5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

鄧愛(ài)林，馮鋼，劉夢(mèng)婕(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都611731)0引言5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，除了滿足傳統(tǒng)消費(fèi)者市場(chǎng)的大帶寬需求以外，同時(shí)也滿足各種工業(yè)場(chǎng)景的移動(dòng)通信需求，并具備更高的安全性和可靠性[1]。4G促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的繁榮，而5G將是驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合發(fā)展已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界共識(shí)[2-4]。我國(guó)高度重視5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，近年來(lái)制定了多項(xiàng)政策推進(jìn)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用示范落地[5]。工業(yè)和信息化部在2020年3月發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展的通知》，提出加快推動(dòng)5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展[6]。2020年5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，煤礦、鋼鐵、港口、制造等超過(guò)20個(gè)行業(yè)已經(jīng)部署5G示范應(yīng)用，在我國(guó)已有超過(guò)5000個(gè)商用創(chuàng)新項(xiàng)目正在實(shí)施落地。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景不同于傳統(tǒng)的消費(fèi)者業(yè)務(wù)場(chǎng)景，工業(yè)應(yīng)用需要可保障的用戶速率、超低時(shí)延和極高可靠性等性能指標(biāo)，要求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)從“盡力而為”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按_定性”的體驗(yàn)保障。5G具備高速率、低時(shí)延高可靠、低功耗大連接、高精度定位等性能特征，可以促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，但是5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合仍存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，還需要突破很多關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。此前，已有較多關(guān)于eMBB(enhancedmobilebroadband)、URLLC(ultra-reliableandlowlatencycommunications)和mMTC(massivemachinetypecommunication)等5G技術(shù)的介紹性研究報(bào)告，或者是解讀3GPP(3rdgenerationpartnershipproject)協(xié)議特性的文獻(xiàn)，但缺少系統(tǒng)性總結(jié)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)以及思考未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的文獻(xiàn)。例如，文獻(xiàn)[7-8]分別從低時(shí)延高可靠和蜂窩定位角度解析3GPP協(xié)議特性；文獻(xiàn)[9]梳理了5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)和解決方案，但其重點(diǎn)關(guān)注的是邊緣計(jì)算、安全和人工智能等，未涉及關(guān)鍵的空口技術(shù)的分析。因此，本文對(duì)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理、全面性的總結(jié)以及整體性的論述。15G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景與需求1.1應(yīng)用場(chǎng)景工業(yè)制造數(shù)字化、智能化需要先進(jìn)的信息與通信技術(shù)(informationandcommunicationstechnology，ICT)。多樣化的需求和動(dòng)態(tài)不確定的環(huán)境，是當(dāng)前制造行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)，面向不同消費(fèi)群體的細(xì)分市場(chǎng)和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，柔性制造變得越來(lái)越重要。