時間敏感型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 網(wǎng)絡需要超低延遲鏈路才能正常運行。一種解決方案是集成高性能軟件定義無線電（SDR）平臺，該平臺具有現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），可實現(xiàn)低延遲網(wǎng)絡。這些平臺還提供了高度的互操作性和可重構(gòu)性，可以極大地有利于IIoT網(wǎng)絡，特別是因為技術(shù)進步正在迅速發(fā)展。

眾所周知，采用FPGA的SDR平臺具有確定性和低延遲性，但它們還具有廣泛的調(diào)諧范圍和廣泛的靈活性，有助于連接IIoT生態(tài)系統(tǒng)中使用的一系列協(xié)議中的設備。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？

IIoT通過在各種設備之間提供強大的連接性來徹底改變工廠。直到最近，有線通信一直主導著工業(yè)中的連接。工廠正在用無線網(wǎng)絡取代有線連接，因為后者允許更高的移動性和快速重新配置，需要更少的安裝和更低的維護成本。在工業(yè)環(huán)境中令人滿意的性能需要的不僅僅是4G和WiFi的基本安裝。

IIoT采用廣泛的網(wǎng)絡協(xié)議和標準來互連工廠環(huán)境中的各種設備。IIoT 應用的一些最流行的網(wǎng)絡協(xié)議包括藍牙、Zigbee 和 LoRaWAN。例如，用于連接的工廠車間工人的協(xié)議棧可以具有物理層（第 1 層）、鏈路層（第 2 層）和網(wǎng)絡層（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)絡層可以有互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、云和邊緣服務。

設計IIoT網(wǎng)絡時要考慮的一些關(guān)鍵因素包括網(wǎng)絡架構(gòu)、網(wǎng)絡功能層、通信堆棧限制、頻譜類型、覆蓋范圍、移動性和技術(shù)生命周期要求（圖 1）。IIoT應用需要通用的網(wǎng)絡架構(gòu)來確?；ゲ僮餍圆⒃试S設備連接到數(shù)據(jù)中心。它們還需要基于公共層的網(wǎng)絡功能，以確保向前兼容性并增強互操作性。

用于IIoT應用的網(wǎng)絡需要考慮終端設備中使用的通信堆棧的限制。為了確?？煽啃?，在實施IIoT網(wǎng)絡時，考慮使用許可和未許可頻譜的權(quán)衡至關(guān)重要。IIoT網(wǎng)絡應具有能夠滿足工廠需求的范圍和范圍。此外，網(wǎng)絡應能夠滿足工廠環(huán)境的移動性需求。

圖 1：IIoT 網(wǎng)絡設計注意事項

為什么確定性低延遲很重要

網(wǎng)絡延遲是指信號在通過通信網(wǎng)絡傳播時所經(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)包以及通過網(wǎng)絡系統(tǒng)的多個組件對其進行處理，直到在目的地接收和解碼數(shù)據(jù)包所需的時間。

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡協(xié)議旨在允許交換沒有嚴格時間限制或需要同步的大量數(shù)據(jù)。單個控制命令等行業(yè)中使用的一些信號具有嚴格的延遲約束，并且需要具有確定性延遲的網(wǎng)絡基礎設施。開發(fā)確定性以太網(wǎng)和時間敏感型網(wǎng)絡的目的是滿足此類應用的嚴格時序要求。圖 2 顯示了 IIoT 網(wǎng)絡中延遲的一些主要原因。

適用于 IIoT 的時間敏感型網(wǎng)絡

時間敏感網(wǎng)絡（TSN）是指旨在提供精確定時和同步的標準集合。TSN組件大致可分為三個：時間同步，流量規(guī)則和路徑選擇。時間同步組件要求實時通信中涉及的所有設備對時間具有相同的理解。流量規(guī)則組件要求所有涉及的設備在處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時遵守相同的規(guī)則。最后，TSN要求所有設備在選擇通信路徑和預留時隙和帶寬時遵守相同的規(guī)則。

