工业CPS中异构业务的大规模密集接入关键问题研究

Industrial Cyber-Physical Systems is the core of intelligent manufacturing, and the propeller of Zhejiang manufacturing transformation and upgrading. With the integration of the Internet and manufacturing, large-scale intensive access in industrial CPS is required. However, the existing network technology can not provide effective support. To this end, from four perspectives of the code domain dimension, spatial dimension, multi-cell collaboration, and heterogeneous traffic requirement, this project in-depth study large-scale intensive access mechanism: (1)high-performance SCMA access mechanism to match the industrial CPS intensive access, low energy consumption, low delay, short packet transmission characteristics; (2)fusion mechanism of large-scale MIMO technology and multiple access to meet the needs of ultra-dense access; (3)CoMP mechanism for large-scale intensive access to solve large-scale intensive access inter-cell interference problem; (4)heterogeneous traffic-oriented multi-dimensional resource allocation mechanism to protect heterogeneous traffic QoS requirements, and to support more traffic access. Furthermore, we carry out the performance verification and optimization of industrial CPS in the actual situation, and finally provide theoretical technical support and application case verification for large-scale intensive access of industrial CPS heterogeneous traffic, and promote the application of industrial CPS in Zhejiang intelligent manufacturing.

工业信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)是智能制造的核心要素，是浙江制造业转型升级的推进器。随着互联网与制造业的融合，催生了工业CPS大规模密集接入的迫切需求，致使现有网络技术无法提供有效支撑。为此，本项目从码域维度、空间维度、多小区协作、异构业务需求四个角度，深入研究大规模密集接入机制：(1)高性能SCMA接入机制，以匹配工业CPS密集接入、低能耗、低时延、小包传输的特点；(2)大规模MIMO技术与多址接入的融合机制，满足超密集接入的需求；(3)面向大规模密集接入的CoMP机制，解决大规模密集接入的区间干扰问题；(4)面向异构业务的多维度资源分配机制，保障异构业务QoS需求，支持更多业务接入。在此基础上，深入开展工业CPS实际场景下的性能验证与优化，最终为工业CPS异构业务大规模密集接入提供理论技术支撑和应用案例验证，推动工业CPS在浙江智能制造中的应用。

本项目针对工业CPS大规模密集接入和差异化的性能需求，从码域、空间域、网络协同等多个维度挖掘无线技术在大规模密集接入的潜力。.首先，系统构建了未来无线通信系统在物理层、MAC层和网络层可采用的关键技术，重点研究了高可靠低时延工业无线传输中的通信系统性能限、帧设计、信道编译码设计、导频设计、无握手接入、能量效率以及网络编码方案等关键技术，设计了包括联合用户设备检测与信道估计、上行数据接收和下行数据传输的三阶段传输协议，揭示了系统关键参数影响系统性能的机理。.其次，系统总结了NOMA和SCMA的基本理论、系统架构、系统性能、关键技术和应用。研究了基于空间调制的多天线NOMA方法，提出了应用于短码字极化码和SCMA的低复杂度极化码迭代接收方案，以适应工业CPS应用场景中小包传输占主导、低时延传输的实际需求。.第三，针对大规模MIMO的超密集系统场景，提出了支持用户信号在时域、频域和空间域均可混叠的新型非正交波束域多址接入框架，提出了三种基于波速空间分辨率的非正交波束构建算法。研究了用于空间分集MIMO的联合波束成形和天线选择，分析了非理想信道条件下、采用低精度ADC下的系统性能。.第四，研究了非正交大规模接入CoMP系统中不同用户簇之间的导频序列配置、用户分簇和功率分配方案，提出了基于角度域的考虑角度估计误差的鲁棒用户分簇和功率控制方法，研究了在信道不理想、硬件不理想情和多天线配置情况下的系统性能，设计了在不理想情况下的非线性预编码方案。.第五，研究了移动边缘计算场景下的混合波束形成和复杂任务卸载的联合优化问题，提出了包括信道状态信息获取、发送信号设计、信息解码和能量采集在内的物联网统一传输架构，研究了下非理想信道状态信息、串行干扰抵消、非线性能量采集等实际因素约束下的鲁棒优化问题。.最终为工业CPS异构业务大规模密集接入提供理论技术支撑和应用案例验证，推动工业CPS在浙江智能制造中的应用。