陳 猛，姚媛媛

1(中國科學院大學 沈陽計算技術研究所，沈陽 110168)

2(中國科學院大學，北京 100049)E-mail：yoyo185644@163.com

1 引 言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算等新興產(chǎn)業(yè)進入到工業(yè)領域，以數(shù)字化為驅動的工業(yè)大數(shù)據(jù)推動了制造業(yè)向新的模式發(fā)展.工業(yè)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量呈井噴式發(fā)展，從數(shù)據(jù)來源來看，工業(yè)大數(shù)據(jù)的主要來源包括三類，信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)、機器設備數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù).近年來，隨著全球工業(yè)化改革的發(fā)展，全球工業(yè)大數(shù)據(jù)的規(guī)模不斷增加，預計到2020年全球工業(yè)大數(shù)據(jù)的市場規(guī)模約為480億美元，約占大數(shù)據(jù)總規(guī)模的60%.在工業(yè)生產(chǎn)中，這些數(shù)據(jù)的獲取和處理速率對實時性有著非常高的要求，其分析和處理時限要求達到毫秒級，并且這個要求隨著數(shù)據(jù)量的增加只會越來越苛刻.有線通信和無線通信是工業(yè)領域數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬煞N主要方式.無線通信出現(xiàn)之初，是為了擺脫電纜的束縛，解決有線通信成本高，便攜性差的問題.與有線通信相比，無線通信的信息傳遞不需要依賴電纜、光纜等媒介，因此在超長距離通信等場合，如衛(wèi)星通信，無線通信有著不可替代的優(yōu)勢.同樣，沒有電纜的束縛，無線通信讓信息的傳輸更加自由[1].雖然無線通信技術本身就有很多的優(yōu)點，如表1所示成本低且更加便捷，不需要鋪設電纜，不需要建立物理電路等等；故障診斷更容易，可以通過遠程診斷完成，但是在傳輸速度上卻仍然比不上有線通信.

表1 有線通信與無線通信的優(yōu)劣勢比較

隨著社會的進步，計算機技術的發(fā)展，無線通信技術也進入了一個數(shù)字化的時代，出現(xiàn)了各種標準的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，一種是短距離通信技術，如Wi-Fi、藍牙、ZigBee等，另一種是低功耗廣域網(wǎng)通訊技術(LPWAN)，常用的如LoRa、NB-IoT、Sigfox、HaLow、4G/5G等.不同的無線通訊技術有不同的應用場景.工業(yè)大數(shù)據(jù)時代的到來，對無線通信的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高，從表2明顯看出Wi-Fi、5G的傳輸速率遠遠高于其他的通信技術.本文將對這兩種無線通信協(xié)議與最新出現(xiàn)的5G與Wi-Fi融合組網(wǎng)技術進行著重分析.

表2 常用無線通信技術傳輸速率比較

2 高速無線通信技術的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

2.1 Wi-Fi技術

Wi-Fi技術發(fā)展至今已有20多年的歷史，幾乎每過4～5年就會出現(xiàn)一次技術變革，并且在傳輸速率上的提升幅度很大，如圖1所示.2018年10月4日，Wi-Fi聯(lián)盟正式將下一代的 Wi-Fi技術 802.11ax 改名為 Wi-Fi6，并將前兩代的 802.11n 和 802.11ac 更改為 Wi-Fi4 和 Wi-Fi5.

圖1 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，802.11g和802.11a都采用了正交多載波調制技術OFDM[2]將速率提高到了54Mbps，OFDM 調制技術是將一個物理信道劃分為多個正交子信道，調制到每個信道的子載波上進行窄帶傳輸，將高速率的數(shù)據(jù)流調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，理論上說，只要適當?shù)倪x擇各載波的帶寬和采用糾錯編碼技術，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)議為了在此基礎上進一步提高傳輸速率，提出了MIMO-OFDM技術[4]，MIMO技術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技術將會是無線通信領域必須采用的關鍵技術，但是MIMO的頻率選擇性衰落問題無法避免.MIMO-OFDM技術可以將空間復用的MIMO技術和與抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾的OFDM技術的合并，解決了MIMO的頻率選擇性衰落問題.參考文獻[5]指出MIMO-OFDM技術在將傳統(tǒng)傳輸速率54Mbps提高到58.5Mbps的同時也提高了抗干擾性.同時，802.11n采用QAM-64的編碼機制將速率提高到65Mbps，又使用Short GI，40MHz綁定等技術，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)絡傳送距離更遠.

