一种软件定义的工业5G控制网络实验平台

本发明涉及工业无线控制网络领域，具体地说是一种软件定义的工业5g控制网络实验平台。

背景技术：

1、工业控制系统对网络通信的时延、丢包、抖动等指标有严格的要求。5g技术的快速发展为工业无线控制提供全新的解决方案。其中，5g的超可靠低时延通信技术可以实现毫秒级时延、99.999％以上可靠性的指标，有望满足现场级工业控制的要求，成为新一代工业无线控制网络。但是，在工业环境下，工业无线控制网络经常需要与wifi、bluetooth、zigbee等网络共享免授权频段，加上工业环境下的温湿度变化快、机械振动强、金属随机移动等，导致多径衰落严重、突发干扰强，使得5g更加难以满足工业控制的高可靠、强实时、低抖动的确定性通信要求。因此，迫切需要面向现场级控制的工业5g网络，以满足工业现场的高可靠性和稳定性的通信需求。与此同时，工业控制系统的有线网络协议，如modbus、profinet、ethercat、opc等，已经大量部署应用。因此，5g的工业应用必须解决5g与不同类型工业协议的适配问题。

2、随着工业应用种类的增多，5g的工业应用亟需一种高性能、高可靠性、多功能的实验平台，支持用户功能的软件定义，满足免授权频段的高可靠低时延通信测试、异构工业协议适配等基本测试要求，以验证5g的工业应用能力及价值。现有的5g实验平台主要基于授权频段的商用5g网络，必须经过广域多级传输，难以灵活配置，难以满足软件定义的基本需求。同时，由于实时计算能力不强，难以满足工业现场对于高速、低时延的数据传输要求；射频覆盖范围较窄，难以满足工业现场不同频段的通信需求。另一方面，现有的工业控制系统实验平台，尚不支持5g无线通信，无法进行5g与工业协议的适配试验。

技术实现思路

1、针对工业5g的免授权频段测试和异构工业协议适配需求，本发明提出了一种高性能、高可靠、灵活的工业5g控制网络实验平台，支持免授权频段的高可靠低时延通信测试和多类型异构工业协议适配，以满足工业控制领域的需求。

2、为此，本发明采用的技术方案是：

3、一种软件定义的工业5g控制网络实验平台，包括：核心处理单元、基带加速单元、射频单元、存储单元和电源单元，其中：

4、所述核心处理单元，用于操作系统的多线程实时控制和中断异常处理、人机交互软件运行、工业5g通信协议的处理、工业控制协议的适配；

5、所述基带加速单元，用于信号的高速前传加速、编译码、调制解调；

6、所述射频单元，用于免授权频段的信道监听和射频信号收发；

7、所述存储单元配置高速读写模块，用于存储操作系统、人机交互软件、工业5g通信协议和工业控制协议；

8、所述电源单元配置电源适配模块，用于为其他各个单元提供电压、电流，并实时监测各个单元的电源状态。

9、所述核心处理单元包括计算处理模块、通信接口模块，其中：

10、所述计算处理模块，用于进行多线程的高速并行数据处理，通过对操作系统的线程控制和中断管理，完成协议栈的实时处理；

11、所述通信接口模块提供pcie、gpio、usb、uart、rj45接口，其中，pcie接口用于核心处理单元与基带加速单元之间的数据传输，支持实时数据处理；gpio、usb、uart、rj45接口均用于核心处理单元与实验平台外部控制器、传感器、执行器的数据传输。

12、所述协议栈分为4层，包括：物理层、数据链路层、协议适配层以及应用层，其中：

13、所述物理层，用于根据实验需求配置无线通信的帧结构，监听免授权频段的信道质量，并根据信道质量的优劣执行信道切换，完成射频信号的收发；所述帧结构，符合5g协议标准规定，可根据工业控制的需求进行配置，以开展不同的应用场景的实验验证；

14、所述数据链路层，用于动态分配时隙和资源块，进行数据帧生成、解析、转发，并协调物理层和协议适配层之间的通信；

15、所述协议适配层，用于进行5g与不同类型工业控制协议的协议转换、资源映射、数据变换、透明传输；

16、所述应用层，用于收发控制器、传感器、执行器的感知信息或控制命令，所述应用层提供人机交互界面，支持对实验平台的配置和操作。

17、所述基带加速单元包括可编程阵列逻辑模块、时钟模块、模数转换模块，其中：

18、所述可编程阵列逻辑模块，配置pcie接口和fpga夹层卡，分别与核心处理单元和射频单元连接，用于进行数据通信，通过编程配置不同帧结构，进行低密度校验码编译码，傅里叶变换/傅里叶反变换、前向纠错编码和解码，以适应不同无线空口协议和算法配置；

