[发明专利]一种基于边缘协同的工业软件定义网络切片方法

权利要求书

1.一种基于边缘协同的工业软件定义网络切片方法，涉及网络信息领域，包括现场设备层、边缘层和网络配置层；所述网络配置层会根据业务服务类型构建不同的网络切片，所述网络切片不仅包含底层物理实体映射的虚拟网络文件和逻辑拓扑，还包含网络资源的具体分配；所述网络配置层通过工业以太网与所述边缘层进行通信，接收可用资源信息和经过数据处理的状态信息，下发控制指令和资源预分配信息；所述边缘层与所述现场设备层之间进行无线通信，接收所述现场设备层采集到的状态信息，传递控制指令或流量调度信息；

所述网络切片方法包含两个方面：网络规划和资源调度；其中所述网络规划允许切片请求，为允许的切片保留资源，并确定每个切片中所需虚拟网络文件的位置；基于所述网络规划的结果，所述资源调度进一步将一个切片内的资源动态地分配给各个用户；边缘协同在网络架构中的作用包括利用切片AoI尾部限制和系统功耗数据来促进切片部署、切片适配和切片更新；具体包括以下步骤：

步骤1、初始化：提供现场层无线节点采样周期，现场子网频带资源，EC设备计算资源和缓存资源，不同工业业务的状态信息包大小P_l、计算强度X_l、缓存密度S_l和控制性能要求C_l，配置无线通信参数、现场子网编号、边缘设备编号；

步骤2、网络规划：具有不同控制性能的工业服务请求创建切片以保证服务隔离，SDN控制器在接收到切片创建请求后，将工业服务的控制性能转为切片的AoI尾部限制，并收集系统内所有用户设备(UE)的可用资源信息，基于此决定接受或拒绝该请求，一旦请求被接纳，将基于切片模板和网络功能实例创建新的切片；

步骤3、资源调度：边缘设备在接收到上层SDN控制器的网络规划信息后，建立许可切片的AoI模型，并由此构建AoI超限约束下的系统功耗最小化问题，对通信资源、计算资源和缓存资源进行联合分配；

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：边缘设备在接收到上层SDN控制器的网络规划信息后，基于所述拓扑结构，考虑传输、处理、缓存多个过程影响，建立所述许可切片的AoI模型；

步骤3.2：为提高系统的稳定性，构建所述工业切片的AoI尾部超限约束，通过分析AoI模型可以发现其尾部限制等价于控制器接收时间限制，为此可以给出原约束的等价约束；

步骤3.3：构建所述工业网络切片的系统功耗函数，建立控制器接收时间约束下的资源调度问题；

步骤3.4：由于智能制造过程可能会消耗多维网络资源，因此一个切片将包含多个虚拟化网络资源，所述最小化问题涉及通信、计算、缓存多个资源的动态分配，将优化问题解耦为通信资源、计算资源和缓存资源分配三个子问题，迭代求解得到资源编排策略，完成网络资源的调度；

步骤3.5：将所述虚拟化网络资源将通过资源映射算法映射到物理网络基础设施，完成网络切片的创建部署与资源调度；

步骤3.6：当工业服务的控制性能发生变化时，发送切片更新请求，SDN控制器重新计算切片AoI尾部限制，并对可用资源进行预分配，返回执行第一步到第五步，完成网络切片的更新与资源调度；

所述步骤3.1包括以下步骤：

步骤3.1.1：在本系统架构下，任一传输过程或计算过程均可看作一个队列，通过研究AoI的随机行为的结构特征，使用Reich方程的Max-Plus表达式来建模队列的演化；

步骤3.1.2：定义队列的到达时间、服务时间、离开时间分别为A_l,n、X_l,n、D_l,n，假设队列服从先到先服务(FCFS)调度规则，则对于任一队列，数据包n的离开时间等于其服务时间加上数据包n的到达时间和数据包n-1的离开时间中较大值；

步骤3.1.3：对于所述网络架构，包括本地传输队列和边缘处理队列，令T和C作为两个队列索引，我们关注状态数据包从现场设备生成到控制器收到状态包整个过程的信息时效性，忽略数据包从边缘设备到控制器的传输时间，则其AoI模型为

2.如权利要求1所述的基于边缘协同的工业软件定义网络切片方法，其特征在于，所述网络配置层包括一个中央控制器，内含SDN控制模块，通过北向接口与INCS相关联，承载工业业务的服务类型及控制性能需求，通过南向接口承接所述边缘层和所述现场设备层可用资源信息，通过控制平面进行大时间尺度的资源预分配并下达网络规划指令。