基于软件无线电的时间敏感无线物联网网络的设计与实现

时间敏感无线网络的许多新兴工业物联网（IoT）应用的重要使能基石。快速原型开发与评估时间敏感无线技术对研发工作十分可取。软件定义无线电（SDR）因允许在个人计算机（PC）上进行无线信号处理，已被广泛用于此类快速原型工作。遗憾的是，由于 PC 与无线电板之间不可控的延迟，SDR 通常被认为不适合要求低且确定性延迟的时间敏感无线应用。为严格评估其用于工业物联网应用的适用性，本文对 SDR 无线系统可实现的同步精度与端到端延迟进行了定量研究。为此，我们在通用软件无线电外设（USRP）SDR 平台上设计并实现了一个时隙无线系统。我们开发了一种时间同步机制以维持系统中各节点间的同步。为减少 USRP 板与其 PC 间的延迟与延迟抖动，我们设计了一种“即时”（Just-in-time）算法，以确保 PC 发往 USRP 的数据包能在其所属时隙发射前刚好到达 USRP。我们的实验表明，不同节点 $90\%$（$100\%$）的时隙可同步对齐至 $\pm 0.5$ 个采样或 $\pm 0.05\mu s$（$\pm 1.5$ 个采样或 $\pm 0.15\mu s$）以内，且端到端数据包投递延迟可低至 $3.75ms$。这意味着基于 SDR 的方案可应用于一系列需要紧密同步与适度低延迟的 IIoT 应用，例如传感器数据采集、自动导引车（AGV）控制与人机交互（HMI）。