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3. 迈向可靠且可用的无线网络 (Towards Reliable and Available Wireless Networks)

3.1. 面向可靠性的调度 (Scheduling for Reliability)​

当影响关键 packets, 例如 time-sensitive packets, 传输的不利统计效应, 例如 delay 或 loss, 被消除时, packet network 对这些关键 packets 而言就是可靠的.

deterministic network [RFC8655] 的可靠性通常依赖精确应用严格 schedule. 该 schedule 控制 CPU 和 buffers 等 time-shared resources 的使用, 并始终将关键 packets 的数量维持在通信硬件, 例如 buffers, 和 transmission medium, 例如 bandwidth 和 transmission slots, 的可用资源范围内. schedule 还可用于通过控制构成某个 flow 的 packets 在每一跳的传输时间来对 flows 进行整形.

为实现这一点, 整个网络必须具有共享的时间感知. 时间感知通常由 lower layer 提供, 不在 RAW 范围内. 例如, Precision Time Protocol (PTP) 被标准化为 IEEE 1588 和 IEC 61588, 并通过 profiles 映射到 Ethernet, industrial 和 SmartGrid protocols, 以及使用 IEEE Std 802.1AS 的 Wi-Fi.

3.2. 面向可用性的多样性 (Diversity for Availability)​

设备, 例如 node, 故障可能导致 flows 被重新路由或系统恢复之前连续丢失多个 packets. 设备故障示例包括 switch 损坏, access point 重启, wire 或 radio adapter 损坏, 或传输路径上的固定障碍物.

对于与安全相关的关键应用, 设备故障是不可接受的. 典型 process control loop 可以容忍偶发 packet loss, 但连续丢失多个 packets 会导致 emergency stop. 在 amusement ride, 例如 Disneyland, Universal Studios 或 MGM Studios parks 的游乐设施中, 连续数百 ms 的 packet loss 可能触发 ride 自动中断, 并导致 attraction floor 被清场以便重启.

network availability 通过使传输能够抵抗 hardware failures 和由 uncontrolled events 导致的 radio transmission losses 来获得, 这些事件包括 co-channel interferers, multipath fading 或 moving obstacles. 通常, 最佳结果通过以 pseudorandom 方式累积各种 diversity 获得: 在 spatial domain 中使用 replication 和 elimination, 在 time domain 中使用 ARQ 和 diverse scheduled transmissions, 在 frequency domain 中在 frames 之间使用 frequency hopping 或 channel hopping.

3.3. 调度的收益 (Benefits of Scheduling)​

在 diverse paths 上调度关键 packets 的冗余传输, 可提升针对断裂和统计性 transmission loss 的韧性, 例如有线中的 cosmic particles 或无线中的 interferences 所造成的损失. 虽然 wireless 上的 transmission losses 比有线高出多个数量级, 但对于 life-critical 和 mission-critical applications, 冗余和 diversity 在所有情况下都是必需的.

在需要时, 最坏情况交付时间可以作为 end-to-end schedule 的一部分得到保证, 并且必须在整个网络中共享的时间感知可暴露给其他应用并由其利用.

此外, scheduling 在 wireless medium 上提供了特定价值:

  • Scheduling 允许 time-sharing operation, 其中每次 transmission 都被分配自己的 time/frequency resource. sender 和 receiver 会同步, 并被调度为在给定时间, 以给定持续时间, 在给定 frequency resource 上通信. 通过这种方式, scheduling 可以避免 scheduled transmissions 之间的冲突, 并且相比基于统计优先级的方案, 可支持更高比例的 critical traffic, 例如 60% 或 70% 具备超低丢失率的 high-priority traffic.

  • Scheduling 可作为 time diversity 和 frequency diversity 的技术, 例如用于 transmission retries 之间, 允许下一次 transmission 按 sender 和 receiver 中的编程在不同频率上发生. 这有助于抵御来自 uncontrolled transmitters 的 co-channel interference 以及 multipath fading.

  • Transmissions 也可以被调度为在多个 channels 上并行发生, 从而能够使用完整可用频谱, 同时避免 hidden terminal problem. 例如, 同一 flow 中的下一个 packet 可能在同一 channel 上干扰已经前进数跳的前一个 packet.

  • Scheduling 优化 bandwidth usage. 与经典 collision avoidance techniques 相比, scheduled operations 中没有与 Interframe Space (IFS) 和 exponential back-off 相关的空闲时间. 为遵守 ETSI 300-328 等本地法规, 可能仍需要最小 clear channel assessment, 但当 senders 同步时, 该评估不会检测到 collision.

  • Scheduling 在节省能量方面发挥关键作用. 在 Internet of Things (IoT) 中, 能量是首要关注点, 同步 sender 和 listener 可使二者在没有 scheduled transmission 时始终保持 deep sleep. 这避免了 idle listening 和 long preambles, 并支持 traffic 与 resynchronization 之间的长 sleep periods, 使电池供电节点能够在 mesh topology 中运行多年.

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