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        用于低延遲和時間敏感的工業物聯網(IIoT)應用的SDR

        時間:2022-06-02 16:22:22來源: EEWORLD

        導語:?時間敏感的工業物聯網 (IIoT) 網絡需要超低延遲連接才能正常運行。一種解決方案是集成高性能軟件定義無線電 (SDR) 平臺,該平臺具有現場可編程門陣列 (FPGA),可實現低延遲網絡。這些平臺還提供了高度的互操作性和可重構性,可以極大地使 IIoT 網絡受益,尤其是在技術進步迅速發展的情況下。

          眾所周知,采用 FPGA 的 SDR 平臺具有確定性和低延遲,但它們還具有廣泛的調整范圍和廣泛的靈活性,有助于將設備與 IIoT 生態系統中使用的一系列協議進行連接。

          什么是工業物聯網?

          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的連接性。工廠正在用無線網絡取代有線連接,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。在工業環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 采用廣泛的網絡協議和標準來互連工廠環境中的各種設備。一些最流行的 IIoT 應用網絡協議包括藍牙、Zigbee 和 LoRaWAN。例如,用于連接的工廠車間工人的協議棧可以具有物理層(第 1 層)、鏈路層(第 2 層)和網絡層(第 3 層)。物理層可以有無線協議;鏈路層可以有3GPP、4G/5G、IEEE 802.11和IEEE 802.15.4;網絡層可以有互聯網協議、云和邊緣服務。

          設計 IIoT 網絡時要考慮的一些關鍵因素包括網絡架構、網絡功能層、通信堆棧限制、頻譜類型、覆蓋范圍、移動性和生命周期要求(圖 1)。 IIoT 應用程序需要一個通用的網絡架構來確保互操作性并允許設備連接到數據中心。它們還需要基于公共層的網絡功能,以確保前向兼容性并增強互操作性。

          用于 IIoT 應用的網絡需要考慮終端設備中使用的通信堆棧的限制。為確保可靠性,在實施 IIoT 網絡時考慮使用許可和未許可頻譜的權衡至關重要。 IIoT 網絡應具有能夠滿足工廠需求的范圍和覆蓋范圍。此外,網絡應該能夠滿足工廠環境的移動性需求。

        IIoT 網絡設計

        圖 1:IIoT 網絡設計注意事項

          為什么確定性低延遲很重要

          網絡延遲是指信號通過通信網絡傳播時所經歷的延遲。在典型的通信系統中,延遲可以被視為捕獲數據包、傳輸數據包并通過網絡系統的多個組件對其進行處理,直到數據在目的地被接收并解碼的全部時間。

          傳統的無線網絡協議旨在允許交換沒有嚴格時間限制或需要同步的海量數據。工業中使用的一些信號,例如單個控制命令則具有嚴格的延遲限制,并要求具有確定延遲的網絡基礎設施。開發確定性以太網和時間敏感網絡的目的是滿足此類應用的嚴格時序要求。圖 2 顯示了 IIoT 網絡中延遲的一些主要原因。

          IIoT 的時間敏感網絡

          時間敏感網絡 (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。流量規則則要求所有涉及的設備在處理和轉發數據包時遵守相同的規則。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則。

          TSN 為時間敏感的應用程序提供了一系列好處。它經過優化,可在各種流量環境下傳輸帶時間戳和延遲敏感的數據時最大限度減少延遲。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絡的總體成本。

          TSN 集成了多種機制,以確保跨相似設置的確定性性能。其中一些功能包括改進的精確時間控制、帶寬重新服務、用于傳輸數據流的冗余路徑以及用于以太網鏈路通信的集成服務質量 (QoS) 功能。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帶寬的工業應用,例如 3D 掃描和機器視覺。它的設計有助于簡化網絡基礎設施,而其確定性以太網網絡方法允許使用單個以太網網絡來傳輸混合流量。

        IIoT 中的網絡延遲貢獻

        圖 2:IIoT 中的網絡延遲貢獻

          IIoT 的 SDR

          SDR 系統允許以軟件而不是專用硬件實現各種無線電信號處理組件,例如調制器、解調器、編碼器和均衡器。典型的 SDR 具有無線電前端 (RFE) 和數字后端。 RFE 執行發送 (Tx) 和接收 (Rx) 功能,旨在提供寬調諧范圍。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轉換器 (ADC) 和一個數模轉換器 (DAC)。此外,這些平臺旨在提供非常高的瞬時帶寬。

          大多數高性能 SDR 平臺都配備具有各種板級數字信號處理 (DSP) 功能的 FPGA,例如調制、解調、上變頻和以太網數據包。此外,SDR 平臺能夠支持混合流量,簡化網絡基礎設施,并提供足夠的帶寬。

          SDR 平臺的架構能夠為時間敏感的應用程序實施低延遲解決方案。 FPGA 具有高度并行的架構,使其能夠比主機 PC 更快地執行處理任務。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 3.75 毫秒的端到端延遲。這意味著基于 SDR 的實施可用于需要低延遲和時間同步的 IIoT 應用,例如人機交互 (HMI)、傳感器數據收集和自動導引車 (AGV) 系統。

          將 SDR 與軟件定義網絡 (SDN) 技術相結合有助于實現復雜的 TSN,以用于 IIoT 應用。該技術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重新配置網絡。

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

          對基于 SDR 的下一代網絡原型進行的測試表明,可以通過使用帶有 FPGA 的 SDR 來實現低延遲網絡解決方案。這種實現使 SDR 能夠利用 IEEE 802.1 TSN 標準的各種特性,包括時間調度和延遲優化調度。

        標簽: 工業物聯網

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