《電子技術(shù)應(yīng)用》
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WiFi-TSN低時(shí)延轉(zhuǎn)換架構(gòu)
2022年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
王 博，王雪迪，時(shí)廣軼，嚴(yán) 偉
北京大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，北京102627
摘要： 無線網(wǎng)絡(luò)與TSN(Time Sensitive Networking)的融合是目前工業(yè)界的關(guān)注點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的基于應(yīng)用層軟件的網(wǎng)關(guān)存在CPU利用率高、處理延遲長(zhǎng)、性能差等缺點(diǎn)。因此提出了一種WiFi-TSN低時(shí)延轉(zhuǎn)換架構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)與TSN網(wǎng)絡(luò)的集成。該架構(gòu)采用Verilog語言實(shí)現(xiàn)，通過硬件來保證通信信道之間可預(yù)測(cè)的延遲，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換和協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。采用Vivado EDA工具來完成電路的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行足量的仿真測(cè)試來評(píng)估電路的端到端延遲性能。
中圖分類號(hào)： TN926；TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222721
中文引用格式： 王博，王雪迪，時(shí)廣軼，等. WiFi-TSN低時(shí)延轉(zhuǎn)換架構(gòu)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(4)：24-28，33.
英文引用格式： Wang Bo，Wang Xuedi，Shi Guangyi，et al. WiFi-TSN low latency conversion architecture[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：24-28，33.
WiFi-TSN low latency conversion architecture
Wang Bo，Wang Xuedi，Shi Guangyi，Yan Wei
School of Software and Microelectronics，Peking University，Beijing 102627，China
Abstract： The integration of wireless network and TSN(Time Sensitive Networking) is one of the concerns of industry at present. The traditional gateway based on application layer software has some disadvantages, such as high CPU utilization, long processing delay, poor performance and so on. Therefore, a WiFi TSN low delay conversion architecture is proposed to realize the integration of WiFi network and TSN network. The architecture is implemented in Verilog language, which ensures the predictable delay between communication channels through hardware, and can complete protocol conversion and protocol data forwarding in a very short time. Vivado EDA tool is used to complete the circuit design, and sufficient simulation tests are carried out to evaluate the end-to-end delay performance of the circuit.
Key words : TSN；WiFi；protocol conversion；end-to-end delay

0 引言

    21世紀(jì)以來，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異。從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線到以太網(wǎng)，從傳統(tǒng)的以太網(wǎng)到工業(yè)以太網(wǎng)，從工業(yè)以太網(wǎng)到時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Network，TSN)，從時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)再到無線-TSN技術(shù)，每一次技術(shù)革命都蘊(yùn)含著通信技術(shù)的飛躍。當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是TSN。TSN通過加入時(shí)間同步機(jī)制、流量整形機(jī)制以及排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，使不同業(yè)務(wù)的流量同時(shí)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中流轉(zhuǎn)，同時(shí)能保證實(shí)時(shí)流量的確定性傳輸[1-2]。然而傳統(tǒng)的TSN技術(shù)主要集中在有線傳輸領(lǐng)域，有線組網(wǎng)有建設(shè)周期長(zhǎng)、成本高、缺少靈活性等缺點(diǎn)。所以TSN與無線技術(shù)的融合成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)。5G技術(shù)和WiFi技術(shù)成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最適合與TSN融合的兩種候選技術(shù)，但是目前并沒有實(shí)際落地的產(chǎn)品和方案[3-5]。

    物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，其核心技術(shù)為無線通信。本世紀(jì)初，無線通信技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，逐漸走進(jìn)工業(yè)控制領(lǐng)域，為萬物互聯(lián)提供了新的手段。無線技術(shù)可以為端到端的通信設(shè)備提供靈活、低成本的組網(wǎng)環(huán)境。然而，無線通信方案也有其不足：由于信道的復(fù)雜，無線通信缺乏時(shí)間確定性的機(jī)制。目前在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界，應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的無線組網(wǎng)方案還比較少見[6-7]。如何實(shí)現(xiàn)時(shí)間確定和低時(shí)延的無線-TSN混合網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠傳輸，這成為工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

    李眾和王鵬澄等人設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee、WiFi、以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)采用STM32和CC2530雙處理器架構(gòu)。其中，硬件部分的STM32作為主處理器進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，軟件部分移植了LwIP精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議。該研究用軟硬件協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)[8]。




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作者信息：

王  博，王雪迪，時(shí)廣軼，嚴(yán)  偉

(北京大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，北京102627)




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