一种基于5G切片的工业现场数据多优先级调度方法与流程
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种基于5g切片的工业现场数据多优先级调度方法。
背景技术：
移动通信系统中的无线资源是有限的，这些无线资源包括频率，时间，空间，功率，码字等资源，那么，如何能充分的利用有限的无线资源满足人们日益增长的无线业务需求，这就是无线资源调度分配机制需要完成的任务。资源调度分配机制的定义有多种，但是广泛认同的定义如下：基站上的调度器要能实时动态的控制时频资源的分配，将时频资源在一定时间内分配给某个用户。调度算法要求在用户的qos(qualityofservice，服务质量)和系统容量的最大化之间取得平衡。资源调度算法的三个重要的指标分别是频谱利用率，用户公平性以及用户qos需求。
在工业现场下，工业现场数据主要是指工业生产设备和目标产品在物联网运行模式下，实时产生收集的数据，包括操作和运行情况、工况状况、环境参数等体现设备和产品运行状态的数据。这类数据，可以通过5g基站上传到云端进行数据处理与分析，然后用户再利用这些数据，进行有智能化设计、智能化生产、网络化协同制造、智能化服务和个性化定制等应用。
5g存在三大应用场景，包括分别是emmb(enhancedmobilebroadband，增强型移动宽带)，urllc(ultrareliable&lowlatencycommunication，低时延、高可靠通信)和mmtc(massivemachinetypecommunication，海量物联网通信)。根据时间约束来看，urllc的业务属于实时消息，在这个场景下，其对时延的要求很高，往往要达到1ms级别，如工业自动化控制，实时协作机器人，以及其他实时监测、实时预警数据，若这类数据的传输流程耗时过长，就难以在生产过程中发挥价值。emmb主要表现在网络容量的提升，支持不同的设备同时进行大量的数据传输，带宽增强也意味着传输速率增加。超大的网络吞吐量以及更快的速率使得用户能够获得更好的用户体验，包括远程无线工业视频监控，工业ar(augmentedreality，增强现实)等应用。mmtc是大规模物联网，一般物联网的设备很简单，需要传输的数据信息量也不大。
常见的调度算法有三种：轮询算法、最大载干比算法、比例公平算法。
轮询算法就是以循环的方式依次为请求调度的不同用户分配资源，这种算法只考虑了各用户之间的公平性，损失系统吞吐量；最大载干比算法始终为信道最好的用户提供资源，这种算法可以最大化系统吞吐量，但是无法保证小区用户之间的公平性；比例公平算法在选择用户时考虑瞬时速率和长期平均速率的比值，同时利用权重值对不同用户进行调整，达到同时兼顾系统总体吞吐量和用户公平性的目的，但没有考虑业务的qos信息。
数据速率和容量需求的爆发式增长，大规模、高可靠、低时延等差异化需求带来了5g的发展。因此，面对5g中工业现场的不同场景，业务的不同qos需求，需要设计针对性的多优先级调度方法，在有限的无线资源条件下，合理为5g不同切片分配管理无线资源，在满足智能制造工厂中高优先级业务的服务需求下尽可能提高资源利用率和用户间公平性。
技术实现要素：
针对现有技术中无线资源分配不合理的问题，本发明提供一种基于5g切片的工业现场数据多优先级调度方法
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于5g切片的工业现场数据多优先级调度方法，具体包括以下步骤:
s1:5g基站获取用户的工业现场资源请求数据和信道状态数据；
s2：5g基站的调度器在t个调度周期，判断任务缓存队列是否为空；如果为空，等待下一个调度周期，如果为非空，进入s3；
s3：5g基站的调度器根据用户的资源请求数据将相对应的资源分配到不同切片中；
s4：分别为同一切片内的用户进行资源调度。
优选的，所述s1中，5g基站获取数据的方法为：
当用户终端存在上行数据需要发送时，先将所需发送数据放入缓存中，然后通过物理上行链路控制信道向基站gnb提交缓存状态报告，同时发送上行调度请求通知基站gnb需要发送数据；
基站gnb的调度器收到用户终端的上行调度请求，根据用户终端的缓存状态报告以及用户终端的上行信道状况对用户终端进行资源分配，资源分配结果通过物理下行控制信道发送给用户终端；
用户终端使用基站gnb为其分配的资源，通过物理上行链路共享信道向基站gnb发送数据。
优选的，所述s3中，所述切片包括emmb切片、urllc切片和mmtc切片。
优选的，所述s3中，资源分配具体包括以下步骤：
