5G行業(yè)終端的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)研究ResearchonRealtimeComputingTechnologyfor5GIndustryTerminals20234 5G應(yīng)用場景性能需 5G行業(yè)終端操作系統(tǒng)現(xiàn) PLC工業(yè)控制解決方 5G5G行業(yè)終5G行業(yè)終端，5GPLC工業(yè)控制、高清本研究報(bào)告將重點(diǎn)對5G行業(yè)終端操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)進(jìn)行研究，不涉及或切片分組網(wǎng)（SPN）設(shè)備技術(shù)規(guī)范,中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司下表所述術(shù)語和定義適用于本研究課題1ApplicationApplicationProgrammingCompletelyFairComputerNumericalCustomerPremiseGeneralPublicGNUGraphicProcessingGenericSegmentationHumanMachineIPPacketIPInter-ProcessMulti-AccessEdgeNeural-networkProcessPeripheralComponentInterconnectProgrammableLogicQualityofReal-timeOperatingSupervisoryControlAndDataSecureDigitalInputandSharedMemoryInter-ProcessSlicingPacketVirtualMachine5G5G5G通信已經(jīng)進(jìn)入制造、礦山、電力等多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，不同行業(yè)存在多2所示。表2時(shí)延是指數(shù)據(jù)(一個(gè)報(bào)文或分組)從網(wǎng)絡(luò)(或鏈路)的一端傳送到另一端所需要的總4動(dòng)化場景中，執(zhí)行器或傳感器等現(xiàn)場設(shè)備和控制器以周期為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、處理各種通信請求，因此也可用循環(huán)周期來表征實(shí)時(shí)性指標(biāo)。絡(luò)長期不掉線。在系統(tǒng)的高可靠性（也稱為可用性）中，X9的標(biāo)準(zhǔn)，X3-6，整體代表系統(tǒng)正常使用時(shí)間占全年的百分比。以可59為例，可列計(jì)算公式如下(1-99.999%)*365*24*60=5.2615.26（T1<10msT2<50msT2<100ms高時(shí)延（T3<200ms3所示。從業(yè)務(wù)時(shí)延、可靠性和吞吐量角度看，網(wǎng)的音視頻傳輸?shù)取２煌瑧?yīng)用場景的有效載荷范圍變化較大，從配電自動(dòng)化的42501.5表3（Data5G典型場景的端到端時(shí)延構(gòu)成，定量評估終端處理時(shí)延在5G典型業(yè)務(wù)來說，端到端時(shí)延可以進(jìn)一步分解為各節(jié)點(diǎn)1-2ms左右。8ms-300ms延=x光纖時(shí)延+PEx節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延+Px節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。5us/km（（SPN），PE因此，SPN傳輸網(wǎng)下傳輸路徑和距離較固定，時(shí)延較確定，局域場景下時(shí)延典型540us。1msUPF設(shè)備處理能力決1-100ms。大幅提升，主要改進(jìn)的是無線空口時(shí)延，5G4G空口時(shí)延的十分5G通信的傳輸時(shí)延逐漸接近終端和各節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)處理時(shí)延，使得終端操作系統(tǒng)的處理時(shí)延占全部的比重上升到約14.3%-47.6%，操作系統(tǒng)的5G5G行業(yè)終端操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理性能、隔離性、安全性等99.9999以上高可靠保4部分對時(shí)間敏感的控制業(yè)務(wù)（如伺服電機(jī)控制等4s以下。根據(jù)工業(yè)積累經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)延<周期*20，抖動(dòng)周期*10，其中周期指一個(gè),40PC實(shí)時(shí)工控任務(wù)難以在網(wǎng)關(guān)、邊緣通用控制器、MECG行業(yè)終端上運(yùn)行。