基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信抗干擾方法

陳文仰

（廣州市市場(chǎng)監(jiān)督管理數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，廣東 廣州 510620）

1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系，在很大程度上有效打破了空間、時(shí)間范圍，該技術(shù)直接實(shí)現(xiàn)了人與物、人與人、物與物三者的連接。在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模部署時(shí)，設(shè)備成本、部署成本、可擴(kuò)展覆蓋面積、可連接設(shè)備數(shù)量、通信安全性等要素主要影響著物聯(lián)網(wǎng)的部署質(zhì)量。蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系的進(jìn)一步發(fā)展，是物聯(lián)網(wǎng)獲得持續(xù)性迭代的關(guān)鍵，短距離及固定通信標(biāo)準(zhǔn)在大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中得到應(yīng)用，低功率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等連接技術(shù)展現(xiàn)了短途通信的一部分應(yīng)用，但顯然不能作為城市物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)基礎(chǔ)。而由于LPWA技術(shù)在數(shù)據(jù)速率、信道帶寬、能源效率、覆蓋方面的優(yōu)勢(shì)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中有普遍應(yīng)用。LoRa技術(shù)在擴(kuò)頻技術(shù)基礎(chǔ)上獲得發(fā)展，該技術(shù)具備低成本、連接節(jié)點(diǎn)多、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)。SigFox技術(shù)基于超窄帶技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)給出了完備的端間連接方案。而EMTC、NB-loT技術(shù)則均為窄帶LTE技術(shù)范疇，同當(dāng)下的LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，以降低傳播速率的方式，實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)速率設(shè)備的有效連接[1]。

2 5G技術(shù)背景下的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著很大的市場(chǎng)場(chǎng)景和市場(chǎng)價(jià)值，以互聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基底，通過(guò)低功耗、大規(guī)模交互設(shè)備的相互連接，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化。當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)遍及社會(huì)生活的方方面面，可穿戴設(shè)備、智能交通系統(tǒng)、智能傳感器、智能家電、智能手機(jī)等都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。這些物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)體系對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大影響，研究分析認(rèn)為，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中有70億以2G、3G、4G為代表的蜂窩技術(shù)進(jìn)行連接。作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已陸續(xù)投入商用，5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在8個(gè)方面：時(shí)延、連接密度、網(wǎng)絡(luò)能效、移動(dòng)性能、流量空間容量、頻譜效率、用戶體驗(yàn)速率、基站峰值速率等。在傳輸速率上，5G通信技術(shù)在4G技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了10~100倍的速率提升，傳輸速率達(dá)到10 Gbps，端到端間的時(shí)延在毫秒級(jí)別，當(dāng)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，可使設(shè)備密度同樣增加10~100倍，流量密度的提升更高，達(dá)到了1 000倍[2]。

