基于無線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)電磁兼容與抗干擾研究

引言

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的定義，從信息傳輸?shù)慕嵌榷?，物?lián)網(wǎng)可以理解為“利用一切通信手段構(gòu)成智能信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)”而從大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)層面去考量，則多種通信手段的融合就帶來了電磁兼容性問題，特別是在無線環(huán)境下，通信干擾問題將更加突出。

所謂電磁兼容性(EMC)，是指電子系統(tǒng)或通信設(shè)備工作在指定的環(huán)境中，不至于由于無意的電磁輻射而引起性能下降或發(fā)生故障的能力；同樣，這一系統(tǒng)或設(shè)備的工作也不影響其他系統(tǒng)或設(shè)備的正常運(yùn)行。電磁兼容性的反面即電磁干擾(EMI)，兩者相互依存。

無線物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)，在通信抗干擾方面，雖然通信技術(shù)體制已給出規(guī)范并采取相應(yīng)措施，但是，由于物聯(lián)網(wǎng)的廣泛性和基于無線環(huán)境，特別是目前尚無統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)制，迫切需要進(jìn)行研究并提出具體的綜合解決方案。

對(duì)于任何一個(gè)電子系統(tǒng)或者是信息網(wǎng)絡(luò)，最佳的EMC應(yīng)該是從其設(shè)計(jì)開始就注意EMI問題；如果在原始的設(shè)計(jì)中沒有對(duì)EMC引起足夠的重視，則應(yīng)須在投入使用以后采取更多的抗干擾措施，才能使多個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備共存。

1無線物聯(lián)頻譜特征概述

從通信層面去理解，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)是要利用多種通信手段來構(gòu)成“網(wǎng)”從這個(gè)意義上講，無論是有線或者是無線，甚至是光網(wǎng)絡(luò)都存在兼容性問題。而對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)，抗干擾將是永恒的課題。以目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最多的短距離無線通信技術(shù)為例，如藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、無線USB(WirelessUSB)、無線局域網(wǎng)Wi-Fi(IEEE802.11b/g)等，其頻譜的擁擠情況就可見一斑。由于這些技術(shù)均選擇了2.4GHz(2.4~2.483GHz)ISM頻段，再加上無繩電話和微波爐等干擾源，就使得該頻段日益擁擠。圖1所示是該頻段的信號(hào)帶寬和頻譜分布。

由圖1可以看出，在開放的工業(yè)頻段，其頻帶的隔離度已非常窄，僅僅由于功率的遠(yuǎn)近效應(yīng)和帶外輻射及諧波干擾,就足以影響目前基于無線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)性能。因此，必須認(rèn)真分析干擾因素和特征，并有針對(duì)性地采用抗干擾技術(shù)和措施。

2無線物聯(lián)干擾因素和特征分析

物聯(lián)網(wǎng)提出的時(shí)間并不長(zhǎng)，同時(shí)需要利用多種通信手段,具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。因此，本課題立足物聯(lián)網(wǎng)中目前應(yīng)用較多的無線技術(shù)，研究其相互依存和相互影響，借助像IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的抗干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，對(duì)完善物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)與應(yīng)用具有非常重要的意義。就國(guó)內(nèi)而言，物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用已成為業(yè)界的熱門話題，但這些應(yīng)用研究?jī)H僅是局部的，或者是單一的，如橋梁健康監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)控、人類健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)、智能交通系統(tǒng)等。目前，無線方式用到的僅僅有RFID、Wi-Fi、藍(lán)牙、無線傳感網(wǎng)等，但未來大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，必然帶來電磁兼容和抗干擾協(xié)調(diào)問題。

無線環(huán)境下，干擾和噪聲主要分兩類:一類是周期性干擾,如電臺(tái)干擾;另一類是非周期性干擾，如脈沖干擾和平滑干擾。按噪聲和干擾來源分，又有接收機(jī)內(nèi)部噪聲、天電噪聲、宇宙噪聲、人為噪聲、無線電干擾等。一般而言，將天電噪聲、宇宙噪聲、人為噪聲稱為外部噪聲，而將無線電干擾稱為干擾。

