面向5G-TSN网络时钟同步的无线资源优化方法

作     者：周彦伯 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李文璟

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：高精度时钟同步 5G确定性网络 工业互联网 无线资源 

摘      要：随着工业互联网的快速发展,海量的传感器以及AGV等终端设备越来越需要无线通信技术来实现更加灵活和复杂的信息互联,5G技术由于其高效灵活的无线传输能力,被认为是满足上述需求的关键技术手段。未来工业物联网的一些核心生产控制业务,例如智慧工厂、智能小车等,都需要5G与时延敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)的深度融合组网,其中,TSN网络需要通过5G空口提供的时钟授时信息完成授时业务,以实现5G-TSN的时间同步,这就对无线网络的确定性通信能力提出了较高的要求。在具有不确定性的无线链路环境中对时延的确定性进行评估,从而进一步确保时钟同步的精度以作为资源调度的支撑,是当下亟待研究和解决的问题。但当前研究都没有考虑传输时延的上下有界性,无法满足工业物联网的高精度时钟同步业务的通信要求。此外,在现有的对于时钟同步的研究中大多基于可靠网络下对于时钟状态变量的完全观测,即使有对不完全观测状态变量下的时钟同步精度问题的研究,也未考虑时延确定性边界保障与5G无线通信空口时间资源开销之间的相互平衡问题。同时,海量物联网终端通信场景下的5G-TSN网络还需满足网络中每个终端时钟同步的精度要求,但同时对每个用户进行单链路点对点的授时业务传输,需要消耗大量的通信资源,造成大量成本开销,影响其他业务的传输。针对此问题,目前,已有研究大多利用5G网络的多播通信机制,把用户分成多个多播子组,利用组播技术传输业务数据,实现资源的灵活分配和复用,提高资源利用率。然而其多为面向数据传输业务的分组机制进行的研究,而并不适用于有时延确定性要求的授时业务。针对5G-TSN单链路时钟同步的无线资源优化问题,本文研究了时延确定性与时钟同步精度之间的关系,提出了面向5G-TSN单链路高精时钟同步的无线资源优化方法,基于确定性时延评估模型来有效调整时域间隔保护带的开销,实现了系统平均吞吐量和时钟同步精度的联合优化。针对5G-TSN多用户网络中保障时钟同步精度的无线资源优化问题,基于先前所述时钟同步模型和时延确定性评估方法,研究了适配多播网络确定性通信场景的多播用户分组机制,设计了保障多播网络时钟同步的无线资源优化算法,提出了面向5G-TSN多播网络高精钟同步的无线资源优化方法,实现了系统吞吐量和全网时钟同步精度的联合优化。综上所述,随着5G-TSN网络在工业互联网中的不断深入与应用,本文关于时钟同步精度约束下的无线网络的资源分配与优化的研究对从充分节约网络资源开销,最大化无线资源利用率,进而提升网络的性能具有重要意义。