柔性制造需要生產(chǎn)線布局的靈活調(diào)整，但傳統(tǒng)的通信線纜阻礙了生產(chǎn)線的調(diào)整，因此，需要用無(wú)線技術(shù)替代有線連接。當(dāng)前工業(yè)制造領(lǐng)域使用的無(wú)線通信協(xié)議眾多、各有不足且相對(duì)封閉，工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通難，亟需能夠滿足工業(yè)場(chǎng)景的新一代無(wú)線技術(shù)。5G具備更低的時(shí)延、更高的速率、更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，是工業(yè)領(lǐng)域新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。5G支撐智能制造和工業(yè)控制的應(yīng)用場(chǎng)景可以涵蓋原料的采購(gòu)和搬運(yùn)，產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)檢，設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)控等多個(gè)環(huán)節(jié)[10-11]。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景如表1所示。表15G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景Tab.15G+industrialInternetapplicationscenarios1.2技術(shù)要求1)交互類業(yè)務(wù)對(duì)上行帶寬的要求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求主要是上行。機(jī)器視覺(jué)對(duì)上行帶寬的要求根據(jù)圖像的像素、幀率等有所不同。對(duì)單點(diǎn)上行速率要求，普通電器制造行業(yè)要求較低，一般小于20Mbps；3C電子制造行業(yè)一般為30～100Mbps；而在飛機(jī)等精密制造行業(yè)，要求超高清圖片且不能壓縮，要求可達(dá)到600Mbps。遠(yuǎn)程操控和高清監(jiān)控是港口、鋼鐵和煤礦行業(yè)的典型自動(dòng)化場(chǎng)景需求，這些場(chǎng)景中對(duì)單點(diǎn)視頻上傳的訴求一般是2～20Mbps，多點(diǎn)視頻并發(fā)時(shí)上行容量的需求可達(dá)300Mbps～1Gbps。2)控制類業(yè)務(wù)對(duì)低時(shí)延高可靠的要求。3GPP定義URLLC控制面時(shí)延小于10ms，環(huán)回時(shí)延小于1ms，32B包可靠度達(dá)99.999%[12-14]。但在實(shí)際應(yīng)用中，不同業(yè)務(wù)的要求不盡相同。根據(jù)行業(yè)項(xiàng)目交付經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械遠(yuǎn)程控制場(chǎng)景一般要求為20～50ms@99.99%(@99.99%表示可靠性達(dá)到99.99%)；AGV遠(yuǎn)控場(chǎng)景一般要求時(shí)延為50～100ms，多AGV協(xié)同場(chǎng)景要求小于20ms，并且支持移動(dòng)時(shí)仍能滿足上述要求；PLC無(wú)線化場(chǎng)景對(duì)時(shí)延可靠性要求更高，PLC北向(PLC到上位機(jī))要求20ms@99.99%，PLC東西向(PLC到PLC)要求4～20ms@99.999%，PLC南向(PLC到伺服和I/O)要求1～4ms@99.999%。3)人員定位和資產(chǎn)定位的要求?；谛袠I(yè)定位場(chǎng)景的分析，主要應(yīng)用場(chǎng)景為面向人員的定位和面向資產(chǎn)的定位。面向人員的定位，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括員工軌跡分析、電子圍欄、緊急救助、訪客管理等，精度要求小于1m，電池續(xù)航要求一般30～60天。面向資產(chǎn)的定位，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括資產(chǎn)盤(pán)點(diǎn)、生產(chǎn)資源調(diào)度、車輛管理等，定位精度一般要求1～3m，但對(duì)電池使用年限要求高，一般1～3年。對(duì)于AGV引導(dǎo)等應(yīng)用場(chǎng)景定位精度為厘米級(jí)，當(dāng)前5G無(wú)法支持。4)網(wǎng)絡(luò)隔離和對(duì)接工業(yè)以太的要求。與公眾移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向某些特定企業(yè)用戶和工業(yè)應(yīng)用提供服務(wù)，其主要業(yè)務(wù)要求為：①出于性能、安全和隱私方面訴求，與公眾網(wǎng)絡(luò)隔離，防止公眾網(wǎng)絡(luò)故障的影響；②支持網(wǎng)絡(luò)切片，使企業(yè)方便地獲得定制化且具有隔離性的服務(wù)；③能夠提供L3層VPN(virtualprivatenetwork)服務(wù)，以及L2層LAN(localareanetwork)服務(wù)；④為工業(yè)協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上提供足夠的確定性和可靠性。