5G客戶端設備（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)設備提供Wi-Fi連接，同時受益于5G的優(yōu)勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的不斷增加，Wi-Fi連接端的傳輸沖突和終端隱藏/暴露問題也越來越嚴重。常規(guī)機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) 設計，從根本上解決這些問題。Wi-FiS將Wi-Fi的整個覆蓋區(qū)域劃分為多個扇區(qū)，利用波束賦形技術(shù)和基于扇區(qū)的調(diào)度來提高Wi-Fi密集網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能。對于單小區(qū)網(wǎng)絡，Wi-FiS 區(qū)分上行和下行操作，完全排除下行沖突。對于多小區(qū)網(wǎng)絡，Wi-FiS 可以避免隱藏和暴露終端問題，同時實現(xiàn)多個小區(qū)之間的并行傳輸。然后，我們開發(fā)了一個理論模型來分析 Wi-FiS 的吞吐量。大量仿真驗證了我們的理論模型非常準確，Wi-FiS 可以顯著提高 Wi-Fi 密集網(wǎng)絡的系統(tǒng)吞吐量。

一、簡介

在工業(yè) 4.0 中，大量物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備廣泛部署在多個工廠中。在每個工廠中，物聯(lián)網(wǎng)設備在運營控制中心的控制下協(xié)同工作，以協(xié)調(diào)和監(jiān)控裝配線的進度。通常，運營控制中心位于云端或邊緣服務器中。為了實現(xiàn)實時控制，工業(yè) 4.0 需要在運營控制中心和這些物聯(lián)網(wǎng)設備之間建立一個高速、低延遲的網(wǎng)絡。

5G 技術(shù)有望滿足工業(yè) 4.0 的網(wǎng)絡要求，因為它可以提供 10 Gbps 的高速和 1 ms - 10 ms 的低延遲 。要將 5G 技術(shù)應用到工業(yè) 4.0 中，我們需要建立一個 5G 基站，連接這些物聯(lián)網(wǎng)設備和運營控制中心，并且要求這些物聯(lián)網(wǎng)設備支持 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)設備中。

為了克服上述問題，我們可以采用5G客戶端設備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 5G-CPE，作為物聯(lián)網(wǎng)設備和 5G 基站之間的中繼，如圖1所示。該解決方案的優(yōu)點是雙重的。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)絡基礎設施連接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)設備是方便、經(jīng)濟和快速的。另一方面，利用5G-CPE通過5G連接運營控制中心，可以充分發(fā)揮5G的高帶寬和低時延優(yōu)勢。

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，對于 5G-CPE 解決方案，我們關(guān)注的是 5G-CPE 網(wǎng)絡，即物聯(lián)網(wǎng)設備與 5G-CPE 通信的 Wi-Fi 網(wǎng)絡。隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的增長，5G-CPE網(wǎng)絡的信道擁塞、傳輸沖突、終端隱藏/暴露問題將越來越嚴重。通常，在大規(guī)模 Wi-Fi 密集網(wǎng)絡中解決這些問題有兩種方法；然而，這兩種方法只能實現(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）第一個是基于競爭窗口（CW）的調(diào)整方法。在 Wi-Fi 中，每個節(jié)點在 0 和 CW 之間選擇一個隨機時間作為數(shù)據(jù)傳輸前的等待時間。在這種方法中，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，CW 的大小會增加，因此每個節(jié)點的平均等待時間也會增加。較長的等待時間將有助于降低碰撞概率。然而，較長的等待時間會導致頻道爭用的大量時間浪費。(二)第二種是請求發(fā)送/清除發(fā)送 (RTS/CTS) 方法。在這種方法中，通過發(fā)送短RTS幀到預留信道，節(jié)點可以減少大數(shù)據(jù)碰撞造成的時間浪費。然而，這種方法引入了額外的 RTS 和 CTS 幀的傳輸時間，并且大量的節(jié)點仍然會導致嚴重的 RTS 沖突。

此外，對于多小區(qū)網(wǎng)絡，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，但同時也引發(fā)了暴露終端問題。這些挑戰(zhàn)推動了這項研究。

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)（簡稱 Wi-FiS）設計，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)絡的整個覆蓋區(qū)域劃分為多個扇區(qū)（如圖2所示），每個扇區(qū)包含少量節(jié)點。此后，我們使用接入點 (AP) 來表示 5G-CPE 以縮短符號。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)絡的系統(tǒng)性能。我們的貢獻總結(jié)如下。（一世）對于單小區(qū)網(wǎng)絡，Wi-FiS 對競爭節(jié)點進行分組并執(zhí)行扇區(qū)調(diào)度。使用 Wi-FiS，接入點 (AP) 首先使所有節(jié)點靜音，然后通過定向波束依次激活每個扇區(qū)。這樣，在保持與 Wi-Fi 兼容的同時，Wi-FiS 可以減少競爭沖突，顯著提高密集網(wǎng)絡的系統(tǒng)吞吐量。(二)對于多小區(qū)網(wǎng)絡，Wi-FiS 可以避免隱藏和暴露終端問題，同時實現(xiàn)多個小區(qū)之間的并行傳輸。使用 Wi-FiS，一旦在一個小區(qū)中檢測到可能導致潛在隱藏/暴露終端問題的正在進行的傳輸，另一個小區(qū)中的 AP 可能會觸發(fā)其定向傳輸，而不會干擾正在進行的傳輸。㈢我們進行了廣泛的模擬以驗證我們的 Wi-FiS 設計非常有效，并且在系統(tǒng)吞吐量方面可以顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。