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WIA-FA、 WiFi、5G技術通信性能對比報告

作者:楊雨沱 中科院沈陽自動化研究所;張心岸 沈陽師范大學張少偉 遼寧工控科技有限公司 

 

摘要本文撰寫目的在于面向離散制造業無線通信高實時與高可靠的要求,通過實際測試全面對比WIA-FA網絡與WiFi 4網絡之間的傳輸時延、傳輸可靠性,同時初步對比WIA-FA與WiFi 6和💟5G-NR之間的傳輸性能,其對比結果能夠最終便于用戶在不同工業應用下選擇合適的無線技術。

1.引言

信息和通信技術的迅速發展將引發一場新的工業革命,它將實現傳統工業向智能制造的轉變,其中離散制造是智能制造的關鍵一環無線網絡具有成本低、維護費用少、可擴展性好以及適用于移動和旋轉設備等優勢,因此無線網絡是實現離散制造必不可少的關鍵技術之一。

離散制造業對確定性傳輸敏感,并且在傳輸可靠性、時延和抖動方面對無線技術提出了嚴格的要求。其中WIA-FA(GB/T 26790.2 -2015)是唯一面向離散制造業工廠自動化應用的技術規范,是由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭研發的具有完全自主知識產權的國產無線通信技術,目前在離散制造業領域已逐步替代了部分IEEE 802.11n (WiFi 4)的市場,同時一些新興高性能的無線網絡包括IEEE 802.11ax (WiFi 6)和5G-NR也同樣適用于工業應用。

通過對WIA-FA、WiFi以及5G標準的分析與理解,WIA-FA技術更側重于通信實時性與可靠性的保障,而WiFi與5G技術更側重于對高帶寬性能的保障。

2.WIA-FA網絡與WiFi 4網絡性能對比測試

2.1 測試環境

  測試環境如圖1所示,測試在一個7m×10m的空辦公環境中進行,所有現場設備部署在一個鐵架上,設備間距離約為5-10cm,一個接入設備放置在距離鐵架5 m的桌子上,且鐵架🍸與桌子間無障礙物

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圖1 測試平臺環境

  考慮到無線通信質量對環境變化十分敏感,因此對于測試環境進行精確監測時十分必要的本測試平臺在2.462GHz頻段操作,采用第三方設備NetScout AirCheck G2對信道狀態進行監測,設備如圖2所示,可用于監控信道的利用率、信號強度和噪聲。

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圖2 第三方監控設備用于信道狀態監測

環境監測從上午的6點持續到下午11點,其信道狀態變化趨勢如圖3所示,信道狀態隨著時間段推移而產生劇烈波動,但是由于測試環境為較為規律的辦公環境,每天信道的狀態變化趨勢相近,因此利用這些特征ꦯ在不同的時間段進行多次測試,取平均值,以保證實驗的公平性。🎐此外♛,由于空間多樣性,即使在相同時間,不同現場設備位置監測到的信道條件也會不相同,并且上下行傳輸鏈路也是不對稱的。

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     (a) 信道利用率      &nbs�🌳�p;       (b) 信號強度和噪聲

               ༒;    圖3 信道狀態變化

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(a) 空間多樣性     🐈;  ✱     (b) 非對稱鏈路

            圖4 信道條件

2.2 測試平臺

根據工業無線網絡的實際應用,測試系統考慮兩種測試場景:一種是無順序約束場景;另外一種是有順序約束場景。針對于無順序約束的場景,WIA-FA網絡和IEEE 802.11n網絡架構如圖5所示,架構分為上下兩層,上層包含主機、交換機、網關、接入設備、接入控制設備,通過有線進行連接;下層包含現場設備,與接入設備通過無線進行連接。其中主機負責周期性生成測試數據包,并將數據包通過有線經由交換機傳輸到網關或者接入控制器;網關或者接入控制器實現協議轉換、網絡管理器和安全管理器的功能,負責對網絡中的通信資源進行集中調度分配;接入設備負責網關設備與現場設備之間的數據轉發;現場設備工作于工業現場,與傳感器、執行器等相連,能夠根據分配的通信鏈路進行無🌱沖突的數據傳輸。此外,為保證測試對比的全面性,測試系統考慮了IEEE 802.11n (WiFi 4)網絡的兩種AP模式:瘦AP模式(接入設備與接入控制設備共同協作執行網關工作)胖AP模式(接入設備獨立執行網工作)。每種模式的WiFi網絡考慮兩種通信方式:廣播和單播。因此,總結來說WiFi 4一共有4種模式:FAM-B(胖AP模式廣播、FAM-U(胖AP模式、TAM-B(瘦AP模式廣播、TAM-U(瘦AP模式