25G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)有技術(shù)綜述結(jié)合5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，本節(jié)總結(jié)上行超寬帶、低時(shí)延高可靠、低功耗高精度定位、低功耗大連接和行業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)這五大方向上的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r、相關(guān)的研究方法和研究思路。2.1上行超寬帶技術(shù)針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景對(duì)上行帶寬高達(dá)1Gbps的需求，3GPP協(xié)議中對(duì)多種上行增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了定義和增強(qiáng)，可分為空、時(shí)、頻3個(gè)維度。在空間維度，主要技術(shù)為多天線空分復(fù)用，5G引用了大規(guī)模多入多出(MassiveMIMO)技術(shù)；在時(shí)間維度，可以通過(guò)調(diào)整上下行時(shí)隙配比來(lái)提升上行容量，5G采用了靈活的上下行時(shí)隙配比；在頻率維度，5G引入了多種多頻段協(xié)同技術(shù)，可利用多個(gè)頻段的協(xié)同組網(wǎng)來(lái)增強(qiáng)Sub-6GHz和毫米波頻段的上行覆蓋。1)MassiveMIMO多天線空分復(fù)用。MassiveMIMO是5G中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)[15]，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶在上下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，利用空分復(fù)用技術(shù)使用相同的OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)時(shí)頻資源，同時(shí)傳輸多流數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)的上下行容量和頻譜效率。2)動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用和大上行時(shí)隙配比。目前5G主流時(shí)隙配比為8∶2和7∶3等，可以通過(guò)改變時(shí)隙配比將更多的資源分配給上行，采用時(shí)隙配比為DSUUU的幀結(jié)構(gòu)，上行單用戶峰值速率和小區(qū)容量可提升2～3倍。另外，動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用技術(shù)是5G的一個(gè)重要的研究方向[16-17]，在提升網(wǎng)絡(luò)整體性能的同時(shí),也帶來(lái)了小區(qū)間的交叉時(shí)隙干擾問(wèn)題，可通過(guò)干擾檢測(cè)、動(dòng)態(tài)幀結(jié)構(gòu)調(diào)整、干擾規(guī)避和干擾消除等技術(shù)方案降低交叉時(shí)隙干擾影響[18-19]。3)上下行解耦和超級(jí)上行技術(shù)。上下行解耦是在一個(gè)蜂窩小區(qū)中有一個(gè)下行載波和2個(gè)上行載波，新增的一個(gè)上行載波部署在頻點(diǎn)較低的頻段上(通常為Sub-3G頻段)，改善了遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋。超級(jí)上行通過(guò)上下行通道的時(shí)分雙工與頻分雙工協(xié)同，高頻低頻互補(bǔ)，時(shí)域頻域聚合，實(shí)現(xiàn)了5G全時(shí)隙上行，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的上行能力。2.2低時(shí)延高可靠技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景對(duì)時(shí)延可靠性的要求是端到端的，決定URLLC時(shí)延的因素有：終端能力、空口關(guān)鍵技術(shù)、基站設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層處理時(shí)延等，其中空口時(shí)延占比高、抖動(dòng)大，因此降低空口時(shí)延是URLLC的關(guān)鍵舉措。URLLC空口技術(shù)從理論上可以總結(jié)為：在低時(shí)延和高可靠的約束下，如何最大化系統(tǒng)效率。URLLC空口分為4個(gè)主要的關(guān)鍵技術(shù)研究方向，即低時(shí)延技術(shù)、高可靠技術(shù)、URLLC與eMBB復(fù)用技術(shù)和降資源開(kāi)銷技術(shù)，具體文獻(xiàn)參見(jiàn)表2。表2URLLC關(guān)鍵技術(shù)和研究?jī)?nèi)容Tab.2URLLCkeytechnologiesandresearch1)低時(shí)延關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)eMBB的空口時(shí)延，上下行單次回環(huán)約9.5個(gè)時(shí)隙，無(wú)法滿足空口環(huán)回時(shí)延小于1ms的要求[26]。