5g工业网关 方案: Wi-Fi 扇区 (Wi-FiS) 设计

2022-04-07 15:38:13 admin 33

5G客户端设备(5G-CPE)是一种物联网网关技术,它融合了5G和Wi-Fi,因此可以为物联网设备提供Wi-Fi连接,同时受益于5G的优势。随着物联网设备数量的不断增加,Wi-Fi连接端的传输冲突和终端隐藏/暴露问题也越来越严重。常规机制不能很好地解决这些问题。5g工业网关 方案是一种解决的途径。

在5g工业网关 方案,我们提出了一种与 Wi-Fi 兼容的 Wi-Fi 扇区 (Wi-FiS) 设计,从根本上解决这些问题。Wi-FiS将Wi-Fi的整个覆盖区域划分为多个扇区,利用波束赋形技术和基于扇区的调度来提高Wi-Fi密集网络的系统性能。对于单小区网络,Wi-FiS 区分上行和下行操作,完全排除下行冲突。对于多小区网络,Wi-FiS 可以避免隐藏和暴露终端问题,同时实现多个小区之间的并行传输。然后,我们开发了一个理论模型来分析 Wi-FiS 的吞吐量。大量仿真验证了我们的理论模型非常准确,Wi-FiS 可以显着提高 Wi-Fi 密集网络的系统吞吐量。


一、简介

在工业 4.0 中,大量物联网 (IoT) 设备广泛部署在多个工厂中。在每个工厂中,物联网设备在运营控制中心的控制下协同工作,以协调和监控装配线的进度。通常,运营控制中心位于云端或边缘服务器中。为了实现实时控制,工业 4.0 需要在运营控制中心和这些物联网设备之间建立一个高速、低延迟的网络。

5G 技术有望满足工业 4.0 的网络要求,因为它可以提供 10 Gbps 的高速和 1 ms - 10 ms 的低延迟 。要将 5G 技术应用到工业 4.0 中,我们需要建立一个 5G 基站,连接这些物联网设备和运营控制中心,并且要求这些物联网设备支持 5G。然而,迄今为止,部署5G基站的成本很高,而且5G模块体积大、功耗大,因此不适合安装在资源有限的物联网设备中。

为了克服上述问题,我们可以采用5G客户端设备5g工业网关 方案。在该解决方案中,引入了支持 5G 和 Wi-Fi 的节点 5G-CPE,作为物联网设备和 5G 基站之间的中继,如图1所示。该解决方案的优点是双重的。一方面,由于 Wi-Fi 模块成本低,大部分物联网设备都支持 Wi-Fi;然而,由于工厂地理位置的限制,部署光纤等有线网络基础设施连接Wi-Fi基站通常昂贵且困难。因此,使 5G-CPE 通过 Wi-Fi 连接物联网设备是方便、经济和快速的。另一方面,利用5G-CPE通过5G连接运营控制中心,可以充分发挥5G的高带宽和低时延优势。

5g/4g工业路由网关
图1 
用于工业 4.0 的 5g工业网关 方案
5g工业网关 方案目的

在本文中,对于 5G-CPE 解决方案,我们关注的是 5G-CPE 网络,即物联网设备与 5G-CPE 通信的 Wi-Fi 网络。随着物联网设备数量的增长,5G-CPE网络的信道拥塞、传输冲突、终端隐藏/暴露问题将越来越严重。通常,在大规模 Wi-Fi 密集网络中解决这些问题有两种方法;然而,这两种方法只能实现有限的性能提升,因此并不能从根本上解决这些问题。(一世)第一个是基于竞争窗口(CW)的调整方法。在 Wi-Fi 中,每个节点在 0 和 CW 之间选择一个随机时间作为数据传输前的等待时间。在这种方法中,随着节点数量的增加,CW 的大小会增加,因此每个节点的平均等待时间也会增加。较长的等待时间将有助于降低碰撞概率。然而,较长的等待时间会导致频道争用的大量时间浪费。(二)第二种是请求发送/清除发送 (RTS/CTS) 方法。在这种方法中,通过发送短RTS帧到预留信道,节点可以减少大数据碰撞造成的时间浪费。然而,这种方法引入了额外的 RTS 和 CTS 帧的传输时间,并且大量的节点仍然会导致严重的 RTS 冲突。

此外,对于多小区网络,现有方法不能很好地解决隐藏和暴露终端问题。例如,RTS/CTS 方法解决了隐藏终端问题,但同时也引发了暴露终端问题。这些挑战推动了这项研究。

1.2. 我们的5g工业网关 方案

在本文中,我们提出了一种与 Wi-Fi 兼容的 Wi-Fi 扇区(简称 Wi-FiS)设计,从根本上解决了上述挑战。Wi-FiS借鉴了硬盘扇区的思想[ 9 ],将5g工业网关 方案密集网络的整个覆盖区域划分为多个扇区(如图2所示),每个扇区包含少量节点。此后,我们使用接入点 (AP) 来表示 5G-CPE 以缩短符号。受益于波束成形技术和基于扇区的调度,Wi-FiS 可以显着提高单小区和多小区网络的系统性能。我们的贡献总结如下。(一世)对于单小区网络,Wi-FiS 对竞争节点进行分组并执行扇区调度。使用 Wi-FiS,接入点 (AP) 首先使所有节点静音,然后通过定向波束依次激活每个扇区。这样,在保持与 Wi-Fi 兼容的同时,Wi-FiS 可以减少竞争冲突,显着提高密集网络的系统吞吐量。(二)对于多小区网络,Wi-FiS 可以避免隐藏和暴露终端问题,同时实现多个小区之间的并行传输。使用 Wi-FiS,一旦在一个小区中检测到可能导致潜在隐藏/暴露终端问题的正在进行的传输,另一个小区中的 AP 可能会触发其定向传输,而不会干扰正在进行的传输。㈢我们进行了广泛的模拟以验证我们的 Wi-FiS 设计非常有效,并且在系统吞吐量方面可以显着优于传统方法。


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