CN113219916A - 基于5g的网控动态协同优化方法与架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G的网控动态协同优化方法与架构，涉及5G技术领域，控制领域，更具体的说涉及一种网控协同优化系统，包括工业无线网络控制系统架构，基于实时无线网络性能的控制系统实时数据控制频率的动态调整和基于实时控制性能的无线网络资源实时动态占用与调整。第一种控制频率的动态调整提高了网络资源利用率的同时，控制性能也得到了提升。另外一种网络资源实时的动态占用与调整保证控制性能稳定性的同时，保障了事件触发数据的实时可靠到达。

Description

基于5G的网控动态协同优化方法与架构

技术领域

本发明涉及5G技术领域，控制领域，更具体的说涉及一种网控协同优化系统，是对工业无线网络网控协同实时优化架构的设计与发明。

背景技术

近年来，随着无线网络领域的迅猛发展，无线网络已经成为现代社会中重要的组成部分。无论是大型的无线控制系统，还是便携型设备，手机，智能穿戴设备等，几乎都能接入互联网。网络中的数据分为实时数据和非实时数据，实时数据对时延有明确的限制，实时数据的传输必须在规定的时延限制内完成。除此之外，还存在一些事件触发数据，这些数据在某些场景下要求极高的实时性，比如警报系统，强制暂停系统。目前，很多相关领域的研究针对实时数据的时延限制的保障，但依旧存在一些难以解决的重要问题和挑战。同时，网络资源利用率的提升仍同样面临着严峻的挑战。

在工业生产领域，工业生产中的诸多设备，如协作机器人、自动驾驶汽车、远程机器人手术、工业AGV等等设备，都需要进行实时的数据传输，以保证工业控制器与其控制的生产单元之间的实时通信。非授权频段5G无线网络可以应用于现场控制层和过程监控层之间的一种通讯技术，由于承载超低时延和超高可靠的工业控制系统，因此特别注重数据传输的实时性和可靠性。

在无线网络控制系统中实现实时控制是非常具有挑战性的，无线网络的参数会直接影响到控制系统的性能。考虑到控制与无线网络之间的紧密耦合，将无线网络和控制系统当作一个整体，以找到实现实时控制的解决方案。因此，基于5G的网控动态协同优化架构为实现实时控制、提高控制系统性能提供了一种解决方案，具有一定的应用意义和价值。

发明内容

本发明公开了一种基于5G的网控动态协同优化方法与架构，包括工业无线网络控制系统架构，基于实时无线网络性能的控制系统实时数据控制频率的动态调整和基于实时控制性能的无线网络资源实时动态占用与调整。第一种控制频率动态调整提高了网络资源利用率的同时，控制性能也得到了提升。另外一种网络资源实时的动态占用与调整保证控制性能稳定性的同时，保障了事件触发数据的实时可靠到达。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

基于5G的网控动态协同优化方法，包括以下步骤：

1)通过工业实时控制系统，动态调整工业实时控制系统产生的控制任务的实时数据流发送频率；

2)当实时数据流发送频率不再波动时，通过5G-URLLC，动态调整每个超周期内资源占用数目，完成对5G网络控制系统的动态优化。

所述步骤1)包括以下步骤：

1-1)对每个工业实时控制系统中实时数据流的传输时延进行标定；

1-2)对无线网络的实时吞吐量进行标定；

1-3)判断无线网络实时吞吐量是否达到最大吞吐量，若达到，则执行步骤1-4)；否则，提高工业实时控制系统中实时数据流的发送频率，返回步骤1-1)；

1-4)判断每个工业实时控制系统中实时数据流是否存在超过传输时延限制的数据流，若存在，则降低该工业实时控制系统中实时数据流的发送频率，返回步骤1-1)；否则，完成对工业实时控制系统产生的控制任务的实时数据流的调整，此时实时数据流发送频率不再波动。

