《電子技術應用》
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WiFi-TSN低時延轉換架構
2022年電子技術應用第4期
王 博，王雪迪，時廣軼，嚴 偉
北京大學 軟件與微電子學院，北京102627
摘要： 無線網(wǎng)絡與TSN(Time Sensitive Networking)的融合是目前工業(yè)界的關注點之一。傳統(tǒng)的基于應用層軟件的網(wǎng)關存在CPU利用率高、處理延遲長、性能差等缺點。因此提出了一種WiFi-TSN低時延轉換架構，來實現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡與TSN網(wǎng)絡的集成。該架構采用Verilog語言實現(xiàn)，通過硬件來保證通信信道之間可預測的延遲，能夠在極短的時間內完成協(xié)議轉換和協(xié)議數(shù)據(jù)的轉發(fā)。采用Vivado EDA工具來完成電路的設計，并進行足量的仿真測試來評估電路的端到端延遲性能。
中圖分類號： TN926；TP393
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222721
中文引用格式： 王博，王雪迪，時廣軼，等. WiFi-TSN低時延轉換架構[J].電子技術應用，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世紀以來，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展日新月異。從工業(yè)現(xiàn)場總線到以太網(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)到時間敏感網(wǎng)絡(Time Sensitive Network，TSN)，從時間敏感網(wǎng)絡再到無線-TSN技術，每一次技術革命都蘊含著通信技術的飛躍。當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的核心是TSN。TSN通過加入時間同步機制、流量整形機制以及排隊轉發(fā)機制，使不同業(yè)務的流量同時在一個網(wǎng)絡中流轉，同時能保證實時流量的確定性傳輸[1-2]。然而傳統(tǒng)的TSN技術主要集中在有線傳輸領域，有線組網(wǎng)有建設周期長、成本高、缺少靈活性等缺點。所以TSN與無線技術的融合成為學術界和工業(yè)界研究的熱點。5G技術和WiFi技術成為業(yè)內公認的最適合與TSN融合的兩種候選技術，但是目前并沒有實際落地的產品和方案[3-5]。

    物聯(lián)網(wǎng)技術飛速發(fā)展，其核心技術為無線通信。本世紀初，無線通信技術開始蓬勃發(fā)展，逐漸走進工業(yè)控制領域，為萬物互聯(lián)提供了新的手段。無線技術可以為端到端的通信設備提供靈活、低成本的組網(wǎng)環(huán)境。然而，無線通信方案也有其不足：由于信道的復雜，無線通信缺乏時間確定性的機制。目前在工業(yè)界和學術界，應用于工業(yè)控制領域的無線組網(wǎng)方案還比較少見[6-7]。如何實現(xiàn)時間確定和低時延的無線-TSN混合網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)的可靠傳輸，這成為工業(yè)界的研究熱點。

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




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作者信息：

王  博，王雪迪，時廣軼，嚴  偉

(北京大學 軟件與微電子學院，北京102627)




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