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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，工業物聯網技術的發展日新月異。從工業現場總線到以太網，從傳統的以太網到工業以太網，從工業以太網到時間敏感網絡(Time Sensitive Network，TSN)，從時間敏感網絡再到無線-TSN技術，每一次技術革命都蘊含著通信技術的飛躍。當前工業互聯網技術的核心是TSN。TSN通過加入時間同步機制、流量整形機制以及排隊轉發機制，使不同業務的流量同時在一個網絡中流轉，同時能保證實時流量的確定性傳輸^[1-2]。然而傳統的TSN技術主要集中在有線傳輸領域，有線組網有建設周期長、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界研究的熱點。5G技術和WiFi技術成為業內公認的最適合與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]。

物聯網技術飛速發展，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展，逐漸走進工業控制領域，為萬物互聯提供了新的手段。無線技術可以為端到端的通信設備提供靈活、低成本的組網環境。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。目前在工業界和學術界，應用于工業控制領域的無線組網方案還比較少見^[6-7]。如何實現時間確定和低時延的無線-TSN混合網絡，進行數據的可靠傳輸，這成為工業界的研究熱點。

李眾和王鵬澄等人設計了一種基于ZigBee、WiFi、以太網的網關，該網關采用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絡中數據的轉發，軟件部分移植了LwIP精簡TCP/IP協議。該研究用軟硬件協同的方式實現了物聯網網關的系統^[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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