器设备)使用随机接入信道(Random Access Channel，RACH)连接至网络(例如蜂窝网络)时，基站将数据分组的到达时间评估为其帧时间，并且告知源设备以将数据分组的传输提前“定时提前控制元素”中指定的量，以避免与其他设备发生干扰，从而避免了工业环境中的拥塞情况。在一个示例中，该系统使得能够在LTE促使的蜂窝网络上进行数据传输。在这种情况下，到达时间到帧时间的值为基本时间单位的16倍，其中，基本时间单位为Ts＝0.0325μs。在这种情况下，用于在上行链路中提供数据分组的最大时间范围为1282*16*Ts＝666.64μs。另外，如果多个设备可以访问由射频(Radio Frequency，RF)调制解调器所使用的定时提前信令，则可以通过RF的上层来校正由于空气传播而引起的延迟。另外，取决于目标设备的类型，归因于接收器处理的延迟可以为随机的。
需要理解的是，该系统包括用于在多个设备、服务器布置、至少一个网络核心和至少一个基站之间建立连接的网络框架。这种网络框架包括用于从多个设备接收上行链路数据的上行链路连接，以及用于向多个设备提供下行链路数据的下行链路连接。在一个示例中，通过4G演进分组核心(Evolved Packet core，EPC)功能来实现该网络框架，该功能用于向多个设备提供上行链路连接和下行链路连接。在另一个示例中，该网络框架是通过5G核心(5G Core，5GC)功能所实现的，其用于向多个设备提供上行链路连接和下行链路连接。在又一个示例中，该网络框架是通过窄带物联网网络(Narrowband Internet of Thingsnetwork，NB-IoT)或LTE-M部件(例如4G服务能力开放功能(Service Capability ExposureFunction，SCEF)、5G服务兼容性服务器(Service Compatibility Server，SCS))所实现的，从而为IP数据和非IP数据两者提供优化的上行链路连接。在这种情况下，可通过演进多媒体广播多播服务(Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service，eMBMS)功能(例如，广播多播服务中心(Broadcast Multicast service center，BM-SC)、MBMS网关)来实现网络框架，以便于为IP数据和非IP数据两者提供优化的下行链路连接。
在示例性实施例中，数据通信网络被实现为蜂窝网络，其中，无线电波的频谱被用于在蜂窝网络上发送数据。应当理解的是，将要被发送的数据被分成多个数据分组。网络核心通过演进分组核心(Evolved Packet Core，EPC)来实现。来自多个设备的源设备在与源数据相关联的上行链路时隙处，经由蜂窝网络的基站将多个数据分组提供至至少一个网络核心。此外，多个数据分组首先被蜂窝网络的通信信道进行封装，以向其添加报头信息。通信信道将多个第一封装数据分组提供至网络核心。多个第一封装数据分组被网络核心进一步封装，以向其添加报头和报尾。多个分组中的每个分组的报头包括与源设备有关的唯一标识符，以及与数据的接收器设备有关的唯一标识符。网络核心通过工业环境中的固定以太网将多个第二封装数据分组路由至接收器设备。
在另一个实施例中，工业环境可以包括6个设备。在这种情况下，对于工业环境中的6个设备，定时信息包括10秒的上行链路时隙和10秒的下行链路时隙。随后，第一台设备在前10秒内提供上行链路数据，然后第二台设备在下10秒内提供上行数据，依此类推。随后，这6个设备中的每个设备在第一分钟内以10秒的间隔提供上行链路数据。此外，在6个设备中的每个设备操作以提供上行链路数据的周期(即，第一上行链路周期)完成时，6个设备中的每个设备操作以接收下行链路数据。在这种情况下，第一设备在第一分钟之后的前10秒接收下行链路数据，然后是第二设备，依此类推。随后，这6个设备中的每个设备均在第二分钟内以10秒的间隔接收下行链路数据。此外，在完成六个设备中的每个设备操作以接收下行链路数据的周期(即，第一下行链路周期)之后，启动第二上行链路周期。
在可选实施例中，数据通信网络为蜂窝网络，并且多个设备例如为多个工业设备，例如多个无线设备或多个移动设备。在可选实施例中，系统包括一组有线设备和一组无线设备。
更具体地，该实施例中的用于在工业环境中通信的该系统，包括服务器布置，该服务器布置经由蜂窝网络可通信地耦接到至少一个网络核心和该工业环境中的多个无线设备，其中，该系统被配置为：
-使用服务器布置生成用于多个无线设备中的每个无线设备的定时信息，其中，定时信息被转换为待由多个无线设备中的每个无线设备接收的多个定时分组；
-经由至少一个网络核心，向多个无线设备中的每个无线设备广播多个第二封装的定时分组，其中，
使用蜂窝网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装；以及
使用至少一个网络核心，来对多个第一封装定的时分组进行第二封装，
其中，至少一个网络核心还向多个无线设备传递多个第二封装的定时分组；
-基于定时信息，从多个无线设备中的每个无线设备中接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的多个无线设备。
根据这一实施例，该用于在工业环境中通信的方法可以通过使用一种系统来实现，而该系统包括服务器布置，该服务器布置经由蜂窝网络被通信地耦接至至少一个网络核心和多个无线设备，其中，该方法包括：
-使用服务器布置生成多个无线设备中的每个无线设备的定时信息，其中，定时信息被转换为待由多个无线设备中的每个无线设备接收的多个定时分组；
