基于无线技术的物联网电磁兼容与抗干扰研究

引言

依据物联网的定义，从信息传输的角度而言，物联网可以理解为“利用一切通信手段构成智能信息传输的网络”而从大规模应用技术层面去考量，则多种通信手段的融合就带来了电磁兼容性问题，特别是在无线环境下，通信干扰问题将更加突出。

所谓电磁兼容性(EMC)，是指电子系统或通信设备工作在指定的环境中，不至于由于无意的电磁辐射而引起性能下降或发生故障的能力；同样，这一系统或设备的工作也不影响其他系统或设备的正常运行。电磁兼容性的反面即电磁干扰(EMI)，两者相互依存。

无线物联网作为一个复杂的通信网络，在通信抗干扰方面，虽然通信技术体制已给出规范并采取相应措施，但是，由于物联网的广泛性和基于无线环境，特别是目前尚无统一的协调机制，迫切需要进行研究并提出具体的综合解决方案。

对于任何一个电子系统或者是信息网络，最佳的EMC应该是从其设计开始就注意EMI问题；如果在原始的设计中没有对EMC引起足够的重视，则应须在投入使用以后采取更多的抗干扰措施，才能使多个系统和设备共存。

1无线物联频谱特征概述

从通信层面去理解，物联网实质是要利用多种通信手段来构成“网”从这个意义上讲，无论是有线或者是无线，甚至是光网络都存在兼容性问题。而对于无线网络，抗干扰将是永恒的课题。以目前物联网应用最多的短距离无线通信技术为例，如蓝牙(Bluetooth)、ZigBee、无线USB(WirelessUSB)、无线局域网Wi-Fi(IEEE802.11b/g)等，其频谱的拥挤情况就可见一斑。由于这些技术均选择了2.4GHz(2.4~2.483GHz)ISM频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤。图1所示是该频段的信号带宽和频谱分布。

由图1可以看出，在开放的工业频段，其频带的隔离度已非常窄，仅仅由于功率的远近效应和带外辐射及谐波干扰,就足以影响目前基于无线技术的物联网性能。因此，必须认真分析干扰因素和特征，并有针对性地采用抗干扰技术和措施。

2无线物联干扰因素和特征分析

物联网提出的时间并不长，同时需要利用多种通信手段,具有相当的复杂性。因此，本课题立足物联网中目前应用较多的无线技术，研究其相互依存和相互影响，借助像IEEE802.15.4标准中的抗干扰协调机制，对完善物联网的开发与应用具有非常重要的意义。就国内而言，物联网的研究与应用已成为业界的热门话题，但这些应用研究仅仅是局部的，或者是单一的，如桥梁健康监测与远程监控、人类健康监测、环境卫生监测、智能交通系统等。目前，无线方式用到的仅仅有RFID、Wi-Fi、蓝牙、无线传感网等，但未来大规模物联网应用，必然带来电磁兼容和抗干扰协调问题。

无线环境下，干扰和噪声主要分两类:一类是周期性干扰,如电台干扰;另一类是非周期性干扰，如脉冲干扰和平滑干扰。按噪声和干扰来源分，又有接收机内部噪声、天电噪声、宇宙噪声、人为噪声、无线电干扰等。一般而言，将天电噪声、宇宙噪声、人为噪声称为外部噪声，而将无线电干扰称为干扰。

物联网中RFID、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等遇到的电磁干扰除了自身同频相互干扰以外，还来源于广播、电视、雷达、导航、工业等及无线通信系统，如微波中继通信、移动通信、各种无线网络等。总体来说，具体干扰成因有同信道干扰、邻道干扰、多径干扰、发信机的带外杂散干扰、接收机的寄生响应、阻塞干扰(含固定和动态)、互调干扰、工业干扰和自然干扰等。

3抗干扰方法与措施

3.1通信抗干扰技术与体制

现代通信抗干扰技术主要从时间域、频率域、功率域、空间域等几个方面着手，大多独立使用，但更多的时候为了提高抗干扰效果而综合运用。抗干扰技术的选择当然必须和通信系统的体制紧密结合起来，这样才能取得更好的效果。通信抗干扰技术是指实现某种抗干扰技术体制所采用的具体途径和技巧。从抗干扰技术层面而言，主要分成两大类，即扩谱通信抗干扰技术和非扩谱通信抗干扰技术。抗干扰的效能与通信干扰技术体制、通信设备用途、通信频率、数据速率和器件水平等密切相关。

