基于無線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)電磁兼容與抗干擾探討

柏青青，肖雨

重慶市信息通信研究院，重慶 401336

0 引言

電磁兼容性就是通信設(shè)備或是電子系統(tǒng)在指定環(huán)境中進(jìn)行工作，無意出現(xiàn)的電磁輻射并不能直接引起其故障或是導(dǎo)致性能下降，并且在同樣的設(shè)備或是系統(tǒng)之中，只要其處于正常運(yùn)行的狀態(tài)，也不會導(dǎo)致其他設(shè)備或是系統(tǒng)的正常運(yùn)行受到影響。與電磁兼容性相反的即為電磁干擾，二者之間體現(xiàn)出相互依存的關(guān)系[1]。無線物聯(lián)網(wǎng)屬于一類復(fù)雜程度較高的通信網(wǎng)絡(luò)，雖然當(dāng)前其相應(yīng)的技術(shù)體系已經(jīng)在通信抗干擾方面開始應(yīng)用規(guī)范性良好的措施，但是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)以無線環(huán)境為基礎(chǔ)，同時自身具有廣泛性的特點(diǎn)，所以當(dāng)前尚不具有可以統(tǒng)一使用的協(xié)調(diào)機(jī)制，也就需要及時根據(jù)實(shí)際情況提出應(yīng)用效果最好的綜合解決方案。

任何信息網(wǎng)絡(luò)或是電子系統(tǒng)中，最好的EMC均應(yīng)由設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就開始注意相關(guān)問題，若原始設(shè)計(jì)工作對于EMC不夠重視，后續(xù)則必須開展更大規(guī)模的抗干擾工作，方可保障數(shù)個系統(tǒng)與設(shè)備持續(xù)共存。

1 物聯(lián)網(wǎng)干擾因素及特征分析

物聯(lián)網(wǎng)的使用應(yīng)用時間相對不長，需要在其中同時應(yīng)用不同的通信手段，所以復(fù)雜程度相對較高，也就需要針對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用頻率較高的各項(xiàng)無線技術(shù)，了解其間相互進(jìn)行影響的具體情況，以促使物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用得到進(jìn)一步完善。雖然物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)受到了越來越多的重視，但是多為應(yīng)用在局部，例如應(yīng)用于橋梁健康情況監(jiān)測、環(huán)境衛(wèi)生情況監(jiān)測以及智能交通狀態(tài)監(jiān)測等多個方面，其中應(yīng)用的方式也以藍(lán)牙、Wi-Fi以及無線傳感網(wǎng)為主。如果對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行更大規(guī)模的應(yīng)用，則極易導(dǎo)致其中出現(xiàn)電磁兼容以及抗干擾相關(guān)的問題[2]。

在無線環(huán)境中，干擾情況主要可以被分為兩個類型，分別是“周期性干擾”以及“非周期性干擾”，前者一般包括電臺干擾等情況，后者一般包括平滑干擾以及脈沖干擾等情況。但是如果按照干擾來源對其進(jìn)行劃分，則可以將其劃分成為無線電干擾、人為干擾等。與此同時，其中還存在一定程度的噪聲干擾，一般將噪聲稱為“外部噪聲”，將無線電干擾稱為“干擾”[3]。

2 電磁兼容與抗干擾的重要意義

2.1 避免不同系統(tǒng)間產(chǎn)生干擾

通常來說，在無線設(shè)備進(jìn)入到工作狀態(tài)中以后，其能夠持續(xù)釋放信息電磁波，并將其傳至無線設(shè)備，以落實(shí)工作指令。由此，在日常生產(chǎn)生活的空間之中存在諸多通過無線設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行釋放的電磁波，且在電磁波數(shù)量的不斷增加的背景之下，其間難免出現(xiàn)相互影響或相互干擾的情況，甚至可能導(dǎo)致部分信息在傳輸?shù)倪^程中被中斷，進(jìn)而導(dǎo)致信息傳播效果受到嚴(yán)重影響。例如一邊用電腦一邊用手機(jī)時，電腦或是手機(jī)會出現(xiàn)輕微的噪聲，此即為二者之間的電磁波相互產(chǎn)生干擾；或是飛機(jī)飛行過程中手機(jī)必須關(guān)機(jī)，因?yàn)殡姶挪ǜ蓴_可能導(dǎo)致飛機(jī)定位功能相關(guān)的雷達(dá)電磁波受到影響。若能夠?qū)崿F(xiàn)電磁兼容或良好的抗干擾能力，則可大幅提升各項(xiàng)信息進(jìn)行傳播的效率，也就能夠?yàn)槿粘Ｉa(chǎn)生活提供更多的便捷[4]。

