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        物聯(lián)網(wǎng)的高可靠性和低延遲無線通信挑戰(zhàn)、基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)

        2021-10-21 11:50:44趙濤
        中國(guó)新通信 2021年17期

        【摘要】? ? 在本文中,我們回顧了高可靠性和低延遲(HRLL)無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用場(chǎng)景、基本性能限制和潛在的技術(shù)解決方案。我們討論了無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的物理層、媒體訪問控制(MAC)層和網(wǎng)絡(luò)層,它們都對(duì)延遲和可靠性有重大影響。在物理層,我們討論了HRLL通信的基本信息理論極限,并介紹了HRLL通信的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。然后對(duì)有限塊長(zhǎng)度的實(shí)際信道碼進(jìn)行了評(píng)述。對(duì)于MAC層,我們首先討論了優(yōu)化的頻譜和功率資源管理方案,然后討論了最近提出的免費(fèi)授權(quán)方案。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層,我們討論了優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(頻散和網(wǎng)絡(luò)密度),最優(yōu)的頻散分配方案和最小化延遲的網(wǎng)絡(luò)編碼方案。

        【關(guān)鍵詞】? ? 區(qū)塊鏈技術(shù)? ? 金融服務(wù)? ? 區(qū)塊鏈功能? ? 金融技術(shù)

        引言:

        隨著計(jì)算和通信技術(shù)的快速發(fā)展,我們的社會(huì)和行業(yè)越來越智能化,即智能社會(huì)或工業(yè)4.0[1]。在各種使能技術(shù)中,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)對(duì)于連接智能社會(huì)/工廠的各種異構(gòu)設(shè)備至關(guān)重要。與大多數(shù)現(xiàn)有的面向人類通信的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不同,物聯(lián)網(wǎng)尋求在沒有或幾乎不需要人工干預(yù)的情況下連接大量設(shè)備。

        物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括控制、智能識(shí)別、定位、跟蹤和監(jiān)控等。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中各種應(yīng)用和設(shè)備的異構(gòu)性,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求多種多樣,有時(shí)可能相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。

        許多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景可能需要高可靠性和低延遲(HRLL),如工業(yè)自動(dòng)化、車到萬事(V2X)網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)和遠(yuǎn)程手術(shù)等。在現(xiàn)有的系統(tǒng)中,設(shè)備通常通過小型網(wǎng)絡(luò)連接,如無線高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器、傳感器和執(zhí)行器無線接口和過程自動(dòng)化工業(yè)自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)[2]。然而,這些標(biāo)準(zhǔn)在可靠性和延遲方面并不能逐漸滿足新興應(yīng)用的需求。特別是許多場(chǎng)景要求物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持高可靠性、低延遲和大規(guī)模連接。

        為了滿足這一需求,近年來,人們對(duì)HRLL物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了大量的研究。因此,迫切需要重新思考無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)通信協(xié)議棧。接下來,我們將詳細(xì)討論HRLL物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景,包括工廠自動(dòng)化、車輛網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)。

        一、HRLL物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

        物聯(lián)網(wǎng)作為新興智能社會(huì)和智能產(chǎn)業(yè)(即工業(yè)4.0)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一,在技術(shù)和應(yīng)用方面都取得了長(zhǎng)足發(fā)展[3]。據(jù)估計(jì),到2020年,將有250多億臺(tái)設(shè)備通過無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接。除了無處不在的連通性,許多物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)想應(yīng)用,如工業(yè)自動(dòng)化、車到萬事(V2X)網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)和遠(yuǎn)程手術(shù),都將有嚴(yán)格的傳輸延遲和可靠性要求,而現(xiàn)有系統(tǒng)可能無法支持這些要求。

        1.1 工業(yè)自動(dòng)化

        隨著計(jì)算、控制和通信技術(shù)的發(fā)展,新一代的工業(yè)革命,即工業(yè)4.0,極大地改變了我們的工業(yè)生產(chǎn)過程[4]。作為工業(yè)4.0的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù),工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)近年來引起了廣泛的研究興趣。

        許多現(xiàn)有的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是基于有線網(wǎng)絡(luò),例如以太網(wǎng)或光纖。然而,近年來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)新趨勢(shì)是用無線網(wǎng)絡(luò)取代有線網(wǎng)絡(luò)。受低成本、靈活性和在惡劣環(huán)境或移動(dòng)場(chǎng)景下的適應(yīng)性等有前景的利益驅(qū)動(dòng),首個(gè)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)已在實(shí)時(shí)控制應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。此后,業(yè)界對(duì)連接設(shè)備的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了大量的努力。相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò),使用無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)是多方面的:

        1.無線網(wǎng)絡(luò)可以顯著降低材料、安裝、調(diào)試和維護(hù)成本;

        2.盡管存在信道衰落或干擾,但在許多情況下,無線可能更可靠,例如,電纜主觀老化和斷裂的情況下,更容易與無線網(wǎng)絡(luò)獲得冗余鏈路;

        3.無線網(wǎng)絡(luò)可以部署在許多不適合安裝電纜的場(chǎng)景中,如移動(dòng)機(jī)器人、惡劣的工業(yè)環(huán)境(高溫或高壓)和長(zhǎng)距離(如高的塔架)。

        1.2 V2X交通物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

        隨著各種智能技術(shù)的發(fā)展,我們的社會(huì)從來沒有遇到過交通系統(tǒng)如此大的挑戰(zhàn)。新一輪城鎮(zhèn)化和交通運(yùn)輸能力的發(fā)展,機(jī)動(dòng)車保有量急劇增加。此外,有關(guān)排放和節(jié)能的規(guī)定比以往任何時(shí)候都要嚴(yán)格得多。在最新的無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下,有望實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)輸能力和效率的目標(biāo)。對(duì)于V2X網(wǎng)絡(luò),對(duì)時(shí)延和可靠性有嚴(yán)格的要求。例如,作為第5代(5G)最重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一,V2X通信網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、無事故的協(xié)同自動(dòng)駕駛,高效利用可用道路。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該容納不同的用例集,每個(gè)用例都有一組特定的需求。

        1.3 智能電網(wǎng)

        智能電網(wǎng)是指在傳感器、執(zhí)行器、通信網(wǎng)絡(luò)和中央控制器的輔助下,智能地產(chǎn)生、傳輸和消耗電力。智能電網(wǎng)是一種能夠使智能設(shè)備的各種節(jié)點(diǎn),例如,高效能源發(fā)電、智能電表、智能計(jì)費(fèi)和可再生能源。因此,許多新的應(yīng)用和服務(wù)都是基于這些技術(shù)開發(fā)的,如能源管理系統(tǒng)(EMS)、需求響應(yīng)(DR)、頻率調(diào)節(jié)(FR)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易(P2PET)。為了支持異構(gòu)智能電網(wǎng)中的雙向能源傳輸,底層通信系統(tǒng)應(yīng)在延遲、速率和可靠性方面具有高性能。例如,要啟用實(shí)時(shí)定價(jià)等高級(jí)應(yīng)用程序,就需要一個(gè)低延遲的雙向?qū)崟r(shí)通信系統(tǒng)。為了滿足這些要求,已有許多關(guān)于智能電網(wǎng)通信技術(shù)的相關(guān)研究成果[5]。

        目前的通信技術(shù)仍不能滿足智能電網(wǎng)對(duì)DR、FR、P2PET等先進(jìn)服務(wù)的嚴(yán)格要求。對(duì)智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究,以滿足嚴(yán)格的時(shí)延要求。

        二、HRLL物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)

        為了在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)HRLL通信,大致有兩種發(fā)展路徑:一種是基于公共移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)尋求提高可靠性和延遲性能,以滿足具有共享基礎(chǔ)設(shè)施的各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求。另一種是用于具有專用網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵應(yīng)用程序。后者的典型例子包括高性能無線。蜂窩網(wǎng)絡(luò)最初是為人對(duì)人的通信而設(shè)計(jì)的,現(xiàn)在已經(jīng)在一定程度上滿足了HRLL通信的要求。

        例如,超可靠低延遲通信(URLLC)是即將到來的第5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中最具創(chuàng)新性的技術(shù)方案之一,與之前的技術(shù)有很大的不同。實(shí)際上,URLLC、增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)和大規(guī)模機(jī)器類型通信(mMTC)是5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵例用。因此,URLLC可以被認(rèn)為是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的一種HRLL通信,可以滿足許多高可靠性和低時(shí)延要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

        2.1 HRLL物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的物理層分析與設(shè)計(jì)

        首先討論物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模型,然后討論它在延遲約束下的基本限制。物聯(lián)網(wǎng)中HRLL通信的基本限制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)高可靠性和低延遲,特別是對(duì)于資源有限的通信,如物聯(lián)網(wǎng)。許多傳統(tǒng)的技術(shù)(例如強(qiáng)信道編碼)已經(jīng)被提出以提高可靠性,但往往不得不犧牲延遲。

        另一方面,由于短的塊長(zhǎng)度不能保證較大的編碼增益,并且元數(shù)據(jù)中的開銷符號(hào)(如導(dǎo)頻符號(hào)、報(bào)頭和序言)的大小可能與信息長(zhǎng)度相當(dāng),因此用短的包長(zhǎng)度來減少延遲會(huì)導(dǎo)致可靠性降低。

