工业互联网信道特性与建模研究综述_张建华.pdf

张建华，王玉洁，唐盼，等.工业互联网信道特性与建模研究综述（特邀文章）J.电波科学学报，2023，38（1）：3-14.DOI:10.12265/j.cjors.2022158ZHANG J H,WANG Y J,TANG P,et al.Overview of research on channel characteristics and modeling in the IIoT scenarios（Invited）J.Chinese journal ofradio science，2023，38（1）：3-14.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022158工业互联网信道特性与建模研究综述（特邀文章）张建华1*王玉洁1唐盼1刘宝玲1姜涛2（1.北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室,北京 100876；2.中国移动通信有限公司研究院,北京 100053）摘要 工业互联网(Industrial Internet of Things,IIoT)是 5G 及后 5G(beyond 5G,B5G)赋能工业制造的应用实例，也是“工业 4.0”时代工业生产从制造走向智造的关键基础.IIoT 场景的多样性与复杂性为该场景中通信系统的部署带来了挑战，准确刻画 IIoT 场景中的无线信道特性是该场景中通信系统设计和优化的前提.本文首先对 IIoT 场景特点进行了分析，其次根据现有文献调研总结了 IIoT 场景的信道特性，接着介绍了第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)标准中 IIoT 场景的信道特性建模方法，最后对未来 IIoT 场景的信道研究进行了展望.关键词5G；工业互联网(IIoT)；无线信道；信道特性；信道模型中图分类号TN929.5文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0003-12DOI 10.12265/j.cjors.2022158Overview of research on channel characteristics and modelingin the IIoT scenarios（Invited）ZHANG Jianhua1*WANG Yujie1TANG Pan1LIU Baoling1JIANG Tao2（1.Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China；2.China Mobile Research Institute,Beijing 100053,China）Abstract The Industrial Internet of Things (IIoT)is an application scenario of the 5th Generation MobileCommunication Technology(5G)and beyond 5G(B5G)enabling industrial manufacturing,and it is also the keyfoundation of industrial production moving from traditional manufacturing to intelligent manufacturing in the“Industry4.0”era.The variousity and complexity of the IIoT scenarios bring challenges to the deployment of communicationsystems in IIoT scenario.Accurately describing the characteristics of wireless channel is the premise for the design andoptimization of communication systems in the IIoT scenarios.This paper first analyzes the characteristics of the IIoTscenarios,and summarizes the propagation of the IIoT scenarios based on literature survey,then introduces themodeling method of channel characteristic in the IIoT scenarios in the 3rd Generation Partnership Project(3GPP)standard.Finally,the future prospect of channel research in the IIoT scenarios is presented.Keywords5G；Industrial Internet of Things(IIoT)；wireless channel；channel characteristics；channel model 引言工业互联网(Industrial Internet of Things,IIoT)的概念最早由美国通用电气公司于 2012 年提出，初衷是激活传统的工业过程，实现物理世界和数字世界的紧密结合1.IIoT 是通信技术赋能工业制造的产 收稿日期：2022-07-18资助项目：国家自然科学基金重点项目(92167202)；国家自然科学基金杰出青年基金(61925102)通信作者：张建华 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 物，其发展离不开通信技术的支持.