圖2 MIMO技術圖

盡管現(xiàn)有的 802.11n 可以支持高達 600Mbps 的傳輸速率，但當其面對快速增長的高帶寬無線數(shù)據(jù)業(yè)務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1Gbps.802.11ac協(xié)議是在802.11n上的繼承和擴展，特別是在5.8GHz頻段上進行了改進，較之802.11n技術最大40MHz的頻帶帶寬相比，802.11ac要求至少達到80MHz，最高能實現(xiàn)高達160MHz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[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[7]指出802.11ac最大傳輸速率提升到了6900Mbps，其中相當一部分來自MU-MIMO(Multi Users-Multiple Input Multiple Output，即多用戶多輸入多輸出)技術的應用，這意味著單個802.11ac的AP可以向兩個或多個設備傳送不同的數(shù)據(jù)流.另一方面，802.11ac 也使用 OFDM 技術調制在無線介質上傳輸?shù)谋忍匚?，除?QPSK、BPSK、16-QAM這些調制技術之外，還有256-QAM(正交振幅調制)調制技術可供選擇.256-QAM 調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MU-MIMO方案在實際應用中速率已經(jīng)大大的提高，但是還是仍然遠低于DPC(dirty paper coding臟紙編碼)[9]所承諾的理論上限.近幾年的文獻顯示很多學者開始從信道利用率[10-12]、MU-MIMO[13，14]、編碼方式[15]等方面進行創(chuàng)新，進一步提高傳輸速率.

參考文獻[10]針對802.11ac標準，提出了一種統(tǒng)一信道分解(UCD)的新方案，這種方案使MIMO信道分解成大量的等增益子信道，并且子信道的數(shù)量使任意的，不受限于天線和用戶的數(shù)量，進一步的提高了傳輸?shù)乃俾?參考文獻[11]認為802.11ac中的信道綁定(CB)技術會使子信道重疊，沖突率增加，會造成嚴重的干擾，為了解決該問題，提出了動態(tài)信道綁定算法(DCB)，是在滿足每個AP流量需求的同時將信道動態(tài)的分配給AP，通過仿真實驗證明DCB算法可以有效提高網(wǎng)絡的吞吐量.參考文獻[12]提出應該在完成傳輸之后執(zhí)行清晰的信道評估(post-CCA)，通過在以太網(wǎng)中模擬沖突可避免的載波感知多址(CSMA/CD)機制增強信道評估能力，并在此基礎上提出基于post-CCA的帶寬自適應算法(PoBA)，通過一種增強學習的機制來動態(tài)改變帶寬和信道配置，仿真結果表明，該算法提高了網(wǎng)絡的吞吐量、提高了信道的利用率和公平性、降低了網(wǎng)絡分組錯誤的概率.可以看出對信道利用率進一步研究來提高速率將會是Wi-Fi技術發(fā)展的一個大的發(fā)展趨勢.

除了從信道利用率角度出發(fā)來提高傳輸效率，MU-MIMO也是提高傳輸速率一個重要的研究角度.理論上說，隨著用戶數(shù)量的增加，MU-MIMO將會是很有前景的網(wǎng)絡擴容的技術，但是其造價貴、可擴展性差卻是一個缺陷，于是參考文獻[13]提出了一個大規(guī)模MU-MIMO原型—BUSH，集低復雜度、低開銷、低干擾于一身，實驗證明其吞吐量是傳統(tǒng)的802.11ac的2.08倍.參考文獻[14]的作者將MU-MIMO與基于有效信噪比度量的快速鏈路自適應(FLA)技術相結合[16]，可以保持大量的多用戶信息增益.

2.2 5G技術

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，5G正式登上中國的舞臺.5G的出現(xiàn)將會給工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的變化，無人機物流、智能電網(wǎng)、智能工廠、虛擬現(xiàn)實等場景都能應用5G實現(xiàn)革命性的發(fā)展.