针对不同的通信体制，特别是无线技术，电磁兼容问题都有过相应研究和规范，并提供一些技术方案。以IEEE802.15.4标准为例，其内部就提供了三种机制来保证ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。一是空闲信道评估(ClearChannelAssessment，CCA)技术。IEEE802.15.4物理层在碰撞避免机制(CSMACA)中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。二是动态信道选择技术。ZigBee个人区域网(PAN)中的协调器首先要扫描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN，而不是自己去创建一个新的PAN，这样就减少了同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。三是选择信道算法技术。对比IEEE802.11b和IEEE802.15.4信道算法，有4个IEEE802.15.4信道(n=15,16,21，22)落在3个IEEE802.11b信道的频带间距上，这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的能量低，将这些信道作为IEEE802.15.4网络的工作信道可以将系统间干扰降至最小。

以上描述的只是通信链路层次抗干扰所涉及的基础技术和技术体制，即通信信道抗干扰问题。显然，未来的无线物联网不可能仅仅停留在通信链路上面，必然上升到通信网络层面，即通信网络的抗干扰。所谓通信网络，是指在一定范围内，通过某种协议，将同类通信设备或通信系统、通信链路、接口设备等互连而成的网络。相应的,通信网络抗干扰将更加趋于复杂。

3.2通信干扰强度的评价

通信干扰总是有强有弱的。对于一个通信系统而言，最强的干扰发生在干扰信号的体积大于通信信号的体积。所谓信号的体积，即信号的功率、频率和存在时间之积。所以，要保证通信不中断，通信信号体积必须大于干扰信号体积。

4几种通信抗干扰技术性能分析

为对抗干扰信号，降低误码率，跳频技术在目前的无线物联网络中广泛使用。经过大量的试验和实测，现以无线环境下经常遇到的主要干扰，即固定阻塞干扰、动态阻塞干扰、多径干扰、白噪声干扰、网间电磁兼容为目标进行比较。表1所列是其常用的技术和效能对比。

由表1可见，不同的抗干扰技术对于不同的干扰成因，其效果大不一样。其中，高效的调制方式可以对抗多种通信干扰，从通信链路抗干扰角度而言，这种方法应当是最有效的一种技术。

同样，采用直扩通信抗干扰体制，其抗干扰技术也有多种方式，其中最有效的是多进制直扩和交织与纠错技术，这里不再赘述。

通信抗干扰一直是通信领域的研究课题，特别是在军事领域，干扰和抗干扰往往是决定“制通信权”的法宝。但是,随着现代社会的信息化程度越来越高，特别是物联网概念的提出，未来无线网络将无处不在。因此，通信网络抗干扰是非常值得研究的内容。显然，通信网络抗干扰应以通信链路为研究对象，并进一步上升到网络层面，除了比较成熟的技术应用以外，更涉及到系统论、信息论，其复杂程度也越来越高。

5通信抗干扰评估方法

为了应对干扰，一个通信网络必然要采取相应技术措施。其综合抗干扰方法产生的效果更需要有一个评估方法。通信抗干扰评估通常从三个方面进行，其一是根据评估对象的特点和评估用途，选择合理的综合评估方法；其二是根据一定的规则，确定所需要的指标体系；第三是根据相应的算法，进行多项指标的综合评估，得出最终的结果[6]。评估方法通常有解析法、统计法、计算机仿真法等。主要技术指标通常有工作频段、业务种类、工作方式、信息速率、发射功率、信号处理时延、天线性能、组网方式等。图2所示是基于层次分析法的抗干扰评估指标体系。

6结语

从本文的研究可以看出，基于无线环境下的物联网应用,特别是大规模应用，其总体EMC和协调是非常复杂的。通信设备和链路组网以后，其抗干扰性能除了进行大量的实际测试以外，通常需要进行系统性能仿真，这样才能得到比较真实的数据，但是，首先要建立可靠性模型。例如，可以类似正五边形设定模型，其中每边为一条通信链路的可靠度，顶点为节点。显然，通信网络的可靠度建立在链路和节点可靠度之上，此外还与网络的拓扑结构有关地概括来说，通信网络抗干扰仿真主要应当从以下几个方面入手:

明确通信网络的地理布局和应用场景，掌握链路采用的抗干扰技术；

提取电波传播、抗干扰技术参数以及干扰信号参数；

由误码率到可靠度的映射得到各条通信链路的可靠度；

建立可靠性数学模型，画出加权图。

本课题研究的是一个较具体且烦杂的内容，需要进行大量的测试和仿真以及后期数据处理，本文只进行了初步研究,后续可通过子课题进行专项研究和总结，以便为将来物联网大规模应用提供抗干扰解决方案。

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