基于UDP协议的工业级5G端到端时延分布的测算方法和终端设备

摘要

本发明公开了一种基于UDP协议的工业级5G端到端时延分布的测算方法和终端设备，步骤1，接收端的工业级5G模组和发送端的工业级5G模组分别与处理器正确同步时间；步骤2，在接收端的工业级5G模组上，创建UDP服务器端，绑定固定通信端口；步骤3，在发送端的工业级5G模组上，创建UDP客户端，设置超时1秒；步骤4，UDP服务器端循环接收来自UDP客户端的数据报文；步骤5，UDP服务器端将更新的数据报文以UDP的方式发送给客户端；步骤6，发送报文数到达给定的统计次数参数n值结束。本发明的测算方法能提供毫米级时延区间内的分布及波动情况，较传统的方法能提供更精准的统计结果。

说明书

技术领域

本发明属于分布式系统技术领域，特别是涉及一种基于UDP协议的工业级5G端到端时延分布的测算方法。

背景技术

目前，ITU、IMT-2020推进组等国内外5G研究组织机构均对5G提出了毫秒级的端到端时延要求，理想情况下端到端时延为1ms，典型端到端时延为5-10ms左右。这里的端到端时延的定义是：数据包从离开源节点（通常是5G终端）的应用层时算起一直到抵达并被目的节点（通常是5G核心网）的应用层成功接收一共经历的时间长度。并且，根据业务模型不同，端到端时延还可分为单程时延和回程时延，其中回程时延还需加上发射端正确接收到应答数据包所需的时延。

然而，基于工业级5G的应用场景需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。譬如对于自动驾驶中车辆而言，车辆周边的路况信息以及车辆前方突发情况的信息，为了立即得到相应的处理，这就需要极小的时延和高度可靠的网络来保障。因此工业级5G时延的稳定性和可靠性测算尤为重要。现有技术既缺乏对数据包时延分布的实时估计，也没能给出毫秒级时序内的网络时延稳定性的说明。

当前工业级5G时延的分布测算常用的方法有ping方法，即在主机上使用ping命令来测算目标主机是否存在及其存在时数据报文往返时间rtt(time, 单位是毫秒，即千分之一秒）。ping命令的工作原理是：向网络上的目标主机系统发送ICMP报文，如果指定系统得到了报文，它将把报文一模一样地传回给发送者，由此来计算rtt。此方法在windows系统中加入‘-t’参数即能一直发包至手动结束后统计数据包的已发送、已接收、丢失数，以及rtt的最短、最长和平均值。对于测试数据看起来不错的5G环境，往往不能表示其是稳定可靠地网络环境。

具体的原因在于，传统的ping方法的统计功能有限：

1.由于程序本身的原因，报文间隔为1秒，时间颗粒度大，对于中间毫秒级的间隙的情况不清楚，对于百万次级别的统计所需时间也需要大量时间（按百万次计算约需要11.6日时间）；

2.当进行长时间地统计过程中，只知道当前rtt，不清楚统计结果，除非是立即结束命令再查看；

3.只有最短、最长和平均值结果，对于精准的毫米级时延区间内的分布及波动情况不清楚。

因此，对于工业级5G端到端时延分布的测算，急需一种友好的、高效的改进方法。

发明内容

为了解决目前无精准测算方法的问题，本发明公开了一种基于UDP（UserDatagram Protocol）协议的工业级5G端到端时延分布的测算方法和终端设备。这里的“5G端到端”指一个5G链路的空口两端。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种基于UDP协议的工业级5G端到端时延分布的测算方法，包括以下步骤：

步骤1，接收端的工业级5G模组和发送端的工业级5G模组分别与处理器正确同步时间；

步骤2，在接收端的工业级5G模组上，创建UDP服务器端，绑定固定通信端口；

步骤3，在发送端的工业级5G模组上，创建UDP客户端，设置超时1秒；

步骤4，UDP服务器端循环接收来自UDP客户端的数据报文；

步骤5，UDP服务器端将更新的数据报文以UDP的方式发送给客户端；

步骤6，发送报文数到达给定的统计次数参数n值结束。

进一步地说，所述步骤4具体包括：

步骤4-1，UDP客户端创建数据报文，报文内容格式为ni+s+t1i+s+t2i+s+pi；其中，ni为报文序号，为固定8个字符；s为分隔符，固定为1个逗号字符;t1i为UDP客户端发送时间,为时间格式（“%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f”），固定26个字符；t2i为UDP服务器端接收时间,为时间格式，固定26个字符；pi为填充字符串，根据参数p填充特定长度的空白字符串；

步骤4-2，UDP客户端向UDP服务器端重复发送数据报文2次，间隔为5毫秒；

所述步骤5具体包括：

步骤5-1，UDP客户端接收UDP服务器端返回的数据报文，根据返回的数据报文里面的发送时间t1i和接收时间t2i及客户端的本地时间t3i，计算端到端单程时延dtsi、端到端回程时延dtri和端到端平均时延dti；