2.2 避免同一系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生干擾

在部分規(guī)模較大的系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)以后，其能夠?qū)е缕渌O(shè)備受到電磁波的干擾，甚至導(dǎo)致與自身具有密切關(guān)聯(lián)性的其他設(shè)備受到干擾，例如在汽車行駛過程中，汽車自身產(chǎn)生的電磁波能夠?qū)е缕噧?nèi)置的收音機(jī)設(shè)備受到干擾，雖然對于汽車收音機(jī)正常應(yīng)用產(chǎn)生的不利影響較為輕微，但是若此類情況出現(xiàn)在重大活動或是大型實(shí)驗(yàn)之中，電磁波干擾能夠產(chǎn)生的不良影響將更加顯著[5]。由此可見，針對無線物聯(lián)網(wǎng)電磁兼容及抗干擾能力進(jìn)行研究十分重要。

3 抗干擾措施

3.1 通信抗干擾技術(shù)與體制

所謂通信抗干擾技術(shù)，也就是在應(yīng)用某一抗干擾技術(shù)體制時，需要應(yīng)用的技巧以及途徑，可以將其劃分成為兩個類型，分別是“擴(kuò)普通信抗干擾技術(shù)”以及“非擴(kuò)普通信抗干擾技術(shù)”。一般來說，對通信抗干擾技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以從空間域、頻率閾、功率閾以及時間域等不同的角度入手，且不同類型的抗干擾技術(shù)主要處于獨(dú)立發(fā)揮作用的狀態(tài)，但是如果能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合應(yīng)用，則抗干擾效果可以得到顯著提升。需要注意的是，選擇抗干擾技術(shù)時，必須以通信系統(tǒng)體制為基礎(chǔ)，做出最合理的決定[6]。但是從整體上來看，抗干擾技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果能夠受到通信頻率、通信設(shè)備、用途通信、干擾技術(shù)體制、器件水平以及數(shù)據(jù)速率等多方面因素的影響。

當(dāng)前無線物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，幾乎不可能完全實(shí)現(xiàn)電磁干擾的屏蔽，且若盲目開展屏蔽操作，極易導(dǎo)致各類相關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響，所以必須積極尋找更加適宜的方式對電磁波干擾進(jìn)行控制，以切實(shí)解決當(dāng)前存在的各項(xiàng)問題。從實(shí)際上來看，可以嘗試采用以下三類技術(shù)促使無線物聯(lián)網(wǎng)電磁兼容及抗干擾能力得到提升。

3.1.1 空閑信道評估技術(shù)

無線互聯(lián)網(wǎng)對信息進(jìn)行傳播，需要應(yīng)用空間內(nèi)的電磁波。對于電磁波，可以根據(jù)其自身的頻率將其劃分成為多個頻率段，需要采用同一頻率段的電磁波對信息進(jìn)行傳輸?shù)耐ǖ溃礊椤靶诺馈薄Ｒ源藶榛A(chǔ)，應(yīng)用空閑信道評估技術(shù)，可以盡可能選擇沒有電磁波或是電磁波數(shù)量相對較少的信道開展信息傳播工作，由此，高頻信道中出現(xiàn)信息傳輸沖突的可能性大幅度降低，且無線物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用過程可以實(shí)現(xiàn)電磁兼容以及較好的抗干擾效果[7]。IEEE物理層可以在碰撞避免機(jī)制中呈現(xiàn)出對CCA進(jìn)行提供的能力，也就是說，如果其他設(shè)備占用信道，則傳輸可以退出，且不需對通信協(xié)議進(jìn)行考慮。

3.1.2 動態(tài)信道選擇技術(shù)