所述步骤2)包括以下步骤：

2-1)对工业实时控制系统中所有产生数据流的控制任务的数目进行标定；

2-2)对一个工业实时控制系统中所有控制任务的实时数据流发送频率进行标定；

2-3)对于每一个工业实时控制系统，当控制任务数目不变时，调整每个超周期内的资源占用数目，使每个超周期内的资源占用数目平均化；

2-4)当控制任务数目发生变化时，返回步骤2-1)；当控制任务的实时数据流的发送频率发生变化时，返回步骤2-2)；当控制任务数目和控制任务的实时数据流的发送频率均无变化时，完成对每个超周期内资源占用数目的动态调整。

所述使每个超周期内的资源占用数目平均化，具体为：使每个超周期内的资源占用数目相同或最大差值为1。

所述超周期为一个工业实时控制系统中所有控制任务的实时数据流的发送频率周期的最小公倍周期。

基于5G的网控动态协同优化架构，包括工业实时控制系统、非授权频段5G收发设备5G-URLLC、实时工业生产执行系统，其中：

工业实时控制系统，用于动态调整控制任务的实时数据流发送频率；

5G-URLLC，用于工业控制系统产生的实时数据流进行动态调度；

实时工业生产执行系统，用于根据工业实时控制系统产生的控制任务执行动作。

所述5G-URLLC，包括网络控制管理模块、NB以及UE，其中：

网络控制管理模块，用于工业控制系统产生的实时数据流进行动态调度；

NB，用于接收工业实时控制系统发出控制任务，并通过UE发送给实时工业生产执行系统。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.在工业无线网络控制系统中，有效保证网络可靠性和实时性，保证实时数据流的时延限制，在规定的时延限制内，完成数据流的传输。

2.在工业无线网络控制系统中，通过动态调整控制任务实时数据流的发送频率，改善控制系统性能，提高无线网络资源利用率。

3.在工业无线网络控制系统中，通过动态调整每个超周期内资源占用与分配情况，为实时性要求高的事件触发数据流提供实时性保障，从而提高整体系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明网控协同架构示意图；

图2是本发明动态调整控制任务的实时数据流的发送频率实现流程示意图；

图3是本发明动态调整每个超周期内资源占用数目实现流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

基于5G的网控动态协同优化方法，包括以下步骤：

动态调整控制任务的实时数据流的发送频率；

动态调整每个超周期内资源占用数目。

所述动态调整控制任务的实时数据流的发送频率包括以下步骤：

1-1)对于控制系统中实时数据流的传输时延进行标定；

1-2)对无线网络实时的吞吐量进行标定；

1-3)判断无线网络实时吞吐量是否达到最大吞吐量，判断是否存在超过传输时延限制的数据流，若存在超过时延限制的数据流，并且网络吞吐量达到最大吞吐量，则选择性降低控制任务的实时数据流的发送频率，返回步骤1-1)，直到网络中不存在超过其自身时延限制的数据流的存在。否则，说明当前网络流量负载情况良好，选择性提高控制任务的实时数据流的发送频率，返回步骤1-1)。

所述动态调整每个超周期内资源占用数目包括以下步骤：

2-1)对网络中所有产生数据流的控制任务数目进行标定；

2-2)对网络中所有控制任务的实时数据流发送频率进行标定；

2-3)当控制任务数目一定时，调整每个超周期内的资源占用数目，使每个超周期内的资源占用数目相对平均；

2-4)当控制任务的实时数据流的发送频率发生变化时，返回步骤2-2)；

2-5)当增加或减少网络中的控制任务数目时，返回步骤2-1)；

一种超周期，与控制任务的实时数据流的发送频率有关的周期。可理解为最小公倍周期。

基于5G的网控动态协同优化架构，应用于系统，包括工业控制系统控制器，非授权频段5G-URLLC设备，用于

动态调整控制任务的实时数据流的发送频率；

动态调整每个超周期内资源占用数目。

一种系统，包括基于5G的网控动态协同优化架构。

工业控制系统控制器，包括动态调整控制任务的实时数据流的发送频率的任何一种工业控制系统控制器。

非授权频段5G-URLLC设备，包括动态调整每个超周期内资源占用数目的任何一种非授权频段5G-URLLC设备。

本发明由以下的部分组成：

一个带有资源分配功能的网络管理模块，网络管理模块能够对工业控制系统产生的实时数据流进行网络资源的管理、分配及修改；一组标准非授权频段5G收发设备，能够提供高可靠低时延的数据传输保障，包含网络管理模块；一定数量的与标准非授权频段5G网络连接的工业实时控制系统，以及受其控制的实时工业生产执行系统：工业实时控制系统能够通过检测网络性能来动态调整实时数据的发送频率，实时工业生产执行系统，能够对工业实时控制系统产生的实时数据做出相应的动作反馈。

