CN112260957B - 一种时间感知整形器分级交叉流量调度系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向移动前传网络的时间感知整形器分级交叉流量调度系统及方法，属于通信技术领域。该系统包括基于时间感知整形器的高优先级模块和基于分级交叉调度结构的低优先级模块；所述高优先级模块包括高优先级队列、门控制列表和选择传输模块；所述低优先级模块包括低优先级一级队列、低优先级处理发送模块、调节器和低优先级二级队列。该方法在低优先级处理发送模块中运行，包括基于帧长匹配入队算法和基于队列状态出队算法。本发明能实现低抖动，低时延，高吞吐量的网络传输。

Description

一种时间感知整形器分级交叉流量调度系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种面向移动前传网络的时间感知整形器的分级交叉流量调度系统及方法。

背景技术

随着通信技术的发展，5G凭借超低延时、确定性特点渗透进各类行业。如医疗行业的远程医疗、智能电网、智慧城市等领域。丰富的应用需求带来了海量的容量需求与各类严格的性能指标要求。在传统移动前传网络中，云无线电接入网络（C-RAN）将BBU的功能虚拟化，使其可以向多个RRU传输IQ流。但IQ流需承载不同的功能业务，其对时延、抖动的需求是不同的。在此情况下，C-RAN被提议进行功能分割。如图1所示，BBU被拆分为分布单元（DU）和集中单元（CU），从RRU到核心网也分为了前传、中传和回传。同时，功能分割也带来了负责不同功能的各类流量。依据最新的eCPRI规范，移动前传网络流量主要分为三大类：IQ流、控制管理（C&M）流和同步信息流。其中IQ流划分为7类线性速率的流量，整个流量环境较为复杂，依据eCPRI规范，IQ流被划分为高优先级流，具有恒定速率。另两种流量则被划分为低优先级流，在移动前传网络中被统归为背景流。面对严格的时延要求以及复杂的流量环境，当前的基于蜂窝的网络部署无法满足BBU分割后带来的低时延、低抖动与高容量要求。移动前传网络逐渐成为5G网络进一步发展的瓶颈。

在此背景下，802.1工作组提出了802.1CM标准，提议将TSN技术应用在移动前传网络，并对其进行了标准化。该标准定义了时间敏感网络在移动前传架构中传输所必需的协议和过程，同时为移动前传架构提供了以太网连接方案。移动前传网络的以太网连接方案如图2所示。图1中RRU在移动前传网络中属于无线设备 (RE)，同时BBU和同端相关组件称为无线设备控制(REC)，RE负责将无线端的数据采样量化为数字信号并封装为数据帧，再通过前传网络将帧传送到REC单元，解析并处理传送的内容。图2中的网桥为TSN交换机，由TSN交换机组成了桥接网络。通过TSN交换机可对移动前传流量进行调度，保证满足不同种类流量的正常传输。

近年来，为了解决移动前传网络中的TSN流量调度问题，研究人员已经提出利用IEEE 802.1Qbv中的门控调度来解决这一问题。其具体的技术主要有时间感知整形器（TAS）、门控制列表（GCL）。其中，TAS在时间触发的窗口中调度关键业务流，因此它的基本思想是基于TDMA范式的，即给每个传输窗口分配不同的传输时隙，使低优先级的流和调度流之间形成隔离，减小相互间的干扰和帧间的重叠影响。在通过时延感知的窗口后，IEEE802.1Qbv标准通过门结构及GCL来控制帧的出队列操作。但是，由于低优先级帧一般为非恒定速率流，具有不可预测性，因此低优先级帧的持续传输会阻塞高优先级帧的传输。为了避免这种情况，研究者们引入了保护带宽来避免这种情况，即在高优先级帧传输之前保留一段最大空闲时隙（一般而言为可供1500字节传输的时隙）。易知，此种方法会带来巨大的带宽浪费，大大降低了吞吐量。研究人员为了解决这一问题，提出在门控调度中采用帧抢占的方式，即高优先级帧可以直接抢占正在传输的低优先级帧。这种方法可以大大的提高吞吐量，但是帧抢占会给高优先级流量带来抖动，这对于移动前传网络中的IQ（高优先级）流是不能容忍的。所以需要一种新的TSN流量调度机制，在满足流量低抖动的同时提高吞吐量。