MIMO技術作為一種提高頻譜利用率和可靠傳輸?shù)挠行侄卧赪i-Fi技術中得到了廣泛的應用.根據(jù)信息論，MIMO的信道容量會隨著發(fā)射天線和接收天線數(shù)量增大而增大，因此，采用大量的天線 可以大幅度提高系統(tǒng)的容量，進而5G提出了大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)的概念[17，18]，在一個基站上配置更多的天線，可以在同一個時頻資源上同時服務若干個用戶，從而在不增加基站密度和帶寬的情況下大幅度提高頻譜利用率[19-21].并且大規(guī)模的MIMO可以將波束集中在很窄的范圍內，從而大幅度降低干擾，實現(xiàn)快速可靠傳輸[22].Massive MIMO分為TDD(time division duplexing 時分復用)Massive MIMO和FDD(frequency division duplexing 頻分復用)Massive MIMO，由于TDD網(wǎng)絡具有信道互易性，相對于FDD網(wǎng)絡更容易獲得下行的信道信息，所以MIMO技術在TDD網(wǎng)絡中的發(fā)展一直快于FDD.近幾年來，國內外學者一直在對FDD Massive MIMO如何更好的商用進行研究[23-25]，這也將是MIMO技術進一步發(fā)展的一個趨勢.對于TDD、FDD的方式，如果不能實現(xiàn)同時、同頻的雙向通信，理論上將會浪費一半的頻率和時間.對此5G提出了全雙工通信技術[26-28]，可以同時同頻的進行雙向通信，可以提高一倍以上的頻譜利用率，是5G進一步提高傳輸速率、減少延遲的重要研究方向.

雖然說在蜂窩網(wǎng)絡下的全雙工技術是5G時代的關鍵技術，但由于頻譜復用，在使用全雙工技術時移動終端處的自干擾是無法避免的，為了降低自干擾對傳輸速率的影響，參考文獻[26]提出將全雙工技術與設備到設備(D2D)通信相結合，分別使用凸優(yōu)化算法和匈牙利算法優(yōu)化能源效率.參考文獻[29]設計了一個適用于全雙工的自干擾抑制的毫米波中繼天線.與文獻[29]想法相似，參考文獻[30]提出了一個空間可調的近場矢量傳感器來模擬5G收發(fā)器中的自干擾消除模塊.這些方法都能夠在一定程度上有效的抑制自干擾，提高傳輸效率.

除此之外，作為5G多載波方案的最佳選擇的FBMC(filter-bank based multicarrier 基于濾波器的多載波)技術也吸引了研究者的興趣[31-34]，參考文獻[31，32]作者分別通過實驗將FBMC與UFMC[31]、OFBM[32]進行對比，結果表明FBMC 技術在抑制碼間干擾(ISI)和降低總噪聲功率方面都優(yōu)于UFMC技術，并且性能比OFBM更好.因此發(fā)展符合5G要求的FBMC技術也將是一個重要的研究內容.

在工業(yè)大數(shù)據(jù)時代，5G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率果然不負眾望，遠遠高于以前的蜂窩網(wǎng)絡，最高可達10 Gbps，比當前的有線通信方式要快，并且是先前4G的 100倍，如表3所示.并且在實際操作中，5G網(wǎng)絡的傳輸速度也不容小覷，可以實現(xiàn)比4G快10到20倍的數(shù)據(jù)傳輸速率.也就是說，1分鐘左右可以傳輸3G左右的工業(yè)數(shù)據(jù).而我們談論的還是基于現(xiàn)有4G 網(wǎng)絡搭建的5G網(wǎng)絡，僅僅是第一代5G調制解調器，未來的5G芯片，很可能會更快.5G的超大帶寬傳輸能力來應對未來海量的工業(yè)大數(shù)據(jù).但是凡事都有兩面性，由于5G采用的是超高頻頻譜，雖然能夠提供超高傳輸速率，但是這種電磁波的傳輸距離很短，很容易被障礙物阻攔，為此運營商需要建設更多的基站，在每棟大樓甚至每個房間都建立基站，于此同時還要增加與之配備的系統(tǒng).必須要承認的是，在高樓林立的城市，5G實現(xiàn)信號無縫覆蓋確實是個挑戰(zhàn).

表3 4G與5G參數(shù)對比

3 5G與Wi-Fi融合組網(wǎng)技術

Wi-Fi和5G技術/蜂窩技術已經(jīng)是速率最快的兩種無線通訊技術，這兩項技術在不同應用場景下可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，然而隨著社會越來越依賴于“快速可靠”的數(shù)據(jù)傳輸，2019年1月25日下一代移動通信網(wǎng)絡聯(lián)盟(NGMN)、無線寬帶聯(lián)盟(WBA)宣布：聯(lián)手推動5G、Wi-Fi無線技術與核心網(wǎng)絡的融合.Wi-Fi組網(wǎng)靈活、移動性強、傳輸速率高、成本低廉等優(yōu)點都是促使5G與Wi-Fi融合組網(wǎng)的關鍵因素.5G有三個標準，分別是LTE(授權頻道)、LTE-U(非授權頻道)和NB-IoT(授權頻道).在公網(wǎng)中，LTE-U主要應用在2.4GHz和5GHz這兩個頻段，與Wi-Fi工作在同一個頻段，LTE-U與Wi-Fi的共存性問題[35，37-40]以及如何在未授權頻段更好的實現(xiàn)融合[41-43]成為近年來一直被研究的熱點問題.LTE-U在傳輸前不知道感知信道，Wi-Fi設備在傳輸前可以感知信道，如果發(fā)現(xiàn)信道被占用就不會傳輸，在Wi-Fi和LTE之間實現(xiàn)公平共存并能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能確實是個挑戰(zhàn).只有實現(xiàn)Wi-Fi和5G更好的融合才能真正實現(xiàn)Wi-Fi和5G無縫切換的高速傳輸.

