工业大数据时代高速无线通信技术研究综述
发布时间：2021-03-28 14:08
近年来,随着工业4.0时代的到来,工业大数据呈现出井喷式发展的趋势,工业设备由于生产流程复杂、传感器数量众多且取样频率快,在短时间内容易造成大量的数据堆积,这就对无线通信的传输速率提出了更高的要求.在工业大数据时代,高速传输将会是工业大数据得以进一步发展的重要前提和基础,高速无线通信技术必须在快速传输大量的工业数据的同时保证其能灵活适应数据量的巨大变化.从无线通信技术的传输速率出发,文中重点分析和讨论了传输速率最快的Wi-Fi技术、5G技术及最新出现的5G与Wi-Fi融合组网技术的发展历程及研究现状,最后总结和展望了工业大数据时代高速无线通信技术的发展趋势和研究方向.
【文章来源】：小型微型计算机系统. 2020,41(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Wi-Fi传输速率变化图
2009年提出的802.11n协议，现在称为Wi-Fi4，是在802.11g和802.11a之上发展起来的一项技术，802.11g和802.11a都采用了正交多载波调制技术OFDM[2]将速率提高到了54Mbps,OFDM调制技术是将一个物理信道划分为多个正交子信道，调制到每个信道的子载波上进行窄带传输，将高速率的数据流调制成多个并行的较低速率的子数据流．H.Sugimoto等人[3]对OFDM性能进行了评估，证明OFDM不仅减少能子载波之间的相互干扰，还可以提高频谱利用率．OFDM作为高速无线局域网的核心技术，理论上说，只要适当的选择各载波的带宽和采用纠错编码技术，多径衰弱问题是完全可以被解决的，就是说如果没有功率和带宽的限制，OFDM技术可以实现任何速率的传播．然而，实际的带宽并不能支持更高速率的传输．802.11n协议为了在此基础上进一步提高传输速率，提出了MIMO-OFDM技术[4],MIMO技术可以充分利用空间传播的多径分量，在不增加带宽的同时，提高系统的传输容量，如图2所示，MIMO技术将会是无线通信领域必须采用的关键技术，但是MIMO的频率选择性衰落问题无法避免．MIMO-OFDM技术可以将空间复用的MIMO技术和与抗频率选择性衰落和窄带干扰的OFDM技术的合并，解决了MIMO的频率选择性衰落问题．参考文献[5]指出M IM O-OFDM技术在将传统传输速率54M bps提高到58.5M bps的同时也提高了抗干扰性．同时，802.11n采用QAM-64的编码机制将速率提高到65M bps，又使用Short GI,40M Hz绑定等技术，在4条空间流的条件下，将传输速率提高到600Mbps，并且比之前的无线网络传送距离更远．尽管现有的802.11n可以支持高达600Mbps的传输速率，但当其面对快速增长的高带宽无线数据业务时却常常显得力不从心，为此，IEEE802.11专家组于2013年发布了802.11ac协议，其理论传输速率可达1Gbps.802.11ac协议是在802.11n上的继承和扩展，特别是在5.8GHz频段上进行了改进，较之802.11n技术最大40MHz的频带带宽相比，802.11ac要求至少达到80M Hz，最高能实现高达160M Hz的频宽．并且与802.11n最多支持4个空分流相比，802.11ac支持最多8空分流．参考文献[6]通过实验证明802.11ac在多种情况下传输速率都快于802.11n．参考文献[7]指出802.11ac最大传输速率提升到了6900M bps，其中相当一部分来自MU-MIMO(Multi Users-Multiple Input Multiple Output，即多用户多输入多输出)技术的应用，这意味着单个802.11ac的AP可以向两个或多个设备传送不同的数据流．另一方面，802.11ac也使用OFDM技术调制在无线介质上传输的比特位，除了QPSK、BPSK、16-QAM这些调制技术之外，还有256-QAM(正交振幅调制)调制技术可供选择．256-QAM调制将每个子载波所携带的比特从6位提高到8位，传输速率也会因此提高了33%[8]．尽管M U-M IM O方案在实际应用中速率已经大大的提高，但是还是仍然远低于DPC(dirty paper coding脏纸编码)[9]所承诺的理论上限．近几年的文献显示很多学者开始从信道利用率[10-12]、MU-MIMO[13,14]、编码方式[15]等方面进行创新，进一步提高传输速率．