s3-1：调度器调度的rb数量为q，在调度时刻t，请求资源的用户总数为n，则每个切片在各个rb的优先级为：
公式(1)中，
s3-2：选择第i个切片中第j个rb进行调度，判断当前调度的rb是否与该切片已经被分配的rb是否相邻；如果是，执行步骤s3-3；如果不是，令j＝j+1，重复执行步骤s3-2；
s3-3：为第i个切片分配第j个rb，并从rb队列中删除该rb；实时判断第i个切片是否得到所需资源.如果是，执行步骤s3-4；如果不是，令j＝j+1，重新执行步骤s3-2；
s3-4：判断rb队列是否为空，或者是否全部切片都获得了所需资源；如果是，结束切片资源调度；如果不是，执行i＝i+1，重复执行上述步骤。
优选的，所述s4中，同一切片内的用户进行资源调度的方法为：
s4-1:切片资源调度完成后，根据切片内用户数量均分成m个rb组；
s4-2:计算切片内每个用户在rb组上的优先级，计算公式如下：
公式(2)中，
s4-3:根据用户优先级依次为每个用户分配相应优先级最高的rb组，并实时判断切片内的rb队列是否为空；如果是，则资源分配结束；如果不是，重复执行上述步骤。
本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序执行以上任一项所述方法的步骤。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.本发明完成对5g三大切片的资源分配，保证切片之间资源的灵活调度和隔离性，确保urllc切片业务等高优先级业务的所需资源得到分配，提高了系统的吞吐量。
2.本发明综合考虑数据业务的传输速率、时延需求、丢包率、待传送数据量等性能指标，优先对信道条件好，时延要求高，高可靠性需求强，待发送数据量大的用户进行调度，提高了调度算法的公平性、吞吐量。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例的一种基于5g切片的工业现场数据多优先级调度方法流程示意图。
图2为根据本发明示例性实施例的切片资源调度方法流程示意图。
图3为根据本发明示例性实施例的切片内用户调度方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
随着通信技术的发展，现在已经进入5g时代，而用户端和服务器端进行通信的过程为资源调度过程，现在5gnr(newredio，新空口)的上行调度过程为：
一.当用户终端(ue，userequipment)存在上行数据需要发送，先将所需发送数据放入缓存中，然后通过pucch(physicaluplinkcontrolchannel，物理上行链路控制信道)向基站gnb提交bsr(bufferstatereport，缓存状态报告)，同时发送sr(schedulingrequest，上行调度请求)通知基站gnb需要发送数据。
二.基站gnb的上行调度器收到ue的上行调度请求，根据ue的缓存状态报告以及ue的上行信道状况对ue进行资源分配，上行信道状况由ue周期性地向基站gnb发送srs(soundingreferencesignal，上行探测参考信号)获得。资源分配结果通过pdcch(physicaldownlinkcontrolchannel，物理下行控制信道)利用ulgrant(uplinkgrant，上行调度准许)发送给ue。
三.ue使用基站gnb为其分配的资源，通过pusch(physicaluplinksharedchannel，物理上行链路共享信道)向基站发送数据。
即基站gnb的上行调度器接收缓存状态报告和ue的上行信道状况，再根据内置调度算法，完成对时频资源的动态调度，为用户进行资源的有效分配，提高资源的利用率。
如图1所示，本发明提供一种基于5g切片的工业现场数据多优先级调度方法，具体包括以下步骤：
s1：5g基站获取用户的工业现场资源请求数据和信道状态数据。
本实施例中，当用户采用终端联网进行数据查询时，终端会实时地将查询的资源请求数据通过相应的上行信道发送到5g基站，5g基站的调度器根据接收的资源请求数据和信道状态数据进行资源的调度。
s2：5g基站的调度器在第t个调度周期，判断任务缓存队列是否为空？如果为空，等待下一个调度周期，如果为非空，进入下一步s3。
本实施例中，任务缓存队列为空：代表在第t个调度周期，已经满足全部用户的资源调度请求。采用动态调度，对工业现场实时产生的数据调度业务周期性地给出调度决策方案。
s3：5g基站的调度器根据用户的资源请求数据将相对应的资源分配到不同切片中。