3 基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信抗干擾方法

3.1 5G技術(shù)背景下的物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)分布

5G技術(shù)在主要應(yīng)用的技術(shù)分布上，包括高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和高密度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩部分。多天線技術(shù)能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)通信的頻率、強(qiáng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。濾波器組技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)體系中的關(guān)鍵技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射端的多載波調(diào)制工作由合成濾波器實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)濾波器來(lái)進(jìn)行接收端的多載波解調(diào)工作，進(jìn)一步完成傳輸。而正交頻分復(fù)用技術(shù)是用單獨(dú)濾波器對(duì)各子載波進(jìn)行解調(diào)處理，各子載波之間不會(huì)相互干擾。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理過(guò)程中，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系的各個(gè)關(guān)鍵架構(gòu)節(jié)點(diǎn)分為：具有“云”特征的無(wú)線接入網(wǎng)技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、虛擬化技術(shù)、超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備到設(shè)備技術(shù)。而通過(guò)功能抽象、軟硬件解耦實(shí)現(xiàn)的虛擬化技術(shù)，則使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)專用硬件不再過(guò)于依賴，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)資源的進(jìn)一步共享，進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性及彈性大幅得到增強(qiáng)。而NFV技術(shù)作為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，為5G網(wǎng)絡(luò)提供靈活的可擴(kuò)展機(jī)制，該技術(shù)使得原本面向分布用的自定義網(wǎng)絡(luò)切片，能夠?yàn)?G IoT技術(shù)創(chuàng)設(shè)可進(jìn)行編程的架構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用NFV技術(shù)，可在一個(gè)物理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，可依照需求重新配置設(shè)備，對(duì)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建。以短程通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備間連接已經(jīng)成為進(jìn)行5G IoT數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦头绞?，通過(guò)這一方式，能夠有效降低5G IoT技術(shù)的所需能耗，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，并可為邊緣用戶提供更為高效的QoS服務(wù)。D2D技術(shù)正在作為一類行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)而得到大規(guī)模應(yīng)用，D2D技術(shù)可對(duì)NB-IoT上行鏈路進(jìn)行擴(kuò)展，并可基于NB-IoT技術(shù)構(gòu)建路由蜂窩網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下，D2D技術(shù)與移動(dòng)NB-IoT用戶設(shè)備配合使用已成為常態(tài)。在5G網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)邊緣計(jì)算、毫米波、MTC通信等相關(guān)技術(shù)，都將發(fā)揮重要作用。

3.2 5G技術(shù)背景下的物聯(lián)網(wǎng)通信面臨的挑戰(zhàn)

5G技術(shù)有效滿足了物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展需求，使物聯(lián)網(wǎng)有了更為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，但5G IoT技術(shù)也同樣面臨著多重挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括通信干擾、通信可信、安全性問(wèn)題等。在進(jìn)行5G IoT體系搭建過(guò)程中，原本便面臨著挑戰(zhàn)，隨著大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的加入，通信網(wǎng)絡(luò)是否具有可擴(kuò)展性已成為一大問(wèn)題，同時(shí)還需對(duì)大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行確認(rèn)，并需對(duì)5G IoT技術(shù)本身帶來(lái)的互操作性及異構(gòu)性進(jìn)行兼顧。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還需權(quán)衡考慮5G IoT的隱私及安全性。在確保5G網(wǎng)絡(luò)的有效性時(shí)，還需解決無(wú)線軟件定義網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，為保證網(wǎng)絡(luò)體系的靈活高效，SD-CN技術(shù)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行可擴(kuò)展，也是5G背景下互聯(lián)網(wǎng)通信面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)大多數(shù)SDN而言，控制分離數(shù)據(jù)平面工作也存在著問(wèn)題，NFV在技術(shù)上同SD高度互補(bǔ)，但并不對(duì)SDN構(gòu)成依賴，它在第三方公共云上運(yùn)行，故而對(duì)安全性及隱私性構(gòu)成挑戰(zhàn)。隨著5G IoT技術(shù)的日益標(biāo)準(zhǔn)化，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)會(huì)越來(lái)越成熟。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)通信抗干擾方法

