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)

【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度相當(dāng)，因此用短的包長度來減少延遲會(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)。