基于5G技術的物聯網通信抗干擾方法

陳文仰

（廣州市市場監督管理數據應用中心，廣東 廣州 510620）

1 物聯網通信技術概述

物聯網技術作為基于互聯網的技術體系，在很大程度上有效打破了空間、時間范圍，該技術直接實現了人與物、人與人、物與物三者的連接。在對物聯網技術進行大規模部署時，設備成本、部署成本、可擴展覆蓋面積、可連接設備數量、通信安全性等要素主要影響著物聯網的部署質量。蜂窩網絡體系的進一步發展，是物聯網獲得持續性迭代的關鍵，短距離及固定通信標準在大多數的物聯網場景中得到應用，低功率無線網絡、藍牙等連接技術展現了短途通信的一部分應用，但顯然不能作為城市物聯網通信技術基礎。而由于LPWA技術在數據速率、信道帶寬、能源效率、覆蓋方面的優勢，在物聯網技術中有普遍應用。LoRa技術在擴頻技術基礎上獲得發展，該技術具備低成本、連接節點多、功耗低、傳輸距離遠的優勢。SigFox技術基于超窄帶技術基礎，對構建物聯網網絡給出了完備的端間連接方案。而EMTC、NB-loT技術則均為窄帶LTE技術范疇，同當下的LTE網絡技術相比，以降低傳播速率的方式，實現低數據速率設備的有效連接[1]。

2 5G技術背景下的物聯網通信技術

物聯網技術有著很大的市場場景和市場價值，以互聯網為技術基底，通過低功耗、大規模交互設備的相互連接，實現智能化、自動化。當下物聯網系統已經遍及社會生活的方方面面，可穿戴設備、智能交通系統、智能傳感器、智能家電、智能手機等都是物聯網技術的應用場景。這些物聯網相關體系對人們的生產生活產生了巨大影響，研究分析認為，這些物聯網設備中有70億以2G、3G、4G為代表的蜂窩技術進行連接。作為新一代移動通信技術，5G網絡技術已陸續投入商用，5G技術的優勢表現在8個方面：時延、連接密度、網絡能效、移動性能、流量空間容量、頻譜效率、用戶體驗速率、基站峰值速率等。在傳輸速率上，5G通信技術在4G技術基礎上實現了10~100倍的速率提升，傳輸速率達到10 Gbps，端到端間的時延在毫秒級別，當應用于物聯網系統時，可使設備密度同樣增加10~100倍，流量密度的提升更高，達到了1 000倍[2]。

3 基于5G技術的物聯網通信抗干擾方法

3.1 5G技術背景下的物聯網主要技術分布

5G技術在主要應用的技術分布上，包括高效的網絡傳輸技術和高密度的無線網絡技術兩部分。多天線技術能夠顯著提升網絡通信的頻率、強化數據傳輸的安全性。濾波器組技術是5G網絡體系中的關鍵技術，5G網絡發射端的多載波調制工作由合成濾波器實現，并通過濾波器來進行接收端的多載波解調工作，進一步完成傳輸。而正交頻分復用技術是用單獨濾波器對各子載波進行解調處理，各子載波之間不會相互干擾。在無線網絡技術處理過程中，5G網絡技術體系的各個關鍵架構節點分為：具有“云”特征的無線接入網技術、軟件定義網絡、虛擬化技術、超密集網絡技術、自組織網絡、設備到設備技術。而通過功能抽象、軟硬件解耦實現的虛擬化技術，則使得網絡設備對專用硬件不再過于依賴，促進了網絡資源的進一步共享，進而使得網絡自適應性及彈性大幅得到增強。而NFV技術作為5G網絡的關鍵技術內容，為5G網絡提供靈活的可擴展機制，該技術使得原本面向分布用的自定義網絡切片，能夠為5G IoT技術創設可進行編程的架構式網絡環境，采用NFV技術，可在一個物理實體網絡上構建多個虛擬網絡，可依照需求重新配置設備，對多個網絡進行構建。以短程通信實現設備間連接已經成為進行5G IoT數據傳輸的新型方式，通過這一方式，能夠有效降低5G IoT技術的所需能耗，促進實現負載平衡，并可為邊緣用戶提供更為高效的QoS服務。D2D技術正在作為一類行業領先技術而得到大規模應用，D2D技術可對NB-IoT上行鏈路進行擴展，并可基于NB-IoT技術構建路由蜂窩網絡。在物聯網技術廣泛應用的背景下，D2D技術與移動NB-IoT用戶設備配合使用已成為常態。在5G網絡的未來發展過程中，窄帶物聯網（NB-IoT）、軟件定義網絡、移動邊緣計算、毫米波、MTC通信等相關技術，都將發揮重要作用。