從實(shí)際上來看，電磁波傳播工作中并不具有必須采用某一信道的具體規(guī)定，所以在對信息進(jìn)行傳輸時，可以選擇應(yīng)用動態(tài)信道選擇技術(shù)。該方法需要針對電磁波信道進(jìn)行隨時的評估，并以此為基礎(chǔ)，在固定的時間段內(nèi)選擇信息傳播效率更高的信道進(jìn)行應(yīng)用。因?yàn)閷?shí)際的信息傳播工作可以采用隨機(jī)的方式對信道進(jìn)行選擇，所以在進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^程中，可以相對隨意的變換信道，也就是可以選擇傳輸信息更加順暢的信道開展工作，從而更加有效地避免高頻信道中出現(xiàn)沖突，也可以提升信息傳播的效率。ZigBee個人區(qū)域網(wǎng)之中所包含的協(xié)調(diào)器，應(yīng)該首先針對全部信道進(jìn)行掃描，之后選擇一個與之相適應(yīng)的ZigBee個人區(qū)域網(wǎng)加入其中，而非重新創(chuàng)建。由此，同一頻段之中的ZigBee個人區(qū)域網(wǎng)的數(shù)量可以大幅度減少，也就更有利于對潛在的干擾起到有效地控制作用。而如果重疊信道中出現(xiàn)干擾源，協(xié)調(diào)器上層軟件則能夠及時采用信道算法對新信道進(jìn)行合理選擇。

3.1.3 選擇信道算法技術(shù)

對選擇信道算法技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，首先應(yīng)該合理評估無線通信過程中電磁波的強(qiáng)度，并根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行合理選擇。應(yīng)該選擇對信息傳播產(chǎn)生影響或者干擾盡可能小的信道作為信息傳播渠道，也就是說，在傳播信息的過程中，應(yīng)該保障自身的電磁波強(qiáng)度大于干擾電磁波強(qiáng)度，方可避免自身受到電磁波干擾。對選擇信道算法技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，信道頻帶間距中的能量不可為零，且與此同時，其相對信道內(nèi)來說能量更低，可以將此類型的信道作為工作信道，以對系統(tǒng)存在的干擾進(jìn)行有效控制。

以上三個類型的技術(shù)在通信鏈路層次之中，僅屬于基礎(chǔ)的抗干擾技術(shù)和技術(shù)體制，也就是僅能針對通信信道干擾問題進(jìn)行解決。但是在經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展的背景之下，無線物聯(lián)網(wǎng)必然需要得到持續(xù)發(fā)展，也就必然能夠逐漸發(fā)展至通信網(wǎng)絡(luò)層面，進(jìn)而需要針對通信網(wǎng)絡(luò)開展抗干擾工作。而所謂“通信網(wǎng)絡(luò)”，也就是在某一固定范圍內(nèi)采用某一協(xié)議將，同一類型的通信設(shè)備、系統(tǒng)、鏈路、接口設(shè)備等進(jìn)行相互連接，從而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。此類型的網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，其中的抗干擾工作難度也就隨之增加。

3.2 擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)

擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)即在于對無線通信頻譜進(jìn)行拓展，通過無線通信頻道對隱藏的、具有應(yīng)用價值的信息進(jìn)行獲取，從而可以起到抗干擾和保密的作用，屬于一類較為典型的通信模式。并且從整體上來看，在擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)之中，應(yīng)用頻率最高的模式即為序列方式，其屬于能夠?qū)νㄐ蓬l譜進(jìn)行拓展的一種方式，可以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，且抗干擾能力相對較強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)信號保密性的提升，所以時常在衛(wèi)星通信過程中進(jìn)行應(yīng)用。

3.3 跳頻抗干擾技術(shù)

跳頻抗干擾技術(shù)的應(yīng)用時間相對較長，并且應(yīng)用效果良好，通常在民用的通信技術(shù)抗干擾中進(jìn)行應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)頻率，相對于部分固定形式的無線通信來說，跳頻技術(shù)更易實(shí)現(xiàn)無線通信的擴(kuò)展，但是其中的跳轉(zhuǎn)速度能夠?qū)垢蓴_性能產(chǎn)生影響。一般來說，跳頻調(diào)整速度高，相應(yīng)的抗干擾性能即相對較強(qiáng)，在跳頻技術(shù)獲取到頻譜之后，相應(yīng)的抗干擾能力可以進(jìn)一步增強(qiáng)，并且頻譜的寬度越大，其中的抗干擾性能就越好，所以在對跳頻技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時，需要采用提升跳頻速度的方式，促使其中的抗干擾能力可以得到提升。

3.4 混合抗干擾技術(shù)