為了滿足低時(shí)延的需求，協(xié)議為NR定義不同的子載波間隔(subcarrierspace,SCS)，SCS越大，時(shí)隙長(zhǎng)度越短，意味著調(diào)度單元越短，時(shí)延越小。同時(shí)，協(xié)議還引入了快速上行接入(ULgrantfree)技術(shù)，無(wú)需基站許可的傳輸方式，從而縮短了上行的信令時(shí)延。2)高可靠關(guān)鍵技術(shù)。高可靠性定義為在一定時(shí)延要求下正確傳輸數(shù)據(jù)包的概率，提高可靠性的技術(shù)包括單鏈路可靠性提升和多鏈路分集技術(shù)。傳統(tǒng)CQI表對(duì)應(yīng)的誤塊率目標(biāo)值為10%，無(wú)法達(dá)到URLLC的可靠性要求，采用頻譜效率較低的MCS可實(shí)現(xiàn)高可靠傳輸。為了應(yīng)對(duì)單鏈路支持高可靠的挑戰(zhàn)，5G支持建立多鏈路分集傳輸[22-23]。HARQ是一種時(shí)間分集，適用于時(shí)延要求明顯超過(guò)HARQ重傳時(shí)間的業(yè)務(wù)。在時(shí)延要求更嚴(yán)格的場(chǎng)景，需要頻率分集和空間分集，包括多天線單流分集、多TRP空間分集以及PDCP復(fù)制頻率分集進(jìn)行可靠性增強(qiáng)。3)URLLC與eMBB復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)URLLC業(yè)務(wù)和eMBB業(yè)務(wù)混合時(shí)，URLLC業(yè)務(wù)的QoS是必須要保證的，因此命題就轉(zhuǎn)化為在保證URLLC業(yè)務(wù)質(zhì)量的前提下，使eMBB容量最大化。這個(gè)技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是實(shí)際建模和求解困難，目前最簡(jiǎn)單的方法是搶占，思想是將傳輸隊(duì)列分為幾個(gè)優(yōu)先級(jí)，在具有更高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列為空之前，其他隊(duì)列不能被服務(wù)。4)降資源開(kāi)銷關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)URLLC業(yè)務(wù)概率時(shí)延約束進(jìn)行建模，以最小化占用資源為目標(biāo)，求解URLLC業(yè)務(wù)所需的資源消耗下界，就可獲得滿足低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)傳輸?shù)逆溌芳捌渌鶎?duì)應(yīng)的調(diào)制編碼格式。文獻(xiàn)[25-26]基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算分析，給出推導(dǎo)了滿足URLLC業(yè)務(wù)概率時(shí)延約束的資源預(yù)留比例的下界。2.3低功耗高精度定位技術(shù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)提供高性能通信和高精度定位功能，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下優(yōu)勢(shì)明顯。從5G定位原理的角度，定位技術(shù)可分為3種類型：幾何定位、指紋定位和鄰近關(guān)系定位。不同蜂窩定位技術(shù)如表3所示。相對(duì)4G定位，5G定位存在2個(gè)天然優(yōu)勢(shì)：①5G支持大帶寬，時(shí)域時(shí)間分辨率更高，相對(duì)4G具備5～20倍的定位精度優(yōu)勢(shì)；②5G原生支持MassiveMIMO技術(shù)，使得AOA測(cè)量更加精確，進(jìn)一步提升了5G定位能力。表3蜂窩定位技術(shù)對(duì)比Tab.3Comparisonofcellularpositioningtechnologies2.4低功耗大連接技術(shù)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大連接技術(shù)，采用低速率和中高速率IoT技術(shù)協(xié)同發(fā)展的方式，低速率業(yè)務(wù)由NB-IoT承載，中高速率業(yè)務(wù)由5GNRRedCap承載。NB-IoT具備超強(qiáng)覆蓋、超低功耗、超低成本、超大連接四大關(guān)鍵技術(shù)。RedCap設(shè)備相對(duì)于Rel-15NR設(shè)備，主要功能差異包括：降低帶寬、減少最大MIMO層數(shù)、降低最大下行調(diào)制階數(shù)等，有助于降低基帶復(fù)雜度；減少接收天線數(shù)量，F(xiàn)DD半雙工操作，有助于降低天線和RF成本。2.5垂直行業(yè)5G組網(wǎng)技術(shù)5G持續(xù)加強(qiáng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力已向垂直行業(yè)擴(kuò)展，當(dāng)前的主要組網(wǎng)技術(shù)包括非公共網(wǎng)絡(luò)(non-publicnetwork，NPN)、5G+時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(timesensitivenetworking，TSN)、5G局域網(wǎng)(5GLAN)。