面向工業無線網絡的動態TDMA 系統設計與實現

徐川 曾日輝 邢媛 鄧炳光 趙國鋒

隨著工業4.0的蓬勃發展,工業物聯網(Industrial internet of things,IIoT)中的智能制造和管理技術引起工業界和學術界的極大關注[1-2].為了實現工業系統中的智能決策和自動工控,工廠中會部署種類繁多的感知設備和控制設備,例如移動巡檢機器人、自動運輸車和監控攝像頭等,這些工業設備在實時性和可靠性等方面對傳統工業網絡提出了嚴格的挑戰[3].針對工業網絡的實時性和可靠性需求,IEEE 和IETF 工作組分別提出了應用于鏈路層的TSN (Time sensitive networking)標準體系[4-5]和應用于網絡層的DetNet 標準體系[6],然而這些技術均屬于有線網絡技術,不能夠很好地支持設備的移動性且布線成本較高.與有線技術相比,無線技術[7]由于具有易部署、成本低和支持移動性等優勢,可以很好地應用于工業領域.目前最常用的工業無線標準WirelessHART、ISA100.11a 和WIA-PA都基于IEEE802.15.4[8-10],且只適用于低速率且數據量小的工控信息傳輸,無法滿足新型工業物聯網設備的高速率傳輸要求[11-14].IEEE802.11系列協議適用于高速率傳輸,但由于信道接入采用競爭機制,無法提供低且有界的時延傳輸服務[15].與傳統工業應用相比,現代工廠中的業務傳輸的數據不再是單一且固定的小流量數據,而是具有非周期性規律的高動態變化流量的數據.因此,如何在保障工業物聯網設備時延有界的同時,提升傳輸效率是現代工業無線技術需要解決的難點問題.

現有研究成果根據其是否需要修改802.11 協議的信道接入機制分成兩類.第1 類方法無需修改信道接入機制,以Cena等[16]的研究方案為代表,通過最大化無縫冗余信道提高基于802.11 協議的WiFi可靠性.但這類方案需要在終端設備上部署多個無線網卡設備,因此會增加部署成本和難度.同時,802.11協議中基于載波偵聽多址接入(Carrier sence multiple access,CSMA)的機制引入了隨機性時延,無法保證時延有界.第2 類方法對802.11 協議的CSMA機制進行改進.一部分研究人員提出在MAC (Medium access control)層采用時分多址(Time division multiple access,TDMA)機制取代CSMA 機制.例如,Wei等[17]通過修改商用無線網卡驅動,在WiFi 下設計并實現高吞吐量和低時延的實時高速無線通信協議RT-WiFi (Real time WiFi).然而,RT-WiFi的設計初衷是針對固定速率數據傳輸的感應設備,它為每個設備分配固定的信道資源,無法適應業務需求的變化.隨后,Cheng等[18]在RTWiFi的基礎上提出了一種適用于移動設備的工業無線多跳網絡協議Det-WiFi.盡管固定TDMA 方案可以為設備分配固定的接入信道從而確保實時通信,但是存在可擴展性差和信道利用率低的問題.

為此,研究者們提出同時結合TDMA 和CSMA優勢的混合TDMA/CSMA的接入機制[19].Shahin等[20]設計并實現了一種基于802.11的混合TDMA/CSMA 信道接入方式hMAC,其中在TDMA 階段為時延敏感業務提供時延有界傳輸保證,CSMA 階段用于兼容IEEE802.11.hMAC 不足之處在于只設計下行傳輸的混合TDMA/CSMA 傳輸機制,無法提供上行數據的可靠傳輸.Shoaei等[21]提出了基于機器學習的混合TDMA/CSMA 協議.在提出的協議中,具有高吞吐量的用戶被安排在TDMA階段進行數據傳輸,而低流量的用戶在CSMA 階段進行接入信道,競爭傳輸數據.但此方案根據吞吐量的高低進行分級傳輸,無法保證網絡中所有數據的時延有界.Cruces等[22]提出了一種確定性混合網絡架構,其中無線接入部分采用TDMA 方式傳輸時敏業務,CSMA 方式傳輸盡力而為數據.然而,該方案中的TDMA 階段采用固定時隙分配方式,不能合理利用信道資源.此外,IEEE 于2019 年5月成立P802.11be Task Group (TGbe)專門用于解決WiFi 用于工業物聯網的實時性和可靠性問題[23].

