工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線信道與噪聲特性

張克，劉留,，袁澤，張琨，張建華，劉志軍

?

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線信道與噪聲特性

張克1，劉留1,2，袁澤1，張琨1，張建華2，劉志軍3

（1. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044； 2. 北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876； 3. 北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041）

隨著“中國(guó)制造2025”“智能制造”“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃的提出和實(shí)施，國(guó)內(nèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將迎來(lái)迅猛的發(fā)展。然而，工廠惡劣環(huán)境下的信道和噪聲特性給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。基于此，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行介紹和對(duì)比，總結(jié)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信道和噪聲特點(diǎn)，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信研究中的關(guān)鍵內(nèi)容——信道和噪聲特性分析進(jìn)行了回顧。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線通信技術(shù)；信道特性；噪聲特性

1 引言

隨著工業(yè)化與信息化的深度融合，企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)互通的需求漸增，通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)效率的需求更為強(qiáng)烈，IIoT（industrial internet of things，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)運(yùn)而生。由中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院編寫(xiě)的《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)（2017）》指出：“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實(shí)現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過(guò)程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，達(dá)到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動(dòng)型的新工業(yè)體系”[1]。目前，提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是我國(guó)制造業(yè)面臨的主要戰(zhàn)略任務(wù)，伴隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能制造將貫穿于企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)深刻的變革。2017年1月由工業(yè)和信息化部發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)的十三五規(guī)劃（2016—2020年）》提出，建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)，推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，以CPS（cyber-physical system，信息物理系統(tǒng)）為代表的物聯(lián)網(wǎng)智能信息技術(shù)將在制造業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化等轉(zhuǎn)型升級(jí)方面發(fā)揮重要作用[2]。由此可見(jiàn)，制造業(yè)已經(jīng)成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

無(wú)線通信技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施一般包括4個(gè)階段：一是利用智能感知技術(shù)隨時(shí)隨地采集工業(yè)數(shù)據(jù)，二是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳遞出去，三是利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和利用，四是基于信息管理、智能終端和平臺(tái)集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)的智能化改造[1]。正是通信技術(shù)的發(fā)展保證了第二階段的順利進(jìn)行，通信網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器、人機(jī)界面、監(jiān)控系統(tǒng)以及企業(yè)管理系統(tǒng)，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)中的信息傳輸通道，是生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。而在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線通信是其中重要的組成部分之一，相較于有線通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本低，減少了大量電纜安裝、維護(hù)所需的費(fèi)用和時(shí)間，避免了振動(dòng)、高溫等惡劣環(huán)境對(duì)電纜的損壞。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線通信技術(shù)主要可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是ZigBee、Wi-Fi、Z-wave、藍(lán)牙（bluetooth）等短距離通信技術(shù)；另一類(lèi)是LPWAN（low-power wide-area network，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)），比較常見(jiàn)的如NB-IoT（narrow band internet of things，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、eMTC（增強(qiáng)機(jī)器類(lèi)通信）、LoRa（基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案）。業(yè)界對(duì)于5G提出了需求各異的應(yīng)用場(chǎng)景，目前5G系統(tǒng)已經(jīng)包括工業(yè)環(huán)境的通信概念，涵蓋廣泛的應(yīng)用，包括機(jī)器類(lèi)型通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)和智能工廠，這些將會(huì)使工業(yè)自動(dòng)化界獲益匪淺[3]。同時(shí)，mMTC（massive machine type communication，大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信）是ITU-R（ITU-Radio Communications Sector，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信組標(biāo)準(zhǔn)化組織）確定的5G三大主要應(yīng)用場(chǎng)景之一，海量的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)和應(yīng)用必將有效地支撐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)的發(fā)展[4]。

從信息論的角度看，決定通信頻譜效率有兩個(gè)因素：一是傳輸?shù)男诺捞卣鳎莻鬏旀溌返男旁氡取男诺捞卣鱽?lái)看，工業(yè)場(chǎng)景中的傳播環(huán)境與傳統(tǒng)無(wú)線通信的傳播環(huán)境存在較大的差別，傳統(tǒng)工業(yè)有煤炭廠、鋼鐵廠、機(jī)械廠、木材廠、服裝廠等，不同的產(chǎn)業(yè)制造和生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，這些材料吸收和反射能力有很大差異，其信道傳播特征（包括多徑分量、路徑損耗等）均表現(xiàn)不同；此外，工業(yè)場(chǎng)景中存在的機(jī)床、機(jī)械臂等金屬障礙物會(huì)對(duì)電波傳輸損耗造成影響；金屬設(shè)備在電波傳播中會(huì)形成較強(qiáng)的鏡面反射和散射，從而產(chǎn)生更多強(qiáng)度較大的多徑分量；工業(yè)自動(dòng)化中的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器人運(yùn)輸移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)因素會(huì)讓無(wú)線信道同時(shí)具有時(shí)變特性。從傳輸鏈路信噪比來(lái)看，在常規(guī)無(wú)線通信中信噪比的定量使用中，通常使用加性高斯白噪聲，即噪聲的功率譜是一個(gè)常數(shù)。工廠在工作時(shí)，由于設(shè)備溫度的升高、機(jī)械震動(dòng)、火花放電等物理現(xiàn)象會(huì)輻射出大量的電磁噪聲，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)突發(fā)的脈沖噪聲，這些噪聲可能在功率譜形狀、生命周期等方面和傳統(tǒng)的加性高斯白噪聲有著較大的不同；同時(shí)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要大量應(yīng)用低功耗無(wú)線傳感設(shè)備，工廠中的電磁噪聲會(huì)對(duì)低功耗的無(wú)線傳感系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。