NPN是基于3GPP5G系統(tǒng)架構(gòu)的專用網(wǎng)絡(luò)，它將5G擴(kuò)展到傳統(tǒng)的公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之外，意味著工廠內(nèi)的設(shè)備信息、控制面信令流量、用戶面數(shù)據(jù)流量等都不會(huì)出園區(qū)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域嚴(yán)苛的數(shù)據(jù)安全、低時(shí)延和高可靠需求；TSN可以滿足工業(yè)制造應(yīng)用的高可靠、低時(shí)延需求，5G系統(tǒng)與TSN網(wǎng)絡(luò)集成，基于5GURLLC的低時(shí)延高可靠能力，可通過(guò)5GNR無(wú)線替代工廠內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，讓工業(yè)生產(chǎn)更加柔性化；5GLAN支持在一組接入終端間構(gòu)建二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端組內(nèi)數(shù)據(jù)交換和用戶面路徑選擇。35G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。3.1通過(guò)分布式MassiveMIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)泛在的一致性體驗(yàn)工業(yè)生產(chǎn)要求在覆蓋區(qū)域內(nèi)提供泛在的一致性體驗(yàn)，即在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何位置，都需要滿足工業(yè)生產(chǎn)所需的網(wǎng)絡(luò)速率和時(shí)延要求，否則將會(huì)影響生產(chǎn)效率。這種“全區(qū)域泛在一致性體驗(yàn)”要求明顯高于“盡力而為的體驗(yàn)”要求。傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接連接，缺乏靈活性，但可以確保資源，且不受周邊環(huán)境的影響。無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是干擾受限的軟容量系統(tǒng)，系統(tǒng)的容量和信噪比成正比。單個(gè)無(wú)線蜂窩小區(qū)的覆蓋面積和容量有限，因此，大型工廠車間無(wú)法由單小區(qū)完全覆蓋。運(yùn)營(yíng)商通常采用小區(qū)分裂的方式組網(wǎng)，從而滿足行業(yè)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的覆蓋和容量需求。由于無(wú)線多小區(qū)組網(wǎng)中存在小區(qū)交疊和小區(qū)邊緣區(qū)域，該區(qū)域信噪比極低，難以保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何位置都具備確定性體驗(yàn)?zāi)芰?。多天線技術(shù)作為提高頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經(jīng)應(yīng)用于多種無(wú)線通信系統(tǒng)。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多屬于室內(nèi)場(chǎng)景，難以部署宏站場(chǎng)景下的AAU(activeantennaunit)天線，因此需要分布式MassiveMIMO技術(shù)，將多個(gè)4T4R射頻單元組成一個(gè)MassiveMIMO小區(qū)。分布式MassiveMIMO方案原理如圖1所示，其中BBU負(fù)責(zé)集中信號(hào)處理，RHUB負(fù)責(zé)前傳數(shù)據(jù)接口匯聚，pRRU為分布式的射頻單元。分布式MassiveMIMO技術(shù)將傳統(tǒng)的集中部署方式拓展至分布式部署，在多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)之間引入智能協(xié)作，實(shí)現(xiàn)資源的聯(lián)合調(diào)度和數(shù)據(jù)的聯(lián)合發(fā)送，從而突破了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中由頻率資源靜態(tài)支配所帶來(lái)的局限。分布式超大規(guī)模MIMO技術(shù)一方面將干擾轉(zhuǎn)化為增益，有效解決小區(qū)間的干擾問(wèn)題，為用戶帶來(lái)無(wú)邊界性能體驗(yàn)；另一方面通過(guò)MU-MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束空分復(fù)用，顯著提升小區(qū)容量。圖1分布式MassiveMIMO方案原理Fig.1PrincipleofdistributedmassiveMIMOsolution隨著基帶處理能力的提升和小區(qū)頻譜效率要求的進(jìn)一步提高，通信網(wǎng)絡(luò)需要大規(guī)模的分布式天線系統(tǒng)，也稱為超大口徑天線陣(extremelylargeaperturearray,ELAA)[27]。