時(shí)間敏感的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 網(wǎng)絡(luò)需要超低延遲連接才能正常運(yùn)行。一種解決方案是集成高性能軟件定義無線電 (SDR) 平臺(tái)，該平臺(tái)具有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)，可實(shí)現(xiàn)低延遲網(wǎng)絡(luò)。這些平臺(tái)還提供了高度的互操作性和可重構(gòu)性，可以極大地使 IIoT 網(wǎng)絡(luò)受益，尤其是在技術(shù)進(jìn)步迅速發(fā)展的情況下。

眾所周知，采用 FPGA 的 SDR 平臺(tái)具有確定性和低延遲，但它們還具有廣泛的調(diào)整范圍和廣泛的靈活性，有助于將設(shè)備與 IIoT 生態(tài)系統(tǒng)中使用的一系列協(xié)議進(jìn)行連接。

什么是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)？

IIoT 通過在各種設(shè)備之間提供強(qiáng)大的連接性，正在徹底改變工廠。直到近，有線通信一直主導(dǎo)著行業(yè)的連接性。工廠正在用無線網(wǎng)絡(luò)取代有線連接，因?yàn)楹笳咴试S更高的移動(dòng)性和快速的重新配置，需要更少的安裝和更低的維護(hù)成本。在工業(yè)環(huán)境中獲得令人滿意的性能需要的不僅僅是基本的 4G 和 WiFi。

IIoT 采用廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)來互連工廠環(huán)境中的各種設(shè)備。一些的 IIoT 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括藍(lán)牙、Zigbee 和 LoRaWAN。例如，用于連接的工廠車間工人的協(xié)議?？梢跃哂形锢韺樱ǖ?1 層）、鏈路層（第 2 層）和網(wǎng)絡(luò)層（第 3 層）。物理層可以有無線協(xié)議；鏈路層可以有3GPP、4G/5G、IEEE 802.11和IEEE 802.15.4；網(wǎng)絡(luò)層可以有互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、云和邊緣服務(wù)。

設(shè)計(jì) IIoT 網(wǎng)絡(luò)時(shí)要考慮的一些關(guān)鍵因素包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能層、通信堆棧限制、頻譜類型、覆蓋范圍、移動(dòng)性和生命周期要求（圖 1）。 IIoT 應(yīng)用程序需要一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來確?；ゲ僮餍圆⒃试S設(shè)備連接到數(shù)據(jù)中心。它們還需要基于公共層的網(wǎng)絡(luò)功能，以確保前向兼容性并增強(qiáng)互操作性。

用于 IIoT 應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需要考慮終端設(shè)備中使用的通信堆棧的限制。為確?？煽啃裕趯?shí)施 IIoT 網(wǎng)絡(luò)時(shí)考慮使用許可和未許可頻譜的權(quán)衡至關(guān)重要。 IIoT 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有能夠滿足工廠需求的范圍和覆蓋范圍。此外，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠滿足工廠環(huán)境的移動(dòng)性需求。

 

圖 1：IIoT 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為什么確定性低延遲很重要

網(wǎng)絡(luò)延遲是指信號(hào)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)所經(jīng)歷的延遲。在典型的通信系統(tǒng)中，延遲可以被視為捕獲數(shù)據(jù)包、傳輸數(shù)據(jù)包并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多個(gè)組件對(duì)其進(jìn)行處理，直到數(shù)據(jù)在目的地被接收并解碼的全部時(shí)間。

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議旨在允許交換沒有嚴(yán)格時(shí)間限制或需要同步的海量數(shù)據(jù)。工業(yè)中使用的一些信號(hào)，例如單個(gè)控制命令則具有嚴(yán)格的延遲限制，并要求具有確定延遲的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。開發(fā)確定性以太網(wǎng)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的目的是滿足此類應(yīng)用的嚴(yán)格時(shí)序要求。圖 2 顯示了 IIoT 網(wǎng)絡(luò)中延遲的一些主要原因。

IIoT 的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 是指旨在提供定時(shí)和同步的一組標(biāo)準(zhǔn)。 TSN組件可以大致分為三類：時(shí)間同步、流量規(guī)則和路徑選擇。時(shí)間同步組件要求參與實(shí)時(shí)通信的所有設(shè)備對(duì)時(shí)間有相同的理解。流量規(guī)則則要求所有涉及的設(shè)備在處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)遵守相同的規(guī)則。，TSN 要求所有設(shè)備在選擇通信路徑和預(yù)留時(shí)隙和帶寬時(shí)遵守相同的規(guī)則。