物聯(lián)網(wǎng)中RFID、Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等遇到的電磁干擾除了自身同頻相互干擾以外，還來源于廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、工業(yè)等及無線通信系統(tǒng)，如微波中繼通信、移動(dòng)通信、各種無線網(wǎng)絡(luò)等?？傮w來說，具體干擾成因有同信道干擾、鄰道干擾、多徑干擾、發(fā)信機(jī)的帶外雜散干擾、接收機(jī)的寄生響應(yīng)、阻塞干擾(含固定和動(dòng)態(tài))、互調(diào)干擾、工業(yè)干擾和自然干擾等。

3抗干擾方法與措施

3.1通信抗干擾技術(shù)與體制

現(xiàn)代通信抗干擾技術(shù)主要從時(shí)間域、頻率域、功率域、空間域等幾個(gè)方面著手，大多獨(dú)立使用，但更多的時(shí)候?yàn)榱颂岣呖垢蓴_效果而綜合運(yùn)用。抗干擾技術(shù)的選擇當(dāng)然必須和通信系統(tǒng)的體制緊密結(jié)合起來，這樣才能取得更好的效果。通信抗干擾技術(shù)是指實(shí)現(xiàn)某種抗干擾技術(shù)體制所采用的具體途徑和技巧。從抗干擾技術(shù)層面而言，主要分成兩大類，即擴(kuò)譜通信抗干擾技術(shù)和非擴(kuò)譜通信抗干擾技術(shù)?？垢蓴_的效能與通信干擾技術(shù)體制、通信設(shè)備用途、通信頻率、數(shù)據(jù)速率和器件水平等密切相關(guān)。

針對(duì)不同的通信體制，特別是無線技術(shù)，電磁兼容問題都有過相應(yīng)研究和規(guī)范，并提供一些技術(shù)方案。以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為例，其內(nèi)部就提供了三種機(jī)制來保證ZigBee在2.4GHz頻段和其他無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的共存能力。一是空閑信道評(píng)估(ClearChannelAssessment，CCA)技術(shù)。IEEE802.15.4物理層在碰撞避免機(jī)制(CSMACA)中提供CCA的能力，即如果信道被其他設(shè)備占用，允許傳輸退出而不必考慮采用的通信協(xié)議。二是動(dòng)態(tài)信道選擇技術(shù)。ZigBee個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)中的協(xié)調(diào)器首先要掃描所有的信道，然后再確認(rèn)并加入一個(gè)合適的PAN，而不是自己去創(chuàng)建一個(gè)新的PAN，這樣就減少了同頻段PAN的數(shù)量，降低了潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上，協(xié)調(diào)器上層的軟件要應(yīng)用信道算法選擇一個(gè)新的信道。三是選擇信道算法技術(shù)。對(duì)比IEEE802.11b和IEEE802.15.4信道算法，有4個(gè)IEEE802.15.4信道(n=15,16,21，22)落在3個(gè)IEEE802.11b信道的頻帶間距上，這些間距上的能量不為零，但是會(huì)比信道內(nèi)的能量低，將這些信道作為IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的工作信道可以將系統(tǒng)間干擾降至最小。

以上描述的只是通信鏈路層次抗干擾所涉及的基礎(chǔ)技術(shù)和技術(shù)體制，即通信信道抗干擾問題。顯然，未來的無線物聯(lián)網(wǎng)不可能僅僅停留在通信鏈路上面，必然上升到通信網(wǎng)絡(luò)層面，即通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾。所謂通信網(wǎng)絡(luò)，是指在一定范圍內(nèi)，通過某種協(xié)議，將同類通信設(shè)備或通信系統(tǒng)、通信鏈路、接口設(shè)備等互連而成的網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)的,通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾將更加趨于復(fù)雜。

3.2通信干擾強(qiáng)度的評(píng)價(jià)

通信干擾總是有強(qiáng)有弱的。對(duì)于一個(gè)通信系統(tǒng)而言，最強(qiáng)的干擾發(fā)生在干擾信號(hào)的體積大于通信信號(hào)的體積。所謂信號(hào)的體積，即信號(hào)的功率、頻率和存在時(shí)間之積。所以，要保證通信不中斷，通信信號(hào)體積必須大于干擾信號(hào)體積。

