面向5G行业终端的实时计算技术研究

ResearchonRealti感场景中，关键是降低网络端到端时延。随着5G、新型短距等技术推动网络通 1 1 1 2 2 2 3 4 4 5 7 7 8 9 10 10 11 11 12 13 14 15 16 18 18 18 20 20 20 21 21 22 23 24 25 261面向5G行业终端的实时计算技术研究端的实时性、可靠性和安全性等关键指标的要求，通过端侧实时计算技术研究，尤其承载时延敏感类业务的5G行业终端。本报告同时提供PLC工业控制、高清视频传输、网络数据转发等场景分级解决方案，为相关业务研究人员提供参考。ApplicationProcessorAPIApplicationProgrammingInterfaceComputerNumericalCustomerPremiseEqHumanMachineInterfaceInter-ProcessCommuniMulti-AccessEdgeCompNPUNeural-networkProcessUnitsPeripheralComponentInterconnectExprePLCProgrammableLogicControSupervisoryControlAndSharedMemoryInter-ProcesVMM3定性分析时，可根据截止时间对系统性能的影响程度分为硬实时、软实时、务质量（QoS）下降，其后果可以容忍和补救，超时的响应仍然具有一定意义。时延是指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的总动化场景中，执行器或传感器等现场设备和控制器以周期为单位进行数据交换、安全性是指将具有高安全要求的关键应用（或数据）与普通应用（或数据）进行分离，并针对性地实施差异化的安全策/循环周期低控制周期x50%中5信息<100ms----高<200ms控制周期x50%<200ms--信息<100ms-4~100Mbps图15G典型场景的端到端时延构成延=传输距离x光纤时延+PE节点数x定。其计算公式为：仪表测试=报文接受时间-发出时间，时间戳=出口时间戳-入7使得终端操作系统的处理时延占全部的比重上升），据工业积累经验，网络双向时延<周期*20%，抖动<周期*10%，其中周期指一个动无法满足需要，从而导致PLC实时工控任务难以在网为了解决上述应用痛点，检测设备、工业相机、远程IO、伺服电机等通过5G网关接入网络，实现机房侧的边缘控制器与现场传感器、执行部件之间的互9监控现场机器设备的运行，一方面将实时现场采集的多路视频回传到视频中心，控制器、传感器、仪表、RTU等低功耗设备则采用嵌入式实时操作系统，其中有通用操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，同时可以实现us当前嵌入式实时操作系统碎片化严重，共有上百种系统，常见的包括由于异构操作系统无法统一，会造成总体设备数量激增，系统复杂度大幅增加。通用计算任务通用计算任务硬件硬件（2）不经过操作系统，通过路由学习，将两个网络接口直接对应。也是本相较于方案（1）和方案（2方案（3）为纯硬件转发方式，采用GSO、完整的相互独立的虚拟化硬件资源，缺点是Hypervisor需要消耗大量资源，物（2）半虚拟化技术，是为了改善完全虚拟化的性能，通过定制的虚拟机操作系统使得其可以与Hypervisor通信，协同工作，并对其指令进行了优化，其典型代表为XEN。该技术的优点在于提高了虚拟化的性能和系统效率，缺点是虚拟硬件物理硬件物理硬件件虚拟化方案相比，微内核Hypervisor更小、更稳定、扩展性更好，更适合用物理硬件物理硬件是RT-patch(Real-timePreemptionPatch)。对物理硬件物理硬件物理硬件物理硬件b.Linux双内核实时方案5G行业终端的实时性，成为业界的研究重点。本小节简要提出了端侧的算力调第四，调度层，主要包括调度器、调度管理器、调度控制器、计算分配器、度和普通任务调度器。硬实时调度器，会直接生成硬实时任务，进行计算分配，习生成合理的计算配置，会和监控层结合，通过监控层的数据来不断优化网络。5G行业终端侧实时计算解决方案架构可以细分为硬件层、实时虚拟化层、指令和输入输出地址区，并直接响应硬件中断，实现高实时虚拟化的运行环境。a.传统硬件虚拟化结构示意图b.高实时微内核虚拟化非实时系统及实时系统间任意两者的高速通信。实时系统实时系统TTOSTTOSTTOS非实时系统TTOSTTOSTTOS非实时系统虚拟网卡/享内存/SMIPC/共虚拟网卡/享内存/SMIPC/共虚拟中断虚拟网卡/共享享内存/虚拟中断等的IO密集型负载消耗的时间。本方案使用kernelbypass（内核旁路）技术来实现视频数据转发，这是一种绕过操作系统内核样就不存在上述所说的系统中断、上下文切换、系统调用、系统调度等等问题。图16高速网卡kernelbypass方案如中大型机械手臂抓取、控制汽车行业机械生产过程，本方案在原来通用Linux以充分利用CPU多核，提升性能。处于节能模式时，系统会将中断集中分配给表4不同方案场景需求和方案对比表无无型信