2014年高通公司提出载波感知自适应传输(Carrier Sense Adaptive Transmission CSAT)[35]，对于CAST机制，其定义了一个发送循环周期，LTE-U使用其中一部分时间进行数据的传输，如图3中，LTE-U ON的时间为进行LTE-U传输，LTE-U OFF的时间为Wi-Fi传输，LTE-U ON和LTE-U OFF的占空比是根据Wi-Fi基站传感介质的活动情况决定的．根据LTE-U论坛规定，当LTE-U基站发现空闲信道时，最多可以传输20ms，而仅关闭其传输1ms，最大占空比为95%．然而参考文献[35]通过实验验证，当以最大占空比95%进行传输时，将会严重影响Wi-Fi共享信道的能力，WiFi站点将在相当长的时间内无法连接，相反将LTE-U的信道占空比缩减到80%时，Wi-Fi更容易接通，对传输速率的影响更小．为了更加高效的进行实现信道共享，参考文献[36]在CSAT基础上提出了“LBT Enhanced CSAT”方案，即将CSAT与通信前监听(LBT)结合来解决共存问题．在该方案中，采用了一个LTE Pe NB(LTE Pico Evolved NodeBs)在进入LTE-U ON传输数据时开始感知信道，如果在LIFS时间间隔内监测到信道空闲，则LTE Pe NB将在下一个LTE帧开始传输，一直传输到LTE-U时间结束，如果LTE-U在开始时处于空闲状态，可以通过降低LIFS时间间隔来降低与Wi-Fi传输冲突的几率，当LTE信道忙时，将等待当前的Wi-Fi传输完成，继续等待LIFS，然后开始传输．这样减少LTE-U和Wi-Fi在LTE-U开始阶段发生碰撞，在碰撞上浪费的时间减少，传输速率也会有所提高．
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于5G无线通信的微带周期结构带通滤波器设计[J]. 郑丽萍,和铭. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]基于SDN的5G大规模MIMO网间频谱共享机制研究[J]. 刘涛涛,禹忠,王军选,杨鹏. 计算机工程. 2018(11)
[3]浅谈无线通信和有线通信的结合[J]. 杜一凡,刘楷文,曹荣芊. 电子世界. 2018(21)
[4]导频序列长度对多用户大规模MIMO FDD系统速率的性能影响及优化[J]. 王毅,马鹏阁,黄开枝,李春国,黄永明,杨绿溪. 通信学报. 2018(07)
[5]5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨. 中国科学:信息科学. 2014(05)
[6]下一代无线局域网标准802.11ac[J]. 高伟峰,容振邦. 信息技术与信息化. 2014(03)
本文编号：3105693
【文章来源】：小型微型计算机系统. 2020,41(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Wi-Fi传输速率变化图
2009年提出的802.11n协议，现在称为Wi-Fi4，是在802.11g和802.11a之上发展起来的一项技术，802.11g和802.11a都采用了正交多载波调制技术OFDM[2]将速率提高到了54Mbps,OFDM调制技术是将一个物理信道划分为多个正交子信道，调制到每个信道的子载波上进行窄带传输，将高速率的数据流调制成多个并行的较低速率的子数据流．H.Sugimoto等人[3]对OFDM性能进行了评估，证明OFDM不仅减少能子载波之间的相互干扰，还可以提高频谱利用率．OFDM作为高速无线局域网的核心技术，理论上说，只要适当的选择各载波的带宽和采用纠错编码技术，多径衰弱问题是完全可以被解决的，就是说如果没有功率和带宽的限制，OFDM技术可以实现任何速率的传播．然而，实际的带宽并不能支持更高速率的传输．802.11n协议为了在此基础上进一步提高传输速率，提出了MIMO-OFDM技术[4],MIMO技术可以充分利用空间传播的多径分量，在不增加带宽的同时，提高系统的传输容量，如图2所示，MIMO技术将会是无线通信领域必须采用的关键技术，但是MIMO的频率选择性衰落问题无法避免．MIMO-OFDM技术可以将空间复用的MIMO技术和与抗频率选择性衰落和窄带干扰的OFDM技术的合并，解决了MIMO的频率选择性衰落问题．参考文献[5]指出M IM O-OFDM技术在将传统传输速率54M bps提高到58.5M bps的同时也提高了抗干扰性．同时，802.11n采用QAM-64的编码机制将速率提高到65M bps，又使用Short GI,40M Hz绑定等技术，在4条空间流的条件下，将传输速率提高到600Mbps，并且比之前的无线网络传送距离更远．