無(wú)線通信想要真正在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮作用，需要對(duì)工業(yè)環(huán)境下無(wú)線信道和噪聲特性開(kāi)展新的研究分析，因?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸速率和質(zhì)量最終都要受到無(wú)線信道和噪聲特性的制約，準(zhǔn)確的信道模型可以使網(wǎng)絡(luò)部署、優(yōu)化工作更加準(zhǔn)確和有效，從而提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性[5]。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，許多工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有著嚴(yán)格的時(shí)延和可靠性要求，只有在充分掌握信道和噪聲特性之后，才能采取與之相適應(yīng)的物理層技術(shù)并實(shí)現(xiàn)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)環(huán)境下的無(wú)線信道和噪聲特性研究分析較少，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展迫切需要此類(lèi)的研究。因此，本文對(duì)國(guó)外相關(guān)研究進(jìn)行回顧與總結(jié)，旨在為國(guó)內(nèi)工業(yè)環(huán)境下的無(wú)線信道和噪聲特性分析提供一些啟發(fā)，為我國(guó)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線通信技術(shù)

對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)的選擇主要取決于其具體應(yīng)用的場(chǎng)景，因?yàn)椴煌瑘?chǎng)景對(duì)信息傳輸?shù)墓摹⒊杀尽⑺俾省⑷萘康却嬖诓町惢男枨蟆Ｄ壳埃琖i-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、RFID（radio frequency identification，射頻識(shí)別）、UWB（ultra wideband，超帶寬）、NFC（near field communication，近場(chǎng)通信）等技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在短距離無(wú)線通信技術(shù)中，而NB-IoT、eMTC和LoRa等新的主流低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在與這些短距離無(wú)線通信技術(shù)互補(bǔ)，相互配合使用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景中。其中，藍(lán)牙、Wi-Fi和ZigBee技術(shù)都使用2.4 GHz頻段；UWB（ultra wideband，超帶寬）是一種無(wú)載波通信技術(shù)，具有定位精度高、安全性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于工廠監(jiān)控領(lǐng)域；RFID技術(shù)可通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)，單向讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以提供生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)的服務(wù)信息[7]；而NFC技術(shù)在電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和安全的雙向交互，應(yīng)用于物品識(shí)別。這些技術(shù)各有所長(zhǎng)，也各有所短。

NB-IoT是基于窄帶（200 kHz）的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是專(zhuān)門(mén)為低功耗、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的（基于FDD模式）。NB-IoT技術(shù)穿墻能力較傳統(tǒng)技術(shù)有大幅度的提升，且在同一基站情況下，NB-IoT可以提供現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)50~100倍的接入數(shù)，一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，并且支持低時(shí)延敏感度、超低成本、低功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]。此外，NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于GSM（global system for mobile communication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)、UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)或LTE（long term evolution，通用移動(dòng)通信技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT繼承了4G網(wǎng)絡(luò)的安全能力，支持雙向鑒權(quán)以及空口嚴(yán)格加密，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性，有效支撐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

eMTC在LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為低功耗、廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)拓展了新功能，可在LTE系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)。eMTC支持上下行最大1 Mbit/s峰值速率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)GPRS（general packet radio service，通用分組無(wú)線服務(wù)）、ZigBee等技術(shù)的速率；eMTC支持連接態(tài)移動(dòng)性，物聯(lián)網(wǎng)用戶可以無(wú)縫切換，保障用戶體驗(yàn)；基于TDD（time division duplexing，時(shí)分雙工）的eMTC還可提供低成本的定位技術(shù)，在物流跟蹤、貨物跟蹤等場(chǎng)景應(yīng)用廣泛[9]。

LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，最早由美國(guó)Semtech公司采用和推廣。LoRa極大地改善了接收的靈敏度，降低了功耗；LoRa技術(shù)的網(wǎng)關(guān)支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大，還可以支持測(cè)距和定位。LoRa技術(shù)的特點(diǎn)使其非常適用于要求功耗低、距離遠(yuǎn)、大量連接及定位跟蹤的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景[10]。

綜上所述，NB-IoT雖然以低功耗、廣域網(wǎng)、低速率、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)而著稱(chēng)，但其帶寬只有200 kHz左右，不能達(dá)到較高速率業(yè)務(wù)的需求。eMTC帶寬1.4 MHz，具有良好的移動(dòng)性和語(yǔ)音功能，可在LTE系統(tǒng)上直接升級(jí)軟件支持。NB-IoT和eMTC適合于面積廣闊的公共空間，LoRa主要使用于非授權(quán)頻段，受無(wú)線覆蓋范圍限制，適用于一些短距離覆蓋和專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景應(yīng)用，滿足很多工業(yè)生產(chǎn)生活中對(duì)小范圍內(nèi)構(gòu)建局域網(wǎng)的需求。

3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道測(cè)量研究現(xiàn)狀與信道特性研究回顧

3.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道特點(diǎn)

工業(yè)無(wú)線通信的發(fā)展和實(shí)施，能夠讓企業(yè)的管理部門(mén)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，實(shí)時(shí)掌握工廠中的生產(chǎn)情況，能夠更迅速、及時(shí)準(zhǔn)確地互通信息進(jìn)行控制和管理。常規(guī)工廠環(huán)境大致分為3類(lèi)典型工業(yè)場(chǎng)景。