2014年高通公司提出載波感知自適應傳輸(Carrier Sense Adaptive Transmission CSAT)[35]，對于CAST機制，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行數(shù)據(jù)的傳輸，如圖3中，LTE-U ON的時間為進行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基站傳感介質的活動情況決定的.根據(jù)LTE-U論壇規(guī)定，當LTE-U基站發(fā)現(xiàn)空閑信道時，最多可以傳輸20ms，而僅關閉其傳輸1ms，最大占空比為95%.然而參考文獻[35]通過實驗驗證，當以最大占空比95%進行傳輸時，將會嚴重影響Wi-Fi共享信道的能力，Wi-Fi站點將在相當長的時間內無法連接，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.

圖3 CSAT原理圖

為了更加高效的進行實現(xiàn)信道共享，參考文獻[36]在CSAT基礎上提出了“LBT Enhanced CSAT”方案，即將CSAT與通信前監(jiān)聽(LBT)結合來解決共存問題.在該方案中，采用了一個LTE PeNB(LTE Pico Evolved NodeBs)在進入LTE-U ON傳輸數(shù)據(jù)時開始感知信道，如果在LIFS時間間隔內監(jiān)測到信道空閑，則LTE PeNB將在下一個LTE幀開始傳輸，一直傳輸?shù)絃TE-U時間結束，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LTE信道忙時，將等待當前的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，在碰撞上浪費的時間減少，傳輸速率也會有所提高.

參考文獻[37]指出CSAT技術需要感知較長時間來確定其他信道的使用信息，并且CSAT只能在用戶的使用不怎么變化的情況下有效，而實際應用中Wi-Fi的使用是不斷變化的，該技術不能獲取用戶使用情況的準確信息，應該需要根據(jù)Wi-Fi的實際使用情況來調整占空比，這樣頻譜的利用率才能最大化.為此，文獻[37]提出了一種實現(xiàn)LTE-U與Wi-Fi之間公平性共存模型，該模型基于Wi-Fi AP與LTE base station(eNB)之間的直接通信，通過Wi-Fi AP將將其使用信息共享給eNB，eNB再根據(jù)Wi-Fi使用信息動態(tài)調整其空占比來實現(xiàn)共存.

與文獻[37]思想相似，參考文獻[38]為了更好的實現(xiàn)Wi-Fi和5G的共存，提出了一個動態(tài)頻譜協(xié)調框架，這個框架在網(wǎng)絡的不同實體之間傳輸控制消息，使用功率控制和信道接入時間共享兩種方法來共同優(yōu)化Wi-Fi和LTE-U網(wǎng)絡間的頻譜共享.

上述文獻都是在LTE-U和Wi-Fi公平共存策略上做了不同的改進，參考文獻[31]則采用數(shù)學方法-隨機幾何框架來評估Wi-Fi和LTE網(wǎng)絡的共存性能，根據(jù)LTE所采用的機制對介質訪問概率、信噪比覆蓋概率、成功傳輸密度和速率覆蓋率進行研究，結果表明LTE采用更短的傳輸占空比、更低的信道訪問優(yōu)先級、更敏感的CCA閾值(clear channel accessment)，可以提高Wi-Fi的成功傳輸密度和速率覆蓋率，能夠保證接收端的數(shù)據(jù)速率.采用數(shù)學方法對Wi-Fi和5G的公平性進行評估也是近幾年的重要的研究方向.