综上所述，当前利用TSN流量调度来满足移动前传网络中流量传输需求，存在以下亟需解决的问题：移动前传网络中存在非恒定速率流量，如何减少非恒定速率流量（背景流）带来的影响。在满足低抖动的同时，如何进一步提高网络的吞吐量是亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向移动前传网络的时间感知整形器分级交叉流量调度系统及方法，降低前传网络中流量传输过程的时延和抖动，有效提高吞吐量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向移动前传网络的时间感知整形器分级交叉流量调度系统，包括基于时间感知整形器的高优先级模块和基于分级交叉调度结构的低优先级模块；

所述高优先级模块包括高优先级队列、门控制列表（GCL）和选择传输模块；高优先级队列用于存储高优先级帧，进行门控制调度；门控制列表（GCL）用于控制高优先级队列打开/关闭的时间，从而控制高优先级帧的转发时间；

所述低优先级模块包括低优先级一级队列、低优先级处理发送模块、调节器和低优先级二级队列；所述低优先级一级队列用于存储低优先级帧；低优先级处理发送模块负责计算低优先级一级队列进入低优先级二级队列的入队选择，以及二级子队列的队列状态；调节器用于执行低优先级处理发送模块计算出的入队指令；所述低优先级二级队列用于存储待传输低优先级帧的队列，其队列的开/关与各子队列状态相关。

进一步，在进入高优先级模块前，流量分类模块将流量分为高优先级帧与低优先级帧，将IQ流划分为高优先级，将C&M流与同步信息流划分为低优先级。

进一步，该系统的调度方法是在低优先级处理发送模块中运行，包括基于帧长匹配入队算法和基于队列状态出队算法。

进一步，所述基于帧长匹配的入队调度算法，具体包括：此调度算法在低优先级处理发送模块中运行，计算结果决定低优先级一级队列中的帧进入二级队列的哪个子队列等待传输；为了更好的适应复杂的流量环境，入队调度算法分为高负载与低负载两个调度模型；当流量符合低负载调度模型时，即数据帧进入低优先级一级队列中，没有其他数据帧等待调度，根据门控制列表（GCL）获取高优先级帧的占用时隙情况，将低优先级帧直接利用贪婪的思想就近传输，结合二级子队列完成所有帧传输的时间，得到需选择进入的二级子队列；当流量符合高负载调度模型时时，即低优先级一级队列中存在其他数据帧等待传输；此时为了提高吞吐量，采用基于帧长匹配的调度方式，其本质是优化组合问题，选择最佳的传输顺序，确定各个帧的传输时间；最后，结合二级子队列完成所有帧传输的时间，得到需选择进入的二级子队列。

进一步，所述基于队列状态出队算法，具体包括：依据各个队列中的数据帧的传输时间与当前时间维护队列状态，其关键要素是通过比较高优先级帧传输结束的时间、各个低优先级子二级队列的帧传输时间和当前时间，来实时维护更新队列状态以确定是否进行传输。

本发明的有益效果在于：

1）本发明可以降低抖动，且不会出现低优先级帧持续传输阻塞高优先级帧传输的情况。与现有TAS+帧抢占方案相比，具有更低的抖动。

2）本发明可以在保证低抖动的同时，有效地提高吞吐量。与现有的TAS方案相比，本发明的吞吐量得到了较大的提高。

3）本发明可以有效降低低优先级流（背景流）的时延。与现有的TAS方案相比，本发明获得了更好的低时延性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为5G移动网络架构图；