4幾種通信抗干擾技術(shù)性能分析

為對(duì)抗干擾信號(hào)，降低誤碼率，跳頻技術(shù)在目前的無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。經(jīng)過大量的試驗(yàn)和實(shí)測(cè)，現(xiàn)以無線環(huán)境下經(jīng)常遇到的主要干擾，即固定阻塞干擾、動(dòng)態(tài)阻塞干擾、多徑干擾、白噪聲干擾、網(wǎng)間電磁兼容為目標(biāo)進(jìn)行比較。表1所列是其常用的技術(shù)和效能對(duì)比。

由表1可見，不同的抗干擾技術(shù)對(duì)于不同的干擾成因，其效果大不一樣。其中，高效的調(diào)制方式可以對(duì)抗多種通信干擾，從通信鏈路抗干擾角度而言，這種方法應(yīng)當(dāng)是最有效的一種技術(shù)。

同樣，采用直擴(kuò)通信抗干擾體制，其抗干擾技術(shù)也有多種方式，其中最有效的是多進(jìn)制直擴(kuò)和交織與糾錯(cuò)技術(shù)，這里不再贅述。

通信抗干擾一直是通信領(lǐng)域的研究課題，特別是在軍事領(lǐng)域，干擾和抗干擾往往是決定“制通信權(quán)”的法寶。但是,隨著現(xiàn)代社會(huì)的信息化程度越來越高，特別是物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，未來無線網(wǎng)絡(luò)將無處不在。因此，通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾是非常值得研究的內(nèi)容。顯然，通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾應(yīng)以通信鏈路為研究對(duì)象，并進(jìn)一步上升到網(wǎng)絡(luò)層面，除了比較成熟的技術(shù)應(yīng)用以外，更涉及到系統(tǒng)論、信息論，其復(fù)雜程度也越來越高。

5通信抗干擾評(píng)估方法

為了應(yīng)對(duì)干擾，一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)必然要采取相應(yīng)技術(shù)措施。其綜合抗干擾方法產(chǎn)生的效果更需要有一個(gè)評(píng)估方法。通信抗干擾評(píng)估通常從三個(gè)方面進(jìn)行，其一是根據(jù)評(píng)估對(duì)象的特點(diǎn)和評(píng)估用途，選擇合理的綜合評(píng)估方法；其二是根據(jù)一定的規(guī)則，確定所需要的指標(biāo)體系；第三是根據(jù)相應(yīng)的算法，進(jìn)行多項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)估，得出最終的結(jié)果[6]。評(píng)估方法通常有解析法、統(tǒng)計(jì)法、計(jì)算機(jī)仿真法等。主要技術(shù)指標(biāo)通常有工作頻段、業(yè)務(wù)種類、工作方式、信息速率、發(fā)射功率、信號(hào)處理時(shí)延、天線性能、組網(wǎng)方式等。圖2所示是基于層次分析法的抗干擾評(píng)估指標(biāo)體系。

6結(jié)語

從本文的研究可以看出，基于無線環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,特別是大規(guī)模應(yīng)用，其總體EMC和協(xié)調(diào)是非常復(fù)雜的。通信設(shè)備和鏈路組網(wǎng)以后，其抗干擾性能除了進(jìn)行大量的實(shí)際測(cè)試以外，通常需要進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真，這樣才能得到比較真實(shí)的數(shù)據(jù)，但是，首先要建立可靠性模型。例如，可以類似正五邊形設(shè)定模型，其中每邊為一條通信鏈路的可靠度，頂點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)。顯然，通信網(wǎng)絡(luò)的可靠度建立在鏈路和節(jié)點(diǎn)可靠度之上，此外還與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)地概括來說，通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾仿真主要應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面入手:

明確通信網(wǎng)絡(luò)的地理布局和應(yīng)用場(chǎng)景，掌握鏈路采用的抗干擾技術(shù)；

提取電波傳播、抗干擾技術(shù)參數(shù)以及干擾信號(hào)參數(shù)；

由誤碼率到可靠度的映射得到各條通信鏈路的可靠度；

建立可靠性數(shù)學(xué)模型，畫出加權(quán)圖。

本課題研究的是一個(gè)較具體且煩雜的內(nèi)容，需要進(jìn)行大量的測(cè)試和仿真以及后期數(shù)據(jù)處理，本文只進(jìn)行了初步研究,后續(xù)可通過子課題進(jìn)行專項(xiàng)研究和總結(jié)，以便為將來物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用提供抗干擾解決方案。

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