綜上所述,現有的研究雖然從多個方面對WiFi協議進行修改,從而提高WiFi 傳輸的可靠性和實時性,但是缺乏對工業場景中無線終端流量動態變化的考慮,導致無法滿足工業設備實時變化的數據傳輸需求.

針對工業無線網絡中時延有界保障和動態流量的需求的問題,本文提出了一種基于軟件定義的動態TDMA 系統(Dynamic TDMA system,DTS).在MAC 層引入動態TDMA 分配和反饋機制,為數據提供時延有界傳輸保障.同時,在控制器上通過收集的用戶狀態信息對用戶需要的時隙數目進行預測,再通過動態時隙分配算法獲得最優時隙分配,以滿足網絡中不同業務的動態需求.最后,通過仿真和真實網絡部署測試對DTS 性能進行驗證,仿真和測試的結果均表明,與已有的方案相比,DTS既能為傳輸設備提供時延有界的服務,又能提高網絡的總吞吐量.

本文的主要貢獻如下:

1)為了確保工業無線網絡中業務傳輸的時延有界需求,在WiFi 原有CSMA 階段引入用戶設備時隙需求協商機制,同時采用TDMA 時隙用于用戶設備數據傳輸,可提供時延有界的傳輸性能;

2)為了滿足用戶設備變化的帶寬需求,提出一種動態時隙分配算法,采用基于最小二乘法的線性回歸算法預測用戶設備的時隙需求,然后通過預測函數建立目標函數,求解出所有設備分配的時隙數目和位置,以提升網絡吞吐量;

3)設計并實現基于軟件定義的動態TDMA 系統,將所提出的動態TDMA 接入機制和時隙分配算法進行工程實現.首先將動態時隙分配算法部署到SDN 控制器,實現全網時隙資源的動態分配;其次通過修改商用無線網卡驅動,實現用戶設備以TDMA 方式接入系統,但該方式需要對用戶設備的網絡驅動進行修改,造成一定程度的不便利.

1 動態TDMA 無線接入

1.1 問題分析

如圖1 所示,在工廠中,各種應用通過工業網絡對生產流程進行管理和監控,例如,無線監視攝像頭、移動巡檢機器人、手持便攜、液壓感應器和機械臂等工業物聯網設備都通過工業無線網絡進行傳輸.其中會出現如下問題:1)等待分配信道資源:便攜設備和巡檢機器人等工業物聯網移動設備由于不會長期存在一個網絡中,因此通常不會分配專屬的信道資源,這導致移動設備加入網絡時需要等待無線訪問接入點(Access point,AP)分配信道資源;2)出現空閑信道:壓力計和機械臂等傳統工業傳感器由于傳輸數據量小且發送頻率固定,無法完全使用分配的信道資源,造成信道資源浪費;3)分配信道資源不足:由于監控和圖像分析攝像頭等多媒體設備傳輸的數據量大且不確定,這將導致分配的信道資源無法滿足動態傳輸需求.

圖1 工業物聯網場景圖Fig.1 A typic industrial wireless internet of things

綜上所述,由于現有工業無線接入技術中的信道資源分配相對固定,無法為移動設備及時地分配可用的信道資源,造成設備入網產生排隊時延.同時,不同設備具有不同的數據發送頻率和信息時效性要求,即網絡的帶寬需求在實時變化和需要兼顧不同設備的時延標準.因此如何動態且合理地分配信道資源,滿足工業無線網絡中動態帶寬的變化及實時性需求是本文所要解決的問題.