3.2 5G技術背景下的物聯網通信面臨的挑戰

5G技術有效滿足了物聯網的未來發展需求，使物聯網有了更為廣泛的應用場景，但5G IoT技術也同樣面臨著多重挑戰，這些挑戰包括通信干擾、通信可信、安全性問題等。在進行5G IoT體系搭建過程中，原本便面臨著挑戰，隨著大量物聯網設備的加入，通信網絡是否具有可擴展性已成為一大問題，同時還需對大量物聯網設備的狀態信息進行確認，并需對5G IoT技術本身帶來的互操作性及異構性進行兼顧。進行結構設計時，還需權衡考慮5G IoT的隱私及安全性。在確保5G網絡的有效性時，還需解決無線軟件定義網絡問題，為保證網絡體系的靈活高效，SD-CN技術增強網絡如何進行可擴展，也是5G背景下互聯網通信面臨的挑戰。同時，對大多數SDN而言，控制分離數據平面工作也存在著問題，NFV在技術上同SD高度互補，但并不對SDN構成依賴，它在第三方公共云上運行，故而對安全性及隱私性構成挑戰。隨著5G IoT技術的日益標準化，物聯網的應用與開發會越來越成熟。

3.3 物聯網通信抗干擾方法

蜂窩物聯網具有能耗低、連接能力強、成本投入少的特點，它的終端模塊能實現10年左右的待機時間，其一個扇區可實現連接數在10萬以上。而隨著社會經濟的持續發展，蜂窩物聯網能夠借助LTE的產業鏈及全球部署特質，促進廣域物聯網的建設落實。為了促進蜂窩物聯網大規模覆蓋并達到持續降低能耗的目的，各類獨立載波、LTE帶內、LTE保護帶等主要模式逐漸形成。在對物聯網進行部署過程中，需要結合具體的技術模式進行具體分析，視具體的應用模式對可能存在的干擾現象及可應用的抗干擾舉措進行研判。在物聯網系統中存在干擾問題時，必然對通信物理層的信號傳輸工作構成不利影響，通信干擾問題還會使系統誤碼率出現持續減少情況，在誤碼率降低到一定區間后，信號中斷問題就會發生。而由于物聯網的長期運行特征，也使得物聯網語音通話特點存在異同，但如若物聯網信號傳遞效率受到影響，則會使得掉線率增加的同時大幅增大系統負擔。物聯網的信道容量應當確保容量同信噪比間的正比關系，而在信道帶寬已確定的情況下，發生干擾后，則會使信道容量發生縮減?？萍及l展隨之帶來了物聯網行業的迅速發展，并快速在工業、醫療、家居等領域得到普遍應用，我國各領域的物聯網技術可挖掘空間巨大。而同傳統物聯網技術相比，廣域物聯網的發展得到了越來越多的重視，其技術的普及和發展，進一步地推動著物聯網抗干擾技術的研發和推廣。當下5G技術已得到普遍發展，而物聯網通信中的抗干擾技術，則主要有下述幾方面的技術內容。

首先是調頻通信技術，這一技術最開始普遍應用于保密通信中，調頻通信技術能對信號頻率進行轉換，防止其他人員通過信號頻率獲取有效數據信息，當單頻干擾問題出現時，通過調頻通信技術，可擴展系統頻譜規模，提高信噪比，進而排除惡意干擾信號。對LTE網絡來說，下行信道最常用的方式就是頻率選擇調度，從而選擇合理的信道來保證數據傳輸工作平穩進行。而上行信道則可以借助調頻通信技術來對頻率進行分集，保證系統整體穩定性。物聯網技術在工業領域進行應用時，調頻通信技術能提升系統本身安全性，保證系統不受外部環境因素干擾。另外，調頻通信技術對于系統內部的干擾問題也有一定的控制能力，在實際應用中非常實用。

