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

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì) ? 作者:Brendon McHugh ? 2022-10-19 11:08 ? 次閱讀

時(shí)間敏感型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT網(wǎng)絡(luò)需要超低延遲鏈路才能正常運(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,可以極大地有利于IIoT網(wǎng)絡(luò),特別是因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步正在迅速發(fā)展。

眾所周知,采用FPGA的SDR平臺(tái)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(shè)備。

什么是物聯(lián)網(wǎng)?

IIoT通過在各種設(shè)備之間提供強(qiáng)大的連接性來徹底改變工廠。直到最近,有線通信一直主導(dǎo)著工業(yè)中的連接。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(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)來互連工廠環(huán)境中的各種設(shè)備。IIoT 應(yīng)用的一些最流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括藍(lán)牙ZigbeeLoRaWAN。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)性和技術(shù)生命周期要求(圖 1)。IIoT應(yīng)用需要通用的網(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,以確保向前兼容性并增強(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。為了確保可靠性,在實(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范圍。此外,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠滿足工廠環(huán)境的移動(dòng)性需求。

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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)在通過通信網(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)包以及通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多個(gè)組件對(duì)其進(jìn)行處理,直到在目的地接收和解碼數(shù)據(jù)包所需的時(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大量數(shù)據(jù)。單個(gè)控制命令等行業(yè)中使用的一些信號(hào)具有嚴(yán)格的延遲約束,并且需要具有確定性延遲的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。開發(fā)確定性以太網(wǎng)和時(shí)間敏感型網(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。

適用于 IIoT 的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)是指旨在提供精確定時(shí)和同步的標(biāo)準(zhǔn)集合。TSN組件大致可分為三個(gè):時(shí)間同步,流量規(guī)則和路徑選擇。時(shí)間同步組件要求實(shí)時(shí)通信中涉及的所有設(shè)備對(duì)時(shí)間具有相同的理解。流量規(guī)則組件要求所有涉及的設(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。最后,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)間敏感型應(yīng)用提供了一系列優(yōu)勢(shì)。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)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(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,以確保在類似設(shè)置下的確定性性能。其中一些功能包括改進(jìn)的精確時(shí)間控制、帶寬預(yù)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(jìn)行通信的集成服務(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(yīng)用,如3D掃描和機(jī)器視覺。其設(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。

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圖 2:IIoT 中的網(wǎng)絡(luò)延遲貢獻(xiàn)

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(shí)現(xiàn)各種無線電信號(hào)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(tái)提供多個(gè)獨(dú)立的通道,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)都采用 FPGA,具有各種板級(jí)數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 功能,例如通過以太網(wǎng)進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)、上變頻和數(shù)據(jù)包化。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)支持為時(shí)間敏感型應(yīng)用實(shí)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(jī)PC更快地執(zhí)行處理任務(wù),在此器件上嵌入應(yīng)用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,利用 SFP+ 連接器實(shí)現(xiàn)自定義接口協(xié)議有助于進(jìn)一步減少主機(jī)與 SDR 平臺(tái)之間的時(shí)間延遲。

針對(duì)TSN的特別提款權(quán)

測(cè)試表明,在基于SDR的解決方案中可以實(shí)現(xiàn)3.75 ms的低端到端延遲。這意味著基于SDR的實(shí)現(xiàn)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)用于 IIoT 應(yīng)用的復(fù)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(shí)時(shí)預(yù)定義的需求來動(dòng)態(tài)重新配置網(wǎng)絡(luò)。

已經(jīng)開發(fā)和測(cè)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(jí)無線電接收器系統(tǒng)原型進(jìn)行測(cè)試表明,基于SDR的實(shí)現(xiàn)適用于使用無線HART、ZigBee和6LoWPAN等協(xié)議的低功耗IIoT應(yīng)用。

對(duì)基于SDR的下一代網(wǎng)絡(luò)原型的測(cè)試表明,通過將SDR與FPGA結(jié)合使用,可以實(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)的各種功能,包括時(shí)間調(diào)度和延遲優(yōu)化調(diào)度。

審核編輯:郭婷

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