系统能够动态调整控制任务的实时数据流的发送频率，进而在保证控制系统性能的基础上，提高控制系统性能，同时提高无线网络资源利用率，包括以下步骤：

对于控制系统中实时数据流的传输时延进行标定，对无线网络实时的吞吐量进行标定，判断无线网络实时吞吐量是否达到最大吞吐量，判断是否存在超过传输时延限制的数据流，若存在超过时延限制的数据流，并且网络吞吐量达到最大吞吐量，则选择性降低控制任务的实时数据流的发送频率，(若存在已经提高控制频率的控制任务，则对已经提高控制频率的控制任务进行控制频率的降低，若不存在，则在保证控制任务最低控制频率的基础上，平均降低每个控制任务的控制频率)，依此步骤循环，直到网络中不存在超过其自身时延限制的数据流的存在。否则，说明当前网络流量负载情况良好，选择性提高控制任务的实时数据流的发送频率，进而达到改善实时控制系统性能，提高无线网络资源利用率的目的。

系统能够动态调整每个超周期内资源占用数目，进而保证实时性高的不可预知的事件触发数据的实时性。从而提高整体系统的可靠性。包括以下步骤：

对网络中所有产生数据流的控制任务数目进行标定，对网络中所有控制任务的实时数据流发送频率进行标定，当控制任务数目一定时，在保证周期性数据流截止期的前提下，对周期性数据流进行资源的分配，以平均化每个超周期内的资源占用数目为目标(即以每个超周期内的资源占用数目相同或最大差值为1)，调整每个超周期内的资源占用数目，使每个超周期内的资源占用数目相对平均，当控制任务的实时数据流的发送频率发生变化时，重新对网络中实时数据流的发送频率进行标定，重新调整每个超周期内的资源占用数目。当增加或减少网络中的控制任务数目时，重新对网络中所有产生数据流的控制任务和实时数据流的发送频率进行标定，重新调整每个超周期内的资源占用数目。

图1所示为基于5G的网控动态协同优化架构是由网络管理模块和标准非授权频段5G收发设备，以及实时控制系统和执行系统组成的。一个带有资源分配功能的网络管理模块101，网络管理模块能够对工业控制系统产生的实时数据流进行网络资源的管理、分配及修改。一组标准非授权频段5G收发设备102，103，能够提供高可靠低时延的数据传输保障。一定数量的与标准非授权频段5G网络连接的工业实时控制系统104a,104b,104c和104d，以及受其控制的实时工业生产执行系统105a,105b,105c和105d：工业实时控制系统能够通过检测网络性能来动态调整实时数据的发送频率，实时工业生产执行系统，能够对工业实时控制系统产生的实时数据做出相应的动作反馈。每个执行系统都有其对应的实时控制系统进行实时控制，实时控制系统和执行系统之间的数据流106a,106b,106c和106d都是实时数据流。并且每个数据流有其自身的周期，而这个周期是由工业实时控制系统的自身属性决定的。网络管理模块能将该时刻网络中的数据流均匀的分配到每一个超周期内。工业实时控制系统会根据该时刻的网络性能与负载情况对控制频率进行调整，也就意味着，在保证控制性能的前提下，改善控制性能，提高无线网络资源利用率。

如图2所示，对于每个网络中的实时数据流时延和网络吞吐量进行标定，并根据该标定改善控制性能，提高无线网络资源利用率。

方法200表示该过程的具体实施细节，主要包括两个循环处理过程：改善控制性能处理过程和提高无线网络资源利用率过程。第一个循环过程首先检查网络吞吐量是否达到最大值，并循环往复，直到网络吞吐量达到最大值。在方法中，由步骤202和204开始，对网络中的传输时延和吞吐量进行标定，然后进入步骤206，判断网络是否达到最大吞吐量，如果未达到，则进入步骤212，选择性提高某些数据流发送频率，直到网络吞吐量达到最大值。然后进入步骤208，判断是否存在超过时延限制的数据流，如果存在，则进入步骤210，选择性降低实时数据流发送频率，直到网络达到最大吞吐量，并且没有超过时延限制的数据流。如果不存在，说明网络达到最大吞吐量，并且没有超过时延限制的数据流。

