物聯網的高可靠性和低延遲無線通信挑戰、基本原理和實現技術

【摘要】? ? 在本文中，我們回顧了高可靠性和低延遲（HRLL）無線物聯網網絡的各種應用場景、基本性能限制和潛在的技術解決方案。我們討論了無線物聯網網絡的物理層、媒體訪問控制（MAC）層和網絡層，它們都對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通信的結構和設計。然后對有限塊長度的實際信道碼進行了評述。對于MAC層，我們首先討論了優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授權方案。對于網絡層，我們討論了優化的網絡結構（頻散和網絡密度），最優的頻散分配方案和最小化延遲的網絡編碼方案。

【關鍵詞】? ? 區塊鏈技術? ? 金融服務? ? 區塊鏈功能? ? 金融技術

引言：

隨著計算和通信技術的快速發展，我們的社會和行業越來越智能化，即智能社會或工業4.0[1]。在各種使能技術中，物聯網（IoT）對于連接智能社會/工廠的各種異構設備至關重要。與大多數現有的面向人類通信的移動網絡不同，物聯網尋求在沒有或幾乎不需要人工干預的情況下連接大量設備。

物聯網網絡的應用包括控制、智能識別、定位、跟蹤和監控等。由于物聯網網絡中各種應用和設備的異構性，對物聯網網絡的技術要求多種多樣，有時可能相當具有挑戰性。

許多物聯網網絡的應用場景可能需要高可靠性和低延遲（HRLL），如工業自動化、車到萬事（V2X）網絡、智能電網和遠程手術等。在現有的系統中，設備通常通過小型網絡連接，如無線高速可尋址遠程傳感器、傳感器和執行器無線接口和過程自動化工業自動化無線網絡[2]。然而，這些標準在可靠性和延遲方面并不能逐漸滿足新興應用的需求。特別是許多場景要求物聯網網絡同時支持高可靠性、低延遲和大規模連接。

為了滿足這一需求，近年來，人們對HRLL物聯網進行了大量的研究。因此，迫切需要重新思考無線物聯網網絡的整個通信協議棧。接下來，我們將詳細討論HRLL物聯網網絡的幾個典型應用場景，包括工廠自動化、車輛網絡和智能電網。

一、HRLL物聯網的應用場景

物聯網作為新興智能社會和智能產業（即工業4.0）的關鍵實現技術之一，在技術和應用方面都取得了長足發展[3]。據估計，到2020年，將有250多億臺設備通過無線物聯網網絡連接。除了無處不在的連通性，許多物聯網的預想應用，如工業自動化、車到萬事（V2X）網絡、智能電網和遠程手術，都將有嚴格的傳輸延遲和可靠性要求，而現有系統可能無法支持這些要求。

1.1 工業自動化

隨著計算、控制和通信技術的發展，新一代的工業革命，即工業4.0，極大地改變了我們的工業生產過程[4]。作為工業4.0的關鍵實現技術，工業物聯網近年來引起了廣泛的研究興趣。

許多現有的工業通信網絡實際上是基于有線網絡，例如以太網或光纖。然而，近年來工業物聯網的一個新趨勢是用無線網絡取代有線網絡。受低成本、靈活性和在惡劣環境或移動場景下的適應性等有前景的利益驅動，首個工業無線網絡已在實時控制應用中實現。此后，業界對連接設備的開發和標準化進行了大量的努力。相對于有線網絡，使用無線網絡的優勢是多方面的：

1.無線網絡可以顯著降低材料、安裝、調試和維護成本;

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，更容易與無線網絡獲得冗余鏈路;

3.無線網絡可以部署在許多不適合安裝電纜的場景中，如移動機器人、惡劣的工業環境（高溫或高壓）和長距離（如高的塔架）。

1.2 V2X交通物聯網網絡

隨著各種智能技術的發展，我們的社會從來沒有遇到過交通系統如此大的挑戰。新一輪城鎮化和交通運輸能力的發展，機動車保有量急劇增加。此外，有關排放和節能的規定比以往任何時候都要嚴格得多。在最新的無線通信和物聯網技術的幫助下，有望實現提高運輸能力和效率的目標。對于V2X網絡，對時延和可靠性有嚴格的要求。例如，作為第5代（5G）最重要的應用場景之一，V2X通信網絡的目標是實現高效、無事故的協同自動駕駛，高效利用可用道路。為了實現這個目標，通信網絡應該容納不同的用例集，每個用例都有一組特定的需求。

1.3 智能電網

智能電網是指在傳感器、執行器、通信網絡和中央控制器的輔助下，智能地產生、傳輸和消耗電力。智能電網是一種能夠使智能設備的各種節點，例如，高效能源發電、智能電表、智能計費和可再生能源。因此，許多新的應用和服務都是基于這些技術開發的，如能源管理系統（EMS）、需求響應（DR）、頻率調節（FR）和點對點能源交易（P2PET）。為了支持異構智能電網中的雙向能源傳輸，底層通信系統應在延遲、速率和可靠性方面具有高性能。例如，要啟用實時定價等高級應用程序，就需要一個低延遲的雙向實時通信系統。為了滿足這些要求，已有許多關于智能電網通信技術的相關研究成果[5]。