（1）精密工業(yè)場(chǎng)景

如手機(jī)電路板電裝車(chē)間、家用電器生產(chǎn)線車(chē)間等（如圖1（a）所示）。這類(lèi)場(chǎng)景中，生產(chǎn)都是在機(jī)箱內(nèi)部流水線進(jìn)行，加工設(shè)備在出廠之前需要3C（China compulsory certification，中國(guó)強(qiáng)制認(rèn)證）認(rèn)證，對(duì)外的電磁輻射等都有限制[11]，因此，工廠內(nèi)電磁干擾相對(duì)較好。而操作工人走動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信道的時(shí)變性。

（2）常規(guī)工業(yè)場(chǎng)景

如汽車(chē)加工車(chē)間（如圖1（b）所示），這類(lèi)場(chǎng)景中，變頻器、點(diǎn)火系統(tǒng)、穩(wěn)壓器、高壓輸電線、電子開(kāi)關(guān)等會(huì)輻射出大量的電磁噪聲[12]。此外，這類(lèi)傳播環(huán)境屬于時(shí)變信道傳播環(huán)境，原因是廠內(nèi)有工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械臂等自動(dòng)化設(shè)備搖擺工作。

（3）傳統(tǒng)工業(yè)場(chǎng)景

如鋼鐵廠車(chē)間（如圖1（c）所示）。這類(lèi)場(chǎng)景中，工業(yè)建筑空間相對(duì)較大，機(jī)器設(shè)備尺寸很大，加熱爐、搖臂鉆床等會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲，同時(shí)有大型的輸送機(jī)、起重機(jī)械、裝卸機(jī)器等工作使這類(lèi)場(chǎng)景信道具有時(shí)變特性。

（a）精密工業(yè)場(chǎng)景（波峰焊車(chē)間）

（b）常規(guī)工業(yè)場(chǎng)景（汽車(chē)加工車(chē)間）

（c）傳統(tǒng)工業(yè)場(chǎng)景（鋼鐵廠車(chē)間）

通過(guò)以上典型工業(yè)場(chǎng)景與其他典型場(chǎng)景（市區(qū)、辦公室、家庭等）無(wú)線信道的對(duì)比，如果將物聯(lián)網(wǎng)部署工業(yè)環(huán)境，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的無(wú)線信道會(huì)表現(xiàn)出如下不同的特點(diǎn)。

（1）不同的工廠存放的材料對(duì)信道影響程度不同。例如，造紙廠倉(cāng)庫(kù)環(huán)境具有高吸收特點(diǎn)，無(wú)線電波以直射波傳播并且強(qiáng)度快速衰減；鋼鐵廠環(huán)境具有高反射特點(diǎn)，廠內(nèi)大型金屬設(shè)備導(dǎo)致電波在信道傳播過(guò)程中出現(xiàn)衍射和反射特性。

（2）不同工廠的結(jié)構(gòu)差異大，工業(yè)廠房比普通的住宅和辦公樓的樓層高，普通住宅層高一般為2.8 m左右，而標(biāo)準(zhǔn)廠房高度一般是5~6 m，并且工廠環(huán)境比家庭和辦公環(huán)境惡劣許多，如振動(dòng)、浮塵等因素都會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行反射和散射，從而產(chǎn)生多徑衰落。

（3）出現(xiàn)多普勒頻偏現(xiàn)象，工廠內(nèi)有工人、機(jī)器人、卡車(chē)、懸掛設(shè)備等的隨機(jī)移動(dòng)，這會(huì)讓工廠環(huán)境中的無(wú)線信道具有時(shí)變特性。如汽車(chē)廠使用的移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器臂的搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)多普勒偏移。此外，由于地面的不平穩(wěn)，車(chē)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)不斷的晃動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生多普勒隨機(jī)頻偏現(xiàn)象。

3.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道測(cè)量研究現(xiàn)狀

無(wú)線信號(hào)在傳播中受環(huán)境、地形等因素的影響，使得無(wú)線信道的衰落特性變化十分復(fù)雜，這將從根本上制約工業(yè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能[11]，針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景的信道特性研究是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問(wèn)題。1989年，參考文獻(xiàn)[13]通過(guò)數(shù)據(jù)分析了路徑損耗和時(shí)延功率譜，在美國(guó)印第安納五座工廠LOS（line of sight，視距）和OBS（obstructed line-of-sight，遮擋視線）條件下重復(fù)發(fā)送一個(gè)10 ns脈沖信號(hào)，測(cè)量頻率為1.3 GHz，通過(guò)示波器衰減、失真，完成了信道的時(shí)域測(cè)量。2004年，參考文獻(xiàn)[14]提出了一個(gè)在小型焚化爐廠中超寬帶（ultra wideband，UWB）信道統(tǒng)計(jì)模型，分析了頻率為3.1~10.6 GHz視距（LOS）和非視距（NLOS）的小尺度衰落和功率時(shí)延分布。2005年，參考文獻(xiàn)[15]利用定向天線來(lái)研究無(wú)線信道，測(cè)量頻率為2.4 GHz，在馬格德堡基地一個(gè)類(lèi)似于制造廠的環(huán)境下分析了平均時(shí)延、均方根延遲和相干帶寬。2007年，參考文獻(xiàn)[16]討論了工業(yè)環(huán)境中3個(gè)頻率的窄帶測(cè)量，即0.9 GHz、2.4 GHz和5.2 GHz，開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量程序，并測(cè)量了3種場(chǎng)景下的路徑損耗，得出了影響工業(yè)環(huán)境信號(hào)傳播的因素，提出了一種工業(yè)路徑損耗模型。2009年，參考文獻(xiàn)[17]基于頻域分析方法測(cè)量了頻率為5.5 GHz的工廠環(huán)境，研究了工廠LOS條件下的信道多徑分量和時(shí)延擴(kuò)展。2010年，參考文獻(xiàn)[18]在短距離室內(nèi)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量頻率為5.8 GHz的信道沖激響應(yīng)，研究了LOS和NLOS條件下的均方根時(shí)延，并與其他具有特定統(tǒng)計(jì)分布的模型進(jìn)行比較，提出了對(duì)室內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都有效的短距離衰落模型。2012年，參考文獻(xiàn)[19]研究了兩種的重要工業(yè)環(huán)境對(duì)無(wú)線電波傳播的影響，一種是高吸收環(huán)境，另一種是高反射環(huán)境，根據(jù)無(wú)繩電話和工業(yè)科學(xué)醫(yī)療使用頻段選擇的頻率分別為0.43 GHz、1.89 GHz、2.45 GHz，分析了信道路徑損耗和多徑分量。參考文獻(xiàn)[20]使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和虛擬天線陣列方法測(cè)量了頻率0.8～2.7 GHz的3種不同工業(yè)環(huán)境，分析了信道沖激響應(yīng)和功率時(shí)延分布，并對(duì)經(jīng)典Saleh-Valenzuela（S-V）模型進(jìn)行了修改。2016年，參考文獻(xiàn)[21]研究了自動(dòng)化工廠車(chē)間的無(wú)線電波傳播，使用寬帶信道探測(cè)儀在5.85 GHz載波頻率下進(jìn)行信道測(cè)量，對(duì)信道時(shí)延特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。2017年，參考文獻(xiàn)[22]在3個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了7個(gè)場(chǎng)景測(cè)量，研究了頻率為5.8 GHz的LOS和NLOS場(chǎng)景，分析了路徑損耗指數(shù)、RMS（root mean square，均方根）時(shí)延擴(kuò)展、相干帶寬和小尺度衰落的幅度分布。

