当前位置：首页 > news >正文

TGT-HC：一种用于无线时间敏感网络的时隙感知整形MAC方案的调研、设计与评估

news 来源：原创 2025/5/10 21:15:37

论文标题

中文标题：TGT-HC：一种用于无线时间敏感网络的时隙感知整形MAC方案的调研、设计与评估
英文标题：Survey, Design and Evaluation of TGT-HC: A Time-Aware Shaper MAC for Wireless TSN

作者信息

Raymond J. Jayabal（IEEE会员）
David Tung Chong Wong（IEEE高级会员）
Lee Kee Goh
Xiaojuan Zhang（IEEE会员）
Chin Ming Pang
Sumei Sun（IEEE会士）

论文出处

本文发表于《IEEE Transactions on Mobile Computing》，2025年。DOI: 10.1109/TMC.2025.3535413。

摘要

本文介绍了一种新型的无线时间敏感网络（TSN）MAC方案——传输门控时间超通道（TGT-HC）。该方案基于无竞争的载波侦听多址接入（CSMA）协议，并通过时隙感知整形器（TAS）调度器驱动。通过分析、仿真和基于通用软件无线电外设（USRP）的原型测试，结果表明TGT-HC在高帧错误率（FER）下仍能实现与先进先出（FCFS）单服务器相当的低延迟性能。论文还对现有无线TSN MAC方案进行了调研，并比较了不同无竞争CSMA协议在处理周期性流量时的延迟性能。

引言

在实时工业控制应用中，实现超高可靠、低延迟的无线通信是一个重大挑战。尽管5G和Wi-Fi等无线系统具有潜力，但它们的延迟较高且易受干扰，难以达到有线系统的可靠性。为了应对这些挑战，研究者们致力于开发新的时间敏感网络（TSN）和超高可靠低延迟通信（URLLC）方案。本文提出了一种基于无竞争CSMA的新型方案TGT-HC，并通过增强Hyperchannel协议实现了与TAS调度器的集成。该方案在延迟性能上接近理想的FCFS单服务器，即使在20%的FER下也能保持良好的性能。

背景调研

TAS调度器及相关工作

TAS调度器是IEEE TSN标准中的关键组件，用于确保实时流量的低延迟和可靠传输。它基于时间触发协议（TTP），通过在数据包到达时间已知的情况下调度TDMA时隙来减少网络延迟。本文详细介绍了TAS的工作原理，包括如何通过门控序列（GCL）管理队列，并根据流量的到达时间动态调整门控窗口。此外，还探讨了TAS与TDMA、轮询MAC和基于竞争的CSMA方案的集成问题。

TDMA问题及相关工作

TDMA是工业和实验无线系统中常用的方案，但存在两个主要问题：一是TAS门控窗口与TDMA时隙边界不匹配导致的延迟；二是控制消息开销导致的时隙浪费。本文回顾了相关研究，包括如何通过调整时隙大小、优化时隙分配和减少控制消息开销来解决这些问题。

轮询MAC问题及相关工作

轮询MAC方案在Wi-Fi标准中被广泛使用，但存在轮询开销和空闲轮询导致的延迟问题。本文讨论了如何通过减少轮询帧长度、优化轮询顺序和采用随机接入方案来降低这些开销。

基于竞争的CSMA问题及相关工作

基于竞争的CSMA协议（如Wi-Fi中的CSMA/CA）由于随机退避和碰撞问题导致延迟增加。本文回顾了相关研究，包括如何通过引入虚拟时间CSMA和在碰撞发生时切换到无竞争协议来改善性能。

无竞争CSMA与Hyperchannel

无竞争CSMA协议较为罕见，Hyperchannel是唯一被商业采用的协议。本文详细介绍了Hyperchannel的工作原理，包括如何通过固定优先级分配时隙，并在每个空闲时隙中按顺序进行传输。

TGT-HC设计

初始传输的无竞争CSMA例程

TGT-HC的初始传输例程从接收时隙指示信号开始，计算所有流量的下一门控窗口的开始和结束时间，并根据这些时间对流量进行排序。然后，根据排序结果创建优先级列表，并在时隙结束时根据该列表选择流量进行传输。该过程确保只有具有活动门控窗口的节点参与CSMA竞争，从而减少了信道访问延迟。

时隙序列和重传机制

TGT-HC定义了六种类型的时隙，包括传输时隙、接收时隙、短帧间间隔（SIFS）和分布式帧间间隔（DIFS）。在重传机制中，节点在未收到确认帧（ACK）时会在SIFS和DIFS后重新传输数据帧。如果ACK被接收但损坏，节点会在SIFS后重新传输。这种机制确保了在高FER下仍能有效传输数据。

