面向工业互联网的异构时间敏感数据流协同传输机制设计

作者：张景龙; 陈彩莲; 许齐敏; 林美涵; 卢宣兆; 陈营修

来源：中国科学 技术科学, 2022, 52(01): 138-151.

• 工业互联网
• 时间敏感网络
• 确定性传输
• 协同传输
• 无等待时隙调度

工业互联网需要实现IT (information technology)和OT (operation technology)的融合,现场级工业网络的构建是真正实现从OT到IT产线数据无缝接入、从IT到OT实现产线智能运维的关键.对于OT来说,工业系统中的数据具有高度的时间敏感特性,感知数据和控制指令在时间上的确定性传输是实现工业系统可靠稳定运行的基础.然而工业现场仍面临感知数据异构、协议不兼容、传输性能需求不一致等问题,给异构时间敏感数据流的确定性传输带来了巨大的挑战.设计统一的低时延低抖动时间感知门控机制,从而精确地控制数据流的传输行为,是解决这一问题的可行方案之一,这也是时间敏感网络(time-sensitive networking, TSN)标准中的其中一项关键技术.本文主要研究多跳TSN网络中异构时间敏感数据流协同传输问题.首先,将异构时间敏感数据流建模为两大类:周期时间敏感(periodic time-sensitive, PTS)流和非周期时间敏感(sporadic time-sensitive, STS)流.然后,本文分析了PTS流集合的可调度性和门控列表的设计方法,给出了可调度性的充分条件和必要条件,并设计了可调度性判别算法来判定任意决策集合的可调度性.接着,提出了异构时间敏感数据流的协同传输框架,并构建了异构数据调度的约束集合.为实现PTS流最小的端到端确定性时延,并尽可能地降低PTS流调度机制对STS流传输的影响,本文采用无等待时隙调度的设计方法,以最小化调度单元中的最大的时隙占用为优化目标,构建了异构时间敏感数据流调度优化问题.再次,本文设计了均匀排布与填充(uniform arrangement and filling, UAF)算法,通过对相同周期的流进行均匀排布以及填充前序周期调度时产生的空闲时隙,实现调度单元时隙占用最小化.最后,仿真和实验结果验证了两大类异构时间敏感数据流协同传输框架的有效性,以及UAF调度算法在保证同等调度性能基础上求解的高效性.

• 单位
  上海交通大学; 系统控制与信息处理教育部重点实验室