蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的抗干擾技術(shù)分析

方艷輝 房 偉 張少波

（1.河北科技學(xué)院；2.保定市第一中心醫(yī)院）

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（C-IoT）包括應(yīng)用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層及終端層，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信過程中不同小區(qū)的用戶之間存在信息干擾，本文主要分析了三種蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的抗干擾技術(shù)，期望為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信質(zhì)量的提升提供理論支持。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（cellular Internet of things，簡稱C-IoT）是一種物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景，屬于低頻率的廣域物聯(lián)網(wǎng)，以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為主要手段接入。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用過程中由于采用蜂窩的組網(wǎng)方式，并且對用戶進(jìn)行小區(qū)劃分，確定應(yīng)用的頻譜資源，但是由于多個小區(qū)用戶同時(shí)進(jìn)行通信，通信時(shí)可能存在信號重疊、頻率復(fù)用的問題，導(dǎo)致了信號的干擾，因此，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的抗干擾技術(shù)研究十分重要。

1 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（C-IoT）結(jié)構(gòu)

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（C-IoT）的結(jié)構(gòu)體系包括應(yīng)用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層及終端層，其中終端層是指接入物聯(lián)網(wǎng)的各種設(shè)備如無人機(jī)、醫(yī)用設(shè)備、家庭設(shè)備、可穿戴設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備等；網(wǎng)絡(luò)層包括各種與蜂窩網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的核心網(wǎng)絡(luò)包括eMTC、NB-IoT、2G/3G/4G、5G、等，平臺層包括物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)平臺及蜂窩網(wǎng)的運(yùn)營商平臺；應(yīng)用層主要包括蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的不同應(yīng)用場景，如智能制造、智慧家庭、智慧醫(yī)療、智慧交通等。當(dāng)前商用的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)主要是增強(qiáng)機(jī)器類通信eMTC和窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)，終端層需要采集用戶的身份卡信息。C-IoT對終端的功耗進(jìn)行了優(yōu)化，還可以設(shè)置節(jié)能模式和掛起狀態(tài)，節(jié)能模式時(shí)通過定時(shí)器保持狀態(tài)同步，掛起狀態(tài)時(shí)通過終端和eNB存儲相關(guān)的信息，核心網(wǎng)還需要應(yīng)用限速機(jī)避免出現(xiàn)流量擁堵的情況。NB-IoT中無法實(shí)現(xiàn)語音功能和切換功能。C-IoT規(guī)模商用時(shí)，還需要構(gòu)建服務(wù)平臺，通過平臺實(shí)現(xiàn)生態(tài)整合，向上功能通過應(yīng)用程序接口API實(shí)現(xiàn)與服務(wù)層對接。

2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信中的干擾分析

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)屬于窄帶通信，頻寬為15KHz或3.75KHz，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)過程中，通常采用六邊形、正方形、三角形的覆蓋模型，該模型應(yīng)用時(shí)在不同基站小區(qū)的服務(wù)范圍周邊具有相同信道的信息傳輸，從而產(chǎn)生干擾，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中包含不同功率的基站，如5W-40W的大功率宏基站、小功率基站Relay、Femto等，以異構(gòu)蜂窩網(wǎng)為例進(jìn)行分析，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)中存在的干擾主要包括家庭基站之間存在的干擾（下行干擾）、家庭基站與宏基站（Me NB）之間的干擾（上行干擾），由于家庭基站一般位于室內(nèi)，發(fā)射功率低，覆蓋范圍也相對較小，因此，這種干擾較小。而家庭基站的小區(qū)用戶與宏基站之間產(chǎn)生的干擾也就是上行干擾為主要的干擾源，干擾強(qiáng)度較大，導(dǎo)致出現(xiàn)通信效果不佳的現(xiàn)象，尤其是對于小區(qū)邊緣的用戶干擾最大，因此，應(yīng)該采用相應(yīng)的抗干擾技術(shù)。

3 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的抗干擾技術(shù)

3.1 干擾消除技術(shù)

由于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中部署著多個終端設(shè)備、LTE基站，并且不同的用戶之間存在的耦合關(guān)系比較復(fù)雜，資源管控的難度大，通信過程中存在的干擾較多，于通信不利，出現(xiàn)消息發(fā)送延遲等情況。干擾消除技術(shù)是一種無線通信抗干擾技術(shù)，尤其在MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)中設(shè)置多個接收端的天線和發(fā)射端的天線，通過多天線實(shí)現(xiàn)不同端的信號發(fā)送和傳遞。消除干擾的原理如下：將發(fā)送者的干擾通過預(yù)編碼的方式與特定的信號空間對齊，實(shí)現(xiàn)多空間多條鏈路的共同信號傳輸，消除同一空間中的信號干擾。另一個干擾消除技術(shù)是多點(diǎn)協(xié)同傳輸CoMP，它是LTE-A的重要技術(shù)之一，該技術(shù)包括多個地理上的天線接入點(diǎn)，不同的天線站點(diǎn)通過光纖協(xié)同在一起，不同的天線基站或者節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)為一個用戶服務(wù)。由于小區(qū)蜂窩系統(tǒng)中的不同的小區(qū)基站僅服務(wù)于這個小區(qū)，因此，處于小區(qū)邊緣的技術(shù)可能受到多個基站干擾的影響，降低了蜂窩系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