图2为移动前传网络的以太网连接方案；

图3为基于TAS的分级交叉流量调度结构图；

图4为本发明的HC-TAS与TAS、TAS+帧抢占方案的抖动比较；

图5为本发明的HC-TAS与TAS、TAS+帧抢占方案的吞吐量比较；

图6为本发明的HC-TAS与TAS、TAS+帧抢占方案的背景流时延比较。

具体实施例

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图6，本发明提供的基于时间感知整形器的分级交叉（HC-TAS）流量调度系统包括流量分类模块、基于时间感知整形器的高优先级模块和基于分级交叉调度结构的低优先级模块。其中，高优先级模块包括高优先级队列、门控制列表（GCL）和选择传输模块。低优先级模块包括低优先级一级队列、低优先级处理发送模块、调节器和低优先级二级队列。接下来结合各个功能模块，如图3所示，该系统的流量调度过程具体包括：

步骤1：数据帧进入交换机后，通过流量分类模块对流量进行分类，依据头部字节，将数据帧分为高优先级帧（不同IQ流进行进一步划分）与低优先级帧，分别进入各高优先级队列与低优先级一级队列。

步骤2：高优先级队列中的数据帧直接在高优先级队列中等待门打开，来进行传输，其中门打开的时间由GCL确定。待门打开，直接进行传输，然后从端口发出。

步骤3：低优先级一级队列中的数据帧根据低优先级处理发送模块中的基于帧长匹配的入队算法来确定进入哪个低优先级二级子队列，以及调整调节器参数，确定发送速率。

步骤4：低优先级二级队列中的数据帧根据低优先级处理发送模块中的基于队列状态的出队算法来维护各个子队列的状态。当队列状态为转发状态时，直接进行传输。然后从端口输出。

该系统基于时间感知整形器的分级交叉流量调度算法，在低优先级处理发送模块中运行，具体包括以下算法：

1）基于帧长匹配的入队调度算法，其过程包括：

步骤1：对低优先级一级队列中的数据帧进行判别，若仅有一个数据帧等待调度，则进入低负载调度模式。若不止，则进入高负载模式。

步骤2：低负载模式下，根据的GCL列表，可知道高优先级帧的占用时隙情况，将低优先级帧直接利用贪婪的思想就近选择时隙，确定帧可传输时间Ws。

步骤3：高负载模式下，如图3所示，二级队列具有4个子队列，因此以至多4个帧为一组进行调度，其本质是n（n<=4）个帧的优化时隙组合，首先进行可匹配时隙集的确定，将数据帧按帧长从大到小排列，每个帧依次以就近选择、时隙不冲突、一个帧对应一个时隙的原则，确定可匹配时隙集。

步骤4：将数据帧按帧长从大到小排列，每个帧依次以帧长匹配程度确定帧的传输时隙，并实时更新时隙集，从而确定各个帧的可传输时间Ws。

步骤5：针对二级子队列完成子队列中所有帧传输的时间设置为Q.end ，其初始化为0。确定各个帧的Ws后，将其由小到大排序，并以此顺序进行入队选择，其规则是帧选择进入Ws-Q.end最小的二级子队列。从而确定需要进入的队列。

步骤6：重复以上步骤，持续对数据帧进行调度。

2）基于队列状态的出队调度算法，其过程包括：

步骤1：对二级子队列进行轮询判断是否为空队列，若是，则继续轮询。

步骤2：若不是，则将Q.start（每个队列第一个数据帧的Ws）最小的队列状态设置为可传输状态。

步骤3：选择Q.start最小的队列计算队列状态。依据GCL列表与队列中各个帧的Ws可确定二级子队列需打开传输的时间时长T。接着若当前时间t.now>=Q.start，则队列状态为转发状态，其维持时间为T。

步骤4：在步骤3确定为转发状态后，开始更新各个二级子队列的Q.start。步骤3中传输完成后，更新队列状态为普通状态。

步骤5：重复以上步骤，持续对数据帧进行转发。

本实例实现了数据帧进入TSN交换机后一个完整的调度过程。

将本发明调度系统及方法应用到移动前传网络中。传统的基于TSN的流量调度方案是利用TAS或TAS+帧抢占的方式进行调度的。本发明与传统的基于TSN的流量调度方案相比，具有以下优势：

