用于低延迟和时间敏感的工业物联网（IIoT）应用的SDR

时间敏感的工业物联网 (IIoT) 网络需要超低延迟连接才能正常运行。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，可以极大地使 IIoT 网络受益，尤其是在技术进步迅速发展的情况下。

众所周知，采用 FPGA 的 SDR 平台具有确定性和低延迟，但它们还具有广泛的调整范围和广泛的灵活性，有助于将设备与 IIoT 生态系统中使用的一系列协议进行连接。

什么是工业物联网？

IIoT 通过在各种设备之间提供强大的连接性，正在彻底改变工厂。直到最近，有线通信一直主导着行业的连接性。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的重新配置，需要更少的安装和更低的维护成本。在工业环境中获得令人满意的性能需要的不仅仅是基本的 4G 和 WiFi。

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。一些最流行的 IIoT 应用网络协议包括蓝牙、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、移动性和生命周期要求（图 1）。 IIoT 应用程序需要一个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，以确保前向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覆盖范围。此外，网络应该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、传输数据包并通过网络系统的多个组件对其进行处理，直到数据在目的地被接收并解码的全部时间。

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海量数据。工业中使用的一些信号，例如单个控制命令则具有严格的延迟限制，并要求具有确定延迟的网络基础设施。开发确定性以太网和时间敏感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。

IIoT 的时间敏感网络

时间敏感网络 (TSN) 是指旨在提供精确定时和同步的一组标准。 TSN组件可以大致分为三类：时间同步、流量规则和路径选择。时间同步组件要求参与实时通信的所有设备对时间有相同的理解。流量规则则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 为时间敏感的应用程序提供了一系列好处。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最大限度减少延迟。为了最大限度地提高互操作性，TSN 采用了可大量使用的标准组件。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，以确保跨相似设置的确定性性能。其中一些功能包括改进的精确时间控制、带宽重新服务、用于传输数据流的冗余路径以及用于以太网链路通信的集成服务质量 (QoS) 功能。这些功能有助于确保 IIoT 应用程序中的确定性延迟和紧密同步。

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，例如 3D 扫描和机器视觉。它的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

IIoT 的 SDR

SDR 系统允许以软件而不是专用硬件实现各种无线电信号处理组件，例如调制器、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 执行发送 (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 平台都配备具有各种板级数字信号处理 (DSP) 功能的 FPGA，例如调制、解调、上变频和以太网数据包。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 平台的架构能够为时间敏感的应用程序实施低延迟解决方案。 FPGA 具有高度并行的架构，使其能够比主机 PC 更快地执行处理任务。在此设备上嵌入应用程序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，使用 SFP+ 连接器实施自定义接口协议有助于进一步减少主机和 SDR 平台之间的时间延迟。

TSN 的 SDR

测试表明，基于 SDR 的解决方案可以实现 3.75 毫秒的端到端延迟。这意味着基于 SDR 的实施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复杂的 TSN，以用于 IIoT 应用。该技术提供资源和安全编排，并有助于解决拥塞和其他延迟相关问题。此外，SDN 能够使用实时预定义要求来动态重新配置网络。

许多基于 SDR 的 TSN 原型解决方案已经开发和测试。对 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的测试表明，基于 SDR 的实施适用于使用 WirelessHART、ZigBee 等协议的低功耗 IIoT 应用和 6LoWPAN。

对基于 SDR 的下一代网络原型进行的测试表明，可以通过使用带有 FPGA 的 SDR 来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 标准的各种特性，包括时间调度和延迟优化调度。