        框架結(jié)構(gòu)及導(dǎo)言設(shè)計(jì),幀結(jié)構(gòu)和前置線設(shè)計(jì)對(duì)于低延遲物聯(lián)網(wǎng)是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。許多先進(jìn)的接收機(jī)需要精確的信道狀態(tài)信息,而這通常是通過信道估計(jì)得到的。為了解決這個(gè)問題,在下行傳輸中,首選將所有數(shù)據(jù)符號(hào)和一份前置碼(用于信道估計(jì))聯(lián)合編碼成一個(gè)數(shù)據(jù)包。但是,該方案需要所有接收節(jié)點(diǎn)對(duì)所有信息符號(hào)進(jìn)行解碼,這可能會(huì)消耗大量的能量,增加解碼延遲。

        2.2 HRLL物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的MAC層分析與設(shè)計(jì)

        當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是在頻率和能源限制下滿足日益增長(zhǎng)的可靠性和延遲要求。特別是,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可能是異構(gòu)的,且功率有限(例如,那些由電池供電的網(wǎng)絡(luò))。

        因此,除了改進(jìn)物理層之外,我們也應(yīng)該為HRLL物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)MAC層的資源高效調(diào)度。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的資源節(jié)約型調(diào)度主要側(cè)重于頻譜節(jié)能型管理。這些資源效率管理技術(shù)的目的是最大化頻譜效率和能源效率,與延遲和可靠性的限制。

        接下來,我們將詳細(xì)回顧HRLL的資源高效管理解決方案和減少調(diào)度延遲的有效擁塞控制機(jī)制設(shè)計(jì),以及一種有前途的無授權(quán)調(diào)度方案。

        2.3 HRLL物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層分析與設(shè)計(jì)

        在網(wǎng)絡(luò)層,延遲是一個(gè)隨機(jī)變量,由于各種原因,如動(dòng)態(tài)流量或通道的變化。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),流量可能在事故、繁忙或大量工作節(jié)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)突發(fā)。因此,考慮網(wǎng)絡(luò)層對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延遲的影響也是非常有價(jià)值的。為了從理論上分析網(wǎng)絡(luò)層的時(shí)延,可以使用網(wǎng)絡(luò)演算。影響延遲的主要因素包括流量、服務(wù)能力和內(nèi)存大小等。其中,流量和業(yè)務(wù)能力可以通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化,包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和流量分配等。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面,我們可以通過流量分散或網(wǎng)絡(luò)密集等方法來優(yōu)化延遲。

        簡(jiǎn)單地說,流量分散將數(shù)據(jù)流拆分為多個(gè)子流,每個(gè)子流通過獨(dú)立的路徑發(fā)送。從而減少了每條路徑的流量。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)密集化,我們可以使用更多的節(jié)點(diǎn)來密集化網(wǎng)絡(luò),這將導(dǎo)致每條路徑的容量更高(尤其是無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò))。這樣,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有更高的業(yè)務(wù)能力。對(duì)于更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),流量分配是可行的,其中從源到接收器有多個(gè)跳,每個(gè)跳內(nèi)有多個(gè)通道。

        四、結(jié)束語

        隨著信息理論和無線通信技術(shù)的發(fā)展以及新興的應(yīng)用,HRLL物聯(lián)網(wǎng)的研究近年來備受關(guān)注。我們調(diào)查了HRLL物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),對(duì)于代碼長(zhǎng)度的不同需求,通常需要在延遲和可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡。作為未來無線電傳輸中需要支持的最嚴(yán)格的要求之一,HRLL通信將能夠支持多個(gè)垂直行業(yè)。為此,我們預(yù)計(jì)HRLL通信將在未來物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

        [1]汪昆.5G無線通信工程建設(shè)管理工作探討[J].通信世界, 2021(11):28-29.

        [2]江龍才,霍朝輝,步冬靜.引入天線的無線通信射頻采集信道模型建立及其仿真分析[J].電氣自動(dòng)化,2021,43(03):86-88.

        [3]陳鋼.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制技術(shù)研究[J].中國(guó)設(shè)備工程,2021(10):202-203.

        [4]洪濤.可重構(gòu)無線智能電表的自動(dòng)化調(diào)制通信系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2021,43(05):72-75.

        [5]尹浩東,張君毅,尚慶華.基于數(shù)據(jù)鏈路層特征的無線網(wǎng)絡(luò)加密流量業(yè)務(wù)分類研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2021,29(05):220-224.

        趙濤(1975.06),女,漢族,四川南充,中通服創(chuàng)立信息科技有限責(zé)任公司,碩士研究生,工程師,研究方向:通信相關(guān)IT系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。

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