适用于低延迟和时间敏感型工业物联网应用的SDR

时间敏感型工业物联网 （IIoT） 网络需要超低延迟链路才能正常运行。一种解决方案是集成高性能软件定义无线电（SDR）平台，该平台具有现场可编程门阵列（FPGA），可实现低延迟网络。这些平台还提供了高度的互操作性和可重构性，可以极大地有利于IIoT网络，特别是因为技术进步正在迅速发展。

众所周知，采用FPGA的SDR平台具有确定性和低延迟性，但它们还具有广泛的调谐范围和广泛的灵活性，有助于连接IIoT生态系统中使用的一系列协议中的设备。

什么是物联网？

IIoT通过在各种设备之间提供强大的连接性来彻底改变工厂。直到最近，有线通信一直主导着工业中的连接。工厂正在用无线网络取代有线连接，因为后者允许更高的移动性和快速重新配置，需要更少的安装和更低的维护成本。在工业环境中令人满意的性能需要的不仅仅是4G和WiFi的基本安装。

IIoT采用广泛的网络协议和标准来互连工厂环境中的各种设备。IIoT 应用的一些最流行的网络协议包括蓝牙、Zigbee 和 LoRaWAN。例如，用于连接的工厂车间工人的协议栈可以具有物理层（第 1 层）、链路层（第 2 层）和网络层（第 3 层）。物理层可以有无线协议;链路层可以有3GPP，4G / 5G，IEEE 802.11和IEEE 802.15.4;网络层可以有互联网协议、云和边缘服务。

设计IIoT网络时要考虑的一些关键因素包括网络架构、网络功能层、通信堆栈限制、频谱类型、覆盖范围、移动性和技术生命周期要求（图 1）。IIoT应用需要通用的网络架构来确保互操作性并允许设备连接到数据中心。它们还需要基于公共层的网络功能，以确保向前兼容性并增强互操作性。

用于IIoT应用的网络需要考虑终端设备中使用的通信堆栈的限制。为了确保可靠性，在实施IIoT网络时，考虑使用许可和未许可频谱的权衡至关重要。IIoT网络应具有能够满足工厂需求的范围和范围。此外，网络应能够满足工厂环境的移动性需求。

图 1：IIoT 网络设计注意事项

为什么确定性低延迟很重要

网络延迟是指信号在通过通信网络传播时所经历的延迟。在典型的通信系统中，延迟可以被视为捕获数据包、传输数据包以及通过网络系统的多个组件对其进行处理，直到在目的地接收和解码数据包所需的时间。

传统的无线网络协议旨在允许交换没有严格时间限制或需要同步的大量数据。单个控制命令等行业中使用的一些信号具有严格的延迟约束，并且需要具有确定性延迟的网络基础设施。开发确定性以太网和时间敏感型网络的目的是满足此类应用的严格时序要求。图 2 显示了 IIoT 网络中延迟的一些主要原因。

适用于 IIoT 的时间敏感型网络

时间敏感网络（TSN）是指旨在提供精确定时和同步的标准集合。TSN组件大致可分为三个：时间同步，流量规则和路径选择。时间同步组件要求实时通信中涉及的所有设备对时间具有相同的理解。流量规则组件要求所有涉及的设备在处理和转发数据包时遵守相同的规则。最后，TSN要求所有设备在选择通信路径和预留时隙和带宽时遵守相同的规则。

TSN为时间敏感型应用提供了一系列优势。它经过优化，可在各种流量环境下传输带时间戳和延迟敏感的数据时将延迟降至最低。为了最大限度地提高互操作性，TSN采用了大量可用的标准组件。这有助于增强可扩展性并降低部署和维护网络的总体成本。

TSN集成了多种机制，以确保在类似设置下的确定性性能。其中一些功能包括改进的精确时间控制、带宽预留、用于传输数据流的冗余路径，以及用于通过以太网链路进行通信的集成服务质量 （QoS） 功能。这些功能有助于确保 IIoT 应用中的确定性延迟和紧密同步性。

TSN旨在提供更多带宽，使其适用于需要大量以太网带宽的工业应用，如3D扫描和机器视觉。其设计有助于简化网络基础设施，而其确定性以太网网络方法允许使用单个以太网网络来传输混合流量。

图 2：IIoT 中的网络延迟贡献

适用于工业物联网的特别提款权

SDR系统允许在软件而不是专用硬件中实现各种无线电信号处理组件，如调制器、解调器、编码器和均衡器。典型的 SDR 具有无线电前端 （RFE） 和数字后端。RFE 执行发射 （Tx） 和接收 （Rx） 功能，旨在提供宽调谐范围。最高性能的SDR平台提供多个独立的通道，每个通道都有一个专用的模数转换器（ADC）和一个数模转换器（DAC）。此外，这些平台旨在提供非常高的瞬时带宽。

大多数高性能 SDR 平台都采用 FPGA，具有各种板级数字信号处理 （DSP） 功能，例如通过以太网进行调制、解调、上变频和数据包化。此外，SDR平台能够支持混合流量，简化网络基础设施，并提供足够的带宽。

SDR 平台的架构支持为时间敏感型应用实施低延迟解决方案。FPGA具有高度并行的架构，使它们能够比主机PC更快地执行处理任务，在此器件上嵌入应用逻辑有助于提高系统的整体延迟性能。对于需要超低延迟的应用，利用 SFP+ 连接器实现自定义接口协议有助于进一步减少主机与 SDR 平台之间的时间延迟。

针对TSN的特别提款权

测试表明，在基于SDR的解决方案中可以实现3.75 ms的低端到端延迟。这意味着基于SDR的实现可用于需要低延迟和时间同步的IIoT应用，例如人机交互（HMI）、传感器数据收集和自动导引车（AGV）系统。

将 SDR 与软件定义网络 （SDN） 技术相结合，有助于实现用于 IIoT 应用的复杂 TSN。此技术提供资源和安全编排，并有助于解决拥塞和其他与延迟相关的问题。此外，SDN能够使用实时预定义的需求来动态重新配置网络。

已经开发和测试了许多基于SDR的TSN原型解决方案。使用IEEE 802.15.4偏移正交相移键控（OQPSK）物理层的高级无线电接收器系统原型进行测试表明，基于SDR的实现适用于使用无线HART、ZigBee和6LoWPAN等协议的低功耗IIoT应用。

对基于SDR的下一代网络原型的测试表明，通过将SDR与FPGA结合使用，可以实现低延迟网络解决方案。这种实现使SDR能够利用IEEE 802.1 TSN标准的各种功能，包括时间调度和延迟优化调度。

审核编辑：郭婷