圖示

描述已自動生成

               (a) WIA-FA/瘦AP模式WiFi架構&nbsꩲp;  (b) 胖AP模式WiFi架構

5無順序約束場景下網絡架構

針對有順序約束場景,關注于現場設備接收到的數據包順序是否滿足約束,因此在現場設備端采用無線和有線相結合的方式完成測試。該場景下,WIA-FA網絡和WiFi網絡架構如圖6所示。主機周期性產生測試數據包,經由交換機到達網關/接入控制器,再通過有線方式傳輸給接入設備,接入設備將測試數據包通過無𓄧線的方式傳輸給現場設備,現場設備在接收到測試數據包后通過有線方式將數據包傳回至主機。

圖示

描述已自動生成

         💛                                         (a) WIA-FA/AP模式WiFi架構      &nbs🗹p;              (b) AP模式WiFi架構

6 有順序約束場景下網絡架構

2.3 無順序約束場景測試過程及測試結果

2.3.1測試過程

無順序約束場景測試系統對不同規模網絡進行詳細測試,其中網絡規模包括16節點、32節點、48節點、64節點和96節點測試過程中所使用的超幀一共包含256個時隙,每個時隙128 μs。主機周期性生成一組數據包,依次在超幀中的下行時隙發送給節點,節點接收到數據包后在對應的上行時隙中將數據包傳回至主機,由主機記錄數據包發送、接收時間和數據包數量。每個數據包最多可以重傳10次。N為網絡中的現場設備數量,為主機向節點i傳輸的數據包數量,為節點接收到的數據包數量,T表示數據包產生周期,P代表一次實驗進行傳輸的周期數。

無順序約束場景:令分別表示主機傳輸數據包和現場設備接收數據包的時間。在工業無線網絡中,兩個重要的性能指標(傳輸可靠性R和傳輸時延)被用于評估傳輸性能。其中,測試系統中考慮的可靠性為數據包在給定截止時間前被成功接收的比率,也就是同時考慮數據包丟失和超時失敗兩種情況。數據ღ包丟失一般發生在主機沒能成功接收到現場設備返回的數據包,可以表示為

 

超時失敗表示當數據包被成功𒊎返回給主機設備,但是其傳輸時延超過了截止時間,那么也認為該數據包傳輸失敗,可以表示為

 

其中為1當數據包的傳輸時延大于截止時間,也就意味著數據包超時失敗,否則為0。

則在無順序約束場景下,數據包傳輸可靠性可以表示為

 

測試系統中涉及的傳輸時延指標對應的是數據包上下行的往返時延,一個成功傳輸數據包的時延可以表示為

 

基于工業應用需求,測試系統采用多個方面來反應數據包的💦傳輸時延,包括:平均傳輸時延,傳輸時延的標準差、極差和抖動,可以分別表示為

平均傳輸時延: 

傳輸時延的標準差:

傳輸時延的極差:

傳輸時延的抖動:

2.3.2測試結論

通過多輪測試,對WIA-FA網絡和WiFi網絡的可靠性和時延進行全面對比,對比結果如圖7所示WIA-FA網絡的傳輸可靠性,平均時延和可靠性增益明顯優于WiFi網絡。針對可靠性指標,隨著數據生成周期降低到臨界值一下,我們可以觀察到網絡傳輸可靠性幾句下降且接近0。此外隨著數據生成周🌠期增加,用于數據傳輸的資源足夠時,無論數據生成周期如何變化,WIA-FA網絡的性能都基本保持不變,WiFi網絡的性能也顯著增長,但始終低于WIA-FA網絡。

