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成智能信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡”而從大規(guī)模應用技術層面去考量，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)或設備的工作也不影響其他系統(tǒng)或設備的正常運行。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)作為一個復雜的通信網(wǎng)絡，在通信抗干擾方面，雖然通信技術體制已給出規(guī)范并采取相應措施，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)機制，迫切需要進行研究并提出具體的綜合解決方案。

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

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)實質(zhì)是要利用多種通信手段來構成“網(wǎng)”從這個意義上講，無論是有線或者是無線，甚至是光網(wǎng)絡都存在兼容性問題。而對于無線網(wǎng)絡，抗干擾將是永恒的課題。以目前物聯(lián)網(wǎng)應用最多的短距離無線通信技術為例，如藍牙(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，僅僅由于功率的遠近效應和帶外輻射及諧波干擾,就足以影響目前基于無線技術的物聯(lián)網(wǎng)性能。因此，必須認真分析干擾因素和特征，并有針對性地采用抗干擾技術和措施。

2無線物聯(lián)干擾因素和特征分析

物聯(lián)網(wǎng)提出的時間并不長，同時需要利用多種通信手段,具有相當?shù)膹碗s性。因此，本課題立足物聯(lián)網(wǎng)中目前應用較多的無線技術，研究其相互依存和相互影響，借助像IEEE802.15.4標準中的抗干擾協(xié)調(diào)機制，對完善物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)與應用具有非常重要的意義。就國內(nèi)而言，物聯(lián)網(wǎng)的研究與應用已成為業(yè)界的熱門話題，但這些應用研究僅僅是局部的，或者是單一的，如橋梁健康監(jiān)測與遠程監(jiān)控、人類健康監(jiān)測、環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測、智能交通系統(tǒng)等。目前，無線方式用到的僅僅有RFID、Wi-Fi、藍牙、無線傳感網(wǎng)等，但未來大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應用，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、導航、工業(yè)等及無線通信系統(tǒng)，如微波中繼通信、移動通信、各種無線網(wǎng)絡等?？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)信機的帶外雜散干擾、接收機的寄生響應、阻塞干擾(含固定和動態(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通信抗干擾技術與體制

現(xiàn)代通信抗干擾技術主要從時間域、頻率域、功率域、空間域等幾個方面著手，大多獨立使用，但更多的時候為了提高抗干擾效果而綜合運用?？垢蓴_技術的選擇當然必須和通信系統(tǒng)的體制緊密結合起來，這樣才能取得更好的效果。通信抗干擾技術是指實現(xiàn)某種抗干擾技術體制所采用的具體途徑和技巧。從抗干擾技術層面而言，主要分成兩大類，即擴譜通信抗干擾技術和非擴譜通信抗干擾技術?？垢蓴_的效能與通信干擾技術體制、通信設備用途、通信頻率、數(shù)據(jù)速率和器件水平等密切相關。

針對不同的通信體制，特別是無線技術，電磁兼容問題都有過相應研究和規(guī)范，并提供一些技術方案。以IEEE802.15.4標準為例，其內(nèi)部就提供了三種機制來保證ZigBee在2.4GHz頻段和其他無線技術標準的共存能力。一是空閑信道評估(ClearChannelAssessment，CCA)技術。IEEE802.15.4物理層在碰撞避免機制(CSMACA)中提供CCA的能力，即如果信道被其他設備占用，允許傳輸退出而不必考慮采用的通信協(xié)議。二是動態(tài)信道選擇技術。ZigBee個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)中的協(xié)調(diào)器首先要掃描所有的信道，然后再確認并加入一個合適的PAN，而不是自己去創(chuàng)建一個新的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)器上層的軟件要應用信道算法選擇一個新的信道。三是選擇信道算法技術。對比IEEE802.11b和IEEE802.15.4信道算法，有4個IEEE802.15.4信道(n=15,16,21，22)落在3個IEEE802.11b信道的頻帶間距上，這些間距上的能量不為零，但是會比信道內(nèi)的能量低，將這些信道作為IEEE802.15.4網(wǎng)絡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技術和技術體制，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)絡層面，即通信網(wǎng)絡的抗干擾。所謂通信網(wǎng)絡，是指在一定范圍內(nèi)，通過某種協(xié)議，將同類通信設備或通信系統(tǒng)、通信鏈路、接口設備等互連而成的網(wǎng)絡。相應的,通信網(wǎng)絡抗干擾將更加趨于復雜。

3.2通信干擾強度的評價

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

4幾種通信抗干擾技術性能分析

為對抗干擾信號，降低誤碼率，跳頻技術在目前的無線物聯(lián)網(wǎng)絡中廣泛使用。經(jīng)過大量的試驗和實測，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)間電磁兼容為目標進行比較。表1所列是其常用的技術和效能對比。

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

同樣，采用直擴通信抗干擾體制，其抗干擾技術也有多種方式，其中最有效的是多進制直擴和交織與糾錯技術，這里不再贅述。

通信抗干擾一直是通信領域的研究課題，特別是在軍事領域，干擾和抗干擾往往是決定“制通信權”的法寶。但是,隨著現(xiàn)代社會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)絡將無處不在。因此，通信網(wǎng)絡抗干擾是非常值得研究的內(nèi)容。顯然，通信網(wǎng)絡抗干擾應以通信鏈路為研究對象，并進一步上升到網(wǎng)絡層面，除了比較成熟的技術應用以外，更涉及到系統(tǒng)論、信息論，其復雜程度也越來越高。

5通信抗干擾評估方法

為了應對干擾，一個通信網(wǎng)絡必然要采取相應技術措施。其綜合抗干擾方法產(chǎn)生的效果更需要有一個評估方法。通信抗干擾評估通常從三個方面進行，其一是根據(jù)評估對象的特點和評估用途，選擇合理的綜合評估方法；其二是根據(jù)一定的規(guī)則，確定所需要的指標體系；第三是根據(jù)相應的算法，進行多項指標的綜合評估，得出最終的結果[6]。評估方法通常有解析法、統(tǒng)計法、計算機仿真法等。主要技術指標通常有工作頻段、業(yè)務種類、工作方式、信息速率、發(fā)射功率、信號處理時延、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估指標體系。

6結語

從本文的研究可以看出，基于無線環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)應用,特別是大規(guī)模應用，其總體EMC和協(xié)調(diào)是非常復雜的。通信設備和鏈路組網(wǎng)以后，其抗干擾性能除了進行大量的實際測試以外，通常需要進行系統(tǒng)性能仿真，這樣才能得到比較真實的數(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定模型，其中每邊為一條通信鏈路的可靠度，頂點為節(jié)點。顯然，通信網(wǎng)絡的可靠度建立在鏈路和節(jié)點可靠度之上，此外還與網(wǎng)絡的拓撲結構有關地概括來說，通信網(wǎng)絡抗干擾仿真主要應當從以下幾個方面入手:

明確通信網(wǎng)絡的地理布局和應用場景，掌握鏈路采用的抗干擾技術；

提取電波傳播、抗干擾技術參數(shù)以及干擾信號參數(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)學模型，畫出加權圖。

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

20211014_6168442485552__基于無線技術的物聯(lián)網(wǎng)電磁兼容與抗干擾研究