复杂度分析

TGT-HC的复杂度主要集中在流量排序步骤，时间复杂度为O(flogf)，其中f为流量数量。尽管这与TDMA和轮询MAC方案类似，但由于TGT-HC需要在每个空闲时隙开始时调用算法，因此在资源受限的设备上可能面临挑战。然而，TGT-HC在延迟性能上具有显著优势。

分析评估

TGT-HC MAC协议（FER=0%）

本文通过M/G/1/J/M队列模型对TGT-HC MAC协议进行了分析，考虑了时隙倒计时延迟。在零FER下，TGT-HC的响应延迟可以通过公式计算，包括平均服务周期、队列长度分布和时隙倒计时的平均值和方差。结果表明，TGT-HC在无FER时的延迟性能接近FCFS队列。

单服务器FCFS队列（FER=0%）

对于零FER的单服务器FCFS队列，本文同样采用M/G/1/J/M队列模型进行分析，并计算了SIFS时隙倒计时的平均值和方差。结果表明，FCFS队列的延迟性能优于TGT-HC，但两者差距不大。

TGT-HC MAC协议（FER>0%）

在FER大于零的情况下，TGT-HC的延迟分析考虑了数据帧和ACK帧的重传。通过计算有效FER和平均服务周期，本文推导出了TGT-HC在高FER下的延迟性能。结果表明，即使在20%的FER下，TGT-HC的延迟性能仍接近FCFS队列。

仿真评估

仿真平台、实现和测试设置

本文使用OMNeT++ INET4平台对TGT-HC进行了仿真，并与其他协议（如Hyperchannel、ASLBT、MSAP、CSMA-TGT、RT-WiFi、IEEE 802.11 DCF和FCFS）进行了比较。仿真中，最多30个无线节点随机分布在300x300米的区域内，每个节点以10ms的间隔向工业控制器发送256字节的数据包。仿真结果收集了端到端延迟、重试次数、数据包丢失率和队列长度等统计信息。

仿真结果

仿真结果显示，TGT-HC在延迟性能上最接近FCFS方案，即使在20%的FER下也能保持较低的延迟。例如，在0% FER下，TGT-HC的延迟为2.7ms（25个节点），而MSAP为4.6ms。在20% FER下，TGT-HC的延迟为5.5ms，而MSAP为7.6ms。此外，TGT-HC在支持的流量数量上也优于传统Wi-Fi和RT-WiFi。

原型评估

原型平台、实现和测试设置

本文使用National Instruments的Labview NXG、Xilinx ISE Design Suite和三台NI USRP-2974 SDR收发器进行了硬件原型开发。原型实现了TGT-HC MAC算法，并与NI的802.11a/ac PHY/SDR和Host-FPGA库集成。测试中，两台USRP交替传输最多30个流量，第三台USRP接收并记录数据包统计信息。通过调整流量数量和FER设置，本文验证了原型在不同条件下的性能。

原型实验室评估结果

原型测试结果表明，TGT-HC的延迟性能与仿真结果非常接近。在优化设置下（如小数据包和短时隙间隔），TGT-HC在30个流量、0% FER时的99.999%百分位延迟为0.93ms，略高于FCFS的0.74ms。在20% FER下，TGT-HC的延迟为5.0ms，比FCFS的4.0ms略高。此外，TGT-HC的数据包丢失率与FCFS相似，在0% FER时为0%，在20% FER时约为0.0003%。

与TSN启用的802.11ac/ax比较

尽管TGT-HC原型仅使用了QPSK1/2调制和编码方案，且未支持多子信道同时传输，但其延迟性能仍优于或至少与TSN启用的IEEE 802.11ac/ax相当。例如，在与IEEE 802.11ac的实验比较中，TGT-HC在10% FER下实现了0.9ms的延迟，而802.11ac为3.0ms。在与IEEE 802.11ax的理论和仿真比较中，TGT-HC在相同流量和延迟保证下的性能也非常接近。

结论

本文提出了一种新型的TAS调度器驱动的无竞争CSMA方案TGT-HC，并通过分析、仿真和原型测试验证了其在低延迟方面的优异性能。与现有的无线TSN MAC方案相比，TGT-HC在高FER下仍能保持接近FCFS的延迟性能。未来，作者计划进一步升级TGT-HC以支持多子信道传输，并将其集成到未来的TSN启用的Wi-Fi和5G/6G协议中。