步骤5-2，客户端根据定期输出参数c来定期输出每个时隙小区的端到端平均时延分布、单程时延分布和回程时延分布数据p[i]、p_s[i]和p_r[i]（均为百分数）、丢包数（loss）及步骤5-1中所述dtsi、dtri和dti等相关信息；

所述步骤6具体包括：

重复步骤4-1~5-2，直至发送报文数到达给定的统计次数参数n值结束，最终，以报表的形式输出工业级5G端到端平均时延分布图。

进一步地说，步骤4-1中，报文格式在UDP客户端创建时定义：若此数据报文的报文序号值在历史10个报文中有重复，则主动丢弃。

进一步地说，步骤4-2中，收到的数据报文未主动丢弃，则UDP服务器端在数据报文的“服务端接收时间”字段处填充当前时间的字符串。

进一步地说，步骤5-1中，若1秒内未能接收返回的数据报文，判定报文丢失，此时丢包数（loss）计数加1；若获取报文且与发送报文序号匹配，则有效数（valid）计数加1。

进一步地说，步骤5-1中，dtsi、dtri和dti的计算方法如下：

dti = (t3i - t1i)/4

dtsi = (t2i - t1i)/2

dtri = (t3i - t2i)/2；

根据此时延所在的时隙区间，算出对应的时延区间组数统计值：

端到端平均时延统计数组rank的初值为0，其成员rank[i]值的计算方法如下：

若dti/2.5的整数部分等于值i，则rank[i]值加1，否则不变；

端到端单程时延统计数组rank_s的初值为0，其成员rank_s[i]值的计算方法如下：

若dtsi/2.5的整数部分等于值i，则rank_s[i]值加1，否则不变；

端到端回程时延统计数组rank_r的初值为0，其成员rank_r[i]值的计算方法如下：

若dtri/2.5的整数部分等于值i，则rank_r[i]值加1，否则不变。

进一步地说，所述i值的范围从0~99，表示时延区间组数的索引号。

进一步地说，为让典型5G的时延10ms内有4个颗粒度，这里所述时延所在的时隙区间为2.5ms。

进一步地说，步骤5-2中，p[i]、p_s[i]和p_r[i]计算的方法如下：

p[i]：对rank[i]/valid的值取整，再乘以100；

p_s[i]：对rank_s[i]/valid的值取整，再乘以100；

p_r[i]：对rank_r[i]/valid的值取整，再乘以100。

一种通信设备，包括：

处理器、存储单元、工业级5G模组、网络模块、用户UI模块、射频单元、输入模块、串口模块、电源模块以及存储在所述存储单元上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使所述处理器执行如上述方法的步骤；

所述终端设备中，处理器为处理运算单元，其他模块均与之连接；存储单元为储存外设，与处理器采用Nand接口方式连接；工业级5G模组为无线通信模块，与处理器采用PCle接口连接；网络模块为有线通信模块，与处理器采用GMII接口连接；用户UI模块为显示模块，与处理器采用HTTP协议通信有线连接；射频单元为无线通信模块，与处理器采用USB接口连接；输入模块为输入设备，采用USB接口与处理器连接；串口模块为调试模块，采用UART接口与处理器连接；电源模块，采用PIM接口与处理器连接。

本发明的有益效果：

1、一方面，本发明不需要建立连接的过程，传输过程速度快，一次报文传输所需的时间短；另一方面，工业级5G端到端时延是毫米级的，因此，报文间隔时间颗粒度小，对于中间毫秒级的间隙的网络情况较传统方法了解的更准确；

2、本发明的测算方法可以根据用户自定义参数来设置统计结果输出周期，较传统的方法只有在结束时查看统计结果，可以提供更好的用户友好性；

3、本发明的测算方法在设计时，能提供毫米级时延区间内的分布及波动情况，较传统的方法能提供更精准的统计结果。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的一种工业级5G端到端时延分布测算的拓扑图；

图2是本发明方法的实施例提供的一种工业级5G端到端时延分布测算流程图；

图3是本发明方法的实施例提供的一种工业级5G端到端时延分布测算结果示意图；

图4是本发明方法的实施例提供的一种工业级5G端到端时延分布测算的终端设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例：一种基于UDP协议的工业级5G端到端时延分布的测算方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤1，接收端的工业级5G模组和发送端的工业级5G模组分别与处理器正确同步时间；