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(a) 16節點網絡可靠性       (b) 16節點網絡時延

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(c) 32節點網絡可靠性       (d) 32節點網絡時延

 

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(e) 48節點網絡可靠性        (f) 48節點網絡時延

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(g) 64節點網絡可靠性    🦹   &nꦿbsp; (h) 64節點網絡時延

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(i) 96節點網絡可靠性        (j) 96節點網絡時延

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測試系統進一步考慮變化網絡規模對網絡性能的影響,如圖8所示,測試系統固定數據包生成周期為90ms隨著網絡規模增加,WIA-FA網絡和WiFi網絡的傳輸可靠性降低,這是由于有限的時隙資源不足以支持大規模網絡中的多次重傳。同時,꧅WIA-FA網絡的可靠性下降比WiFi網絡可靠性下降明顯少。此外,對于超時數據包的占比來說,WiFi網絡中的超時數據包比例遠大于WIA-FA網絡,另外,采用接入控制器的WiFi網絡(瘦AP模型的WiFi網絡)可以提高重傳效率,從而減少超時數據包比例。最后,WIA༒-FA的平均傳輸時延,傳輸時延的標準差,極差和抖動明顯低于WiFi網絡。從而,我們可以得到WiFi網絡的傳輸時延的大幅波動將給工業應用帶來潛在的不穩定問題。

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(a) 可靠性           (b) 平均傳輸時延

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(a) 超時數據包比例        (b) 傳輸時延標準差

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(a) 傳輸時延極差         (b) 傳輸時延抖動

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2.4.有順序約束場景測試過程及測試結果

2.4.1測試過程

順序約束場景測試系統對不同規模網絡進行詳細測試,其中網絡規模包括16節點、32節點、48節點、64節點和96節點。測試過程中所使用的超幀一共包含256個時隙,每個時隙128 μs。主機周期性生成一組數據包,依次在超幀中的下行時隙發送給節點,節點接收到數據包后直接通過有線傳回到主機,由主機記錄數據包的發送、接收時間和數據包數量。數據包最多重傳10次

有順序約束場景測試系統著眼于數據包的到達順序特征來定義錯序率指標進而反應該場景下的數據包傳輸可靠性。令表示現場設備接收到數據包的順序,表示接收數據包的現場設備標號。測試系統考慮兩種順序約束包括嚴格順序約束和最大遞增順序約束。

嚴格順序約束指的是接收的數據包順序必須與現場設備的標號完全對應,否則記為錯序數據包,則滿足嚴格順序約束的數據包數量可以表示為

其中為一個指示函數用于過濾未在截止時間前成功傳輸的數據包(也就是過濾超時數據包),為另一個指示函數來過濾符合嚴格順序約束的數據包,具體表示為:

 

 

最大遞增順序約束指的是現場設備接收數據包的順序應滿足遞增約束,否則判定為錯序數據包,滿足最大遞增順序約束的數據包數量可以表示為

 

其中為一個指示函數用于過濾最大遞增順序約束的數據包,具體表示為:

 

  考慮順序約束條件下,測試系統采用錯序率指標評估網絡性能,依據不同的約束的錯序率可以分別表示為

 

 

2.4.2測試結論

多輪測試后,對WIA-FA網絡和WiFi網絡不同順序約束下的可靠性進行全面對比,對比結果如圖8所示其中,瘦AP模式的WiFi網絡性能非常差,幾乎都發生了錯序情況,這是由于數據包通過接入控制器后,導致數據包傳輸順序產生錯誤。除此以外,針對于固定規模的網絡,隨著數據生成周期的增加,相應的錯序率會降低。而隨著網絡規模、數據生成周期等因素的變化,WIA-FA網絡的嚴格錯序率和最大增量錯序率始終低于胖AP模式的WiFi網絡,并且其波動幅度更小。

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     (a) 16節點網絡可靠性     (b) 32節點網絡可靠性

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    (c) 48節點網絡錯序率     (d) 64節點網絡錯序率