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)具有能耗低、連接能力強(qiáng)、成本投入少的特點(diǎn)，它的終端模塊能實(shí)現(xiàn)10年左右的待機(jī)時(shí)間，其一個(gè)扇區(qū)可實(shí)現(xiàn)連接數(shù)在10萬(wàn)以上。而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)能夠借助LTE的產(chǎn)業(yè)鏈及全球部署特質(zhì)，促進(jìn)廣域物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)落實(shí)。為了促進(jìn)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模覆蓋并達(dá)到持續(xù)降低能耗的目的，各類獨(dú)立載波、LTE帶內(nèi)、LTE保護(hù)帶等主要模式逐漸形成。在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行部署過(guò)程中，需要結(jié)合具體的技術(shù)模式進(jìn)行具體分析，視具體的應(yīng)用模式對(duì)可能存在的干擾現(xiàn)象及可應(yīng)用的抗干擾舉措進(jìn)行研判。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在干擾問(wèn)題時(shí)，必然對(duì)通信物理層的信號(hào)傳輸工作構(gòu)成不利影響，通信干擾問(wèn)題還會(huì)使系統(tǒng)誤碼率出現(xiàn)持續(xù)減少情況，在誤碼率降低到一定區(qū)間后，信號(hào)中斷問(wèn)題就會(huì)發(fā)生。而由于物聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)期運(yùn)行特征，也使得物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音通話特點(diǎn)存在異同，但如若物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)傳遞效率受到影響，則會(huì)使得掉線率增加的同時(shí)大幅增大系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。物聯(lián)網(wǎng)的信道容量應(yīng)當(dāng)確保容量同信噪比間的正比關(guān)系，而在信道帶寬已確定的情況下，發(fā)生干擾后，則會(huì)使信道容量發(fā)生縮減?？萍及l(fā)展隨之帶來(lái)了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的迅速發(fā)展，并快速在工業(yè)、醫(yī)療、家居等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，我國(guó)各領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可挖掘空間巨大。而同傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，廣域物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展得到了越來(lái)越多的重視，其技術(shù)的普及和發(fā)展，進(jìn)一步地推動(dòng)著物聯(lián)網(wǎng)抗干擾技術(shù)的研發(fā)和推廣。當(dāng)下5G技術(shù)已得到普遍發(fā)展，而物聯(lián)網(wǎng)通信中的抗干擾技術(shù)，則主要有下述幾方面的技術(shù)內(nèi)容。

首先是調(diào)頻通信技術(shù)，這一技術(shù)最開(kāi)始普遍應(yīng)用于保密通信中，調(diào)頻通信技術(shù)能對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，防止其他人員通過(guò)信號(hào)頻率獲取有效數(shù)據(jù)信息，當(dāng)單頻干擾問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)頻通信技術(shù)，可擴(kuò)展系統(tǒng)頻譜規(guī)模，提高信噪比，進(jìn)而排除惡意干擾信號(hào)。對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，下行信道最常用的方式就是頻率選擇調(diào)度，從而選擇合理的信道來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸工作平穩(wěn)進(jìn)行。而上行信道則可以借助調(diào)頻通信技術(shù)來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行分集，保證系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，調(diào)頻通信技術(shù)能提升系統(tǒng)本身安全性，保證系統(tǒng)不受外部環(huán)境因素干擾。另外，調(diào)頻通信技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部的干擾問(wèn)題也有一定的控制能力，在實(shí)際應(yīng)用中非常實(shí)用。

其次是干擾消除技術(shù)，該技術(shù)是當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)抗干擾技術(shù)中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，尤其對(duì)于MIMO技術(shù)而言，以多天線方式對(duì)空間進(jìn)行分集，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送端到接收端干擾問(wèn)題的排除，MIMO技術(shù)也被稱作多輸入多輸出技術(shù)，在某一輸入輸出領(lǐng)域的信號(hào)被干擾后，該技術(shù)能夠利用其多信道輸送的機(jī)制，對(duì)受干擾信號(hào)展開(kāi)修復(fù)，這使得該技術(shù)有效規(guī)避了在多載波干擾情況下，信號(hào)整體受到大幅影響的情況發(fā)生。應(yīng)用抗干擾對(duì)齊技術(shù)在多用戶場(chǎng)景中對(duì)信道容量進(jìn)行擴(kuò)充過(guò)程中，主要以預(yù)編碼的方式，將存在干擾的信號(hào)區(qū)域，在相關(guān)信號(hào)空間中進(jìn)行“對(duì)齊”，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)干擾情況的有效排除。由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(shù)的普及。此外，該技術(shù)對(duì)終端也有著不小的需求，故而雖然消除干擾技術(shù)具備低功耗的相關(guān)優(yōu)勢(shì)，但在物聯(lián)網(wǎng)抗干擾領(lǐng)域的應(yīng)用也并不普遍。