圖2PLC24小時(shí)巡邏檢查，員工工作為了解決上述應(yīng)用痛點(diǎn)，檢測設(shè)備、工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)程IO、伺服電機(jī)等通過5G網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房側(cè)的邊緣控制器與現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行部件之間的互5G行業(yè)終端需引入邊緣計(jì)算系統(tǒng)部署框架，在制，5GPLCSCADA等功能，保障系圖35G45G數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)場景為例，該場景下需要滿足高速率、高帶寬、低5G基站一般安裝5G專網(wǎng)覆蓋，但是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)各種時(shí)延抖動(dòng)，滿5GCPE行業(yè)終端的操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不夠強(qiáng)，經(jīng)5G專網(wǎng)部署過程中，常出現(xiàn)由于終端5G專網(wǎng)高質(zhì)量服務(wù)體驗(yàn)。5GAI模型的不同版5G圖5AI視頻安全行為為例開展分析。5G專網(wǎng)環(huán)境下，攝像頭5GIPSec隧道區(qū)分多路視頻數(shù)據(jù)，IP層處5GAI安全行為分析，若時(shí)間延遲達(dá)不到要求，則會(huì)出現(xiàn)視頻畫面拖影現(xiàn)象。另一方面對于高性能5G網(wǎng)關(guān)，可直接在本地完成AI分析，需要終端提供容器、虛擬機(jī)等虛擬化運(yùn)行環(huán)境，或?qū)?yīng)用綁核處理，保障任務(wù)之間的安全隔離，提升NPU、GPU等算力資源利用5G行業(yè)終端操作系統(tǒng)承載不同類型任務(wù)、實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)計(jì)算成為新5G5G行業(yè)終端操作系統(tǒng)種類可分為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng)。CPE、DTULinux操作系統(tǒng)；工業(yè)制器、傳感器、儀表、RTU等低功耗設(shè)備則采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其中PLC、CNC可采用國外廠商閉源的商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。SystemARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)的資源調(diào)配策有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，能夠有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)us當(dāng)前嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)碎片化嚴(yán)重，共有上百種系統(tǒng)，常見的包括djyosRT-ThreadRTOSAPI，但硬件適配面窄，有一定的應(yīng)用移植開發(fā)成本。同時(shí)由于軟件生態(tài)規(guī)模小，聯(lián)網(wǎng)上云、OTA升級、Linux系統(tǒng)的硬件支持好，可以支持各類芯片架構(gòu)，外設(shè)驅(qū)Linux內(nèi)核并非Linux的實(shí)時(shí)優(yōu)化方案眾多，進(jìn)程調(diào)度也支持實(shí)時(shí)優(yōu)先級，但缺乏有45G場景實(shí)際應(yīng)用，行業(yè)終端采用的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)5G 67不經(jīng)過操作系統(tǒng)，通過路由學(xué)習(xí)，將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口直接對應(yīng)。也是本文中場景二（8.2章）采用的方案，此方案通過用戶空間軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)相較于方案（1）和方案（2，方案（3）GSO、HWchecksumoffloadL2轉(zhuǎn)發(fā)、L3路由等功能，使部分?jǐn)?shù)據(jù)處理5G高速率場景性能和功耗等方面要求。擬機(jī)控制器virtualmachinemonitor，VMM)來管控虛擬機(jī)，不需對虛擬機(jī)操作完整的相互獨(dú)立的虛擬化硬件資源，缺點(diǎn)是Hypervisor需要消耗大量資源，物作系統(tǒng)使得其可以與Hypervisor8中斷優(yōu)先分發(fā)、IPC通信、內(nèi)存管理等核心功能，將硬件資源轉(zhuǎn)換為各種實(shí)時(shí)系Sel4、OKL4等。