如图3所示，方法300中对每个超周期中的资源占用数目是动态调整的，从而保证每个超周期内的资源占用数目平均化。方法300有步骤302开始，对网络中所有产生数据流的任务数目进行标定，接下来进入步骤304，对网络中所有实时数据流的发送频率进行标定，然后进入步骤306，对网络资源进行分配与调整，使超周期内资源占用平均化。进入第308和310步骤，如果实时数据流的控制频率或任务数目发生变化，则分别返回步骤302和步骤304进行重新标定，重复步骤306，直到网络中任务数目和实时数据流的控制频率不发生变化，每个超周期内的资源占用数目平均化。如果实时数据流的控制频率或任务数目均为发生变化，则说明每个超周期内的资源占用数目已经平均化，并且能够保整事件触发数据流的实时性。

Claims (7)

1.基于5G的网控动态协同优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过工业实时控制系统，动态调整工业实时控制系统产生的控制任务的实时数据流发送频率；

2)当实时数据流发送频率不再波动时，通过5G-URLLC，动态调整每个超周期内资源占用数目，完成对5G网络控制系统的动态优化。

2.根据权利要求1所述的基于5G的网控动态协同优化方法，其特征在于，所述步骤1)包括以下步骤：

1-1)对每个工业实时控制系统中实时数据流的传输时延进行标定；

1-2)对无线网络的实时吞吐量进行标定；

1-3)判断无线网络实时吞吐量是否达到最大吞吐量，若达到，则执行步骤1-4)；否则，提高工业实时控制系统中实时数据流的发送频率，返回步骤1-1)；

1-4)判断每个工业实时控制系统中实时数据流是否存在超过传输时延限制的数据流，若存在，则降低该工业实时控制系统中实时数据流的发送频率，返回步骤1-1)；否则，完成对工业实时控制系统产生的控制任务的实时数据流的调整，此时实时数据流发送频率不再波动。

3.根据权利要求1所述的基于5G的网控动态协同优化方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：

2-1)对工业实时控制系统中所有产生数据流的控制任务的数目进行标定；

2-2)对一个工业实时控制系统中所有控制任务的实时数据流发送频率进行标定；

2-3)对于每一个工业实时控制系统，当控制任务数目不变时，调整每个超周期内的资源占用数目，使每个超周期内的资源占用数目平均化；

2-4)当控制任务数目发生变化时，返回步骤2-1)；当控制任务的实时数据流的发送频率发生变化时，返回步骤2-2)；当控制任务数目和控制任务的实时数据流的发送频率均无变化时，完成对每个超周期内资源占用数目的动态调整。

4.根据权利要求3所述的基于5G的网控动态协同优化方法，其特征在于，所述使每个超周期内的资源占用数目平均化，具体为：使每个超周期内的资源占用数目相同或最大差值为1。

5.根据权利要求1所述的基于5G的网控动态协同优化方法，其特征在于，所述超周期为一个工业实时控制系统中所有控制任务的实时数据流的发送频率周期的最小公倍周期。

6.基于5G的网控动态协同优化架构，其特征在于，包括工业实时控制系统、非授权频段5G收发设备5G-URLLC、实时工业生产执行系统，其中：

工业实时控制系统，用于动态调整控制任务的实时数据流发送频率；

5G-URLLC，用于工业控制系统产生的实时数据流进行动态调度；

实时工业生产执行系统，用于根据工业实时控制系统产生的控制任务执行动作。

7.根据权利要求6所述的基于5G的网控动态协同优化架构，其特征在于，所述5G-URLLC，包括网络控制管理模块、NB以及UE，其中：

网络控制管理模块，用于工业控制系统产生的实时数据流进行动态调度；

NB，用于接收工业实时控制系统发出控制任务，并通过UE发送给实时工业生产执行系统。

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