TSN為時間敏感型應用提供了一系列優(yōu)勢。它經(jīng)過優(yōu)化，可在各種流量環(huán)境下傳輸帶時間戳和延遲敏感的數(shù)據(jù)時將延遲降至最低。為了最大限度地提高互操作性，TSN采用了大量可用的標準組件。這有助于增強可擴展性并降低部署和維護網(wǎng)絡的總體成本。

TSN集成了多種機制，以確保在類似設置下的確定性性能。其中一些功能包括改進的精確時間控制、帶寬預留、用于傳輸數(shù)據(jù)流的冗余路徑，以及用于通過以太網(wǎng)鏈路進行通信的集成服務質(zhì)量 （QoS） 功能。這些功能有助于確保 IIoT 應用中的確定性延遲和緊密同步性。

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)應用，如3D掃描和機器視覺。其設計有助于簡化網(wǎng)絡基礎設施，而其確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡方法允許使用單個以太網(wǎng)網(wǎng)絡來傳輸混合流量。

圖 2：IIoT 中的網(wǎng)絡延遲貢獻

適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特別提款權(quán)

SDR系統(tǒng)允許在軟件而不是專用硬件中實現(xiàn)各種無線電信號處理組件，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)射 （Tx） 和接收 （Rx） 功能，旨在提供寬調(diào)諧范圍。最高性能的SDR平臺提供多個獨立的通道，每個通道都有一個專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。此外，這些平臺旨在提供非常高的瞬時帶寬。

大多數(shù)高性能 SDR 平臺都采用 FPGA，具有各種板級數(shù)字信號處理 （DSP） 功能，例如通過以太網(wǎng)進行調(diào)制、解調(diào)、上變頻和數(shù)據(jù)包化。此外，SDR平臺能夠支持混合流量，簡化網(wǎng)絡基礎設施，并提供足夠的帶寬。

SDR 平臺的架構(gòu)支持為時間敏感型應用實施低延遲解決方案。FPGA具有高度并行的架構(gòu)，使它們能夠比主機PC更快地執(zhí)行處理任務，在此器件上嵌入應用邏輯有助于提高系統(tǒng)的整體延遲性能。對于需要超低延遲的應用，利用 SFP+ 連接器實現(xiàn)自定義接口協(xié)議有助于進一步減少主機與 SDR 平臺之間的時間延遲。

針對TSN的特別提款權(quán)

測試表明，在基于SDR的解決方案中可以實現(xiàn)3.75 ms的低端到端延遲。這意味著基于SDR的實現(xiàn)可用于需要低延遲和時間同步的IIoT應用，例如人機交互（HMI）、傳感器數(shù)據(jù)收集和自動導引車（AGV）系統(tǒng)。

將 SDR 與軟件定義網(wǎng)絡 （SDN） 技術(shù)相結(jié)合，有助于實現(xiàn)用于 IIoT 應用的復雜 TSN。此技術(shù)提供資源和安全編排，并有助于解決擁塞和其他與延遲相關(guān)的問題。此外，SDN能夠使用實時預定義的需求來動態(tài)重新配置網(wǎng)絡。

已經(jīng)開發(fā)和測試了許多基于SDR的TSN原型解決方案。使用IEEE 802.15.4偏移正交相移鍵控（OQPSK）物理層的高級無線電接收器系統(tǒng)原型進行測試表明，基于SDR的實現(xiàn)適用于使用無線HART、ZigBee和6LoWPAN等協(xié)議的低功耗IIoT應用。

對基于SDR的下一代網(wǎng)絡原型的測試表明，通過將SDR與FPGA結(jié)合使用，可以實現(xiàn)低延遲網(wǎng)絡解決方案。這種實現(xiàn)使SDR能夠利用IEEE 802.1 TSN標準的各種功能，包括時間調(diào)度和延遲優(yōu)化調(diào)度。

審核編輯：郭婷