但是到目前為止，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有用于描述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下典型無(wú)線信道的分析模型。從過(guò)去的研究中可以發(fā)現(xiàn)一些原因，首先是傳統(tǒng)的信道研究，沒(méi)有考慮到工廠環(huán)境時(shí)變特性對(duì)信道的影響；其次，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中高反射材料對(duì)無(wú)線信道特性的影響并未得到足夠重視；并且，工廠環(huán)境下信道測(cè)量往往很難開(kāi)展，測(cè)量數(shù)據(jù)的缺乏使得很難建立準(zhǔn)確可靠的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線信道傳播模型。

3.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道特性

3.3.1 大尺度衰落

大尺度衰落是指收發(fā)端之間距離的變化引起信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的變化。一方面，接收信號(hào)強(qiáng)度隨著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離以對(duì)數(shù)形式變化；另一方面，在收發(fā)端之間距離相同的條件下，由于工廠環(huán)境中的物體分布不同以及障礙物會(huì)導(dǎo)致信號(hào)功率損耗，通常表示為發(fā)射功率與接收功率之間的比率。

表1 各種典型工業(yè)場(chǎng)景大尺度衰落參數(shù)

在過(guò)去的幾年中，已經(jīng)進(jìn)行了多種工業(yè)環(huán)境下的室內(nèi)信道測(cè)量。表1總結(jié)了各種典型工業(yè)場(chǎng)景大尺度衰落參數(shù)。

表1總結(jié)了各種工業(yè)測(cè)量中的路徑損耗相關(guān)參數(shù)，其中OBS1與OBS2表示遮擋程度不同。在環(huán)境、頻率和鏈路配置方面，觀察到參數(shù)有很大的不同。對(duì)于許多環(huán)境，路徑損耗指數(shù)范圍在1~3。另外，隨著頻率的增加，反射體增加，會(huì)導(dǎo)致路徑損耗指數(shù)降低。然而，不同的工業(yè)環(huán)境，路徑損耗指數(shù)和頻率之間沒(méi)有明確的關(guān)系。因?yàn)槁窂綋p耗不僅取決于路徑長(zhǎng)度，而且還與工業(yè)建筑材料類(lèi)型（金屬、木材和混凝土等）、散射體的大小和密度有關(guān)。

3.3.2 時(shí)間色散

時(shí)間色散主要是因?yàn)槎鄰絺鞑ピ斐尚盘?hào)時(shí)間擴(kuò)散現(xiàn)象。與其他典型室內(nèi)環(huán)境相比，時(shí)間色散在工業(yè)環(huán)境下無(wú)線信道會(huì)有很大的不同，時(shí)間色散受發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和工廠物理環(huán)境等因素的影響。PDP（power delay profile，功率時(shí)延分布）可以用于定量地描述時(shí)間色散。在參考文獻(xiàn)[27]中，可以得出電波在傳播過(guò)程中受建筑物大小、密度、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)地板布局和室內(nèi)裝飾位置等影響。在參考文獻(xiàn)[28]中在LOS條件下進(jìn)行測(cè)量，從測(cè)量結(jié)果得到隨著收發(fā)端天線間距越來(lái)越遠(yuǎn)，時(shí)延也隨之增加。由以上研究，可以發(fā)現(xiàn)，工廠環(huán)境無(wú)線信道時(shí)間色散取決于環(huán)境中散射體的大小、類(lèi)型、密度和分布，并且多徑分量到達(dá)時(shí)間與接收天線間距有關(guān)。在參考文獻(xiàn)[13]中，對(duì)印第安納州5家大型工廠進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)工廠具有不同特點(diǎn)，所有工廠均方根時(shí)延平均值在LOS條件下大于96 ns；在NLOS條件下大于105 ns。數(shù)據(jù)表明，在工廠建筑物中的無(wú)線傳播可以通過(guò)混合的幾何或者統(tǒng)計(jì)模型來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿枋觯紤]到墻壁和天花板的鏡面反射以及來(lái)自倉(cāng)庫(kù)物品和設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)散射。因?yàn)樵诠S環(huán)境中，建筑物的年齡、物品分布、墻壁位置和天花板高度都是影響均方根時(shí)延的關(guān)鍵因素。在參考文獻(xiàn)[29]中，隨著接收天線間距增加，均方根時(shí)延擴(kuò)展增加。在參考文獻(xiàn)[15]中圖3對(duì)比了4種典型場(chǎng)景下測(cè)量場(chǎng)景的信道沖激響應(yīng)。從平均時(shí)延、均方根時(shí)延和相干帶寬得到的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受干擾的因素不完全依賴(lài)于LOS條件，與金屬阻礙物的分布有關(guān)。在靜態(tài)模式下，RMS時(shí)延擴(kuò)展超過(guò)72 ns，這表明了金屬設(shè)備的反射是主要影響因素；當(dāng)接收天線間距較短時(shí)，均方根時(shí)延擴(kuò)展幾乎是恒定的。當(dāng)發(fā)射機(jī)天線與接收機(jī)天線逐漸移開(kāi)時(shí)，反射信號(hào)幅度變大，均方根時(shí)延增加。