為了切實(shí)提升無線抗干擾的效果，通常需要對多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行混合應(yīng)用，例如混合應(yīng)用抗干擾技術(shù)以及抗旱技術(shù)，二者相結(jié)合能夠體現(xiàn)出的抗干擾能力，相對于一種技術(shù)的單一抗干擾能力更強(qiáng)，且其中不足之處能夠產(chǎn)生的影響更加微弱，所以可以在適當(dāng)?shù)那闆r下，選擇應(yīng)用混合技術(shù)的形式，對單一技術(shù)中存在的不足之處進(jìn)行彌補(bǔ)。但與此同時，如果干擾設(shè)備自身的復(fù)雜程度較高，通過采用調(diào)頻技術(shù)混合直接序列的形式，可以獲得相應(yīng)的信號，同時獲得寬度更大的頻譜，可以促使該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果得到進(jìn)一步提升。

4 通信抗干擾評價

4.1 通信干擾強(qiáng)度評價

在通信系統(tǒng)之中，通信干擾情況的強(qiáng)弱程度能夠持續(xù)發(fā)生變化。從實(shí)際情況上來看，在通信系統(tǒng)之中，干擾強(qiáng)度最大時，干擾信號的體積可以增長至通信信號體積之上，而對干擾強(qiáng)度進(jìn)行有效控制之后，干擾信號的體積則可逐漸進(jìn)行縮減，并逐漸小于通信信號體積。所謂“信號體積”，也就是信號頻率、功率、存在時間三者之積。為了對通信效果有效維持，必須持續(xù)保持干擾信號體積在通信信號體積之下。

4.2 通信抗干擾技術(shù)性能分析

為了對干擾信號進(jìn)行有效控制，同時盡量避免誤碼情況出現(xiàn)，當(dāng)前在無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，跳頻技術(shù)的應(yīng)用頻率較高，且經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)之后，可以認(rèn)為，當(dāng)前無線環(huán)境中出現(xiàn)的干擾類型主要為白噪聲干擾、多徑干擾、動態(tài)阻塞干擾以及固定阻塞干擾等。不同類型的干擾成因不同，也就需要應(yīng)用具有差異性的抗干擾技術(shù)進(jìn)行具有針對性的抗干擾處理，且能夠呈現(xiàn)出的抗干擾處理效果也各不相同。

4.3 通信抗干擾評估方法

為了能夠充分實(shí)現(xiàn)抗干擾的目的，必然需要在通信網(wǎng)絡(luò)之中采用合理的技術(shù)部措施，也就需要首先針對抗干擾方法能夠產(chǎn)生的效果進(jìn)行評估。一般情況下，評估工作可以從以下幾個方面入手：①采用綜合評估方法，針對評估對象的用途和特點(diǎn)進(jìn)行評估；②根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則對相應(yīng)的指標(biāo)體系進(jìn)行選擇；③采用合理的算法針對多項(xiàng)指標(biāo)開展綜合評估工作。通常來說，對評估方法性能進(jìn)行衡量的方法通常包括以下：①借助計(jì)算機(jī)仿真軟件開展分析工作，該方法具有操作便捷、成本低廉且能夠?qū)?shí)際通信場景進(jìn)行模擬的優(yōu)勢，不足之處則在于訪問時間過長，且不能在仿真過程中對場景進(jìn)行重現(xiàn)；②采用理論分析的方式，獲取與算法和性能所對應(yīng)的理論表達(dá)式，該方式具有準(zhǔn)確率較高的優(yōu)勢，不足之處則在于不能在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用，且應(yīng)用過程中能夠受到的限制較多。

5 結(jié)語

在無線物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)電磁兼容以及抗干擾能力的提升，即在不導(dǎo)致其他設(shè)備正常通信受到影響的基礎(chǔ)上，提升自身的信息傳播效率，以提升相關(guān)工作的質(zhì)量和效率。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)和科技均處于高速發(fā)展的狀態(tài)當(dāng)中，無線物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用頻率必然越來越高，電磁兼容與抗干擾技術(shù)的發(fā)展也就越來越重要，所以必須針對其進(jìn)行更加深入的研究，促使無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用效果得到不斷提升，進(jìn)而能夠?yàn)楦鱾€行業(yè)的持續(xù)發(fā)展進(jìn)步提供重要動力。