-通过向蜂窝网络提供多个定时信息，来广播该多个定时信息；
-使用蜂窝网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装；
-使用至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装；
-经由至少一个网络核心，将多个第二封装的定时分组广播至多个无线设备中的每个无线设备；
-基于定时信息，从多个无线设备中的每个无线设备中接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的多个无线设备。
该系统使得能够避免通信信道中的出现拥塞的情况，以及使得能够在工业环境中的蜂窝网络上对基于Internet协议(IP)的数据和基于非IP的数据进行可靠传送。该系统还使得有线设备和无线设备之间能够通过蜂窝网络进行直接通信。因此，该系统能够显著减少操作延迟，以及能够对在工业环境中被连接至基站或其他无线接入点的无线设备之间的数据传输进行同步，并优化在工业环境中从多个设备进行数据传输的过程。更具体地，该系统使得能够避免蜂窝网络中的拥塞时段。例如，该系统和该方法提供了在工业环境中的无线设备(例如，跨越车间地板的无线设备)与工业环境中的有线设备(例如，通过蜂窝网络被连接至专用网络中的有线设备)之间的无缝连接。
此外，所公开的该系统和该方法进行了精确定时信息的交换，以在多个设备之间进行同步通信。因此，该系统通过将与所述设备中每个设备相关联的时间进行同步，使得在包括有线设备和无线设备的整个工业环境中实现一致的功能。在工业环境中，由服务器布置生成的定时信息作为一个或多个广播消息，由至少一个网络核心被广播至多个设备中的每个设备。并且网络核心对多个定时分组进行路由，以便将其传送至与其相对应的预期接收器中。而该定时信息被发送至设备进行同步的时间戳。具体地，该定时信息允许对多个无线或移动设备添加时间戳，从而以使这些具有时间戳的多个无线或移动设备实现同步。该系统通过对与所述多个设备中每个设备相关联的时间进行同步，使得在包括有线设备和无线设备的整个工业环境中实现一致的功能。有益地，为来自多个设备中的每个设备的上行链路数据分配时隙，可以防止拥塞情况的发生。
另外，该系统还被配置为通过避免蜂窝网络中的拥塞时段，来对工业环境中来自多个设备的数据传输过程进行优化。蜂窝网络允许无需在两个设备之间进行任何物理连接而进行数据传输。蜂窝网络允许多个设备之间的不对称通信，并且由常规蜂窝网络所促进的进一步数据传输包括了基于互联网协议(IP)的数据，同时蜂窝网络还能够通过促进非IP数据的传输，来使得在蜂窝网络上进行设备到设备的通信。
本发明还涉及如上文所述的方法。上文所公开的各种实施例和变型，加以必要的修改，也适用于该方法。
可选地，多个设备包括一组有线设备和一组无线设备。
可选地，该方法包括向多个设备提供修改后的时钟协议，其中，使用透明传递方法来提供该修改后的时钟协议。
可选地，该方法包括采用至少一个管理设备，用于管理与一组有线设备的通信。
可选地，该方法包括采用时间参考时钟来生成定时信息。
可选地，当使用5G通信协议实现所述数据通信网络时，该方法包括：采用基于服务的体系结构以提供多个定时分组。
可选地，该方法包括：采用同步(SYNC)协议，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装。
可选或可替换地，该方法包括：在IP或非IP帧上从多个无线设备中的每个设备接收上行链路数据以进行通信。非IP帧将其他类型的数据帧称为IP。上行链路数据可为用于通信的任何有效载荷。此外，该方法包括：经由所述至少一个网络核心，将作为一组数据分组的所述下行链路数据，作为IP或非IP帧广播至所述多个设备中的每个设备。
附图详细描述
参见图1，其示出了根据本发明的实施例的一种用于在工业环境中通信的系统100的示意图。如图1所示，该用于在工业环境中通信的系统100包括服务器布置102。服务器布置102经由数据通信网络(未示出)被通信地耦接至至少一个网络核心(描绘为网络核心112)和多个设备(描述为设备104、106、108和110)。系统100使用服务器布置102为多个设备104、106、108和110中的每个设备生成定时信息。此外，定时信息被转换为待由多个设备104、106、108和110中的每个设备接收的多个定时分组。系统100经由网络核心112向多个设备104、106、108和110中的每个设备广播多个第二封装的定时分组。在这一方面，系统使用数据通信网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装，并且还使用网络核心112，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装。网络核心112还向多个设备104、106、108和110传递多个第二封装的定时分组。此外，系统100基于定时信息，从多个设备104、106、108和110中的每个设备接收上行链路数据，并将下行链路数据提供给与其相对应的多个设备104、106、108和110。
本领域技术人员应当理解的是，图1仅为出于清楚的目的，包括有该用于在工业环境中通信的系统100的简化图示，其不应不适当地限制本发明权利要求的范围。本领域技术人员将认识到本发明的实施例还可以进行各种变化、替代和修改。