4 未來發(fā)展方向

本文的第二、三節(jié)主要通過對Wi-Fi技術、5G技術和5G與Wi-Fi融合組網(wǎng)技術速率發(fā)展過程的技術進行了總結.5G超高速低覆蓋，Wi-Fi高速高覆蓋，用Wi-Fi的高覆蓋彌補5G覆蓋率低的不足，5G網(wǎng)絡技術更加強大，Wi-Fi技術構建成本低，兩者融合組網(wǎng)既能能夠有效提高移動網(wǎng)絡對盲區(qū)的覆蓋，也能保證高速傳輸速率.顯然5G和Wi-Fi的融合通信技術仍然將會是工業(yè)大數(shù)據(jù)時代的一個大的發(fā)展趨勢，當然5G和Wi-Fi融合通信傳輸速率的提高也離不開5G和Wi-Fi各自速率的提高.

高速傳輸將會成為工業(yè)大數(shù)據(jù)時代得以不斷發(fā)展的前提和基礎，但是隨著數(shù)據(jù)量的急劇增加，傳統(tǒng)的提速方法不能靈活的適應數(shù)據(jù)量的劇增，如何能保證數(shù)據(jù)量劇增時傳輸速率的穩(wěn)定和快速是一個需要研究的難點.隨著其他領域新興技術的出現(xiàn)，無線通信技術必然在未來會受到其他領域新興技術的啟發(fā)，并在此基礎上發(fā)展.結合已有的工作，就提高傳輸速率展望了未來的5G與Wi-Fi融合組網(wǎng)技術可能會出現(xiàn)以下幾個方面的研究方向.

與機器學習算法結合.機器學習是如今計算機領域的熱點研究課題之一.機器學習算法可以通過自身的訓練學習來獲得一個最優(yōu)解，這種方法對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的變化具有更好的適應性，并且準確率更高.就Wi-Fi而言，如何提高信道的利用率，優(yōu)化信道的配置，就可以使用機器學習算法去解決[11].從5G和Wi-Fi的融合角度而言，融合技術尋求的是最優(yōu)最公平的融合方式，如何平衡5G和Wi-Fi在LTE-U頻段上公平共存來實現(xiàn)5G與Wi-Fi進一步深入融合，可以通過與機器學習算法結合更好的實現(xiàn)公平性共存，比如可以通過機器學習中的Q-learing算法[44，45]對LTE-U進行自適應動態(tài)無線環(huán)境的變化的訓練，獲取最優(yōu)參數(shù)，從而實現(xiàn)與Wi-Fi公平共存.該方法的優(yōu)越性也表明機器學習算法在公平性組網(wǎng)上的應用將會是一個重要的研究方向.

與博弈論結合.事實上，博弈論已經(jīng)運用在很多領域，比如生物學、經(jīng)濟學、計算機學等.當研究的物體雙方出現(xiàn)競爭性、制約性的適合，就可以使用博弈論研究問題的最優(yōu)策略.就5G而言，可以將5G的覆蓋范圍和能源效率建模成一個博弈論問題[46]，用基站的加權能效作為主要的性能指標，其最佳的策略便是既能提高能源效率又能確保覆蓋范圍的穩(wěn)定.另一方面，LTE-U和Wi-Fi的融合技術也可以與數(shù)學領域的博弈論知識相結合[47，48]，當研究LTE-U和Wi-Fi之間有效的共存機制時，既要滿足用戶的服務質量(QOS)，同時又要保護多個Wi-Fi接入點(WAP)的性能，在這兩個約束條件下以LTE-U的傳輸速率作為基準，可以使用博弈論解決了LTE-U總速率最大化的問題.

雖然說5G和Wi-Fi的融合技術重要的發(fā)展還是集中在LTE-U和Wi-Fi的融合，主要是因為LTE-U和Wi-Fi都在2.4GHz和5GHz工作，隨著Wi-Fi技術和移動蜂窩技術的發(fā)展，不排除未來的融合技術會在更高的頻段上共存的可能.

5 總 結

本文首先從工業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展現(xiàn)狀引出工業(yè)無線通信技術，從傳輸速率角度著重對Wi-Fi技術、5G技術和5G與Wi-Fi融合組網(wǎng)技術的關鍵技術進行分析，得出未來5G和Wi-Fi融合組網(wǎng)技術才是能夠滿足工業(yè)大數(shù)據(jù)時代需求的無線通信技術.但是目前5G和Wi-Fi的融合技術也處在一個起步階段，隨著數(shù)據(jù)量的增加，為了更好的滿足用戶對于數(shù)據(jù)傳輸速率的訴求，5G需要和Wi-Fi更深入的融合，從技術方面講，可以將機器學習和博弈論與之結合，保證其能夠更好的適應數(shù)據(jù)量的劇增，保證傳輸速率快速和穩(wěn)定.