19、所述时钟模块，配置恒温晶体振荡器，支持ieee 1588时间协议，用于为可编程阵列逻辑模块提供时钟信号，并提供同步控制和精准时间戳；

20、所述模数转换模块，用于对可编程阵列逻辑模块中的信号进行模拟信号与数字信号之间的相互转换。

21、所述时钟信号，包括基准时钟信号、时钟分频信号、时钟延迟信号及时钟校准信号，其中：

22、所述基准时钟信号，用于提供时间基准，控制整个系统的时序；

23、所述时钟分频信号，用于将基准时钟信号分频得到低频信号，控制不同模块的时序，实现模块之间的协同操作；

24、所述时钟延迟信号，用于通过同步延迟控制时钟信号在不同芯片内传播时间的差异，以保证各模块的同步性；

25、所述时钟校准信号，用于对时钟信号的频率和相位等进行校准，以确保整个系统时钟的准确性。

26、所述射频单元包括前端处理模块、数字上变频器、数字下变频器、调制器、解调器、接收天线、发送天线，其中：

27、所述前端处理模块，用于对免授权频段上射频信号进行监听和处理；

28、所述数字上变频器和数字下变频器，分别用于将射频信号进行上变频或下变频处理，以满足免授权频段不同信道的调制和解调要求；

29、所述调制器和解调器，分别用于对数字信号进行调制和解调；

30、所述接收天线和发送天线，用于对免授权频段上射频信号进行收发。

31、所述前端处理模块包括低噪声放大器、功率放大器、滤波器、天线开关，其中：

32、所述低噪声放大器，用于对免授权频段接收到的射频信号进行放大，以确保接收到的信号能够被处理和解调；

33、所述功率放大器，用于将输入的低电平信号放大到所需的电压幅度，以提高射频信号的输出功率及效率；

34、所述滤波器，用于对给定的免授权频段信号进行滤波，滤除给定频段之外其他信号，以保证通信质量的稳定性和可靠性；

35、所述天线开关，用于根据免授权频段的信道监听与避让协议进行开关，以完成射频信号的收发。

36、一种软件定义的工业5g控制网络实验平台的实现方法，包括以下步骤：

37、核心处理单元进行操作系统的多线程实时控制和中断异常处理、人机交互软件运行、工业5g通信协议的处理、工业控制协议的适配；

38、基带加速单元对信号进行高速前传加速、编译码、调制解调；

39、射频单元监听免授权频段的信道并收发射频信号；

40、存储单元存储操作系统、人机交互界面软件、工业5g通信协议和工业控制协议；

41、电源单元配置电源适配模块为其他各个单元提供电压、电流，并实时监测各个单元的电源状态。

42、所述基带加速单元执行以下步骤：

43、可编程阵列逻辑模块进行数据通信，通过编程配置不同帧结构，进行低密度校验码编译码，傅里叶变换/傅里叶反变换、前向纠错编码和解码；

44、时钟模块为可编程阵列逻辑模块提供时钟信号，并提供同步控制和精准时间戳；

45、模数转换模块对可编程阵列逻辑模块中的信号进行模拟信号与数字信号之间的相互转换。

46、所述射频单元执行以下步骤：

47、前端处理模块对免授权频段上射频信号进行监听和处理；

48、数字上变频器和数字下变频器将射频信号分别进行上变频或下变频处理；

49、调制器和解调器分别对数字信号进行调制和解调；

50、接收天线和发送天线对免授权频段上射频信号进行收发。

51、本发明所设计的工业5g控制网络实验平台具有以下优点：

52、(1)设计了高性能的硬件平台，通过应用可编程逻辑模块，支持操作系统的高速处理和协议栈的定制，进而确保实验平台的软件定义功能，支持不同类型工业应用测试验证；

53、(2)设计了精简的四层架构协议栈，通过物理层的灵活帧结构设计、数据链路层的动态资源配置、协议适配层的工业协议适配、应用层的人机交互配置，实现了免授权频段的高可靠低时延通信和异构工业协议适配。