面向工业自动化的D2D协同传输与计算基础理论研究

As the fast development of the industrial automation, a large number of industrial devices will access the cellular networks via D2D communications. This raises many new requirements, e.g., supporting a large number of nodes, supporting the unbalanced uplink and downlink services, providing low latency, high reliable, and highly secure communications. However, the traditional industrial wireless networks and cellular networks cannot meet those requirements. To deal with the issues, the project intends to investigate the cooperative D2D communication and computing theorem for industrial automation. We mainly uncover the basic principle of D2D access for complicated networks and provide the solutions for designing low latency high reliable D2D communications. Specifically, the main scopes of this project cover the following topics: spectrum sensing for industrial D2D networks, resource and interference management for D2D assisted cellular networks, D2D-assisted access control for massive MTC, highly reliable D2D communications with different latency demands in uplinks and downlinks, and highly reliable D2D communications with the integration of physical-layer security and traditional high-layer security. The simulation and testbed will also be designed to evaluate the performance of the proposal. The project is expected to facilitate the integration of the industry automation and cellular communications, to achieve the cellular network-assisted industrial D2D network, and to lay the foundation for the future formation of private service-oriented industry automation.

随着工业自动化的迅速发展，大量机器设备以D2D形式接入蜂窝网络，它们对无线通信提出新的要求，如需要支持大量节点、支持上下行非对称业务、满足低延迟、可靠性、高安全等要求。但是，传统工业控制网络和蜂窝网络的传输与计算理论无法满足以上需求。为了解决这些问题，本项目研究面向工业自动化的D2D协同传输与计算理论，主要探索复杂网络下新的D2D接入机理，给出低时延高可靠D2D传输的设计方法。具体研究内容包括：面向工业自动化的D2D频谱感知技术、基于蜂窝网辅助的资源与干扰管理技术、D2D通信辅助的海量MTC接入控制技术、非对称传输条件下不同时延优先级的D2D可靠通信技术、以及基于物理层安全与传统安全结合的D2D可靠传输技术。此外，本项目将搭建仿真平台，评估各种关键技术的性能。本项目的研究成果将促进工业自动化生产与蜂窝网络的融合，实现蜂窝辅助的工业D2D传输，为面向“私人订制”的工业自动化奠定基础。

随着工业自动化4.0的到来，信息化和工业化融合（“两化融合”），具有推动新型灵活可重构工业生产制造的巨大潜力，为无线通信发展带来巨大机遇。但是，目前5G对工业4.0中无线控制网络的支撑远远落后。为解决无线通信支撑工业4.0面临的一系列问题，亟需建立面向“两化融合”的无线控制网络新架构；形成基于“两化融合”的无线控制网络新理论；提出面向工业自动化中面向“两化融合”的海量设备接入和传输新技术；同时，作为有效应对工业自动化场景资源短缺、复杂干扰、以及超可靠低延迟需求的重要技术，本项目将D2D协同传输与计算融入上述新架构、新理论、以及新技术的研究中；最终保障工业自动化场景海量设备通信需求，支撑工业4.0的全面发展和落地。基于此，本项目主要研究内容如下：（1）构建了基于信息论的通信控制一体化新架构，使通信“理解”控制，实现无线控制网络中的“两化融合”，为保障控制性能的同时显著降低通信需求奠定理论基础；（2）提出了基于一体化的D2D传输与计算新理论，提供保障控制性能的同时显著降低通信需求的途径；（3）研究了面向工业自动化海量设备接入信道的基础理论限及具体应用，为海量设备接入新技术提供机制；（4）研究了基于网络切片的设备接入控制与资源分配新技术，为海量设备接入和传输提供保障；（5）研究了面向工业自动化的D2D链路调度分配技术，支撑链路传输需求；（6）搭建D2D通信以及通信控制一体化实验平台，针对所提的理论和方法进行仿真验证和实验性能评估，为面向工业自动化无线控制网络的D2D协作传输与计算基础理论研究提供支撑。通过项目实施，发表了论文88篇，其中SCI收录的期刊论文51篇，会议论文37篇；授权发明专利15项；建成通信控制一体化实验平台及D2D通信平台；本项目部分技术得到应用转化，授权专利“一种基于布谷鸟搜索算法的认知无线电网络频谱分配方法”应用于有关公司的产品；侯嘉教授获批面向智能制造应用的“丹凤朝阳”计划。综上，本项目超额完成研究成果。