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   (e) 96節點網絡錯序率

圖8 WIA-FA網絡與WiFi網絡錯序率對比

3.WIA-FA網絡與WiFi 6網絡性能對比測試

3.1 測試環境

測試環境如圖9所示,在一個法拉第籠(也稱為暗室)進行,所有的現場設備放在一個木桌上,設備間距離約為15cm一個接入設備放置在距離木桌6.5m桌子上,且接入設備與現場設備之間無障礙。并且暗室環境下,完全無干擾無噪聲

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圖9 暗室測試環境

3.2 測試平臺

測試系統在無順序約束場景下完成,WIA-FA網絡架構如圖5(a)所示IEEE 802.11ax (WiFi 6)網絡使用胖AP模式廣播和單播(WiFi 6-BWiFi 6-U),其網絡架構如圖5(b)所示

3.3無順序約束場景測試過程及測試結果

3.3.1測試過程

無順序約束場景下對16節點網絡進行測試,測試過程中使用的超幀一共包含256個時隙,每個時隙128 μs主機周期性生成一組數據包,主機周期性生成一組數據包,依次在超幀中的下行時隙發送🌼給節點,節點接收到數據包后在對應的上行時隙中將數據包傳回至主機,由主機記錄數據包的發送、接收時間和數據包數量。每個數據包最多可以❀重傳10次。測試系統對比在完全無噪聲和干擾的條件下,網絡的可靠性和平均時延

3.3.2測試結論

測試結果如圖10所示當數據生成周期小于5ms時,WIA-FA網絡的傳輸可靠性低于WiFi6網絡的傳輸可靠性,而隨著數據生成周期增加,所有🍸比較網絡的傳輸可靠性急劇上升,并且WIA-FA網絡具有更高的可靠性。考慮到平均傳輸時延,WIA-FA網絡基本上時穩定的,而WiFi 6網絡平均傳輸時延明顯高于WIA-FA網絡

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  (a) 16節點網絡可靠性       (b) 16節點網絡平均時延

圖10 WIA-FA網絡與WiFi 6網絡性能對比

4.WIA-FA網絡與5G網絡性能對比測試

4.1 測試環境描述

    測試環境如圖11所示,在一個35m×17m工廠環境中,部署3個客戶終端設備單元(CPE)6個射頻拉遠單元(RRU)RRUCPE單元之間無障礙測試系統中部署的5G設備都是專門提供給工廠中的,因此無其他設備測試設備產生干擾和資源共享相同位置下,WIA-FA網絡部署了1個接入設備和3個現場設備進行對比。

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11 5G網絡測試環境

4.2 測試平臺描述

測試系統在無順序約束場景下完成,WIA-FA網絡架構如圖5(a)所示5G網絡架構圖12所示主機、基帶單元(BBU)用戶終端設備單元遠端射頻單元組成。其中,主機周期性生成的下行數據包傳輸到接入服務器,再通過光纖通過核心網傳輸到BBURRU。最后,RRU將數據包無線發送到CPE。相反,來自CPE的上行鏈路數據包被傳輸到主機。

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12 5G網絡系統架構

4.3無順序約束場景測試過程及測試結果

4.3.1測試過程

無順序約束場景下對3節點網絡進行測試,測試過程中使用的超幀一共包含256個時隙,每個時隙128 μs。每個數據包最多可以重傳10次。測試系統對比網絡的可靠性和平均時延

4.3.2測試結果

13所示當數據生成周期小于40ms時,5G網絡中大多數數據包都會發生超時故障,而WIA-FA網絡可靠性穩定在接近1。WIA-FA網絡平均時延穩定在1.38ms,而5G網絡的平均時延波動的比WIA-FA網絡更大,這是由于5G網絡💎的數據包傳輸需要通過核心網絡,這會引入隨機延遲并導致超時失敗。

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    (a) 可靠性  &nb💃sp;        (b) 平均傳輸時延

          圖13 WIA-FA網絡與5G網絡性能對比

 

 

 

創建時間:2022-02-07 11:25
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投稿:張少偉