1.2 超幀設計

為了有效地管理和分配信道資源,本文將采取超幀形式對信道資源進行劃分.如圖2 所示,按照時間順序將信道資源劃分成一個個連續的超幀,其中超幀的長度為Tsp.超幀由3 個階段組成,分別是Beacon 階段、CSMA 階段和TDMA 階段.為了確保各類數據的時延有界,本文采用TDMA 方式進行數據傳輸,同時為適應數據流量動態變化的需求,在CSMA 階段實現AP 與用戶設備之間的無線信道資源協商,并且在一個超幀周期后動態調整用戶設備的時隙分配.具體功能如下:

圖2 動態TDMA 信道接入方式Fig.2 Dynamic TDMA channel access method

1)Beacon 階段:其長度為TB.為了保證網絡時鐘同步和廣播時隙表,AP 在此階段向所在網絡廣播Beacon 幀.其中,網絡時鐘同步采用原有IEEE802.11 中的TSF (Timing synchronization function)機制,確保納秒(ns)級別的時間同步.

2)CSMA 階段:其長度為TC.主要有兩個功能:一是新設備入網協商,其中包括傳輸的數據類型和初始分配的時隙數目;二是用戶設備向控制器反饋與協商時隙資源需求.

3)TDMA 階段:其長度為TD.此階段由m個長度為Ts的時隙組成.每個時隙有且只允許一個設備(包括用戶設備和AP)進行數據傳輸.

2 動態TDMA 時隙分配

2.1 動態時隙需求預測

用戶設備n通過超幀中CSMA 階段反饋當前數據量Tn,控制器根據反饋的數據量Tn為設備分配時隙,然而,當下一個超幀到來進行時隙分配時,用戶設備可能會產生新數據,使得其實際需要的時隙數目大于原來反饋的Tn.因此,為進一步地準確得到用戶設備實際需求的時隙數目Sn,控制器通過離線模式和在線模式對各個用戶設備需求的時隙數進行預測.在離線模式階段,通過訓練大量收集的歷史數據求出線性回歸函數的參數;在在線模式階段,通過線性回歸函數預測用戶設備實際需要的時隙數目.

根據機器學習擬合,建立基于線性回歸的時隙數目預測模型,如式(1)所示.其中,f(Tn)表示在Tn下預測的時隙數目,ω和b均是預測函數的參數,預測函數的目的是讓f(Tn)的值靠近設備n實際需要的時隙數目Sn,即f(Tn)≈Sn.

均方誤差是線性回歸中最常用的性能指標,通過最小化均方誤差可以求解ω和b的值.

因此,為求解ω和b的值,本文采用最小二乘法建立數學模型進行求解.已知歷史數據集D={(T1,S1),(T2,S2),···,(TN,SN)},并建立均方誤差最小化優化函數為

2.2 動態時隙分配模型

通過上述時隙預測算法,可以得到每個設備所需要的時隙數目f(Tn),假設當前網絡設備的總數目為k,Tn表示設備n產生的數據量,超幀的長度為Tsp.αn∈{0,1}表示設備n的數據量因子,代表設備n是否產生數據量,αn=1 表示設備n產生了數據量,否則沒有.βin∈{0,1}表示第i個時隙與設備n的關聯關系,若第i個時隙分配給設備n,則βin=1,否則為0.記xn表示控制器為每個設備最終分配的時隙數目,本文旨在滿足設備時延有界的條件下,動態分配信道資源,以滿足網絡中所有設備的動態時隙需求,則建立目標函數如下:

其中,目標函數為最大化網絡中每個設備最終分配的時隙數目無限接近于其需求時隙數目,約束條件(5f)表示每一個時隙只能分配給一個設備,約束條件(5g)表示所有設備所分配的數目和不能大于總時隙數目,約束條件(5h)表示每個設備的傳輸時延不能超過其最大允許時延,其中?∈[0,∞)的自然數.

2.3 動態時隙分配算法

動態TDMA 時隙分配算法如算法1 所述.其中,步驟1 控制器根據歷史數據集D分別計算出T和,步驟2～8 通過歷史數據訓練分別求得預測參數ω和b,步驟9 則獲得預測函數f(Tn),然后根據獲得的預測函數和設備向控制器反饋的數據量,步驟10 和步驟11 求得所有設備所需要的時隙數,步驟13 是將動態時隙分配問題轉化為時隙分配優化問題構建優化目標函數以滿足網絡中所有設備的動態時隙需求,從而獲得最優動態時隙分配方案.