由以上均方根時(shí)延測(cè)量研究可以發(fā)現(xiàn)工廠內(nèi)設(shè)施、天線間距具有不同的反射水平。因此，從一個(gè)環(huán)境獲得的測(cè)量結(jié)果不適用其他環(huán)境，這會(huì)使無(wú)線技術(shù)的可靠性復(fù)雜化。

3.3.3 時(shí)變特性

如今的工業(yè)中，工廠自動(dòng)化隨處可見(jiàn)，廠內(nèi)人員移動(dòng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和小車(chē)在行駛中擺動(dòng)等因素使工業(yè)環(huán)境中的無(wú)線信道具有時(shí)變特性，會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移現(xiàn)象。一方面，工廠內(nèi)人員移動(dòng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)等會(huì)引起多普勒頻偏。在參考文獻(xiàn)[30]中，將人體建模為垂直定向的圓柱體，通過(guò)將來(lái)自室內(nèi)環(huán)境的地板、天花板和墻壁的反射以及來(lái)自移動(dòng)人體散射的多徑分量進(jìn)行參數(shù)化，符合Rice（萊斯）分布并且信號(hào)隨著工作人員的移動(dòng)而變化。參考文獻(xiàn)[33]研究了工業(yè)中有機(jī)器人工作的無(wú)線信道的時(shí)變特性，測(cè)量的接收天線安裝在做周期圓周運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人手臂上。該機(jī)器人手臂重復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期為1.5 s，運(yùn)動(dòng)線速度為2 m/s，中心頻率為2.44 GHz。測(cè)量時(shí)間為10 s，從多普勒頻移的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在前6 s變化快速，在后4 s變化緩慢，然后機(jī)器人停止工作，由此得到工業(yè)中機(jī)器人手臂在做周期性圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)使信道具有時(shí)變特性。另一方面，課題組研究了某汽車(chē)廠LOS場(chǎng)景下運(yùn)輸小車(chē)的信道時(shí)變特性，研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸小車(chē)的多普勒頻移并不是理論上的純多普勒值，而是在理論值的基礎(chǔ)上還存在一定的隨機(jī)頻偏。圖2是某汽車(chē)廠測(cè)量場(chǎng)景，沿箭頭從左向右勻速推動(dòng)運(yùn)輸小車(chē)，在移動(dòng)運(yùn)輸小車(chē)的過(guò)程中，工廠地面不平，使得小車(chē)有不規(guī)則擺動(dòng)。

圖2 汽車(chē)廠實(shí)測(cè)場(chǎng)景

根據(jù)測(cè)量頻率為5.8 GHz的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)將運(yùn)輸小車(chē)移動(dòng)對(duì)信道的影響進(jìn)行了分析，如圖3所示為瞬間多普勒功率譜，圖3(a)是LOS條件下的仿真數(shù)據(jù)，圖3(b)為L(zhǎng)OS條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從測(cè)量結(jié)果得到運(yùn)輸小車(chē)不規(guī)則的擺動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生有波動(dòng)頻差，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)工業(yè)環(huán)境下運(yùn)輸小車(chē)的多普勒頻偏提出了一種數(shù)學(xué)模型，該模型的多普勒頻移符合理論的多普勒頻移加具有一定高斯分布的隨機(jī)頻偏值，工廠環(huán)境下運(yùn)輸小車(chē)多普勒頻偏滿足：

4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電磁噪聲特點(diǎn)與噪聲特性研究現(xiàn)狀

4.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電磁噪聲特點(diǎn)

噪聲對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的影響十分顯著，分析噪聲的特點(diǎn)對(duì)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)十分重要。噪聲工業(yè)環(huán)境下與其他典型環(huán)境（市區(qū)、辦公室、家庭等）也有所不同，其特點(diǎn)主要分為以下幾個(gè)方面。

（1）工廠噪聲的種類(lèi)較多，對(duì)無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生影響的噪聲主要有機(jī)械性噪聲和電磁性噪聲。機(jī)械性噪聲由機(jī)械撞擊、摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生，如破碎機(jī)、球磨機(jī)、電鋸和機(jī)床等發(fā)出的噪聲；電磁性噪聲由于磁場(chǎng)脈動(dòng)、電源頻率脈動(dòng)引起電器部件震動(dòng)而產(chǎn)生，如發(fā)電機(jī)、變壓器、繼電器產(chǎn)生的噪聲。

