面向工业物联网低时延、高可靠传输需求的网络容量分析及编码实现

Under the impetus of the new round of information technology revolution, industrial 4.0 represents a novel industrial revolution in the ascendant; fundamental characteristics and significance of the progress achieve industrial production of wisdom. The development of CPS innovation technology is to ensure interconnection of large-scale intelligent devices in the future and to promote intelligent manufacturing and social systems. It is a key component of industry 4.0 and also a major domestic development strategy. Network transmission is the core support of the CPS system for interconnection and interworking between machines. However, the communication technologies currently used in industry can’t meet the technical requirements of CPS systems with low latency, high reliability and high bandwidth. This project comprehensively analyzes the inherent relationship among delay, reliability and bandwidth of CPS wireless networks. It focuses on three scientific issues: the network capacity of M2M short data packet transmission suitable for industrial environments, SLV low complexity search, and implementation of codec with low complexity. This project breakthroughs the following key technologies: designing of feedback codebook, searching of avoiding duplication of SLV, and eliminating low-loop coding structure. It also reflects three differences for CPS wireless network transmission: packet length, interference cancellation and data feedback. The research achievements will make useful exploration for the efficient CPS transmission in the context of the deep integration of two cultures and the development of intelligent manufacturing.

在新一轮信息技术革命的推动下，以工业4.0为代表的新工业革命方兴未艾，其根本特征和进步意义在于实现智慧的工业化大生产。发展CPS创新技术是为了保障未来大规模智能设备互联，促成制造与社会系统走向智能化，是工业4.0关键内容，也是国内重大发展战略。网络传输是CPS系统实现机器间互联互通的核心支撑，但当前工业采用无线通信技术均无法满足CPS系统低延时、高可靠和高带宽等技术需求。本项目全面分析CPS无线网络延时、可靠性和带宽之间的内在联系，重点研究适用于工业环境的M2M短数据包传输的网络容量、最短Lattice向量(SLV)低复杂度搜索和编解码低复杂度实现的三个科学问题，重点突破反馈码本设计、避免重复SLV搜索和消除低环路编码结构等关键技术，为CPS无线网络传输实现“三个不同”：信息分组长度、干扰消除方式和数据反馈方式。项目研究成果将为两化深度融合和智能制造发展背景下的CPS高效传输进行有益探索。

发展CPS创新技术是为了保障未来大规模智能设备互联，促成制造与社会系统走向智能化，是工业4.0关键内容，也是国内重大发展战略。网络传输是CPS系统实现机器间互联互通的核心支撑，但当前工业采用无线通信技术均无法满足CPS系统低延时、高可靠和高带宽等技术需求。本项目全面分析CPS无线网络延时、可靠性和带宽之间的内在联系，重点研究适用于工业环境的M2M短数据包传输的网络容量、最短Lattice向量(SLV)低复杂度搜索和编解码低复杂度实现的三个科学问题，重点突破反馈码本设计、避免重复SLV搜索和消除低环路编码结构等关键技术。具体研究成果包括：(1) 利用CoF-MAC 子网络的研究成果，分析无反馈网络的DoF 性能。(2) 利用max-min 选择码字规则，构建码字的超球面空间，分析反馈网络的DoF 性能。(3) 利用网络容量研究成果，建模中继分簇优化虚拟全双工网络的容量优化问题和编码实现，具体如下：.本项目特别考虑了具有典型的网络信道模型：如N-Los的瑞利衰落信道和Los的莱斯衰落信道；在衰落信道下，遍历容量或则中断容量成为判断系统的容量的重要标准，因此研究了多源多目的的中断性能和中断容量，发现CoF-MAC协议具有较好的中断容量，在此基础上，将多跳网络渐进容量区间到网络容量上、下界。另外，由于CoF协议对整数倍的Lattice码字执行网络计算，需要选择整数向量a，最大化CoF-MAC子网络的网络计算容量C(a,h)，等价于最小化归整Lattice码字导致的容量损失，这与无线链路hm相关，将优化系统DoF渐近容量问题转换成逼近实数的Diophantine整数逼近问题。然后证明中继分簇优化虚拟全双工网络的容量优化问题为NP问题，然后提出解决问题方案。