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。
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。

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。
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。