適用于低延遲和時間敏感型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的SDR

眾所周知，帶有 FPGA 的 SDR 平臺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，有助于將設備與 IIoT 生態(tài)系統(tǒng)中使用的一系列協(xié)議進行連接。

什么是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)？

IIoT 通過在各種設備之間提供強大的連接性，正在徹底改變工廠。直到最近，有線通信一直主導著行業(yè)的連接性。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的重新配置，需要更少的安裝和更低的維護成本。在工業(yè)環(huán)境中獲得令人滿意的性能需要的不僅僅是基本的 4G 和 WiFi 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。一些最流行的 IIoT 應用網(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 應用程序需要一個通用的網(wǎng)絡架構(gòu)來確保互操作性并允許設備連接到數(shù)據(jù)中心。它們還需要基于公共層的網(wǎng)絡功能，以確保前向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。為確?？煽啃裕趯嵤?IIoT 網(wǎng)絡時考慮使用許可和未許可頻譜的權(quán)衡至關重要。IIoT 網(wǎng)絡應具有能夠滿足工廠需求的范圍和覆蓋范圍。此外，網(wǎng)絡應該能夠滿足工廠環(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)包并通過網(wǎng)絡系統(tǒng)的多個組件對其進行處理，直到數(shù)據(jù)在目的地被接收和解碼所需的時間。

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)。工業(yè)中使用的一些信號，例如單個控制命令，具有嚴格的延遲約束，并要求網(wǎng)絡基礎設施具有確定的延遲。開發(fā)確定性以太網(wǎng)和時間敏感網(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)絡延遲的一些主要原因。

IIoT 的時間敏感網(wǎng)絡

時間敏感網(wǎng)絡 （TSN） 是指旨在提供精確定時和同步的一組標準。TSN組件可以大致分為三類：時間同步、流量規(guī)則和路徑選擇。時間同步組件要求參與實時通信的所有設備對時間有相同的理解。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 為時間敏感的應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)境下傳輸帶時間戳和延遲敏感的數(shù)據(jù)時最大限度地減少延遲。為了最大限度地提高互操作性，TSN 采用了可大量使用的標準組件。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?？缦嗨圃O置的確定性性能。其中一些特性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以太網(wǎng)鏈路通信的集成服務質(zhì)量 （QoS） 特性。這些功能有助于確保 IIoT 應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)應用，例如 3D 掃描和機器視覺。它的設計有助于簡化網(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

IIoT 的 SDR

SDR 系統(tǒng)允許以軟件而不是專用硬件實現(xiàn)各種無線電信號處理組件，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。最高性能的 SDR 平臺提供多個獨立通道，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 平臺都配備具有各種板級數(shù)字信號處理 （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)能夠為時間敏感的應用程序?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 PC 更快地執(zhí)行處理任務。在此設備上嵌入應用程序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，使用 SFP+ 連接器實施自定義接口協(xié)議有助于進一步減少主機和 SDR 平臺之間的時間延遲。

TSN 的 SDR

測試表明，基于 SDR 的解決方案可以實現(xiàn) 3.75 毫秒的低端到端延遲。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)復雜的 TSN，以用于 IIoT 應用。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問題。此外，SDN 能夠使用實時預定義要求來動態(tài)重新配置網(wǎng)絡。

許多基于 SDR 的 TSN 原型解決方案已經(jīng)開發(fā)和測試。對 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)原型進行的測試表明，基于 SDR 的實施適用于使用 WirelessHART、ZigBee 等協(xié)議的低功耗 IIoT 應用和 6LoWPAN。

對基于 SDR 的下一代網(wǎng)絡原型進行的測試表明，可以通過使用帶有 FPGA 的 SDR 來實現(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 標準的各種特性，包括時間調(diào)度和延遲優(yōu)化調(diào)度。

審核編輯：郭婷