1）本发明可以降低抖动，且不会出现低优先级帧持续传输阻塞高优先级帧传输的情况。如图4所示，可以看出本发明HC-TAS方案与TAS方案其抖动均为零，而帧抢占方案对各个IQ流都产生了抖动。其原因是帧抢占在进行帧切割时有一系列的规则，导致IQ流产生抖动。如在不同阶段进行切割，其产生的抖动会不同；对低优先级帧进行分割时其需要添加IFG时隙，会带来额外抖动，对IQ流产生影响。而HC-TAS与TAS调度方案没有进行帧切割等额外操作，不会给IQ流带来额外抖动。除此之外，TAS方案设有保护带宽，不会因低优先级流的持续传输而给高优先级流带来抖动。

2）本发明可以在保证低抖动的同时，有效提高网络的吞吐量。如图5所示，随着负载的增加，吞吐量也随之增加。但是，TAS方案与本发明HC-TAS方案分别在0.75与0.92处有一拐点，经过拐点后，对应方案的吞吐量也不再增加。本发明与现有的TAS方案相比，吞吐量得到了较大的提高。其原因是：HC-TAS不会有共享队列的先进先出导致大的数据帧阻塞小的数据帧进行传输。HC-TAS采用的分级交叉流量调度的方式，使大的数据帧在二级队列中进行等待，而较小的数据帧则可以传输。因此HC-TAS可以较大提高吞吐量。

3）本发明可以保证抖动的同时，有效降低低优先级流（背景流）的时延。如图6所示，可以看出，当负载在0.7以上时，HC-TAS调度方案的BG流平均时延明显低于TAS方案。当负载为0.75前，HC-TAS方案与帧抢占调度方案其BG流平均时延有差距，但是相差不大。其原因是本文提出的分级交叉调度机制可以有效地对时隙进行利用。帧抢占模式在有效提高时隙的利用率的同时，通过帧切割操作使BG流平均时延降到最低。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种时间感知整形器分级交叉流量调度系统，其特征在于，该系统包括基于时间感知整形器的高优先级模块和基于分级交叉调度结构的低优先级模块；

所述高优先级模块包括高优先级队列、门控制列表和选择传输模块；高优先级队列用于存储高优先级帧，进行门控制调度；门控制列表用于控制高优先级队列打开/关闭的时间，从而控制高优先级帧的转发时间；

所述低优先级模块包括低优先级一级队列、低优先级处理发送模块、调节器和低优先级二级队列；所述低优先级一级队列用于存储低优先级帧；低优先级处理发送模块负责计算低优先级一级队列进入低优先级二级队列的入队选择，以及二级子队列的队列状态；调节器用于执行低优先级处理发送模块计算出的入队指令；所述低优先级二级队列用于存储待传输低优先级帧的队列，其队列的开/关与各子队列状态相关；

在进入高优先级模块前，流量分类模块将流量分为高优先级帧与低优先级帧，将IQ流划分为高优先级，将C&M流与同步信息流划分为低优先级；

该系统的调度方法是在低优先级处理发送模块中运行，包括基于帧长匹配入队算法和基于队列状态出队算法；

所述基于帧长匹配的入队调度算法包括：高负载与低负载两个调度模型；当流量符合低负载调度模型时，即数据帧进入低优先级一级队列中，没有其他数据帧等待调度，根据门控制列表获取高优先级帧的占用时隙情况，将低优先级帧直接利用贪婪的思想就近传输，结合二级子队列完成所有帧传输的时间，得到需选择进入的二级子队列；当流量符合高负载调度模型时，即低优先级一级队列中存在其他数据帧等待传输；采用基于帧长匹配的调度方式，选择最佳的传输顺序，确定各个帧的传输时间；最后，结合二级子队列完成所有帧传输的时间，得到需选择进入的二级子队列；

所述基于队列状态出队算法，具体包括：通过比较高优先级帧传输结束的时间、各个低优先级子二级队列的帧传输时间和当前时间，来实时维护更新队列状态以确定是否进行传输。

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