步骤2，在接收端的工业级5G模组上，创建UDP服务器端，绑定固定通信端口；

步骤3，在发送端的工业级5G模组上，创建UDP客户端，设置超时1秒；

步骤4，UDP服务器端循环接收来自UDP客户端的数据报文；

所述步骤4具体包括：

步骤4-1，UDP客户端创建数据报文，报文内容格式为ni+s+t1i+s+t2i+s+pi；其中，ni为报文序号，为固定8个字符；s为分隔符，固定为1个逗号字符;t1i为UDP客户端发送时间,为时间格式（“%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f”），固定26个字符；t2i为UDP服务器端接收时间,为时间格式，固定26个字符；pi为填充字符串，根据参数p填充特定长度的空白字符串；

此处报文格式在客户端创建时定义；若此数据报文的报文序号值在历史10个报文中有重复，则主动丢弃；

步骤4-2，UDP客户端向UDP服务器端重复发送数据报文2次，间隔为5毫秒，此冗余传输方法可一定程度上减少数据报文丢失的情形；

此处若收到的数据报文未主动丢弃，则UDP服务器端在数据报文的“服务端接收时间”字段处填充当前时间的字符串；

步骤5，UDP服务器端将修改后的新的数据报文以UDP的方式发送给客户端；

所述步骤5具体包括：

步骤5-1，UDP客户端接收UDP服务器端返回的数据报文，若1秒内未能接收返回的数据报文，判定报文丢失，此时loss计数加1；若获取报文且与发送报文序号匹配，则valid计数加1；根据返回的数据报文里面的发送时间t1i、接收时间t2i及客户端的本地时间t3i，计算端到端单程时延dtsi、端到端回程时延dtri和端到端平均时延dti，dtsi、dtri和dti的计算方法如下，这里dti计算了4个5G链路的空口时间：如图1所示，终端A到核心网，核心网到终端B、终端B到核心网、核心网到终端A；dtsi计算了2个5G链路的空口时间：终端A到核心网，核心网到终端B；dtri计算了2个5G链路的空口时间，终端B到核心网、核心网到终端A。

dti = (t3i - t1i)/4

dtsi = (t2i - t1i)/2

dtri = (t3i - t2i)/2；

根据此时延所在的时隙区间（间隔为2.5ms），算出对应的时延区间组数统计值：

端到端平均时延统计数组rank的初值为0，其成员rank[i]值的计算方法如下：

若dti/2.5的整数部分等于值i，则rank[i]值加1，否则不变；

端到端单程时延统计数组rank_s的初值为0，其成员rank_s[i]值的计算方法如下：

若dtsi/2.5的整数部分等于值i，则rank_s[i]值加1，否则不变；

端到端回程时延统计数组rank_r的初值为0，其成员rank_r[i]值的计算方法如下：

若dtri/2.5的整数部分等于值i，则rank_r[i]值加1，否则不变；

其中，上述i值的范围从0~99，表示时延区间组数的索引号；

步骤5-2，客户端根据定期输出参数c来定期输出每个时隙小区的端到端平均时延分布、单程时延分布和回程时延分布数据p[i]、p_s[i]和p_r[i]（均为百分数）、丢包数loss及步骤9中所述dtsi、dtri和dti等相关信息；其中p[i]、p_s[i]和p_r[i]计算的方法如下：

p[i]：对rank[i]/valid的值取整，再乘以100；

p_s[i]：对rank_s[i]/valid的值取整，再乘以100；

p_r[i]：对rank_r[i]/valid的值取整，再乘以100；

步骤6，重复步骤4-1~5-2，直至发送报文数到达给定的统计次数参数n值结束，最终，以报表的形式输出工业级5G端到端平均时延分布图。如图3所示，图中可以看出，在实施该发明的长时间的测试环境中，工业级5G端到端的平均时延99%以上在2.5ms~10ms之间，工业级5G网络环境稳定和可靠，其波动情况较小，因此该环境所受外界的干扰较少；其中2.5ms~5ms区间内的时延分布占比约48%，5ms到7.5ms区间内的时延分布占比约42%，7.5ms到10ms区间内的时延分布占比约9%。大部分的时间处于小于7.5ms以内，与预期结果相符。

一种通信设备，如图4所示，包括：

处理器、存储单元、工业级5G模组、网络模块、用户UI模块、射频单元、输入模块、串口模块、电源模块以及存储在所述存储单元上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使所述处理器执行如上述方法的步骤；

所述终端设备中，处理器为处理运算单元，其他模块均与之连接；存储单元为储存外设，与处理器采用Nand接口方式连接；工业级5G模组为无线通信模块，与处理器采用PCle接口连接；网络模块为有线通信模块，与处理器采用GMII接口连接；用户UI模块为显示模块，与处理器采用HTTP协议通信有线连接；射频单元为无线通信模块，与处理器采用USB接口连接；输入模块为输入设备，采用USB接口与处理器连接；串口模块为调试模块，采用UART接口与处理器连接；电源模块，采用PIM接口与处理器连接。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。