物联网的高可靠性和低延迟无线通信挑战、基本原理和实现技术

【摘要】    在本文中，我们回顾了高可靠性和低延迟（HRLL）无线物联网网络的各种应用场景、基本性能限制和潜在的技术解决方案。我们讨论了无线物联网网络的物理层、媒体访问控制（MAC）层和网络层，它们都对延迟和可靠性有重大影响。在物理层，我们讨论了HRLL通信的基本信息理论极限，并介绍了HRLL通信的结构和设计。然后对有限块长度的实际信道码进行了评述。对于MAC层，我们首先讨论了优化的频谱和功率资源管理方案，然后讨论了最近提出的免费授权方案。对于网络层，我们讨论了优化的网络结构（频散和网络密度），最优的频散分配方案和最小化延迟的网络编码方案。

【关键词】    区块链技术    金融服务    区块链功能    金融技术

引言：

随着计算和通信技术的快速发展，我们的社会和行业越来越智能化，即智能社会或工业4.0[1]。在各种使能技术中，物联网（IoT）对于连接智能社会/工厂的各种异构设备至关重要。与大多数现有的面向人类通信的移动网络不同，物联网寻求在没有或几乎不需要人工干预的情况下连接大量设备。

物联网网络的应用包括控制、智能识别、定位、跟踪和监控等。由于物联网网络中各种应用和设备的异构性，对物联网网络的技术要求多种多样，有时可能相当具有挑战性。

许多物联网网络的应用场景可能需要高可靠性和低延迟（HRLL），如工业自动化、车到万事（V2X）网络、智能电网和远程手术等。在现有的系统中，设备通常通过小型网络连接，如无线高速可寻址远程传感器、传感器和执行器无线接口和过程自动化工业自动化无线网络[2]。然而，这些标准在可靠性和延迟方面并不能逐渐满足新兴应用的需求。特别是许多场景要求物联网网络同时支持高可靠性、低延迟和大规模连接。

为了满足这一需求，近年来，人们对HRLL物联网进行了大量的研究。因此，迫切需要重新思考无线物联网网络的整个通信协议栈。接下来，我们将详细讨论HRLL物联网网络的几个典型应用场景，包括工厂自动化、车辆网络和智能电网。

一、HRLL物联网的应用场景

物联网作为新兴智能社会和智能产业（即工业4.0）的关键实现技术之一，在技术和应用方面都取得了长足发展[3]。据估计，到2020年，将有250多亿台设备通过无线物联网网络连接。除了无处不在的连通性，许多物联网的预想应用，如工业自动化、车到万事（V2X）网络、智能电网和远程手术，都将有严格的传输延迟和可靠性要求，而现有系统可能无法支持这些要求。

1.1 工业自动化

随着计算、控制和通信技术的发展，新一代的工业革命，即工业4.0，极大地改变了我们的工业生产过程[4]。作为工业4.0的关键实现技术，工业物联网近年来引起了广泛的研究兴趣。

许多现有的工业通信网络实际上是基于有线网络，例如以太网或光纤。然而，近年来工业物联网的一个新趋势是用无线网络取代有线网络。受低成本、灵活性和在恶劣环境或移动场景下的适应性等有前景的利益驱动，首个工业无线网络已在实时控制应用中实现。此后，业界对连接设备的开发和标准化进行了大量的努力。相对于有线网络，使用无线网络的优势是多方面的：

1.无线网络可以显著降低材料、安装、调试和维护成本;

2.尽管存在信道衰落或干扰，但在许多情况下，无线可能更可靠，例如，电缆主观老化和断裂的情况下，更容易与无线网络获得冗余链路;

3.无线网络可以部署在许多不适合安装电缆的场景中，如移动机器人、恶劣的工业环境（高温或高压）和长距离（如高的塔架）。

1.2 V2X交通物联网网络

随着各种智能技术的发展，我们的社会从来没有遇到过交通系统如此大的挑战。新一轮城镇化和交通运输能力的发展，机动车保有量急剧增加。此外，有关排放和节能的规定比以往任何时候都要严格得多。在最新的无线通信和物联网技术的帮助下，有望实现提高运输能力和效率的目标。对于V2X网络，对时延和可靠性有严格的要求。例如，作为第5代（5G）最重要的应用场景之一，V2X通信网络的目标是实现高效、无事故的协同自动驾驶，高效利用可用道路。为了实现这个目标，通信网络应该容纳不同的用例集，每个用例都有一组特定的需求。

1.3 智能电网

智能电网是指在传感器、执行器、通信网络和中央控制器的辅助下，智能地产生、传输和消耗电力。智能电网是一种能够使智能设备的各种节点，例如，高效能源发电、智能电表、智能计费和可再生能源。因此，许多新的应用和服务都是基于这些技术开发的，如能源管理系统（EMS）、需求响应（DR）、频率调节（FR）和点对点能源交易（P2PET）。为了支持异构智能电网中的双向能源传输，底层通信系统应在延迟、速率和可靠性方面具有高性能。例如，要启用实时定价等高级应用程序，就需要一个低延迟的双向实时通信系统。为了满足这些要求，已有许多关于智能电网通信技术的相关研究成果[5]。