（2）工廠噪聲的分布頻率范圍較大，且各種類(lèi)型的噪聲總是同時(shí)存在于工廠內(nèi)各個(gè)隨機(jī)的位置。比如焊接產(chǎn)生的噪聲頻率可以達(dá)到數(shù)百M(fèi)Hz，火花放電產(chǎn)生的電磁噪聲輻射分布在幾百M(fèi)Hz到GHz，用于控制機(jī)械設(shè)備的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射頻率分布在幾十Hz到3 GHz。

（3）工廠噪聲不僅有高斯白噪聲影響，還有突發(fā)的脈沖噪聲等，且工廠環(huán)境的噪聲在強(qiáng)度、頻率范圍、帶寬、功率譜形狀、生滅特征等方面與傳統(tǒng)的高斯白噪聲存在很大的差異；在工廠正常工作時(shí)，由于機(jī)械設(shè)備的間歇性工作，其輻射出的電磁噪聲也會(huì)呈現(xiàn)出一定的時(shí)變特性。

4.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電磁噪聲研究現(xiàn)狀

在參考文獻(xiàn)[31]中提出了工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的寬帶信道模型，該模型考慮了惡劣工廠環(huán)境中噪聲的影響，采用一階兩態(tài)馬爾可夫過(guò)程描述工業(yè)環(huán)境中典型突發(fā)脈沖噪聲的特性。脈沖噪聲的幅值與噪聲功率比有關(guān)，當(dāng)噪聲功率變大時(shí)，脈沖噪聲的幅值增大。從測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有考慮噪聲對(duì)信道的影響，工廠環(huán)境的噪聲會(huì)極大地降低無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。在參考文獻(xiàn)[32]中測(cè)量了100 MHz~6 GHz頻段下變電站的電磁噪聲環(huán)境，給出了脈沖率、脈沖幅度、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖發(fā)生時(shí)間等統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建了基于統(tǒng)計(jì)和頻譜特性的脈沖噪聲模型，用于評(píng)估變電站無(wú)線設(shè)備的部署相關(guān)情況。在參考文獻(xiàn)[33]中提出了用APD（amplitude probability distribution，幅度概率分布）統(tǒng)計(jì)方式評(píng)估電磁噪聲對(duì)通信系統(tǒng)的影響，將幅度概率分布定義為干擾強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)電平的時(shí)間概率，計(jì)算式為：

其中，是的CDF（cumulative distribution function，累積分布函數(shù)）。通過(guò)幅度概率分布統(tǒng)計(jì)參量的測(cè)量結(jié)果，可以獲得噪聲電平的平均值和有效值，能夠真實(shí)地反映噪聲的特性，評(píng)估噪聲對(duì)不同類(lèi)型的通信系統(tǒng)的影響。在參考文獻(xiàn)[30]中，用APD測(cè)量的環(huán)境是典型鋼鐵廠，其中心頻率分別為439 MHz、440 MHz、570 MHz及2 450 MHz，其中，干擾在439 MHz時(shí)最明顯，因?yàn)橛幸惠v汽車(chē)、一輛運(yùn)輸機(jī)器人和一臺(tái)起重機(jī)同時(shí)工作。在造紙廠電動(dòng)機(jī)將大塊木頭粉碎的過(guò)程中，產(chǎn)生的噪聲使得DECT（digital enhanced cordless telecommunication，室內(nèi)無(wú)繩電話）系統(tǒng)突然出現(xiàn)問(wèn)題無(wú)法使用。本文對(duì)某汽車(chē)廠焊接設(shè)備的電磁噪聲展開(kāi)了研究，采用對(duì)數(shù)周期天線分別測(cè)量了手工點(diǎn)焊機(jī)與焊接機(jī)器人附近的噪聲信號(hào)，得到了噪聲功率、噪聲帶寬、噪聲之間頻率間隔等相關(guān)參數(shù)。圖4（a）和圖4（b）分別為手工點(diǎn)焊機(jī)與焊接機(jī)器人附近的噪聲信號(hào)，從測(cè)量結(jié)果中可以看出，手工點(diǎn)焊機(jī)與焊接機(jī)器人工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲分布大體上相同，但并不完全吻合。兩種焊接設(shè)備的噪聲信號(hào)主要分布在300~900 MHz頻段，其功率主要集中在-110~97 dBm，帶寬在4~20 kHz范圍相對(duì)較窄。這主要是由于兩種機(jī)械設(shè)備采用的焊頭相同，故噪聲情況相近，但工作時(shí)焊頭的高度、焊機(jī)工作方式略有差異，導(dǎo)致噪聲略有不同，但兩者總體上大致相似。由這些研究可以看出，不同工廠噪聲差異很大，對(duì)于噪聲測(cè)量應(yīng)全面考慮工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所應(yīng)用的頻段。若影響無(wú)線通信系統(tǒng)的噪聲只用加性高斯白噪聲（additive white Gaussian noise）表示，在惡劣的工廠環(huán)境中存在的脈沖噪聲會(huì)顯著降低無(wú)線系統(tǒng)的可靠性和有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)開(kāi)始，想要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工廠，需要加速完善通信技術(shù)來(lái)改進(jìn)生產(chǎn)流程和管理系統(tǒng)。本文首先對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中使用的無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比，歸納了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信道和電磁噪聲特點(diǎn)，回顧了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道和噪聲測(cè)量以及研究的已有成果。本文討論了不同工業(yè)環(huán)境條件下的路徑損耗，分析了信道時(shí)間色散、時(shí)變特性以及噪聲特性，并強(qiáng)調(diào)了影響它們的因素。研究發(fā)現(xiàn)只有充分了解無(wú)線信道和噪聲特性以及不同無(wú)線技術(shù)適用的工業(yè)場(chǎng)景，才能使工業(yè)生產(chǎn)中不可預(yù)測(cè)的干擾風(fēng)險(xiǎn)降至最低。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開(kāi)無(wú)線通信技術(shù)的支持，未來(lái)迫切需要對(duì)不同工廠環(huán)境、不同頻率和鏈路配置的信道和噪聲測(cè)量以及對(duì)其特性展開(kāi)分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)有的模型或開(kāi)發(fā)新的模型，適應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展。

[1] 杜玉河. 《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)》正式發(fā)布[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械, 2017(10): 34-35.