TSN 為時(shí)間敏感的應(yīng)用程序提供了一系列好處。它經(jīng)過優(yōu)化，可在各種流量環(huán)境下傳輸帶時(shí)間戳和延遲敏感的數(shù)據(jù)時(shí)限度減少延遲。為了限度地提高互操作性，TSN 采用了可大量使用的標(biāo)準(zhǔn)組件。這有助于增強(qiáng)可擴(kuò)展性并降低部署和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的總體成本。

TSN 集成了多種機(jī)制，以確?？缦嗨圃O(shè)置的確定性性能。其中一些功能包括改進(jìn)的時(shí)間控制、帶寬重新服務(wù)、用于傳輸數(shù)據(jù)流的冗余路徑以及用于以太網(wǎng)鏈路通信的集成服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 功能。這些功能有助于確保 IIoT 應(yīng)用程序中的確定性延遲和緊密同步。

TSN 旨在提供更多帶寬，使其適用于需要大量以太網(wǎng)帶寬的工業(yè)應(yīng)用，例如 3D 掃描和機(jī)器視覺。它的設(shè)計(jì)有助于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而其確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)方法允許使用單個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來傳輸混合流量。

 

圖 2：IIoT 中的網(wǎng)絡(luò)延遲貢獻(xiàn)

IIoT 的 SDR

SDR 系統(tǒng)允許以軟件而不是專用硬件實(shí)現(xiàn)各種無線電信號(hào)處理組件，例如調(diào)制器、解調(diào)器、編碼器和均衡器。典型的 SDR 具有無線電前端 (RFE) 和數(shù)字后端。 RFE 執(zhí)行發(fā)送 (Tx) 和接收 (Rx) 功能，旨在提供寬調(diào)諧范圍。性能的 SDR 平臺(tái)提供多個(gè)獨(dú)立通道，每個(gè)通道都有一個(gè)專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。此外，這些平臺(tái)旨在提供非常高的瞬時(shí)帶寬。

大多數(shù)高性能 SDR 平臺(tái)都配備具有各種板級(jí)數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 功能的 FPGA，例如調(diào)制、解調(diào)、上變頻和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。此外，SDR 平臺(tái)能夠支持混合流量，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并提供足夠的帶寬。

SDR 平臺(tái)的架構(gòu)能夠?yàn)闀r(shí)間敏感的應(yīng)用程序?qū)嵤┑脱舆t解決方案。 FPGA 具有高度并行的架構(gòu)，使其能夠比主機(jī) PC 更快地執(zhí)行處理任務(wù)。在此設(shè)備上嵌入應(yīng)用程序邏輯有助于提高系統(tǒng)的整體延遲性能。對(duì)于需要超低延遲的應(yīng)用，使用 SFP+ 連接器實(shí)施自定義接口協(xié)議有助于進(jìn)一步減少主機(jī)和 SDR 平臺(tái)之間的時(shí)間延遲。

TSN 的 SDR

測(cè)試表明，基于 SDR 的解決方案可以實(shí)現(xiàn) 3.75 毫秒的端到端延遲。這意味著基于 SDR 的實(shí)施可用于需要低延遲和時(shí)間同步的 IIoT 應(yīng)用，例如人機(jī)交互 (HMI)、傳感器數(shù)據(jù)收集和自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 系統(tǒng)。

將 SDR 與軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 技術(shù)相結(jié)合有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的 TSN，以用于 IIoT 應(yīng)用。該技術(shù)提供資源和安全編排，并有助于解決擁塞和其他延遲相關(guān)問題。此外，SDN 能夠使用實(shí)時(shí)預(yù)定義要求來動(dòng)態(tài)重新配置網(wǎng)絡(luò)。

許多基于 SDR 的 TSN 原型解決方案已經(jīng)開發(fā)和測(cè)試。對(duì) IEEE 802.15.4 偏移正交相移鍵控 (OQPSK) 物理層的無線電接收器系統(tǒng)原型進(jìn)行的測(cè)試表明，基于 SDR 的實(shí)施適用于使用 WirelessHART、ZigBee 等協(xié)議的低功耗 IIoT 應(yīng)用和 6LoWPAN。

對(duì)基于 SDR 的下一代網(wǎng)絡(luò)原型進(jìn)行的測(cè)試表明，可以通過使用帶有 FPGA 的 SDR 來實(shí)現(xiàn)低延遲網(wǎng)絡(luò)解決方案。這種實(shí)現(xiàn)使 SDR 能夠利用 IEEE 802.1 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的各種特性，包括時(shí)間調(diào)度和延遲優(yōu)化調(diào)度。