時間敏感型工業物聯網 （IIoT） 網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，可以極大地有利于IIoT網絡，特別是因為技術進步正在迅速發展。

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諧范圍和廣泛的靈活性，有助于連接IIoT生態系統中使用的一系列協議中的設備。

什么是物聯網？

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中的連接。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采用廣泛的網絡協議和標準來互連工廠環境中的各種設備。IIoT 應用的一些最流行的網絡協議包括藍牙、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、移動性和技術生命周期要求（圖 1）。IIoT應用需要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，以確保向前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。為了確保可靠性，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范圍。此外，網絡應能夠滿足工廠環境的移動性需求。

圖 1：IIoT 網絡設計注意事項

為什么確定性低延遲很重要

網絡延遲是指信號在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、傳輸數據包以及通過網絡系統的多個組件對其進行處理，直到在目的地接收和解碼數據包所需的時間。

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大量數據。單個控制命令等行業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絡基礎設施。開發確定性以太網和時間敏感型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。

適用于 IIoT 的時間敏感型網絡

時間敏感網絡（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。流量規則組件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為時間敏感型應用提供了一系列優勢。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、用于傳輸數據流的冗余路徑，以及用于通過以太網鏈路進行通信的集成服務質量 （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帶寬的工業應用，如3D掃描和機器視覺。其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。

圖 2：IIoT 中的網絡延遲貢獻

適用于工業物聯網的特別提款權

SDR系統允許在軟件而不是專用硬件中實現各種無線電信號處理組件，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 執行發射 （Tx） 和接收 （Rx） 功能，旨在提供寬調諧范圍。最高性能的SDR平臺提供多個獨立的通道，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 平臺都采用 FPGA，具有各種板級數字信號處理 （DSP） 功能，例如通過以太網進行調制、解調、上變頻和數據包化。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，使它們能夠比主機PC更快地執行處理任務，在此器件上嵌入應用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，利用 SFP+ 連接器實現自定義接口協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

測試表明，在基于SDR的解決方案中可以實現3.75 ms的低端到端延遲。這意味著基于SDR的實現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，有助于實現用于 IIoT 應用的復雜 TSN。此技術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的問題。此外，SDN能夠使用實時預定義的需求來動態重新配置網絡。

已經開發和測試了許多基于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原型進行測試表明，基于SDR的實現適用于使用無線HART、ZigBee和6LoWPAN等協議的低功耗IIoT應用。

對基于SDR的下一代網絡原型的測試表明，通過將SDR與FPGA結合使用，可以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標準的各種功能，包括時間調度和延遲優化調度。

審核編輯：郭婷