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工作單元所需具QoS區隔且經濟型無線接取之eLAA MAC層排程研究
為了解決乙太網絡wifi 的問題，作者徐國勳 這樣論述：
在數位自動化工廠中，工作單元是工廠自動化環境中的一種模組化生產資源佈置，用以達到彈性生產的質量，並降低成本。工廠管理層與工作單元間聯網通訊則透過工業乙太網路交換機，例如有線時間敏感網路(TSN)交換機，來傳輸即時的工廠控管制指令、工作單元機台配置、各樣感測數據等等。對於少量多樣及頻繁重組生產線的工廠，為了降低換線成本、擺脫環境對佈線的限制、提升工作單元間重組的彈性，有需要考慮無線化。 針對中小型智慧工廠無線化問題，我們主要的研究問題以及相應的挑戰為:P1. 無線化重點:中小型智慧工廠通訊無線化的重點為何?C1. 工廠通訊包含工廠，單元和機器等三個級別，各層級的通訊服務需求載量及品質
不同，而異質通訊網路及邊緣運算所提供的服務種類、品質與成本也各不相同。智慧工廠無線化的需求、效益因工廠型態各不相同，該在哪一層級無線化，既要考慮需求與技術服務匹配也要考慮成本與效益。P2. 可負擔性:中小型工廠工作單元使用TSN交換機來連網工廠層控管與運算服務，既滿足資訊傳輸品質(QoS)差異要求，又可負擔的無線化選項為何?C2. 目前TSN QoS (在IEEE 802.1Q稱為PCP)包含保證和相對QoS等級共八種，工作單元具代表性資訊傳輸需求包括:工作單元對外的工令(PCP 4,保證延遲)、機台警訊(PCP 2, excellent effort)、感測數據(PCP 1, best
effort)。Wi-Fi可以支援相對QoS, 但無法保證QoS，而5G 服務雖預期可更符合需求，但對於中小型工廠是較無法負擔的。P3. QoS 映射問題: 針對中小型製程自動化工廠，例如使用中低階CNC工具機的工作單元，工令的通訊傳輸要求約為60毫秒的延遲、警告傳輸延遲小於感測數據，分別對應TSN PCPs4、2、1其延遲定義與eLAA的不同，如何以無線網路eLAA MAC layer的QCI(TS 23.203)來映射支持?C3. 目前尚未有TSN和eLAA QoS之間的轉換標準。除了兩者各自的類別數量不同外，其對於QoS延遲定義也不同，TSN是端到端，eLAA是UE到GW。選擇太鬆的
eLAA class無法符合對應TSN QoS, 選擇太嚴的class對應又會導致過度配置使用無線資源。P4. eLAA MAC Scheduling問題: 在完成QoS映射之後，如何針對eLAA MAC的有限執照與非執照頻譜資源進行邏輯通道排程(或稱UE內排程)滿足所對應的各QCI?C4. 目前尚未有針對TSN QoS aware的邏輯通道排程演算法，而所考慮的TSN QoS流量除了QoS要求不同，工作單元和工廠管理層所產生的流量也各有不同的特性。 針對以上問題與挑戰，本論文新提出並設計解決方案如下:M1. 研析各層級的通訊服務量及品質需求並調查市場實際案例趨勢，指出宜優先考慮單
元級別、單元控制器與工廠控管間的無線化。M2. 相較於5G，選擇eLAA是對中小型工廠較經濟的方案，而相較於Wi-Fi和LTE，eLAA整體效能較優，因此提出eLAA促成之工作單元與工廠控管間無線接取架構。其中，特別專注研究影響傳輸品質的MAC排程，以使eLAA利用執照頻譜可保證工令(TSN PCP 4)的低延遲傳輸，使機台warning延遲(PCP 2)相對低於感測數據傳輸(PCP 1)，並利用免執照頻譜支持工作單元TSN PCP 1之大數據傳輸，同時提升整體QoS。M3. 針對所需相對優先、保證QoS提出映射原則。考慮TSN QoS延遲定義在所提出框架的結構對稱性，並且在QoS 延遲定
義方面, eLAA是TSN的一部分, 本研究將 PCP 4映射至延遲小於其一半的QCI-84對應，雖無法絕對保證，但有很高機率透過eLAA的排程達成PCP 4的要求．並將PCP 2和1 映射至較寬鬆但有延遲區隔的QCI-7和6達成相對優先.M4. 論文研究運用TSN的時間感知整形排程演算法中周期時間窗口傳輸原則，設計創新的時間感知整形-相對優先級(TAS-RP) 排程演算法來排程保證延遲的周期傳輸，並加入非搶占優先機制來達成相對優先，來進行排程映射後的各QCI。上述創新設計經實作為以eLAA來促成工作單元-工廠間MAC層聯網之QoS排程實驗平台(Scheduling eLAA for Wir
eless TSN, ScheLAA-WTSN)。主要採用Python語言開發並整合軟體定義無線電。此平台包括工作單元控制器仿真器、支持eLAA的TSN交換機和網絡仿真器以及工廠管理仿真器，可供支持工作單元所需QoS aware排程演算法開發實驗用。 本論文研究的發現與貢獻包含:(1) 研析中小型過程自動化工廠單元級別通訊需求約60毫秒，指出單元級別無線通訊是未來中小型工廠數位轉型的重點之一。(2) 鑑於中小型工廠控管與工作單元間無線寬頻網路傳輸需要保證工令傳輸低延遲及警訊傳輸延遲須低於感測數據傳輸，選定以服務成熟的LTE、載波聚合及先聽後送等技術為基礎的eLAA網路，同時使用執照與非執
照頻譜，以經濟有效的eLAA 運用MAC層邏輯通道排程，來支持中小型工廠所需TSN QoS。(3) 根據所考慮工作單元選擇具代表性的TSN QoS保證及相對延遲要求，分別映射至保證延遲類別和兩個相對品質的類別，使得eLAA能合適的處理對應的TSN QoS。(4) 提出TAS-RP排程演算法，考慮PCP 4週期性arrival，配置PCP 4的週期傳輸時段，並且在非PCP 4傳輸時段，透過非搶占優先使PCP 2傳輸優先於PCP 1。(5) 透過模擬實驗發現在飽和流量情境下，TAS-RP能夠保證PCP 4每個封包的延遲，並維持PCP 2平均延遲低於PCP 1，且相較於標準，PCP 4平均延遲降低約
2~54%及PCP 2封包延遲低於PCP 1封包延遲比率最高可改善約68%，達成QoS aware、保證中小型工廠work cell 工令上傳延遲、警告和感測數據間上傳的相對延遲要求。
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