传统的线缆连接面临部署和维护成本高、工期长、检修困难的难题，相比之下，无线网络可以大幅降低成本，显著提高生产效率，并且还可以使用无线传感器实现对工业全流程的泛在感知2.工业应用对无线网络提出了新的需求，例如用于远程辅助装配的增强现实技术要求网络达到 50 Mbps，通信时延小于 10 ms 等3.相比之前的无线通信技术，5G 首次将服务重点转向了垂直行业，其可以实现峰值数据速率达到 20 Gbit/s 以及时延低至 1 ms 等八个方面的性能提升4.随着 5G 技术的不断发展，在工业领域广泛使用无线通信技术成为可能.后 5G(beyond 5G,B5G)则将实现无线网络与 IIoT 的深度融合，进一步拓展和丰富 IIoT 的应用.无线信道是信号从发射端到接收端所经历的传播通道，信道建模是每一代移动通信系统设计、研发和性能评估的基础和前提5.为了实现 5G 以及B5G 与 IIoT 的高效融合，需要对 IIoT 场景下的信道传播特性进行研究，并建立可以准确刻画 IIoT 场景下无线信道的模型.传播环境是影响无线信道的关键因素，与传统室内办公室场景相比，IIoT 场景具有多样性与复杂性.多样性表现在生产不同产品的工厂内传播环境不同，同一工厂中不同功能区之间也表现出差异性；复杂性则表现在工厂内部物体材质、布局、形状、大小等各不相同，以及工作的机器设备带来的复杂电磁环境.IIoT 场景的多样性和复杂性导致无法用室内办公室场景的信道模型刻画其信道特性，需要针对 IIoT 场景展开信道特性分析以及建模.目前在 IIoT 信道及建模方面已经有一定的成果，本文将以综述的形式对 IIoT 场景的信道研究成果进行介绍.接下来本文将按照图 1 所示从四个方面展开介绍，第一节对 IIoT 场景特点进行了分析，第二节总结了由场景特点导致的 IIoT 信道特性，第三节将简述第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)标准中的信道特性建模方法，最后对未来IIoT 信道研究的方向进行展望.1.1 场景类型、大小、布局各异1.2 布满丰富的金属散射体1.3 存在运动的物体1.4 存在工作状态下的机器设备2.1 场景依赖性2.2 频率差异性2.3 时变特性2.4 电磁噪声干扰4.1 场景划分4.2 频谱拓展4.3 时变特性建模4.4 电磁噪声建模3.1 路径损耗3.2 LoS 概率3.3 时延扩展3.4 角度扩展3.5 双重移动性3.6 绝对时延1.场景特点2.信道特性3.信道特性建模4.未来展望图 1 IIoT 信道特性与建模研究综述章节框架Fig.1 A review framework for IIoT channel characteristics and modeling research 1 IIoT 场景特点图 2 所示为 5G 应用产业联盟(5G Alliance forConnected Industries and Automation,5G-ACIA)提出的 IIoT 场景平面结构6，该场景中不同区域有着不同的分工，不同分工决定了不同区域内的设备以及环境的特点.结合实际场景分析，IIoT 场景的特点主要体现在以下四个方面：180 m80 m15 m5 m5 m80 m生产区生产区生产区装配线装配线仓库调试区域办公室图 2 5G-ACIA 提出的 IIoT 场景平面结构6Fig.2 The layout of the IIoT scenario proposed by 5G-ACIA6 4电波科学学报第 38 卷 1.1 场景类型、大小、布局各异典型的 IIoT 场景包括仓库、加工车间、自动化车间等.场景面积可以从 20 m2 到 160 000 m2不等，天花板高度从 5 m 到 25 m 不等.该场景内部还可以被分成不同的功能区，例如生产区、流水线、仓库和办公区等，不同的 IIoT 场景这些功能区的配置和布局各不相同.场景维度的巨大差异会导致天线与通信设备分布情况不同，它们的相对高度以及通信设备的密集程度都需要考虑到信道特性研究中7.1.2 布满丰富的金属散射体在 IIoT 场景中存在丰富的大型机器设备，墙边或者天花板附近还可能有金属管道网或铁架，这些设备、管道、铁架的形状和分布情况导致无线信号的传播环境非常复杂，难以刻画.此外，由于设备、管道以及铁架等大多都是金属材质，因此在该场景中信号的反射强度往往较大.1.3 存在运动的物体5G/B5G 在 IIoT 场景中的主要应用场景包括远程设备操控、设备协同作业、无人智能巡检等，这些应用场景需要用到自动导引车、机械臂、无人机等辅助设备，这些物体会在场景中运动.运动的物体既是其他设备通信的时变散射体，也是自身通信时的移动性终端，最终都会导致信道的时变特性.1.4 存在处于运作状态的机器设备当工厂在运作时，电焊机、变频器、点火系统、稳压器以及高压输电线等设备都会辐射出大量的电磁噪声，当干扰噪声与通信信号处于同一频段时，会出现突发的脉冲噪声.移动无线通信系统的传输速率和传输质量最终都要受到无线信道和噪声的制约.2 IIoT 信道特性信道特性与信号的传播环境高度相关，IIoT 场景的上述特点带来了相应的信道特性，目前 IIoT 场景下的信道特性研究已经有了一定的成果.基于IIoT 场景特点以及当前的信道研究成果，本文将IIoT 信道特点总结为场景依赖性、频率差异性、时变特性以及电磁噪声干扰.接下来将对 IIoT 信道的每个特点进行具体的阐述.2.1 场景依赖性IIoT 信道特性具有明显的场景依赖性，不同类型和大小的 IIoT 场景中的信道体现出不同的特点，且在同一场景中，根据散射体密度以及天线高度可划分为不同的子场景，各子场景信道也有明显的差异.不同类型的场景中分布着不同材质的物体，这些物体对信号的反射强度不同会导致信道产生差异.文献 8 分别在包含高密度金属机械的工业环境以及造纸厂的纸制品仓库中进行了测量，这两个测