参见图2，其示出了根据本发明的实施例的一种用于在工业环境中通信的系统200的示意图。如图2所示，该用于在工业环境中通信的系统200包括服务器布置214。服务器布置214经由数据通信网络212被通信地耦接至至少一个网络核心(描绘为网络核心216)和多个设备(描述为设备202、204、206、208)。多个设备202、204、206、208包括一组有线设备(描述为设备206和208)和一组无线设备(描述为设备202和204)。其中，多个设备202、204、206、208为基于物联网(Internet of Things，IoT)的设备。此外，系统200包括至少一个管理设备(描述为管理设备210)，用于管理与有线设备206和208的通信。
系统200使用服务器布置214为设备202、204、206和208中的每一个生成定时信息。值得注意的是，定时信息被转换成待由设备202、204、206和208中的每一个接收的多个定时分组。系统200经由网络核心216向设备202、204、206和208中的每一个广播多个第二封装的定时分组。就这一方面，系统使用数据通信网络212的通信信道来执行第一时序分组的第一封装，并且还使用网络核心216来进行多个第一封装时序分组的第二封装。网络核心216还向多个设备202、204、206和208传递多个第二封装的定时分组。此外，系统200基于定时信息，从多个设备202、204、206和208中的每个设备接收上行链路数据，并将下行链路数据提供给与其相对应的多个设备202、204、206和208。从多个设备202、204、206和208接收的上行链路数据经由网络核心216被提供至服务器布置214。系统200向多个设备202、204、206和208提供与该系统对应的下行链路数据。服务器布置214经由网络核心216还将下行链路数据提供至多个工业设备202、204、206和208。
本领域技术人员应当理解的是，图2仅为出于清楚的目的，包括有该用于在工业环境中通信的系统200的简化图示，其不应不适当地限制本发明权利要求的范围。本领域技术人员将认识到本发明的实施例还可以进行各种变化、替代和修改。
参见图3，其示出了根据本发明的实施例的一种用于在工业环境中通信的方法300的各个步骤的流程图。该方法被描述为逻辑流程图中步骤的集合，其表示可以以硬件、软件或其组合的方式来实现的一系列步骤(例如，如前文所述)。
该用于在工业环境中通信的方法可以通过使用一种系统来实现，该系统包括服务器布置，该服务器布置经由数据通信网络被通信地耦接至至少一个网络核心和多个工业设备。在步骤302中，使用服务器布置生成用于多个设备中的每个设备的定时信息。该定时信息被转换为待由多个设备中的每个设备接收的多个定时分组。在步骤304中，通过向数据通信网络提供多个定时信息，来广播该多个定时信息。在步骤306中，使用数据通信网络的通信信道，来对多个定时分组进行第一封装。在步骤308中，使用至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装。在步骤310中，多个第二封装的定时分组被广播至多个设备中的每个设备，其中，至少一个网络核心将多个第二封装的定时分组传递至多个设备。在步骤312中，基于定时信息，从多个设备中的每个设备接收用于通信的上行链路数据。在步骤314中，将下行链路数据提供给与其对应的多个设备。
步骤302、304、306、308、310、312和314仅为说明性的，在不背离本文权利要求范围的前提下，也可以提供其他替代方案，可以添加其中的一个或多个步骤、移除其中的一个或多个步骤或以不同的顺序提供其中的一个或多个步骤。
在不背离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对上文所描述的本发明的实施例进行修改。而用于描述和要求保护本发明的诸如“包括”、“包含”、“并入”、“具有”、“为”的表述旨在以非排他性的方式来对本发明进行解释，也就是说，也允许存在未明确描述的元件、部件或元素。所提及的单数也可被解释为涉及复数。

Claims (21)

1.一种用于在工业环境中通信的系统(100、200)，所述系统包括：服务器布置(102、214)，所述服务器布置(102、214)经由数据通信网络(212)被通信地耦接至至少一个网络核心(112、216)和多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)，
其中，所述系统被配置为：
-使用所述服务器布置生成用于所述多个设备中的每个设备的定时信息，其中，所述定时信息被转换为待由所述多个设备中的每个设备接收的多个定时分组；
-经由所述至少一个网络核心，向所述多个设备中的每个设备广播多个第二封装的定时分组，其中，
使用所述数据通信网络的通信信道，来对所述多个定时分组进行第一封装；以及
使用所述至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装，其中，所述至少一个网络核心还向所述多个设备传递多个第二封装的定时分组；
-基于所述定时信息，从所述多个设备中的每个设备接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的所述多个设备。
2.根据权利要求1所述的系统(100、200)，其中，所述多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)包括一组有线设备(206、208)和一组无线设备(202、204)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的系统(100、200)，其中，所述多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)为基于物联网IoT的设备。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统(100、200)，其中，所述系统被配置为向所述多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)提供修改后的时钟协议，其中，使用透明传递方法提供所述修改后的时钟协议。
