5G客戶端設備（5G-CPE）是一種物聯網網關技術，它融合了5G和Wi-Fi，因此可以為物聯網設備提供Wi-Fi連接，同時受益于5G的優勢。隨著物聯網設備數量的不斷增加，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。常規機制不能很好地解決這些問題。5g工業網關 方案是一種解決的途徑。

在5g工業網關 方案，我們提出了一種與 Wi-Fi 兼容的 Wi-Fi 扇區 (Wi-FiS) 設計，從根本上解決這些問題。Wi-FiS將Wi-Fi的整個覆蓋區域劃分為多個扇區，利用波束賦形技術和基于扇區的調度來提高Wi-Fi密集網絡的系統性能。對于單小區網絡，Wi-FiS 區分上行和下行操作，完全排除下行沖突。對于多小區網絡，Wi-FiS 可以避免隱藏和暴露終端問題，同時實現多個小區之間的并行傳輸。然后，我們開發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 密集網絡的系統吞吐量。

一、簡介

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

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

為了克服上述問題，我們可以采用5G客戶端設備5g工業網關 方案。在該解決方案中，引入了支持 5G 和 Wi-Fi 的節點 5G-CPE，作為物聯網設備和 5G 基站之間的中繼，如圖1所示。該解決方案的優點是雙重的。一方面，由于 Wi-Fi 模塊成本低，大部分物聯網設備都支持 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 連接物聯網設備是方便、經濟和快速的。另一方面，利用5G-CPE通過5G連接運營控制中心，可以充分發揮5G的高帶寬和低時延優勢。

圖1 

用于工業 4.0 的 5g工業網關 方案

5g工業網關 方案目的

在本文中，對于 5G-CPE 解決方案，我們關注的是 5G-CPE 網絡，即物聯網設備與 5G-CPE 通信的 Wi-Fi 網絡。隨著物聯網設備數量的增長，5G-CPE網絡的信道擁塞、傳輸沖突、終端隱藏/暴露問題將越來越嚴重。通常，在大規模 Wi-Fi 密集網絡中解決這些問題有兩種方法；然而，這兩種方法只能實現有限的性能提升，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）的調整方法。在 Wi-Fi 中，每個節點在 0 和 CW 之間選擇一個隨機時間作為數據傳輸前的等待時間。在這種方法中，隨著節點數量的增加，CW 的大小會增加，因此每個節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)第二種是請求發送/清除發送 (RTS/CTS) 方法。在這種方法中，通過發送短RTS幀到預留信道，節點可以減少大數據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，并且大量的節點仍然會導致嚴重的 RTS 沖突。

此外，對于多小區網絡，現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，但同時也引發了暴露終端問題。這些挑戰推動了這項研究。

1.2. 我們的5g工業網關 方案

在本文中，我們提出了一種與 Wi-Fi 兼容的 Wi-Fi 扇區（簡稱 Wi-FiS）設計，從根本上解決了上述挑戰。Wi-FiS借鑒了硬盤扇區的思想[ 9 ]，將5g工業網關 方案密集網絡的整個覆蓋區域劃分為多個扇區（如圖2所示），每個扇區包含少量節點。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和基于扇區的調度，Wi-FiS 可以顯著提高單小區和多小區網絡的系統性能。我們的貢獻總結如下。（一世）對于單小區網絡，Wi-FiS 對競爭節點進行分組并執行扇區調度。使用 Wi-FiS，接入點 (AP) 首先使所有節點靜音，然后通過定向波束依次激活每個扇區。這樣，在保持與 Wi-Fi 兼容的同時，Wi-FiS 可以減少競爭沖突，顯著提高密集網絡的系統吞吐量。(二)對于多小區網絡，Wi-FiS 可以避免隱藏和暴露終端問題，同時實現多個小區之間的并行傳輸。使用 Wi-FiS，一旦在一個小區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，另一個小區中的 AP 可能會觸發其定向傳輸，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，并且在系統吞吐量方面可以顯著優于傳統方法。