算法 1.動態時隙分配算法

該算法的計算復雜度主要包括兩個過程:歷史數據集有N個,網絡中設備數量為k個,總時隙數目為m個,首先對網絡中所有設備實際需要的時隙數進行預測的時間復雜度為 O (N+k);然后為網絡中所有設備分配最優時隙的時間復雜度為 O (km).算法總的時間復雜度為 O (N+k(m+1)).

3 DTS 系統實現

3.1 系統總體設計

為了實現動態時隙分配算法和機制,本文設計并實現到基于軟件定義的動態TDMA 系統,如圖3所示.DTS的系統結構自上而下分為應用層、控制層和基礎設施層.應用層向網絡管理者提供各種應用服務,控制層通過SDN 控制器[24-26]提供網絡流量控制,此外,控制層提供兩個重要的接口,分別是北向接口和南向接口.其中,北向接口為應用層提供可編程接口,從而讓應用層無需處理復雜物理底層參數;南向接口主要負責與基礎設施層中網絡元件進行交互,其中Openflow 協議[27]是南向接口協議.基礎設施層主要負責無線接入用戶設備的數據傳輸和轉發,其主要網絡元件是AP 和用戶設備.AP與用戶設備通過超幀進行交互,其中,AP 在Beacon階段廣播超幀信息;用戶設備通過CSMA 階段發送反饋管理幀,上報當前設備情況;在TDMA 階段,AP 和用戶設備按照時隙表進行數據傳輸.

圖3 DTS 系統結構圖Fig.3 The architecture of DTS system

控制器主要功能包括可編程接口、管理與控制、時隙管理和消息處理.

AP 主要功能包括提供時隙同步、時隙表更新、數據收發控制和數據轉發.

用戶設備需要控制數據緩存隊列和反饋隊列狀態信息,如圖3 所示.當設備采樣的數據量發生變化時,用戶設備將通過向控制器反饋的緩存隊列信息來表示當前數據量的變化,從而讓控制器對信道資源進行動態調整分配.用戶設備的信息反饋過程如下:

1)設備將在當前超幀的CSMA 階段內發送INFO_FEEDBACK 幀,如圖4 所示.其中,INFO_FEEDBACK 幀是根據IEEE 802.11 管理幀進行構造,它主要包含當前設備的數據緩存隊列長度信息.

圖4 INFO_FEEDBACK 幀的結構Fig.4 INFO_FEEDBACK frame structure

2)如果用戶設備在CSMA 階段成功發送INFO_FEEDBACK 幀,則AP 將會返回ACK 應答幀,同時用戶設備將會在下一個Beacon 幀中提取出屬于自身的時隙表信息;如果發送失敗,則用戶設備將在下一個CSMA 階段內重新發送.

3.2 控制器實現

1)系統配置

配置模塊用于處理配置請求以及設置物理和虛擬資源,其中包括虛擬網絡(SSID (Service set identifier)、網絡規模、策略、時隙等)、用戶服務(應用程序的傳輸規則和QoS (Quality of service),例如吞吐量、時延等)和訪問點設備(通道、電源、策略等).數據庫采用MySQL 數據庫,其中,配置數據庫和狀態數據庫用于維護物理資源和虛擬資源的狀態、屬性、功能和配置記錄;資源數據庫用于記錄并維護時隙長度、超幀參數、用戶時隙數目、歷史數據量等信道資源.

2)功能管理

管理模塊用于提供各種無線網絡管理功能,可以分為兩個部分.第1 部分是基本管理,主要負責管理用戶訪問、身份驗證、系統監視、拓撲管理、鏈接發現和自定義插件等功能.第2 部分是時隙管理,如圖5 所示.管理模塊首先通過從事件模塊獲取的用戶反饋信息和從資源數據庫中獲取的歷史數據量進行時隙數目預測,然后將預測時隙數目通過動態時隙分配算法得出時隙分配結果,最后將時隙分配結果通過消息模塊下發到AP.以上的管理功能都通過消息模塊下發到相應的網絡設備,同時網絡設備反饋的狀態信息也將通過事件模塊報告到管理模塊.