分布式的超大規(guī)模MIMO將更大區(qū)域的天線聯(lián)合處理，可以有效降低小區(qū)間干擾水平，提升區(qū)域頻譜效率；同時(shí)，ELAA帶來(lái)了天線口徑的顯著提升，改變了整個(gè)信道的等效模型，傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)平面波模型不再與真實(shí)性能匹配，取而代之的是近場(chǎng)球面波模型，隨之而來(lái)的還有天線間自由度的提升和小區(qū)容量的增長(zhǎng)；天線數(shù)量的顯著增長(zhǎng)還會(huì)帶來(lái)信道硬化特征，為信道估計(jì)和預(yù)測(cè)帶來(lái)了便利，這可以降低系統(tǒng)導(dǎo)頻開(kāi)銷，進(jìn)一步提升匹配效率。在分布式超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，不同天線間信道功率差問(wèn)題、基帶稀疏信號(hào)處理、低復(fù)雜度MU-MIMO配對(duì)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。分布式超大規(guī)模MIMO為需要上下行大容量、穩(wěn)定數(shù)據(jù)速率的制造行業(yè)提供了有效的解決方案。在未來(lái)，尤其是更高頻段、密集部署場(chǎng)景中，超大規(guī)模MIMO將呈現(xiàn)出極大應(yīng)用潛力。3.2使用室內(nèi)毫米波技術(shù)滿足極限大上行容量需求工業(yè)場(chǎng)景對(duì)上行大容量存在明確的需求，例如高精度工業(yè)相機(jī)單張照片要求高達(dá)4000萬(wàn)像素。同一區(qū)域往往有多個(gè)相機(jī)同時(shí)工作，每千平方米網(wǎng)絡(luò)上行容量的要求達(dá)3Gbps以上，從而形成局部上行容量熱點(diǎn)區(qū)域。為了支撐制造場(chǎng)景下熱點(diǎn)區(qū)域的超大上行需求，引入更多頻譜資源是最有效的方案。當(dāng)前5G主要使用Sub6GHz頻譜，典型場(chǎng)景下單個(gè)運(yùn)營(yíng)商可使用頻譜為100～200MHz。毫米波頻段可以提供更多頻譜資源，當(dāng)前已分配的26GHz、28GHz、39GHz可以提供超過(guò)10GHz總帶寬，未來(lái)45GHz、47GHz、68GHz和E-Band將提供更多可用的帶寬資源。與室外場(chǎng)景相比，毫米波更適用于室內(nèi)場(chǎng)景。室內(nèi)的多隔斷特征，結(jié)合毫米波頻點(diǎn)的穿損大特征，可以天然形成多個(gè)隔離區(qū)域，這樣就可以通過(guò)小區(qū)分裂提升頻率復(fù)用度。毫米波在室內(nèi)場(chǎng)景的傳播特性不同于室外，由于存在反射和波導(dǎo)現(xiàn)象，在室內(nèi)傳播的路損更小[28]，從而提供更好的覆蓋能力。雖然毫米波的帶寬優(yōu)勢(shì)有滿足大上行容量的潛力，但在實(shí)際系統(tǒng)中真正發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)，室內(nèi)毫米波系統(tǒng)還需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：①相噪問(wèn)題，高頻相噪將限制毫米波高階QAM(quadratureamplitudemodulation)的應(yīng)用，從而制約了高頻系統(tǒng)的容量上限；②全信道信息獲取問(wèn)題，HBF(hybridbeamforming)架構(gòu)是當(dāng)前主流的高頻架構(gòu)，獲取所有天線陣子的全信道信息是提升模擬權(quán)值性能的關(guān)鍵；③波束開(kāi)銷問(wèn)題，高頻一般會(huì)采用模擬窄波束提升覆蓋，如何控制波束開(kāi)銷是高頻系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題；④校正問(wèn)題，為了獲取高頻的窄波束增益，需要對(duì)通道時(shí)延進(jìn)行精確校準(zhǔn)才能保證模擬波束的方向性。3.3通過(guò)信道預(yù)測(cè)和應(yīng)用層聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)URLLC增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空口不受控因素多，人員、設(shè)備的移動(dòng)或遮擋會(huì)影響無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，系統(tǒng)內(nèi)鄰區(qū)用戶、系統(tǒng)外干擾會(huì)影響無(wú)線信號(hào)質(zhì)量，從而導(dǎo)致無(wú)線空口的時(shí)延波動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失。無(wú)線通信系統(tǒng)一般通過(guò)數(shù)據(jù)包重傳和資源冗余來(lái)提升業(yè)務(wù)可靠性，但是數(shù)據(jù)包重傳會(huì)增加時(shí)延，資源冗余會(huì)導(dǎo)致資源的成倍消耗。因此，如何兼顧時(shí)延、可靠性和頻譜效率是URLLC最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)前針對(duì)URLLC已有較多的技術(shù)研究，但是大多數(shù)是通過(guò)調(diào)度算法和MCS選擇算法優(yōu)化來(lái)提升URLLC的資源效率，無(wú)法從根本上突破低時(shí)延高可靠的瓶頸?