DU Y H. The industrial internet of things white paper was officially released [J]. Lifting and Transport Machinery, 2017(10): 34-35.

[2] 工業(yè)和信息化部. 物聯(lián)網(wǎng)的十三五規(guī)劃(2016-2020)年[R]. 2016.

Ministry of Industry and Information Technology. IoT 13th five-year plan (2016-2020) years[R]. 2016.

[3] 陳山枝. 發(fā)展5G的分析與建議[J]. 電信科學(xué), 2016, 32(7): 1-10.

CHEN S Z. Analysis and suggestion of future 5G directions [J]. Telecommunications Science, 2016, 32(7): 1-10.

[4] 宮詩(shī)尋, 陶小峰. 5G大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信中的傳輸技術(shù)[J]. 中興通訊技術(shù), 2017, 23(3): 20-23.

GONG S X, TAO X F. Transmission technologies in massive machine type communication for 5G[J]. ZTE Technology Journal, 2017, 23(3): 20-23.

[5] 劉留, 陶成, 余立, 等. 高速鐵路無(wú)線信道測(cè)量與信道模型探討[J]. 電信科學(xué), 2011, 27(5): 54-60.

LIU L, TAO C, YU L, et al. Discussion on the channel measurement and channel model under high speed railway environment [J]. Telecommunications Science, 2011, 27(5): 54-60.

[6] 賴(lài)春媛, 閆文卿, 亓?xí)x. 基于云霧融合的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能源管理架構(gòu)[J]. 電信科學(xué), 2017, 33(10): 2-9.

LAI C Y, YAN W Q, QI J. An energy management framework based on fog-cloud combining for industrial internet of things [J]. Telecommunications Science, 2017, 33(10): 2-9.

[7] 常潔, 王藝, 李潔, 等. 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有架構(gòu)的梳理總結(jié)和未來(lái)運(yùn)營(yíng)商的發(fā)展策略[J]. 電信科學(xué), 2017, 33(11): 123-133.

CHANG J, WANG Y, LI J, et al. Summary of existing framework in industrial communication networks and future development strategies for communication operators [J]. Telecommunications Science, 2017, 33(11): 123-133.

[8] SKYLAB. 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的黑馬——NB-IoT[R]. 2017.

SKYLAB. The black horse in the age of the internet of things——NB-IoT[R]. 2017.

[9] 邢宇龍, 張力方, 胡云. 移動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)方案研究[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù), 2016(11): 87-92.

XING Y L, ZHANG L F, HU Y. The evolution research of mobile cellular communication technology for IoT[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications, 2016(11): 87-92.

[10] 嚴(yán)小強(qiáng), 李星. 基于LoRa功耗及其響應(yīng)速度設(shè)計(jì)研究[J]. 電子質(zhì)量, 2017(9): 9-12.

YAN X Q, LI X. Research on power consumption and response speed design based on LoRa[J]. Electronics Quality, 2017(9): 9-12.

[11] 韓磊. 移動(dòng)用戶終端的電磁輻射發(fā)射測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011.

HAN L. The development of electromagnetic radiation emission test software for mobile user terminal[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011.

[12] CHEFFENA M. Propagation channel characteristics of industrial wireless sensor networks [wireless corner][J]. IEEE Antennas & Propagation Magazine, 2016, 58(1): 66-73.

[13] RAPPAPORT T S. Characterization of UHF multipath radio channels in factory buildings[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 1989, 37(8): 1058-1069.

[14] KAREDAL J, WYNE S, ALMERS P, et al. Statistical analysis of the UWB channel in an industrial environment[C]//Vehicular Technology Conference (VTC2004-Fall), Sept 26-29, 2004, Los Angeles, CA, USA. Piscataway: IEEE Press, 2004: 81-85.

[15] MIAOUDAKIS A, LEKKAS A, KALIVAS G, et al. Radio channel characterization in industrial environments and spread spectrum modem performance[C]//2005 IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA 2005), Sept 19-22, 2005, Catania, Italy. Piscataway: IEEE Press, 2005: 93.

[16] KAREDAL J, WYNE S, ALMERS P, et al. A measurement-based statistical model for industrial ultra-wideband channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(8): 3028-3037.

[17] KOZLOWSKI S, SZUMNY R, KUREK K, et al. Statistical modelling of a wideband propagation channel in the factory environment[C]//2009 European Conference on Wireless Technology, Sept 28-29, 2009, Rome, Italy. Piscataway: IEEE Press, 2009: 190-193.

[18] WANG Y, LU W, ZHU H. Experimental study on indoor channel model for wireless sensor networks and Internet of Things[C]//2010 IEEE International Conference on Communication Technology, Nov 11-14, 2010, Nanjing, China. Piscataway: IEEE Press, 2010: 624-627.

[19] FERRER-COLL J, A?NGSKOG P, CHILO J, et al. Characterisation of highly absorbent and highly reflective radio wave propagation environments in industrial applications[J]. Communications IET, 2012, 6(15): 2404-2412.