尽管现有的802.11n可以支持高达600Mbps的传输速率，但当其面对快速增长的高带宽无线数据业务时却常常显得力不从心，为此，IEEE802.11专家组于2013年发布了802.11ac协议，其理论传输速率可达1Gbps.802.11ac协议是在802.11n上的继承和扩展，特别是在5.8GHz频段上进行了改进，较之802.11n技术最大40MHz的频带带宽相比，802.11ac要求至少达到80M Hz，最高能实现高达160M Hz的频宽．并且与802.11n最多支持4个空分流相比，802.11ac支持最多8空分流．参考文献[6]通过实验证明802.11ac在多种情况下传输速率都快于802.11n．参考文献[7]指出802.11ac最大传输速率提升到了6900M bps，其中相当一部分来自MU-MIMO(Multi Users-Multiple Input Multiple Output，即多用户多输入多输出)技术的应用，这意味着单个802.11ac的AP可以向两个或多个设备传送不同的数据流．另一方面，802.11ac也使用OFDM技术调制在无线介质上传输的比特位，除了QPSK、BPSK、16-QAM这些调制技术之外，还有256-QAM(正交振幅调制)调制技术可供选择．256-QAM调制将每个子载波所携带的比特从6位提高到8位，传输速率也会因此提高了33%[8]．尽管M U-M IM O方案在实际应用中速率已经大大的提高，但是还是仍然远低于DPC(dirty paper coding脏纸编码)[9]所承诺的理论上限．近几年的文献显示很多学者开始从信道利用率[10-12]、MU-MIMO[13,14]、编码方式[15]等方面进行创新，进一步提高传输速率．
2014年高通公司提出载波感知自适应传输(Carrier Sense Adaptive Transmission CSAT)[35]，对于CAST机制，其定义了一个发送循环周期，LTE-U使用其中一部分时间进行数据的传输，如图3中，LTE-U ON的时间为进行LTE-U传输，LTE-U OFF的时间为Wi-Fi传输，LTE-U ON和LTE-U OFF的占空比是根据Wi-Fi基站传感介质的活动情况决定的．根据LTE-U论坛规定，当LTE-U基站发现空闲信道时，最多可以传输20ms，而仅关闭其传输1ms，最大占空比为95%．然而参考文献[35]通过实验验证，当以最大占空比95%进行传输时，将会严重影响Wi-Fi共享信道的能力，WiFi站点将在相当长的时间内无法连接，相反将LTE-U的信道占空比缩减到80%时，Wi-Fi更容易接通，对传输速率的影响更小．为了更加高效的进行实现信道共享，参考文献[36]在CSAT基础上提出了“LBT Enhanced CSAT”方案，即将CSAT与通信前监听(LBT)结合来解决共存问题．在该方案中，采用了一个LTE Pe NB(LTE Pico Evolved NodeBs)在进入LTE-U ON传输数据时开始感知信道，如果在LIFS时间间隔内监测到信道空闲，则LTE Pe NB将在下一个LTE帧开始传输，一直传输到LTE-U时间结束，如果LTE-U在开始时处于空闲状态，可以通过降低LIFS时间间隔来降低与Wi-Fi传输冲突的几率，当LTE信道忙时，将等待当前的Wi-Fi传输完成，继续等待LIFS，然后开始传输．这样减少LTE-U和Wi-Fi在LTE-U开始阶段发生碰撞，在碰撞上浪费的时间减少，传输速率也会有所提高．
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于5G无线通信的微带周期结构带通滤波器设计[J]. 郑丽萍,和铭. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]基于SDN的5G大规模MIMO网间频谱共享机制研究[J]. 刘涛涛,禹忠,王军选,杨鹏. 计算机工程. 2018(11)
[3]浅谈无线通信和有线通信的结合[J]. 杜一凡,刘楷文,曹荣芊. 电子世界. 2018(21)
[4]导频序列长度对多用户大规模MIMO FDD系统速率的性能影响及优化[J]. 王毅,马鹏阁,黄开枝,李春国,黄永明,杨绿溪. 通信学报. 2018(07)
[5]5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨. 中国科学:信息科学. 2014(05)
[6]下一代无线局域网标准802.11ac[J]. 高伟峰,容振邦. 信息技术与信息化. 2014(03)
本文编号：3105693
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3105693.html
