近年來,隨著工業(yè)4.0時代的到來,工業(yè)大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展的趨勢,工業(yè)設(shè)備由于生產(chǎn)流程復(fù)雜、傳感器數(shù)量眾多且取樣頻率快,在短時間內(nèi)容易造成大量的數(shù)據(jù)堆積,這就對無線通信的傳輸速率提出了更高的要求.在工業(yè)大數(shù)據(jù)時代,高速傳輸將會是工業(yè)大數(shù)據(jù)得以進(jìn)一步發(fā)展的重要前提和基礎(chǔ),高速無線通信技術(shù)必須在快速傳輸大量的工業(yè)數(shù)據(jù)的同時保證其能靈活適應(yīng)數(shù)據(jù)量的巨大變化.從無線通信技術(shù)的傳輸速率出發(fā),文中重點(diǎn)分析和討論了傳輸速率最快的Wi-Fi技術(shù)、5G技術(shù)及最新出現(xiàn)的5G與Wi-Fi融合組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀,最后總結(jié)和展望了工業(yè)大數(shù)據(jù)時代高速無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究方向. 

【文章來源】：小型微型計算機(jī)系統(tǒng). 2020,41(08)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

Wi-Fi傳輸速率變化圖

2009年提出的802.11n協(xié)議，現(xiàn)在稱為Wi-Fi4，是在802.11g和802.11a之上發(fā)展起來的一項技術(shù)，802.11g和802.11a都采用了正交多載波調(diào)制技術(shù)OFDM[2]將速率提高到了54Mbps,OFDM調(diào)制技術(shù)是將一個物理信道劃分為多個正交子信道，調(diào)制到每個信道的子載波上進(jìn)行窄帶傳輸，將高速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制成多個并行的較低速率的子數(shù)據(jù)流．H.Sugimoto等人[3]對OFDM性能進(jìn)行了評估，證明OFDM不僅減少能子載波之間的相互干擾，還可以提高頻譜利用率．OFDM作為高速無線局域網(wǎng)的核心技術(shù)，理論上說，只要適當(dāng)?shù)倪x擇各載波的帶寬和采用糾錯編碼技術(shù)，多徑衰弱問題是完全可以被解決的，就是說如果沒有功率和帶寬的限制，OFDM技術(shù)可以實現(xiàn)任何速率的傳播．然而，實際的帶寬并不能支持更高速率的傳輸．802.11n協(xié)議為了在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高傳輸速率，提出了MIMO-OFDM技術(shù)[4],MIMO技術(shù)可以充分利用空間傳播的多徑分量，在不增加帶寬的同時，提高系統(tǒng)的傳輸容量，如圖2所示，MIMO技術(shù)將會是無線通信領(lǐng)域必須采用的關(guān)鍵技術(shù)，但是MIMO的頻率選擇性衰落問題無法避免．MIMO-OFDM技術(shù)可以將空間復(fù)用的MIMO技術(shù)和與抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾的OFDM技術(shù)的合并，解決了MIMO的頻率選擇性衰落問題．參考文獻(xiàn)[5]指出M IM O-OFDM技術(shù)在將傳統(tǒng)傳輸速率54M bps提高到58.5M bps的同時也提高了抗干擾性．同時，802.11n采用QAM-64的編碼機(jī)制將速率提高到65M bps，又使用Short GI,40M Hz綁定等技術(shù)，在4條空間流的條件下，將傳輸速率提高到600Mbps，并且比之前的無線網(wǎng)絡(luò)傳送距離更遠(yuǎn)．盡管現(xiàn)有的802.11n可以支持高達(dá)600Mbps的傳輸速率，但當(dāng)其面對快速增長的高帶寬無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時卻常常顯得力不從心，為此，IEEE802.11專家組于2013年發(fā)布了802.11ac協(xié)議，其理論傳輸速率可達(dá)1Gbps.802.11ac協(xié)議是在802.11n上的繼承和擴(kuò)展，特別是在5.8GHz頻段上進(jìn)行了改進(jìn)，較之802.11n技術(shù)最大40MHz的頻帶帶寬相比，802.11ac要求至少達(dá)到80M Hz，最高能實現(xiàn)高達(dá)160M Hz的頻寬．并且與802.11n最多支持4個空分流相比，802.11ac支持最多8空分流．參考文獻(xiàn)[6]通過實驗證明802.11ac在多種情況下傳輸速率都快于802.11n．參考文獻(xiàn)[7]指出802.11ac最大傳輸速率提升到了6900M bps，其中相當(dāng)一部分來自MU-MIMO(Multi Users-Multiple Input Multiple Output，即多用戶多輸入多輸出)技術(shù)的應(yīng)用，這意味著單個802.11ac的AP可以向兩個或多個設(shè)備傳送不同的數(shù)據(jù)流．另一方面，802.11ac也使用OFDM技術(shù)調(diào)制在無線介質(zhì)上傳輸?shù)谋忍匚�，除了QPSK、BPSK、16-QAM這些調(diào)制技術(shù)之外，還有256-QAM(正交振幅調(diào)制)調(diào)制技術(shù)可供選擇．256-QAM調(diào)制將每個子載波所攜帶的比特從6位提高到8位，傳輸速率也會因此提高了33%[8]．盡管M U-M IM O方案在實際應(yīng)用中速率已經(jīng)大大的提高，但是還是仍然遠(yuǎn)低于DPC(dirty paper coding臟紙編碼)[9]所承諾的理論上限．近幾年的文獻(xiàn)顯示很多學(xué)者開始從信道利用率[10-12]、MU-MIMO[13,14]、編碼方式[15]等方面進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)一步提高傳輸速率．

