面向5G行业终端的实时计算技术研究2023.pdf
课题编号：2022-01-C-010面向5G行业终端的实时计算技术研究ResearchonRealtimeComputingTechnologyfor5GIndustryTerminals2023年4月·5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-010研究报告要点自5G商用以来，各行各业都在推动5G融合业务的发展，不同业务的通信场景逐渐趋于多样化，也对实时性、可靠性、安全性提出了更高的需求。在时延敏感场景中，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信时延不断下降，终端操作系统计算时延在端到端时延的占比不断提升。目前5G行业终端操作系统可粗略分为嵌入式实时操作系统和通用操作系统。而两类操作系统在设计目的、技术架构、应用方式等方面存在较大差异，导致工业控制、电力保护、自动驾驶等实时任务和数据采集、数据处理、AI训练等非实时任务无法在同一设备上运行。本研究课题旨在保留操作系统的通用处理能力的前提下，提升终端操作系统实时性，保障高实时、高性能业务需求，实现异构设备的生态兼容。本研究报告主要阐述了各类典型行业客户的业务需求，并对业务场景根据低、中、高时延进行性能分级，研究了终端实时虚拟化系统及五种技术实现路线：专有硬件实时增强、硬件实时虚拟化、操作系统实时虚拟化、微内核虚拟化、算力调度实时增强，阐明相关技术的原理、优缺点和适用场景，并针对性提出了性能高、易用性好、兼容性强的分级解决方案，为业界提供了最佳实践参考。最后对终端侧实时虚拟层和硬件、应用软件之间的接口方面提供标准化建议。研究单位：中国移动通信集团有限公司、中国信息通信研究院、浪潮通信技术有限公司、北京东土科技股份有限公司、中科创达软件股份有限公司、紫光展锐（上海）科技有限公司研究人员：刘玮哲、王小莹、房正正、张悦、姜永、张天静、陈晟民、张硕、林加、张伟强完成日期：2023年4月·5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-010目录1范围.....12规范性引用文件...13缩略语.145G行业终端实时计算需求分析..24.15G应用场景性能需求..24.1.1实时性要求24.1.2可靠性要求34.1.3安全性要求44.2典型场景的业务性能指标...44.35G典型场景的端到端时延构成分析...555G行业终端实时计算典型场景..75.1低时延场景...75.2中低时延场景.....85.3中等时延场景.....965G行业终端操作系统现状..106.1嵌入式实时操作系统...106.2通用操作系统...1175G行业终端实时计算关键技术117.1专有硬件实时增强.127.2硬件实时虚拟化.....137.3微内核实时虚拟化.145G应用产业方阵研究报告2022-01-C-0107.4操作系统实时虚拟化...157.5算力调度实时增强.1685G行业终端实时计算解决方案188.1PLC工业控制解决方案....188.1.1虚拟化层实时性优化188.1.2内核层实时性优化....208.2网络数据转发方案.208.2.1硬件层实时性优化....208.3高清视频传输解决方案....218.3.1应用层实时性优化....218.3.2虚拟化层实时性优化228.3.3内核层实时性优化....238.4小结.249总结与展望...25参考资料.....26·15G应用产业方阵研究报告2022-01-C-010面向5G行业终端的实时计算技术研究1范围本研究报告基于5G行业客户的典型业务需求，分析典型业务对于5G行业终端的实时性、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，提出适用终端操作系统的多种实时性增强技术。本报告适用于各类5G行业终端，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。本研究报告将重点对5G行业终端操作系统的实时计算技术进行研究，不涉及或较少涉及端侧实时计算的调度及相关接口标准的制定。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本研究课题的引用而成为本研究课题的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本研究课题，然而，鼓励根据本研究课题达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本研究课题。切片分组网（SPN）设备技术规范,中国移动通信集团有限公司.3缩略语下表所述术语和定义适用于本研究课题。表1中英文对照缩略语英文全称中文含义APApplicationProcessor应用处理器APIApplicationProgrammingInterface应用程序编程接口CFSCompletelyFairScheduler完全公平调度器CNCComputerNumericalControl计算机数字控制机床CPCoprocessor协处理器CPECustomerPremiseEquipment客户前置设备DTUDataTerminalUnit数据终端单元5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-010GPLGeneralPublicLicenseGNU通用公共许可证GPUGraphicProcessingUnit图形处理单元GSOGenericSegmentationOffload通用分段延后处理HMIHumanMachineInterface网络人机界面IPAIPPacketAcceleratorIP数据包加速器IPCInter-ProcessCommunication进程间通信MECMulti-AccessEdgeComputing多接入边缘计算NPUNeural-networkProcessUnits神经网络处理单元OTAOver-the-AirTechnology空中下载技术PCIEPeripheralComponentInterconnectExpress高速串行扩展总线标准PLCProgrammableLogicController可编程逻辑控制器QoSQualityofService服务质量RTOSReal-timeOperatingSystem实时操作系统RTURemoteTerminalUnit远程终端控制单元SCADASupervisoryControlAndDataAcquisition数据采集与监视控制系统SDIOSecureDigitalInputandOutput安全数字输入输出SMIPCSharedMemoryInter-ProcessCommunication共享内存进程间通信SPNSlicingPacketNetwork切片分组网VMMVirtualMachineManager虚拟机管理器45G行业终端实时计算需求分析4.15G应用场景性能需求目前5G通信已经进入制造、矿山、电力等多个产业领域，不同行业存在多样化的通信场景，也面临用户对于具体应用的不同需求，主要有以下几种业务性能要求。4.1.1实时性要求实时性是指必须在规定时间完成计算并给出确定性结果。业务实时性不仅取决于其逻辑功能的计算结果，也取决于计算结果输出的物理时间。这种确定性的·35G应用产业方阵研究报告2022-01-C-010时间