圖5 控制器原理圖Fig.5 The schematic of controller

3)網絡可編程性

控制器為管理員和上層應用程序提供一組可編程接口.管理員可以通過可編程接口修改時隙分配算法或路由算法.例如圖5 中,管理員可以通過上層應用直接更換時隙預測模型或者動態時隙分配算法.同時控制器提供了一系列事件和參數,應用程序可以通過注冊進行獲取.當響應事件發生時,控制器將觸發對應消息,并通過回調函數上報給應用程序.

3.3 AP 實現

本文通過修改現有Atheros 無線網卡驅動,在原網卡驅動上添加了消息模塊、管理模塊、時隙模塊、數據緩存模塊和定時器模塊,如圖6 所示.管理模塊和消息模塊部署在用戶空間.其中,管理模塊用于驗證新用戶需求、管理時隙信息、收集和上報用戶狀態信息;消息模塊用于處理控制器下發的命令或反饋用戶信息.時隙模塊、定時器模塊和發送模塊部署在內核空間.其中,時隙模塊用于記錄和廣播時隙表;定時器模塊是以時隙長度為中斷間隔提供中斷服務;數據緩存模塊用于存儲和控制發送的數據幀.AP 主要完成如下兩個功能:

圖6 AP 原理圖Fig.6 The schematic of AP

1)時隙表更新

控制器下發的新時隙表信息通過消息模塊進行提取后,通過AP 用戶空間中的管理模塊進行處理.首先管理模塊檢查時隙長度、超幀長度等基本參數是否需要更改,然后通過NetLink 套接字將新時隙表下發至內核空間中時隙模塊,最后時隙模塊將時隙表以二維數組的形式寫入到Beacon 幀的可選字段并進行廣播發送.

2)發送調度

由于AP 需要與多個用戶設備進行交互,AP的數據緩存模塊通過“數組+鏈表”的方式進行存儲和控制用戶發送數據.數組以設備ID 作為索引存儲對應鏈表的首地址.AP 根據每個數據幀對應的描述結構體ath_buf 中的設備ID,將數據幀添加到相應的鏈表后.當定時器模塊的中斷函數ath_isr 觸發發送事件后,函數DTS_tasklet 根據時隙表調度對應設備的數據幀到硬件數據隊列中,從而進行數據傳輸.

3.4 用戶設備實現

本文對用戶設備的網卡驅動程序進行簡單的修改,添加了反饋、隊列和定時器3 個模塊,如圖7 所示.其中反饋模塊用于構造反饋管理幀和存儲時隙表;隊列模塊用于存儲和控制終端應用的傳輸數據;定時器模塊提供以時隙長度為時間間隔的中斷服務.主要功能如下:

圖7 用戶設備原理圖Fig.7 The schematic of device

1)數據傳輸

與AP 不同,用戶設備需要交互的對象單一,因此采用簡單的隊列進行存儲和控制數據幀.在ath9k 驅動程序層中,將終端應用程序產生的數據幀存儲在隊列模塊DTS_fifo 軟隊列中.本文設計的DTS_fifo 是采用Linux 環形緩沖區的數據結構kfifo.當定時器模塊觸發了發送事件后,DTS_fifo 能快速將數據幀通過底層發送函數ath_tx_txqaddbuf 進行數據傳輸.

2)狀態信息反饋

用戶設備需要定期將當前DTS_fifo 隊列狀態反饋到控制器,因此本文通過管理模塊獲取用戶設備的當前DTS_fifo 長度,并將其封裝進管理幀INFO_FEEDBACK 中.當定時器模塊觸發了反饋事件,管理模塊將確定當前時隙是否為CSMA 階段.若是,則通過底層發送函數ath_tx_txqaddbuf 將INFO_FEEDBACK 放入硬件隊列中進行傳輸.

4 實驗測試

在本節,首先通過仿真實驗,對動態TDMA 時隙分配算法的性能進行對比分析.然后將DTS 系統進行實現,并將其與RT-WiFi 部署于相同實際網絡環境,進行性能測試.