微內(nèi)核架構(gòu)可以支持實(shí)時(shí)內(nèi)核和非實(shí)時(shí)內(nèi)核同時(shí)運(yùn)行，并件虛擬化方案相比，微內(nèi)核Hypervisor更小、更穩(wěn)定、擴(kuò)展性更好，更適合用9微LinuxLinux內(nèi)核實(shí)Linux內(nèi)核作為一個(gè)低優(yōu)先級任務(wù)在實(shí)時(shí)內(nèi)核上調(diào)RTAI(Real-TimeApplicationInterface)和Xenomai。Dockera.Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)補(bǔ)丁方 b.Linux雙內(nèi)核實(shí)時(shí)方10內(nèi)Spark等，但隨著算力在端側(cè)投放的增加，如何保證高算力任務(wù)在分布式5G行業(yè)終端的實(shí)時(shí)性，成為業(yè)界的研究重點(diǎn)。本小節(jié)簡要提出了端側(cè)的算力調(diào)11所示。AI學(xué)習(xí)，優(yōu)化計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。115G5G行業(yè)終端側(cè)實(shí)時(shí)計(jì)算解決方案架構(gòu)可以細(xì)分為硬件層、實(shí)時(shí)虛擬化層、125兼容性強(qiáng)的重點(diǎn)解決方案，并在網(wǎng)關(guān)、CPE、通用控制器等5G行業(yè)終端上開展PLCPLCa.傳統(tǒng)硬件虛擬化結(jié)構(gòu)示意圖 b.高實(shí)時(shí)微內(nèi)核虛擬化結(jié)構(gòu)示意圖圖13虛擬化結(jié)構(gòu)對比圖射到CPUIO設(shè)備在CPU對虛擬客戶機(jī)接收IO中斷的隔離。傳統(tǒng)虛擬客戶機(jī)在運(yùn)行過程只能接收到宿主仿真的硬件中斷，并非真實(shí)的IO設(shè)備產(chǎn)生的中斷，其仿真中斷在傳導(dǎo)過程IOIOMODBUSTCP或者共享內(nèi)存接口等方式直接通信，通過虛擬網(wǎng)卡方式實(shí)現(xiàn)SMIPC和共享內(nèi)存方式實(shí) 14IOIPA硬件實(shí)時(shí)增5G高速率場景性能和功耗等方面的要求。IPAAP/ModemUSB/WIFI/ETHPCIE/SDIO15IPAAPAPAPCPU負(fù)荷的消耗；硬件轉(zhuǎn)發(fā)模塊可以增加數(shù)據(jù)包過濾/查錯(cuò)CPUCPU處理效率。AI計(jì)算，主要考慮占用IOkernelbypass（內(nèi)核旁路）技術(shù)來TCP/IP網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸應(yīng)用而言，Linux內(nèi)核中的中斷系統(tǒng)，用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)16kernelbypassTUN/TAP以及netlink等技術(shù)與內(nèi)核交互，socket實(shí)現(xiàn)通信，方案實(shí)現(xiàn)內(nèi)核協(xié)議棧與用戶協(xié)議棧并如中大型機(jī)械手臂抓取、控制汽車行業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過程，本方案在原來通用LinuxRT-preempt。該補(bǔ)丁采用中斷線程化、臨界區(qū)可Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性，但并不能提高吞是將最大延時(shí)減小。因此，Preempt-RT重要目標(biāo)是使系統(tǒng)的可預(yù)測性和可確定性dockerAI運(yùn)行時(shí)PLCCPU核心，提高實(shí)時(shí)性和降低部署依賴。（CFSlinux內(nèi)核固有問題。多核綁定：linux多核情況下，使用\h多核技術(shù)代替多線程技術(shù)，并設(shè)置CPUCPU核進(jìn)行一比一綁定，減少彼此之間調(diào)度切換，提CPUlinuxCPUCPUCPUlinux調(diào)度的圖 Linux多核調(diào)度改irqbanlance服務(wù)，并手動(dòng)分配系統(tǒng)中斷響應(yīng)，將linuxCPUCPU核心上。linuxirqbalance服務(wù)用于優(yōu)化中斷分配，它會(huì)自動(dòng)收集系統(tǒng)數(shù)modeCPU核心，以充分利用CPU多核，提升性能。處于節(jié)能模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將中斷集中分配給CPUCPU的睡眠時(shí)間，降低能耗。4PLC高可靠PLC多核CPUCPUIOIO計(jì)算密集型、IO密集docker輕量級虛擬化，系統(tǒng)開銷小，降低AI設(shè)置任務(wù)CPU親和采用LinuxAI高