5G客戶端設(shè)備（5G-CPE）是一種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)，它融合了5G和Wi-Fi，因此可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供Wi-Fi連接，同時(shí)受益于5G的優(yōu)勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的不斷增加，Wi-Fi連接端的傳輸沖突和終端隱藏/暴露問題也越來(lái)越嚴(yán)重。常規(guī)機(jī)制不能很好地解決這些問題。5g工業(yè)網(wǎng)關(guān) 方案是一種解決的途徑。

在5g工業(yè)網(wǎng)關(guān) 方案，我們提出了一種與 Wi-Fi 兼容的 Wi-Fi 扇區(qū) (Wi-FiS) 設(shè)計(jì)，從根本上解決這些問題。Wi-FiS將Wi-Fi的整個(gè)覆蓋區(qū)域劃分為多個(gè)扇區(qū)，利用波束賦形技術(shù)和基于扇區(qū)的調(diào)度來(lái)提高Wi-Fi密集網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。對(duì)于單小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，Wi-FiS 區(qū)分上行和下行操作，完全排除下行沖突。對(duì)于多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，Wi-FiS 可以避免隱藏和暴露終端問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)小區(qū)之間的并行傳輸。然后，我們開發(fā)了一個(gè)理論模型來(lái)分析 Wi-FiS 的吞吐量。大量仿真驗(yàn)證了我們的理論模型非常準(zhǔn)確，Wi-FiS 可以顯著提高 Wi-Fi 密集網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量。

一、簡(jiǎn)介

在工業(yè) 4.0 中，大量物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備廣泛部署在多個(gè)工廠中。在每個(gè)工廠中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)營(yíng)控制中心的控制下協(xié)同工作，以協(xié)調(diào)和監(jiān)控裝配線的進(jìn)度。通常，運(yùn)營(yíng)控制中心位于云端或邊緣服務(wù)器中。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，工業(yè) 4.0 需要在運(yùn)營(yíng)控制中心和這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間建立一個(gè)高速、低延遲的網(wǎng)絡(luò)。

5G 技術(shù)有望滿足工業(yè) 4.0 的網(wǎng)絡(luò)要求，因?yàn)樗梢蕴峁?10 Gbps 的高速和 1 ms - 10 ms 的低延遲 。要將 5G 技術(shù)應(yīng)用到工業(yè) 4.0 中，我們需要建立一個(gè) 5G 基站，連接這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和運(yùn)營(yíng)控制中心，并且要求這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備支持 5G。然而，迄今為止，部署5G基站的成本很高，而且5G模塊體積大、功耗大，因此不適合安裝在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。

為了克服上述問題，我們可以采用5G客戶端設(shè)備5g工業(yè)網(wǎng)關(guān) 方案。在該解決方案中，引入了支持 5G 和 Wi-Fi 的節(jié)點(diǎn) 5G-CPE，作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和 5G 基站之間的中繼，如圖1所示。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是雙重的。一方面，由于 Wi-Fi 模塊成本低，大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都支持 Wi-Fi；然而，由于工廠地理位置的限制，部署光纖等有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施連接Wi-Fi基站通常昂貴且困難。因此，使 5G-CPE 通過 Wi-Fi 連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是方便、經(jīng)濟(jì)和快速的。另一方面，利用5G-CPE通過5G連接運(yùn)營(yíng)控制中心，可以充分發(fā)揮5G的高帶寬和低時(shí)延優(yōu)勢(shì)。

圖1 

用于工業(yè) 4.0 的 5g工業(yè)網(wǎng)關(guān) 方案

5g工業(yè)網(wǎng)關(guān) 方案目的

在本文中，對(duì)于 5G-CPE 解決方案，我們關(guān)注的是 5G-CPE 網(wǎng)絡(luò)，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與 5G-CPE 通信的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增長(zhǎng)，5G-CPE網(wǎng)絡(luò)的信道擁塞、傳輸沖突、終端隱藏/暴露問題將越來(lái)越嚴(yán)重。通常，在大規(guī)模 Wi-Fi 密集網(wǎng)絡(luò)中解決這些問題有兩種方法；然而，這兩種方法只能實(shí)現(xiàn)有限的性能提升，因此并不能從根本上解決這些問題。（一世）第一個(gè)是基于競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW）的調(diào)整方法。在 Wi-Fi 中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在 0 和 CW 之間選擇一個(gè)隨機(jī)時(shí)間作為數(shù)據(jù)傳輸前的等待時(shí)間。在這種方法中，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，CW 的大小會(huì)增加，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均等待時(shí)間也會(huì)增加。較長(zhǎng)的等待時(shí)間將有助于降低碰撞概率。然而，較長(zhǎng)的等待時(shí)間會(huì)導(dǎo)致頻道爭(zhēng)用的大量時(shí)間浪費(fèi)。(二)第二種是請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送 (RTS/CTS) 方法。在這種方法中，通過發(fā)送短RTS幀到預(yù)留信道，節(jié)點(diǎn)可以減少大數(shù)據(jù)碰撞造成的時(shí)間浪費(fèi)。然而，這種方法引入了額外的 RTS 和 CTS 幀的傳輸時(shí)間，并且大量的節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的 RTS 沖突。

此外，對(duì)于多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有方法不能很好地解決隱藏和暴露終端問題。例如，RTS/CTS 方法解決了隱藏終端問題，但同時(shí)也引發(fā)了暴露終端問題。這些挑戰(zhàn)推動(dòng)了這項(xiàng)研究。

1.2. 我們的5g工業(yè)網(wǎng)關(guān) 方案

在本文中，我們提出了一種與 Wi-Fi 兼容的 Wi-Fi 扇區(qū)（簡(jiǎn)稱 Wi-FiS）設(shè)計(jì)，從根本上解決了上述挑戰(zhàn)。Wi-FiS借鑒了硬盤扇區(qū)的思想[ 9 ]，將5g工業(yè)網(wǎng)關(guān) 方案密集網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)覆蓋區(qū)域劃分為多個(gè)扇區(qū)（如圖2所示），每個(gè)扇區(qū)包含少量節(jié)點(diǎn)。此后，我們使用接入點(diǎn) (AP) 來(lái)表示 5G-CPE 以縮短符號(hào)。受益于波束成形技術(shù)和基于扇區(qū)的調(diào)度，Wi-FiS 可以顯著提高單小區(qū)和多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。我們的貢獻(xiàn)總結(jié)如下。（一世）對(duì)于單小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，Wi-FiS 對(duì)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組并執(zhí)行扇區(qū)調(diào)度。使用 Wi-FiS，接入點(diǎn) (AP) 首先使所有節(jié)點(diǎn)靜音，然后通過定向波束依次激活每個(gè)扇區(qū)。這樣，在保持與 Wi-Fi 兼容的同時(shí)，Wi-FiS 可以減少競(jìng)爭(zhēng)沖突，顯著提高密集網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量。(二)對(duì)于多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，Wi-FiS 可以避免隱藏和暴露終端問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)小區(qū)之間的并行傳輸。使用 Wi-FiS，一旦在一個(gè)小區(qū)中檢測(cè)到可能導(dǎo)致潛在隱藏/暴露終端問題的正在進(jìn)行的傳輸，另一個(gè)小區(qū)中的 AP 可能會(huì)觸發(fā)其定向傳輸，而不會(huì)干擾正在進(jìn)行的傳輸。㈢我們進(jìn)行了廣泛的模擬以驗(yàn)證我們的 Wi-FiS 設(shè)計(jì)非常有效，并且在系統(tǒng)吞吐量方面可以顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。