CoMP技術(shù)可以分成聯(lián)合處理技術(shù)（JP-CoMP）、協(xié)同調(diào)度和波束賦形技術(shù)（CS/CB-CoMP）。JP-CoMP中的下行數(shù)據(jù)來源自不同的小區(qū)，并且不同的傳輸點(diǎn)相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)UE數(shù)據(jù)傳輸，相互協(xié)作的小區(qū)之間發(fā)送資源時(shí)采用相同的無線資源塊，在同一時(shí)刻將數(shù)據(jù)發(fā)送到同一個UE，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)可以將干擾信號轉(zhuǎn)化成有用信號，干擾信號強(qiáng)度降低之后對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生較小的干擾，從而加快信號的傳輸及信號的接收。

CS/CB-CoMP中可以實(shí)現(xiàn)其他小區(qū)信號的干擾協(xié)調(diào)，每個用戶的數(shù)據(jù)只能在一個小區(qū)間傳輸，協(xié)作小區(qū)可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)送信號波束的協(xié)調(diào)，可以避開干擾比較大的波束，波束賦形采用單一的方向性波束，降低了不同用戶之間的干擾。

3.2 增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)

由于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中相鄰的兩個小區(qū)可能使用相近的或者相同的頻譜資源，因此，在通信時(shí)則可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，此時(shí)，為了降低這種干擾可以采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜資源的再分配，從而降低不同通信頻道之間的干擾。小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)（ICIC）包括靜態(tài)頻率復(fù)用、基于X2接口的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等，這些技術(shù)在應(yīng)用過程中對于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)抗干擾效果較好，對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)抗干擾效果較差，因此，為了解決這個問題，提出了增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（eICIC，enhanced Inter Cell Interference Coordination）技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用時(shí)以ICIC為基礎(chǔ)納入了時(shí)間維度因素，對蜂窩邊緣小區(qū)的用戶分配資源時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)域正交資源塊上用戶信息調(diào)度，通過小區(qū)間的頻域和時(shí)域聯(lián)合調(diào)度、功率的控制等降低干擾。當(dāng)前應(yīng)用的eICIC主要為幾乎空白子幀（ABS）技術(shù)方案。

幾乎空白子幀（ABS）技術(shù)方案：宏基站與家庭基站使用相同的是頻資源為相應(yīng)的用戶傳遞信息，因此，如果出現(xiàn)子幀重疊、控制信道重疊的現(xiàn)象則會產(chǎn)生干擾，可以采用ABS技術(shù)，在宏基站中設(shè)置ABS子幀，ABS子幀不發(fā)射功率，不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，僅占配置圖譜，不會對用戶的通信產(chǎn)生干擾。宏基站中的ABS子幀與家庭基站視頻資源對齊分配給不同小區(qū)的邊緣用戶，此時(shí)，ABS子幀的抗干擾強(qiáng)度幾乎為0，Pico基站的用戶通信質(zhì)量明顯提升。

圖1 跳頻通信原理

3.3 跳頻技術(shù)

跳頻技術(shù)是一種應(yīng)用范圍比較廣泛、比較成熟的抗干擾技術(shù)，該技術(shù)最早應(yīng)用在保密通信領(lǐng)域，跳頻通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變，跳頻控制器為核心部件，通過改變不同信號的發(fā)送頻率從而使窺探者不能捕捉到有用的信號，跳頻通信原理見圖1。該技術(shù)應(yīng)用在抗干擾領(lǐng)域時(shí)，可以屏蔽掉一些干擾。在LTE系統(tǒng)中，只能應(yīng)用在上行通信中，實(shí)現(xiàn)通信頻道的頻率分集增益，這樣可以保持系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中，可以應(yīng)用跳頻技術(shù)提升抗惡意干擾能力，同時(shí)對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中的內(nèi)干擾產(chǎn)生抑制作用。

結(jié)束語：隨著蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，其抗干擾技術(shù)的研究也十分重要，采用相應(yīng)的抗干擾技術(shù)可以提升通信質(zhì)量。蜂窩網(wǎng)普及之后促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展，更利于收集數(shù)據(jù)，促進(jìn)人工智能數(shù)據(jù)的發(fā)展。