4.1 算法性能仿真對比

本文采用MATLAB 分別對DTS 時隙分配算法、RT-WiFi[17]、Hmac[20]和自適應TDMACSMA[21](ADWiFi)進行對比測試.仿真環境中,采用超幀長度為8 ms,時隙長度為250 μs,因此一個超幀中有32 個時隙.周期性數據設備將每秒發包125 個,每個數據幀長度為250 字節;多媒體設備將產生1 000 字節的數據幀,每秒平均發包375 個.

圖8 所示為在設備數量不斷增加時,4 種算法在3 種數據類型下的平均時延結果分析圖.從圖8(a)可以發現,DTS 和RT-WiFi 在傳輸周期性數據時,兩者時延較低,遠小于Hmac 和ADWiFi,且DTS的時延更加穩定,而ADWiFi的時延性能最差.這是由于DTS、RT-WiFi 和Hmac 都為每個周期性數據設備分配對應的TDMA 時隙,保障周期性數據的時延有界,而ADWiFi 使用CSMA 時隙傳輸周期性數據,無法保障時延的有界.從圖8(b)可以發現,隨著多媒體設備數量的增加,DTS的時延穩定在1.2～1.4 ms,ADWiFi 時延有一定增長(1.2～2 ms),而RT-WiFi 和Hmac 時延性能衰減過大(1.2～3 ms).在圖8(c)中,在混合數據時延結果上可以發現類似的現象.得益于DTS和ADWiFi 為多媒體設備分配足夠的TDMA 時隙,而RT-WiFi 是固定分配TDMA時隙,無法適應數據需求,因此性能較差,而Hmac將多媒體數據放在CSMA 時隙傳輸,時延無法得到保障.進一步分析發現,DTS的時隙分配算法通過預測多媒體數據的時隙數量,可動態分配連續的時隙,所以其多媒體數據傳輸時延性能更好.

圖8 不同類型數據的平均時延Fig.8 The average delay of different types of data

圖9 所示為在設備數量不斷增加時,4 種算法在3 種數據類型下的吞吐量結果分析圖.從圖9(a)可以發現,DTS 和RT-WiFi 在傳輸周期性數據時吞吐量沒有損失,ADWiFi 損失較小,而ADWiFi吞吐量降低較明顯.這是由于DTS、RT-WiFi 和Hmac 都為每個周期性數據設備分配對應的TDMA時隙,保障周期性數據設備的吞吐量,而ADWiFi使用CSMA 時隙傳輸周期性數據,無法保障穩定吞吐量.從圖9(b)可以發現,隨著多媒體設備數量增多時,DTS 和ADWiFi 吞吐量能用戶設備的帶寬需求增大而變化,而RT-WiFi 和Hmac 吞吐量衰減較大.在圖9(c)中,在混合數據吞吐量也可以發現類似的現象.這是由于DTS 和ADWiFi為多媒體業務分配足夠的TDMA 時隙,而RT-WiFi 是固定分配TDMA 時隙,很難適應數據量變化,因此無法提供動態的帶寬服務,而HMAC 將多媒體設備放在CSMA 時隙傳輸,容易產生數據傳輸碰撞現象,導致吞吐量下降.DTS 通過設備需求時隙反饋能進一步提升時隙的利用率,從而提高網絡的吞吐量.

圖9 不同類型數據的吞吐量Fig.9 The throughput of different types of data

4.2 真實網絡場景系統部署

本文將DTS 和RT-WiFi[17]部署于如圖10 所示的網絡環境進行對比測試,設備硬件參數如表1所示.通過周期性數據和多媒體視頻數據來模擬工廠數據流,其中多媒體視頻數據是通過電腦攝像頭產生,周期性數據是通過無線路由器在STA 模式下運行UDP 灌包程序產生.通過大量測試得出將Tsp設置為8 ms和Ts設置為250 μs 時,能使得設備在100～200 μs 內完成網絡同步,同時允許最多20 個設備進行接入,提供最高44 Mbps的吞吐量、22.2 μs的時延抖動和0.64%的丟包率的傳輸質量,這足以滿足工業設備的傳輸要求.