CoMP技術(shù)也是一種被普遍應(yīng)用的干擾消除技術(shù)，該技術(shù)也稱為多點(diǎn)協(xié)同傳輸技術(shù)，在技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，會(huì)對(duì)多區(qū)間存在的干擾問(wèn)題進(jìn)行結(jié)合，以分布式多天線的方式改善存在問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)信道進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)估確認(rèn)信道矩陣，以便更好地對(duì)基站與編碼器及接收濾波器進(jìn)行配置，促進(jìn)區(qū)間干擾的有效消除。CoMP技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)抗干擾的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也存在局限性，對(duì)求解的難度要求高，需確保結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。智能天線技術(shù)也在抗干擾過(guò)程中被得到應(yīng)用，該技術(shù)基于天線技術(shù)及智能算法的相互融合，對(duì)天線矩陣進(jìn)行控制，對(duì)信號(hào)發(fā)送狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并借助無(wú)線電傳輸空間的相互關(guān)聯(lián)，形成波束，從而將無(wú)線電信號(hào)向指定方向進(jìn)行傳輸，以此規(guī)避其他方向帶來(lái)的信號(hào)干擾。

智能天線技術(shù)可避免多方向干擾問(wèn)題，同時(shí)有助于減緩信號(hào)衰弱狀況和通信信道的擴(kuò)充，無(wú)線信號(hào)波束能夠向預(yù)定方向進(jìn)行延展傳輸，這也使得波束自身不會(huì)對(duì)其他信號(hào)構(gòu)成干擾，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾問(wèn)題的“雙重規(guī)避”。而通過(guò)對(duì)信道進(jìn)行估算及檢測(cè)，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的靈活跟蹤。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)設(shè)備并沒(méi)有嚴(yán)格的性能要求，所以當(dāng)連接的設(shè)備數(shù)量較少、用戶需求較低時(shí)，可以對(duì)空閑的設(shè)備資源進(jìn)行利用。在用戶使用過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)不一致時(shí)，設(shè)備會(huì)優(yōu)先傳輸上行數(shù)據(jù)。

小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)也是常用的抗干擾技術(shù)，其一般依照進(jìn)行資源調(diào)度的方向，對(duì)臨近區(qū)間的資源配置工作進(jìn)行分析。在臨近區(qū)間構(gòu)成的干擾問(wèn)題中，邊緣位置是最為明顯的干擾區(qū)域，基站內(nèi)的ICIC模塊則能夠基于相關(guān)算法，對(duì)資源配置模塊進(jìn)行調(diào)控，并展開(kāi)對(duì)射頻資源的合理調(diào)度。通過(guò)對(duì)射頻資源信號(hào)傳輸?shù)恼{(diào)控，實(shí)現(xiàn)區(qū)間干擾問(wèn)題的有效改善。LTE帶內(nèi)部部署模式下的物聯(lián)網(wǎng)，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(wǎng)的情況下，通過(guò)將臨近區(qū)間子波在不同信道中進(jìn)行調(diào)控，可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部存在的干擾問(wèn)題進(jìn)行有效改善，從而確保信號(hào)具備穩(wěn)定性。對(duì)于保護(hù)帶部署模式來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)頻段中多處子載波進(jìn)行應(yīng)用，使其在小區(qū)間內(nèi)部及邊緣位置分別進(jìn)行配置，從而能夠保證小區(qū)間邊緣部位對(duì)外部干擾因素進(jìn)行正交性接收。這樣一種干擾協(xié)調(diào)方式發(fā)揮的作用十分有效，具備較強(qiáng)的可行性價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

科技自主創(chuàng)新進(jìn)程的不斷加速，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處于并列并存的共同發(fā)展階段。本文基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，探討了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)背景下物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展重點(diǎn)難點(diǎn)，并論述了相關(guān)的通信抗干擾技術(shù)，以期為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)思考。■