面向工业现场的TSN混合流量联合调度算法研究

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随着工业4.0的到来与智能终端设备的普及,工业现场逐渐形成高度协同的智能生产系统。智能工厂中存在海量异构的设备,伴随信息系统与生产设备之间的交互愈发频繁。由于工业信息网络的复杂性,在计算能力的限制下,也将承受流量快速增长的冲击。传统以太网技术难以满足混合业务实时性与可支持高网络负载的多元化需求。在此状况下IEEE成立时间敏感网络工作组并基于现有以太网标准设计具备实时功能的时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)相关技术,定义了一系列标准,利用时钟同步、流量整形、数据帧抢占机制实现具有网络延迟和抖动确定性界限的硬实时通信。考虑到混合流量传输时的实时性能,为满足工业现场海量流量的贮存转发需求,实现高负载网络下混合业务稳定高效传输,本文建立多优先级队列调度模型,并采用响应时间分析(Response Time Analysis,RTA)方法预测时延上界。在此基础上提出优先级临时扩展模式下的截止日期单调调度算法(DMS-TPE)方法将流量优先级划分成更多层次,不再受队列类型的限制,避免了相同优先级流量类型之间的相互限制。考虑到不同系统的特点,在DMS-TPE的基础上优化设计优先级临时扩展模式下的自适应优先级调整调度算法(AAS-TPE),生成符合网络特性的自适应调度策略。结果表明,AAS-TPE算法显著提高了网络系统的可调度性,有效降低了TT流的平均最坏情况下时延(Worst-case Delay,WCD)和总流的平均WCD。针对传统工业无线网络无法提供确定性调度服务的问题,将时间敏感网络延伸至无线传输领域,在传统802.1Qbv数据帧约束、链路约束、流量传输约束、实时约束、隔离约束基础上增加了抖动约束与信道使用量约束,并利用可满足性模理论(Satisfiability Module Theory,SMT)完成求解。在无线信道资源的合理分配下探求保证流量时延和抖动的确定性传输的解决方案。仿真结果表明,无线调度具备了更高的求解兼容性,可有效地提高并发传输数据量,在牺牲一定时延的基础上可完成低抖动约束下的确定性传输。
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