为什么机器需要确定性无线

无线技术最初是为人类设计的。智能机器则有不同的需求。

自主机器人不会缓存传感器数据,而是直接根据数据采取行动。
大多数无线标准中内置的假设

大多数无线标准都是围绕人眼接收器设计的。

听音频流的人可以容忍 20 毫秒的缓冲。视频通话的人会把偶尔的延迟高峰视为正常体验的一部分。下载文件的人不会注意到文件是 400 毫秒还是 600 毫秒到达的。人类的感知能力有其天然的容忍阈值,而无线标准的设计也正是为了确保延迟不超出这些阈值。

在无线通信发展的最初三十年里,这是一个合理的设计假设。它催生出的标准在它们所针对的应用领域——媒体流、文件传输、语音通话、网页浏览、传感器遥测——都运行良好。

对于智能机器来说,这是一个错误的假设。
智能机器究竟做什么

手术助手无法容忍包裹掉落后重新尝试,因为手术正在进行中。

与人类工人协同工作的工业协作机器人没有优雅降级模式来应对 50 毫秒的延迟峰值。在不恰当的时机出现 50 毫秒的峰值会引发安全事件。

XR头显渲染物理环境时,无法消除帧时序波动。帧时序波动会导致恶心。

有条件保证
假设没有碰撞
假设没有干扰
假设第一次尝试重试成功
智能机器无法基于条件时序构建控制架构。

这些系统具有一个共同的特点:它们感知物理世界,做出决策,并按照严格的时间要求,在一个持续实时运行的循环中执行操作。循环不能暂停,时间不能延迟,操作不能等待重试。

这与任何旨在满足人机交互无线标准的运行要求都截然不同。

概率无线技术的问题

大多数无线标准都是概率性的。这种架构选择对于它们所设计的应用场景来说是合理的。

概率无线系统通过协商接入来管理共享频谱。多个设备争用同一信道。数据包被发送;系统会等待确认;当数据包丢失时,系统会安排重传。为了节省功耗,系统会在传输间隙对无线电进行占空比控制,在传输间隙进入休眠状态,唤醒后检查是否有流量,然后再进入休眠状态。延迟通过统计方法进行管理:系统保证可接受的平均性能,但不保证每个数据包的精确时间。

对于人类接收者而言,统计性能就足够了。人类感知不到单个数据包的时序,他们感知到的是经过缓冲、平滑处理并以人类可感知的时间尺度呈现的整体信息。

一台基于传感器数据做出反应的机器无法基于平均延迟做出反应。它只能基于当前数据包的延迟做出反应。重传并非无关紧要的小麻烦;它意味着控制回路错过了其时间窗口。共享频谱中的冲突并非轻微的性能下降。它意味着系统赖以做出下一步决策的传感器数据流出现了断层。

这台机器没有缓冲功能,没有平滑功能,也没有容错功能。

为什么这是一个架构问题,而不是参数问题

自然而然的反应是询问是否可以通过调整参数来解决问题。例如,缩短连接间隔、提高发射功率、增加专用信道、对流量进行优先级排序。

这些直觉是对的,但它们还不够。

根本问题不在于配置,而在于标准管理时间的机制。

概率无线系统并不拥有时间。它们与环境中所有其他设备共享时间,与系统无法控制的干扰源共享时间,与共享介质的物理特性共享时间——而这些特性无论如何调整协议都无法完全控制。概率系统所能提供的延迟保证始终是有条件的:假设没有冲突,假设没有干扰,假设重试在第一次尝试后成功。

对于智能机器而言,统计性能是一个系统设计问题。
确定性无线通信并不比概率性无线通信速度更快。这是无线电设备与其所服务的系统之间不同的通信方式。
确定性无线电不协商时间,而是拥有一个时隙。数据包要么在该时隙到达,要么不到达;系统的设计基于这种保证,而不是基于数据包可能到达时间的统计模型。
四项保证

确定性无线技术的实际应用

确定性无线链路能够提供概率系统无法提供的四项保证。这些并非对概率无线系统的渐进式改进,而是不同无线电架构的特性。这种架构从一开始就围绕着实时感知、决策和行动系统的需求而设计。

定时

硬边界窗口
每个数据包都会在预先设定的、有界的时间窗口内到达。该时间窗口不会因负载增加而扩大,也不会因射频环境拥塞而扩大。这是一个硬性保证,而非统计上的保证。

一致性

每次都一样的价值
传输延迟在不同数据包之间保持不变。第一个数据包和第10000个数据包的传输时间相同。控制系统可以基于这一特性而非可能的延迟分布来设计,而是基于一个已知的单一延迟值。

独立

没有争议
该链路不协商共享频谱,也不与其他设备争用频谱。无论同一物理空间内还有哪些设备运行,其时序保证都能保持有效。

功率效率

活动主导
由于无线电模块拥有自己的时隙,并以短脉冲串的形式进行传输,因此在两次传输之间可以完全处于非活动状态。功耗取决于数据活动,而不是协议维护开销。
设计启示

工程师在设计智能系统中的无线功能时,面临着一个选择,这个选择通常被描述为性能问题,但实际上是架构问题。

哪种标准的平均延迟最低?
哪种标准能够提供时序保证,使我的控制架构可以围绕这种保证进行设计?

概率标准可以提供最佳情况下的延迟值,但无法提供保证。对于人机规模的应用而言,这种区别无关紧要。但对于在闭环控制系统中基于传感器数据运行的机器来说,这种区别意味着系统可以依赖的无线链路与必须不断进行补偿的无线链路之间的差异。

确定性无线通信之所以存在,是因为智能机器需要与它们的无线电设备建立不同的通信协议。并非单纯追求速度更快或功耗更低,而是需要一套不同的保证,例如时序性、一致性、独立性和效率;应用程序可以将这些保证视为固定约束,而不是需要管理的变量。

接下来会发生什么?

准备好深入了解了吗?

文件

要求提供文件

文件

下载