《電子技術(shù)應(yīng)用》
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WiFi-TSN低时延转换架构
2022年电子技术应用第4期
王 博，王雪迪，时广轶，严 伟
北京大学 软件与微电子学院，北京102627
摘要： 无线网络与TSN(Time Sensitive Networking)的融合是目前工业界的关注点之一。传统的基于应用层软件的网关存在CPU利用率高、处理延迟长、性能差等缺点。因此提出了一种WiFi-TSN低时延转换架构，来实现WiFi网络与TSN网络的集成。该架构采用Verilog语言实现，通过硬件来保证通信信道之间可预测的延迟，能够在极短的时间内完成协议转换和协议数据的转发。采用Vivado EDA工具来完成电路的设计，并进行足量的仿真测试来评估电路的端到端延迟性能。
關(guān)鍵詞： TSN WiFi 协议转换 端到端时延
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(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(luò)(Time Sensitive Network，TSN)，從時間敏感網(wǎng)絡(luò)再到無線-TSN技術(shù)，每一次技術(shù)革命都蘊含著通信技術(shù)的飛躍。當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(zhuǎn)發(fā)機制，使不同業(yè)務(wù)的流量同時在一個網(wǎng)絡(luò)中流轉(zhuǎn)，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(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、成本高、缺少靈活性等缺點。所以TSN與無線技術(shù)的融合成為學術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點。5G技術(shù)和WiFi技術(shù)成為業(yè)內(nèi)公認的最適合與TSN融合的兩種候選技術(shù)，但是目前并沒有實際落地的產(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。本世紀初，無線通信技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，逐漸走進工業(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(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]。如何實現(xiàn)時間確定和低時延的無線-TSN混合網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計了一種基于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(guān)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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