切片是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上切出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网到承载网再到核心网在逻辑上隔离，适配各种类型的业务应用。而5g存在三大应用场景，分别是emmb(enhancedmobilebroadband，增强型移动宽带)，urllc(ultrareliable&lowlatencycommunication，低时延、高可靠通信)和mmtc(massivemachinetypecommunication，海量物联网通信)，因此本发明可采用三个切片，包括emmb切片、urllc切片和mmtc切片。
本实施例中，不同切片所分配得到的资源在频域内相互隔离且独立，并且可以灵活调整，这样一个网络切片的空口拥塞不影响其他网络切片。还可以通过给高优先级切片分配信道条件更好的频谱资源，提高系统的吞吐量的同时，提高对高优先级业务的服务保障。
本实施例中，对于工业现场数据不同业务的服务需求，urllc切片需要低延时高可靠性，比如遥控实时协作机器人，需要优先给予分配资源，减少排队时延；emmb切片会有很多高数据量的业务需求，优先分配资源会提高整体网络的吞吐量，但是没有urllc切片对时延有过高的要求；mmtc切片的调度优先级最低，海量的传感器多数情况下，上行的数据量不大，且对时延要求不高。因此，本发明中urllc切片为第一优先级(最高优先级)，emmb切片为第二优先级，mmtc切片为第三优先级，根据优先级分别配置rb(resourceblock，资源块)资源。
则如图2所示，切片资源调度具体包括以下步骤：
s3-1：调度器可调度的rb(resourceblock，资源块)数量为q，在调度时刻t，请求资源的用户总数为n，则定义每个切片在各个rb的优先级由公式(1)得到：
公式(1)中，
因此可得到优先级矩阵m：
其中，q1表示urllc切片中的rb数量；q2表示emmb切片中的rb数量；q3表示mmtc切片中的rb数量，且q＝q1+q2+q3。
s3-2：选择第i个切片中第j个rb进行调度，判断当前调度的rb是否与该切片已经被分配的rb是否相邻。如果是，执行步骤s3-3；如果不是，令j＝j+1，重复执行步骤s3-2。
本实施例中，4glte和5gnr都使用ofdm(正交频分复用)系统技术，在ofdm系统中，频率上连续12个子载波，时域上一个slot(时隙)，称为1个rb(resourceblock，资源块)。rb相邻代表两个资源块频率连续。这样做的意义是为了保持每个切片的内部所有rb频谱连续；切片与切片之间出现较少的信号干扰。
本实施例中，为保证资源的快速分配，i优先为1，j优选为1。
s3-3：为第i个切片分配第j个rb，并从rb队列中删除该rb；实时判断第i个切片是否得到所需资源。如果是，执行步骤s3-4；如果不是，令j＝j+1，重新执行步骤s3-2。
s3-4：判断rb队列是否为空，或者是否全部切片都获得了所需资源；如果是，结束切片资源调度；如果不是，执行i＝i+1，重复执行上述步骤。
本实施例中，经过切片资源调度之后，urllc切片，emmb切片，mmtc切片分别获得了各自连续且相互隔离的rb组，之后切片内的用户调度将互不干扰。
s4：为同一切片内的用户进行资源调度。
切片内的调度过程，可以理解为一个逻辑小区，调度器将通过切片资源调度获得的资源对属于该小区的用户进行资源调度。针对5g工业现场不同数据的qos需求，切片内用户调度的过程中，需要综合考虑的性能指标包括传输速率、时延需求、丢包率、待传送数据量等。
如图3所示，切片内用户调度方法包括以下步骤:
s4-1:切片资源调度完成后，根据切片内用户数量均分成相同大小的m个rb组。
本实施例中，例如切片内获取的rb数量为a个，且切片内的用户有b个，则得到的rb组的数量
s4-2:计算切片内每个用户在rb组上的优先级，计算公式如下：
公式(2)中，
s4-3:根据用户优先级依次为每个用户分配相应优先最高rb组，并实时判断切片内的rb队列是否为空；如果是，则资源分配结束；如果不是，重复执行上述步骤。
同时，本发明还提供了一种计算机存储介质。
本发明实施例的计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述一种基于5g切片的工业现场数据多优先级调度方法的任一项步骤，计算机存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
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