圖10 測試環境邏輯示意圖Fig.10 Test environment logical topology

表1 測試硬件設備以及參數Table 1 Testing hardware devices and parameters

1)每組數據是由在特定的設備數目下的網絡總吞吐量和每個用戶設備的吞吐量與時延組成的;

2)每組數據測試5 次,每次運行30 min,取平均值作為最終結果;

3)周期性數據設備和多媒體設備產生的數據特征如表2 所示,其中設備數目變化規律是周期性數據設備數量增加3 個,多媒體設備數量增加1 個,移動終端設備增加1 個(提供移動接入功能);

表2 數據幀參數設置Table 2 Data frame parameter

4)DTS 和RT-WiFi 都采用IEEE 802.11a 協議的5GHz 頻段的157 信道進行測試.

4.3 真實網絡測試結果分析

圖11 所示為在設備總數不斷增加的情況下,DTS 和RT-WiFi 在兩種數據類型下的平均時延結果分析圖.從圖11(a)可以看出,DTS 和RT-WiFi在傳輸周期性數據具有類似的時延性能.從圖11(b)可以發現,隨著多媒體設備數量增加,DTS的時延比RT-WiFi 更加穩定,DTS的時延約為1.84 ms,RT-WiFi的時延在2.3 ms 內,DTS 相對于RT-WiFi平均降低了19%的延遲時間.這得益于DTS的時隙分配算法通過預測多媒體數據的時隙數量,進而動態分配連續的時隙,所以減少了多媒體數據的傳輸時延.

圖11 真實網絡中不同類型數據的平均時延Fig.11 The average delay of different types of data in real network

圖12 給出了在不同設備數量下DTS 和RTWiFi的網絡吞吐量性能對比.從圖12(a)可以看出,DTS的總吞吐量比RT-WiFi 平均提高了22%,這是由于DTS 根據時隙分配算法來動態分配空閑時隙,從而提高了吞吐量.但隨著所接入設備數量的不斷增加,AP的信道資源也將耗盡,RT-WiFi的吞吐量接近于DTS的吞吐量.圖12(b)給出了在設備總數不斷增加的情況下,DTS 和RT-WiFi 傳輸周期性數據的吞吐量.可見,DTS 和RT-WiFi的性能基本相同,這是因為周期性數據幀只有260字節且傳輸頻率很低,所以RT-WiFi 和DTS的固定時隙分配均能滿足需求.圖12(c)給出了DTS和RT-WiFi 傳輸多媒體數據的吞吐量,DTS 性能比RT-WiFi 提升了20%.由于多媒體視頻數據幀較大(約9～65 KB,需要IP 層分片傳輸),并且發送頻率高,DTS 通過時隙預測為多媒體設備動態調整時隙數目,從而提高吞吐量.

圖12 真實網絡中不同類型數據的吞吐量Fig.12 The throughput of different types of data in real network

綜上所述,DTS 確保了工廠周期性工控數據的可靠傳輸,同時能根據用戶設備的傳輸需求動態調整信道資源,從而有效提升無線網絡傳輸性能.

5 結束語

針對工業無線網絡中時延不確定性和信道資源分配不合理等問題,本文設計了一種基于SDN的動態TDMA 接入系統.通過建立線性回歸用戶流量模型快速計算用戶數據需求,在CSMA 階段實現控制器與用戶設備之間的時隙協商,TDMA 階段為每個用戶設備分配足夠的時隙,在保障周期性數據的時延有界的同時,為多媒體數據提供更高的傳輸性能.首先通過在仿真實驗場景對比現有方法,驗證了動態TDMA 時隙分配算法的有效性;然后,將DTS 系統部署在實際網絡環境進行性能對比測試;最后仿真和測試的結果均證明了本文所提出的動態TDMA 機制相對于現有的方法,在保障時延有界的同時能有效地提升傳輸性能.目前,本文所實現的系統需要對用戶設備代碼進行修改,以實現用戶設備的TDMA 接入,為了提升系統的部署便利性,未來將研發通用性更強的TDMA 插件.