目前的通信技術仍不能滿足智能電網對DR、FR、P2PET等先進服務的嚴格要求。對智能電網的通信系統進行了研究，以滿足嚴格的時延要求。

二、HRLL物聯網網絡的物理層、MAC層和網絡層基本原理和實現技術

為了在物聯網網絡中實現HRLL通信，大致有兩種發展路徑：一種是基于公共移動蜂窩網絡的技術標準，該標準尋求提高可靠性和延遲性能，以滿足具有共享基礎設施的各種物聯網應用的要求。另一種是用于具有專用網絡的關鍵應用程序。后者的典型例子包括高性能無線。蜂窩網絡最初是為人對人的通信而設計的，現在已經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移動網絡中最具創新性的技術方案之一，與之前的技術有很大的不同。實際上，URLLC、增強型移動寬帶（eMBB）和大規模機器類型通信（mMTC）是5G移動網絡的關鍵例用。因此，URLLC可以被認為是移動網絡中的一種HRLL通信，可以滿足許多高可靠性和低時延要求的物聯網應用。

2.1 HRLL物聯網網絡的物理層分析與設計

首先討論物聯網的系統模型，然后討論它在延遲約束下的基本限制。物聯網中HRLL通信的基本限制，同時實現高可靠性和低延遲，特別是對于資源有限的通信，如物聯網。許多傳統的技術（例如強信道編碼）已經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，并且元數據中的開銷符號（如導頻符號、報頭和序言）的大小可能與信息長度相當，因此用短的包長度來減少延遲會導致可靠性降低。

框架結構及導言設計，幀結構和前置線設計對于低延遲物聯網是相當具有挑戰性的。許多先進的接收機需要精確的信道狀態信息，而這通常是通過信道估計得到的。為了解決這個問題，在下行傳輸中，首選將所有數據符號和一份前置碼（用于信道估計）聯合編碼成一個數據包。但是，該方案需要所有接收節點對所有信息符號進行解碼，這可能會消耗大量的能量，增加解碼延遲。

2.2 HRLL物聯網網絡的MAC層分析與設計

當前，物聯網網絡面臨的最大挑戰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，物聯網網絡可能是異構的，且功率有限（例如，那些由電池供電的網絡）。

因此，除了改進物理層之外，我們也應該為HRLL物聯網網絡開發MAC層的資源高效調度。物聯網網絡的資源節約型調度主要側重于頻譜節能型管理。這些資源效率管理技術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，我們將詳細回顧HRLL的資源高效管理解決方案和減少調度延遲的有效擁塞控制機制設計，以及一種有前途的無授權調度方案。

2.3 HRLL物聯網網絡的網絡層分析與設計

在網絡層，延遲是一個隨機變量，由于各種原因，如動態流量或通道的變化。對于物聯網網絡，流量可能在事故、繁忙或大量工作節點時出現突發。因此，考慮網絡層對物聯網網絡延遲的影響也是非常有價值的。為了從理論上分析網絡層的時延，可以使用網絡演算。影響延遲的主要因素包括流量、服務能力和內存大小等。其中，流量和業務能力可以通過網絡規劃進行優化，包括網絡結構和流量分配等。從網絡結構方面，我們可以通過流量分散或網絡密集等方法來優化延遲。

簡單地說，流量分散將數據流拆分為多個子流，每個子流通過獨立的路徑發送。從而減少了每條路徑的流量。對于網絡密集化，我們可以使用更多的節點來密集化網絡，這將導致每條路徑的容量更高（尤其是無線物聯網網絡）。這樣，每個節點都有更高的業務能力。對于更復雜的網絡，流量分配是可行的，其中從源到接收器有多個跳，每個跳內有多個通道。

四、結束語

隨著信息理論和無線通信技術的發展以及新興的應用，HRLL物聯網的研究近年來備受關注。我們調查了HRLL物聯網網絡的技術，對于代碼長度的不同需求，通常需要在延遲和可靠性之間進行權衡。作為未來無線電傳輸中需要支持的最嚴格的要求之一，HRLL通信將能夠支持多個垂直行業。為此，我們預計HRLL通信將在未來物聯網網絡中發揮關鍵作用。

參? 考? 文? 獻

[1]汪昆.5G無線通信工程建設管理工作探討[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].電氣自動化，2021，43（03）：86-88.

[3]陳鋼.無線傳感器網絡功率控制技術研究[J].中國設備工程，2021（10）：202-203.

[4]洪濤.可重構無線智能電表的自動化調制通信系統[J].制造業自動化，2021，43（05）：72-75.

[5]尹浩東，張君毅，尚慶華.基于數據鏈路層特征的無線網絡加密流量業務分類研究[J].計算機測量與控制，2021，29（05）：220-224.

趙濤（1975.06），女，漢族，四川南充，中通服創立信息科技有限責任公司，碩士研究生，工程師，研究方向：通信相關IT系統規劃設計。