2014年高通公司提出載波感知自適應(yīng)傳輸(Carrier Sense Adaptive Transmission CSAT)[35]，對于CAST機(jī)制，其定義了一個發(fā)送循環(huán)周期，LTE-U使用其中一部分時間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，如圖3中，LTE-U ON的時間為進(jìn)行LTE-U傳輸，LTE-U OFF的時間為Wi-Fi傳輸，LTE-U ON和LTE-U OFF的占空比是根據(jù)Wi-Fi基站傳感介質(zhì)的活動情況決定的．根據(jù)LTE-U論壇規(guī)定，當(dāng)LTE-U基站發(fā)現(xiàn)空閑信道時，最多可以傳輸20ms，而僅關(guān)閉其傳輸1ms，最大占空比為95%．然而參考文獻(xiàn)[35]通過實驗驗證，當(dāng)以最大占空比95%進(jìn)行傳輸時，將會嚴(yán)重影響Wi-Fi共享信道的能力，WiFi站點(diǎn)將在相當(dāng)長的時間內(nèi)無法連接，相反將LTE-U的信道占空比縮減到80%時，Wi-Fi更容易接通，對傳輸速率的影響更小．為了更加高效的進(jìn)行實現(xiàn)信道共享，參考文獻(xiàn)[36]在CSAT基礎(chǔ)上提出了“LBT Enhanced CSAT”方案，即將CSAT與通信前監(jiān)聽(LBT)結(jié)合來解決共存問題．在該方案中，采用了一個LTE Pe NB(LTE Pico Evolved NodeBs)在進(jìn)入LTE-U ON傳輸數(shù)據(jù)時開始感知信道，如果在LIFS時間間隔內(nèi)監(jiān)測到信道空閑，則LTE Pe NB將在下一個LTE幀開始傳輸，一直傳輸?shù)絃TE-U時間結(jié)束，如果LTE-U在開始時處于空閑狀態(tài)，可以通過降低LIFS時間間隔來降低與Wi-Fi傳輸沖突的幾率，當(dāng)LTE信道忙時，將等待當(dāng)前的Wi-Fi傳輸完成，繼續(xù)等待LIFS，然后開始傳輸．這樣減少LTE-U和Wi-Fi在LTE-U開始階段發(fā)生碰撞，在碰撞上浪費(fèi)的時間減少，傳輸速率也會有所提高．

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]應(yīng)用于5G無線通信的微帶周期結(jié)構(gòu)帶通濾波器設(shè)計[J]. 鄭麗萍,和銘.  重慶郵電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2019(04)
[2]基于SDN的5G大規(guī)模MIMO網(wǎng)間頻譜共享機(jī)制研究[J]. 劉濤濤,禹忠,王軍選,楊鵬.  計算機(jī)工程. 2018(11)
[3]淺談無線通信和有線通信的結(jié)合[J]. 杜一凡,劉楷文,曹榮芊.  電子世界. 2018(21)
[4]導(dǎo)頻序列長度對多用戶大規(guī)模MIMO FDD系統(tǒng)速率的性能影響及優(yōu)化[J]. 王毅,馬鵬閣,黃開枝,李春國,黃永明,楊綠溪.  通信學(xué)報. 2018(07)
[5]5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J]. 尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,鄔賀銓.  中國科學(xué):信息科學(xué). 2014(05)
[6]下一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11ac[J]. 高偉峰,容振邦.  信息技術(shù)與信息化. 2014(03)



本文編號：3105693