，F(xiàn)有方案通過(guò)盡力而為的方式補(bǔ)償信號(hào)波動(dòng)，缺少對(duì)無(wú)線環(huán)境變化的主動(dòng)預(yù)測(cè)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)序預(yù)測(cè)或深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，結(jié)合用戶的歷史數(shù)據(jù)，可以對(duì)無(wú)線信號(hào)的波動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以更快和更可靠地響應(yīng)信道的變化。在未來(lái)，通過(guò)多維度融合感知、視覺(jué)等非無(wú)線的環(huán)境信息作為輸入，可在不犧牲頻譜效率的情況下有效解決信號(hào)遮擋問(wèn)題。從系統(tǒng)角度分析，真正影響應(yīng)用層業(yè)務(wù)可靠性的是應(yīng)用層的連續(xù)錯(cuò)包或丟包(即工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中的Watchdog機(jī)制)，空口在一定時(shí)間內(nèi)的丟包和重傳在應(yīng)用層是不感知的。當(dāng)前的URLLC業(yè)務(wù)對(duì)5G空口時(shí)延可靠性要求太高，而忽略了應(yīng)用層的容錯(cuò)機(jī)制，影響了URLLC的頻譜效率。通過(guò)5G空口和應(yīng)用層的聯(lián)合設(shè)計(jì)，優(yōu)化應(yīng)用層機(jī)制后，空口側(cè)存在放寬嚴(yán)格時(shí)延和可靠性要求的可能性。其中一種方案是改變時(shí)延可靠性的算法目標(biāo)，傳統(tǒng)方案是5G空口恒定保持99.999%的可靠性，而基于應(yīng)用層聯(lián)合設(shè)計(jì)，可以將目標(biāo)調(diào)整為保障應(yīng)用層不連續(xù)丟包。從理論角度出發(fā)，URLLC進(jìn)一步向1ms和99.9999%的目標(biāo)演進(jìn)，已經(jīng)接近或超過(guò)了無(wú)線空口的理論上限。傳統(tǒng)的香農(nóng)容量適用于無(wú)限長(zhǎng)度的編碼塊長(zhǎng)，但是對(duì)于IoT網(wǎng)絡(luò)使用有限長(zhǎng)度、甚至非常短的編碼塊長(zhǎng)，香農(nóng)容量則不夠準(zhǔn)確。Polyanskiy提出短/有限塊長(zhǎng)編碼，可以彌補(bǔ)香農(nóng)理論的缺陷，更適合URLLC業(yè)務(wù)[29-31]。3.4通過(guò)NLOS定位增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)5G復(fù)雜環(huán)境亞米級(jí)定位5G具備大帶寬優(yōu)勢(shì)，更適合基于時(shí)間測(cè)量的幾何定位算法，準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)是定位精度的關(guān)鍵。視距(LOS)場(chǎng)景有利于TOA測(cè)量精度，但在實(shí)際的制造工廠環(huán)境中，存在大量的信號(hào)遮擋和金屬物體多徑反射，無(wú)法獲取理想的LOS場(chǎng)景。針對(duì)工廠復(fù)雜環(huán)境下的5G定位，需要研究NLOS定位誤差消除算法、高精度指紋定位和圖像融合定位等技術(shù)。消除NLOS定位誤差的方法主要有最優(yōu)化方法、信道分類和虛擬錨節(jié)點(diǎn)。最優(yōu)化方法在定位幾何方程組無(wú)法求解的情況下，將定位問(wèn)題轉(zhuǎn)換為最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)求解最優(yōu)解獲得終端的估計(jì)位置[32]。信道分類方法先判斷信道是否為直視路徑，若為直視路徑，則選用此信道的測(cè)距值，否則排除該測(cè)距值再進(jìn)行定位。主要的信道分類方法包括利用幾何知識(shí)、參數(shù)化信道和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法[33]。為了實(shí)現(xiàn)在只存在少量直視基站的情況下進(jìn)行定位，文獻(xiàn)[34]提出了虛擬錨節(jié)點(diǎn)的概念，虛擬錨節(jié)點(diǎn)是真實(shí)基站通過(guò)墻面的鏡面反射，利用反射路徑的信息進(jìn)行定位解算。高精度指紋定位的主要研究方向包括稀疏指紋庫(kù)增強(qiáng)、抗不確定環(huán)境魯棒算法、圖像融合定位等。NLOS指紋定位與AI算法的結(jié)合是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提高NLOS場(chǎng)景下首徑估計(jì)的精度，也可以基于AI提取更適合定位的無(wú)線信道特征作為指紋定位的輸入。雖然5G定位在3GPP標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究上持續(xù)演進(jìn)，并已經(jīng)取得明顯的精度提升，但在實(shí)際的復(fù)雜環(huán)境中達(dá)到預(yù)期效果，5G定位還需要解決2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。