目前的通信技术仍不能满足智能电网对DR、FR、P2PET等先进服务的严格要求。对智能电网的通信系统进行了研究，以满足严格的时延要求。

二、HRLL物联网网络的物理层、MAC层和网络层基本原理和实现技术

为了在物联网网络中实现HRLL通信，大致有两种发展路徑：一种是基于公共移动蜂窝网络的技术标准，该标准寻求提高可靠性和延迟性能，以满足具有共享基础设施的各种物联网应用的要求。另一种是用于具有专用网络的关键应用程序。后者的典型例子包括高性能无线。蜂窝网络最初是为人对人的通信而设计的，现在已经在一定程度上满足了HRLL通信的要求。

例如，超可靠低延迟通信（URLLC）是即将到来的第5G移动网络中最具创新性的技术方案之一，与之前的技术有很大的不同。实际上，URLLC、增强型移动宽带（eMBB）和大规模机器类型通信（mMTC）是5G移动网络的关键例用。因此，URLLC可以被认为是移动网络中的一种HRLL通信，可以满足许多高可靠性和低时延要求的物联网应用。

2.1 HRLL物联网网络的物理层分析与设计

首先讨论物联网的系统模型，然后讨论它在延迟约束下的基本限制。物联网中HRLL通信的基本限制，同时实现高可靠性和低延迟，特别是对于资源有限的通信，如物联网。许多传统的技术（例如强信道编码）已经被提出以提高可靠性，但往往不得不牺牲延迟。

另一方面，由于短的块长度不能保证较大的编码增益，并且元数据中的开销符号（如导频符号、报头和序言）的大小可能与信息长度相当，因此用短的包长度来减少延迟会导致可靠性降低。

框架结构及导言设计，帧结构和前置线设计对于低延迟物联网是相当具有挑战性的。许多先进的接收机需要精确的信道状态信息，而这通常是通过信道估计得到的。为了解决这个问题，在下行传输中，首选将所有数据符号和一份前置码（用于信道估计）联合编码成一个数据包。但是，该方案需要所有接收节点对所有信息符号进行解码，这可能会消耗大量的能量，增加解码延迟。

2.2 HRLL物联网网络的MAC层分析与设计

当前，物联网网络面临的最大挑战之一是在频率和能源限制下满足日益增长的可靠性和延迟要求。特别是，物联网网络可能是异构的，且功率有限（例如，那些由电池供电的网络）。

因此，除了改进物理层之外，我们也应该为HRLL物联网网络开发MAC层的资源高效调度。物联网网络的资源节约型调度主要侧重于频谱节能型管理。这些资源效率管理技术的目的是最大化频谱效率和能源效率，与延迟和可靠性的限制。

接下来，我们将详细回顾HRLL的资源高效管理解决方案和减少调度延迟的有效拥塞控制机制设计，以及一种有前途的无授权调度方案。

2.3 HRLL物联网网络的网络层分析与设计

在网络层，延迟是一个随机变量，由于各种原因，如动态流量或通道的变化。对于物联网网络，流量可能在事故、繁忙或大量工作节点时出现突发。因此，考虑网络层对物联网网络延迟的影响也是非常有价值的。为了从理论上分析网络层的时延，可以使用网络演算。影响延迟的主要因素包括流量、服务能力和内存大小等。其中，流量和业务能力可以通过网络规划进行优化，包括网络结构和流量分配等。从网络结构方面，我们可以通过流量分散或网络密集等方法来优化延迟。

简单地说，流量分散将数据流拆分为多个子流，每个子流通过独立的路径发送。从而减少了每条路径的流量。对于网络密集化，我们可以使用更多的节点来密集化网络，这将导致每条路径的容量更高（尤其是无线物联网网络）。这样，每个节点都有更高的业务能力。对于更复杂的网络，流量分配是可行的，其中从源到接收器有多个跳，每个跳内有多个通道。

四、结束语

随着信息理论和无线通信技术的发展以及新兴的应用，HRLL物联网的研究近年来备受关注。我们调查了HRLL物联網网络的技术，对于代码长度的不同需求，通常需要在延迟和可靠性之间进行权衡。作为未来无线电传输中需要支持的最严格的要求之一，HRLL通信将能够支持多个垂直行业。为此，我们预计HRLL通信将在未来物联网网络中发挥关键作用。

参  考  文  献

[1]汪昆.5G无线通信工程建设管理工作探讨[J].通信世界， 2021（11）：28-29.

[2]江龙才，霍朝辉，步冬静.引入天线的无线通信射频采集信道模型建立及其仿真分析[J].电气自动化，2021，43（03）：86-88.

[3]陈钢.无线传感器网络功率控制技术研究[J].中国设备工程，2021（10）：202-203.

[4]洪涛.可重构无线智能电表的自动化调制通信系统[J].制造业自动化，2021，43（05）：72-75.

[5]尹浩东，张君毅，尚庆华.基于数据链路层特征的无线网络加密流量业务分类研究[J].计算机测量与控制，2021，29（05）：220-224.

赵涛（1975.06），女，汉族，四川南充，中通服创立信息科技有限责任公司，硕士研究生，工程师，研究方向：通信相关IT系统规划设计。