5.根据权利要求2所述的系统(100、200)，其中，所述系统包括至少一个管理设备(210)，用于管理与该组有线设备(206、208)的通信。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统(100、200)，其中，所述系统采用时间参考时钟以生成所述定时信息。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统(100、200)，其中，用于设备(104、106、108、110、202、204、206、208)的定时信息，包括以下至少之一：用于所述设备的上行链路时隙，以及用于所述设备的下行链路时隙。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统(100、200)，其中，所述多个定时分组为以下至少之一：基于Internet协议IP的数据分组、非IP数据分组或其组合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统(100、200)，其中，所述上行链路数据和/或所述下行链路数据为以下至少之一：基于Internet协议IP的数据分组、非IP数据分组或其组合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统(100、200)，其中，当使用5G通信协议实现所述数据通信网络(212)时，所述系统被配置为采用基于服务的体系结构以提供所述多个定时分组。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统(100、200)，其中，所述至少一个网络核心(112、216)采用同步SYNC协议，以对所述多个第一封装的定时分组进行第二封装。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统(100、200)，其中，所述多个第二封装的定时分组作为以太网帧被广播至所述多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)。
13.一种用于在工业环境中通信的方法，其中，使用系统(100、200)来实现所述方法，所述系统包括服务器布置(102、214)，所述服务器布置(102、214)经由数据通信网络(212)被通信地耦接至至少一个网络核心(112、216)和多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)，
其中，所述方法包括：
-使用所述服务器布置生成所述多个设备中的每个设备的定时信息，其中，所述定时信息被转换为待由所述多个设备中的每个设备接收的多个定时分组；
-通过向所述数据通信网络提供所述多个定时信息，来广播所述多个定时信息；
-使用所述数据通信网络的通信信道，来对所述多个定时分组进行第一封装；
-使用所述至少一个网络核心，来对多个第一封装的定时分组进行第二封装；
-经由所述至少一个网络核心，将多个第二封装的定时分组广播至所述多个设备中的每个设备；
-基于所述定时信息，从所述多个设备中的每个设备接收用于通信的上行链路数据；以及
-将下行链路数据提供给与该系统对应的所述多个设备。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)，包括一组有线设备(206、208)和一组无线设备(202、204)。
15.根据权利要求13或14中任一项所述的方法，其中，所述方法包括向所述多个设备(104、106、108、110、202、204、206、208)提供修改后的时钟协议，其中，使用透明传递方法提供所述修改后的时钟协议。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括采用至少一个管理设备(210)，用于管理与该组有线设备(206、208)的通信。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，所述方法包括采用时间参考时钟以生成所述定时信息。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：当使用5G通信协议实现所述数据通信网络(212)时，采用基于服务的体系结构以提供所述多个定时分组。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：在Internet协议IP帧或非IP帧上，从所述多个设备中的每个设备接收用于通信的上行链路数据。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：经由所述至少一个网络核心，将作为一组数据分组的所述下行链路数据，作为IP或非IP帧广播至所述多个设备中的每个设备。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：采用同步SYNC协议，来对所述多个第一封装的定时分组进行第二封装。
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