[20] AI Y, CHEFFENA M, LI Q. Power delay profile analysis and modeling of industrial indoor channels[C]//2015 European Conference on Antennas and Propagation, April 13-17, 2015, Lisbon, Portugal. [S.l.: s.n.], 2015: 1-5.

[21] HOLFELD B, WIERUCH D, RASCHKOWSKI L, et al. Radio channel characterization at 5.85 GHz for wireless M2M communication of industrial robots[C]//2016 IEEE WCNC, May 23-27, 2016, Kuala Lumpur, Malaysia. Piscataway: IEEE Press, 2016.

[22] CROONENBROECK R, UNDERBERG L, WULF A, et al. Measurements for the development of an enhanced model for wireless channels in industrial environments[C]// IEEE International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications, Oct 9-11, 2017, Rome, Italy. Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-8.

[23] TANGHE E, JOSEPH W, VERLOOCK L, et al. The industrial indoor channel: large-scale and temporal fading at 900, 2400, and 5200 MHz[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(7): 2740-2751.

[24] TANGHE E, JOSEPH W, MARTENS L, et al. Large-scale fading in industrial environments at wireless communication frequencies[C]// 2007 Antennas and Propagation Society International Symposium, June 10-15, 2007, Honolulu, Hawaii, USA. Piscataway: IEEE Press, 2007: 3001-3004.

[25] ?EYMA TüTüNCü, KARA A. UHF propagation measurements in heavy industry[C]//2016 Signal Processing and Communication Application Conference, May 16-19, 2016, Zonguldak, Turkey. Piscataway: IEEE Press, 2016.

[26] LUO S, POLU N, CHEN Z, et al. RF channel modeling of a WSN testbed for industrial environment[C]//2011 Radio & Wireless Symposium, Jan 1, 2011, Phoenix, USA. Piscataway: IEEE Press, 2011: 375-378.

[27] WITTMANN M, MARTI J, KURNER T. Impact of the power delay profile shape on the bit error rate in mobile radio systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2002, 46(2): 329-339.

[28] KHAN H N, GROSINGER J, G?RTSCHACHER L, et al. Statistical analysis of the power delay profile of a SIMO UHF backscatter RFID channel in an engine test bed[C]// 2017 Antennas & Propagation Conference, June 9-14, 2017, San Diego, CA, USA. Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-5.

[29] AI Y, CHEFFENA M, LI Q. Radio frequency measurements and capacity analysis for industrial indoor environments[C]// 2015 European Conference on Antennas and Propagation, Apr 12-17, 2015, Lisbon, Portugal. Piscataway: IEEE Press, 2015.

[30] KAREDAL J, WYNE S, ALMERS P, et al. UWB channel measurements in an industrial environment[C]//2004 Global Telecommunications Conference (GLOBECOM’04), November 29-December 3, 2004, Dallas, Texas, USA. Piscataway: IEEE Press, 2004: 3511-3516.

[31] CHEFFENA M. Industrial wireless sensor networks: channel modeling and performance evaluation[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications & Networking, 2012(1): 1-8.

[32] SHAN Q, BHATTI S, GLOVER I A, et al. Characteristics of impulsive noise in electricity substations[C]// 2009 Signal Processing Conference, Aug 24-28, 2009, Glasgow, Scotland, UK. Piscataway: IEEE Press, 2009: 2136-2140.

[33] 楊飛, 闞潤(rùn)田, 沙斐. 無(wú)線電騷擾的統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法研究[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2009, 23(1): 22-26.

YANG F, KAN R T, SHA F. Research on statistical measurement of radio noise and electromagnetic disturbance[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2009, 23(1): 22-26.

Wireless channel and noise characteristics in industrial internet of things

ZHANG Ke1, LIU Liu1,2, YUAN Ze1, ZHANG Kun1, ZHANG Jianhua2, LIU Zhijun3

1. Institute of Broadband Wireless Mobile Communications, School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China 2. Key Laboratory of Universal Wireless Communications, Ministry of Education, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 3. Beijing Aerospace Measurement and Control Technology Co., Ltd., Beijing 100041, China

With the proposal and implementation of “Made in China 2025” “Intelligent Manufacturing” “Internet plus” and a series of national strategic planning, the industrial internet of things (IIoT) has developed rapidly in China. However, the channel and noise characteristics of the industrial poor environment have brought great challenges to the wireless communication of the industrial internet of things. The application of different wireless communication technologies in IIoT were introduced and compared and the features of wireless channel and noise in the environment of IIoT were summarized. As the key content of wireless communication research, channel and noise characteristics were analyzed overall.

industrial internet of things, wireless communication technology, channel characteristics, noise characteristics

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018217

張克（1994?），女，北京交通大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線通信。

劉留（1981?），男，博士，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦哞F無(wú)線信道測(cè)量與建模、高鐵寬帶接入物理層關(guān)鍵技術(shù)等。

袁澤（1994?），男，北京交通大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線通信。

張琨（1993?），男，北京交通大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線通信。

張建華（1976?），女，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要方向?yàn)閷拵б苿?dòng)通信系統(tǒng)新理論及技術(shù)等。

張志軍（1986?），男，北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)、裝備自動(dòng)化測(cè)試等。

2018?01?20；

2018?05?20

北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（No.KFKT-2018105）；北京市科技新星計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.Z161100004916068）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金資助項(xiàng)目（No.61471027）

Key Laboratory of Universal Wireless Communications, Ministry of Education (No.KFKT-2018105), Beijing New-star Plan of Science and Technology (No.Z161100004916068), The National Natural Science Foundation of China (No.61471027)