其次是干擾消除技術，該技術是當下物聯網抗干擾技術中的重點研究內容，尤其對于MIMO技術而言，以多天線方式對空間進行分集，從而實現發送端到接收端干擾問題的排除，MIMO技術也被稱作多輸入多輸出技術，在某一輸入輸出領域的信號被干擾后，該技術能夠利用其多信道輸送的機制，對受干擾信號展開修復，這使得該技術有效規避了在多載波干擾情況下，信號整體受到大幅影響的情況發生。應用抗干擾對齊技術在多用戶場景中對信道容量進行擴充過程中，主要以預編碼的方式，將存在干擾的信號區域，在相關信號空間中進行“對齊”，從而實現了對干擾情況的有效排除。由于蜂窩網絡具有較為密集的特征，因此常常存在較多的干擾因素，這些干擾因素制約著該技術的普及。此外，該技術對終端也有著不小的需求，故而雖然消除干擾技術具備低功耗的相關優勢，但在物聯網抗干擾領域的應用也并不普遍。

CoMP技術也是一種被普遍應用的干擾消除技術，該技術也稱為多點協同傳輸技術，在技術實施過程中，會對多區間存在的干擾問題進行結合，以分布式多天線的方式改善存在問題，并通過對信道進行檢測及預估確認信道矩陣，以便更好地對基站與編碼器及接收濾波器進行配置，促進區間干擾的有效消除。CoMP技術在物聯網抗干擾的實現過程中也存在局限性，對求解的難度要求高，需確保結構參數的合理性。智能天線技術也在抗干擾過程中被得到應用，該技術基于天線技術及智能算法的相互融合，對天線矩陣進行控制，對信號發送狀態進行調整，并借助無線電傳輸空間的相互關聯，形成波束，從而將無線電信號向指定方向進行傳輸，以此規避其他方向帶來的信號干擾。

智能天線技術可避免多方向干擾問題，同時有助于減緩信號衰弱狀況和通信信道的擴充，無線信號波束能夠向預定方向進行延展傳輸，這也使得波束自身不會對其他信號構成干擾，以此實現對干擾問題的“雙重規避”。而通過對信道進行估算及檢測，也能實現對用戶的靈活跟蹤。由于物聯網技術對設備并沒有嚴格的性能要求，所以當連接的設備數量較少、用戶需求較低時，可以對空閑的設備資源進行利用。在用戶使用過程中，物聯網上行數據和下行數據不一致時，設備會優先傳輸上行數據。

小區間干擾協調技術也是常用的抗干擾技術，其一般依照進行資源調度的方向，對臨近區間的資源配置工作進行分析。在臨近區間構成的干擾問題中，邊緣位置是最為明顯的干擾區域，基站內的ICIC模塊則能夠基于相關算法，對資源配置模塊進行調控，并展開對射頻資源的合理調度。通過對射頻資源信號傳輸的調控，實現區間干擾問題的有效改善。LTE帶內部部署模式下的物聯網，在信道占用形式及傳輸特征上均具備相近性，故而在同頻組網的情況下，通過將臨近區間子波在不同信道中進行調控，可對系統內部存在的干擾問題進行有效改善，從而確保信號具備穩定性。對于保護帶部署模式來說，通過對頻段中多處子載波進行應用，使其在小區間內部及邊緣位置分別進行配置，從而能夠保證小區間邊緣部位對外部干擾因素進行正交性接收。這樣一種干擾協調方式發揮的作用十分有效，具備較強的可行性價值。

4 結束語

科技自主創新進程的不斷加速，使得物聯網技術迎來新的發展機遇，多項物聯網技術處于并列并存的共同發展階段。本文基于5G網絡技術，探討了5G網絡技術背景下物聯網的發展重點難點，并論述了相關的通信抗干擾技術，以期為行業發展貢獻思考。■