蜂窩物聯網的抗干擾技術分析

方艷輝 房 偉 張少波

（1.河北科技學院；2.保定市第一中心醫院）

蜂窩物聯網（C-IoT）包括應用層、平臺層、網絡層及終端層，蜂窩物聯網通信過程中不同小區的用戶之間存在信息干擾，本文主要分析了三種蜂窩物聯網的抗干擾技術，期望為蜂窩物聯網通信質量的提升提供理論支持。

蜂窩物聯網（cellular Internet of things，簡稱C-IoT）是一種物聯網的主要應用場景，屬于低頻率的廣域物聯網，以蜂窩網絡為主要手段接入。蜂窩物聯網在應用過程中由于采用蜂窩的組網方式，并且對用戶進行小區劃分，確定應用的頻譜資源，但是由于多個小區用戶同時進行通信，通信時可能存在信號重疊、頻率復用的問題，導致了信號的干擾，因此，蜂窩物聯網的抗干擾技術研究十分重要。

1 蜂窩物聯網（C-IoT）結構

蜂窩物聯網（C-IoT）的結構體系包括應用層、平臺層、網絡層及終端層，其中終端層是指接入物聯網的各種設備如無人機、醫用設備、家庭設備、可穿戴設備、網關設備等；網絡層包括各種與蜂窩網實現互聯的核心網絡包括eMTC、NB-IoT、2G/3G/4G、5G、等，平臺層包括物聯網的服務平臺及蜂窩網的運營商平臺；應用層主要包括蜂窩物聯網的不同應用場景，如智能制造、智慧家庭、智慧醫療、智慧交通等。當前商用的蜂窩物聯網主要是增強機器類通信eMTC和窄帶物聯網NB-IoT技術，終端層需要采集用戶的身份卡信息。C-IoT對終端的功耗進行了優化，還可以設置節能模式和掛起狀態，節能模式時通過定時器保持狀態同步，掛起狀態時通過終端和eNB存儲相關的信息，核心網還需要應用限速機避免出現流量擁堵的情況。NB-IoT中無法實現語音功能和切換功能。C-IoT規模商用時，還需要構建服務平臺，通過平臺實現生態整合，向上功能通過應用程序接口API實現與服務層對接。

2 蜂窩物聯網通信中的干擾分析

蜂窩物聯網屬于窄帶通信，頻寬為15KHz或3.75KHz，蜂窩物聯網組網過程中，通常采用六邊形、正方形、三角形的覆蓋模型，該模型應用時在不同基站小區的服務范圍周邊具有相同信道的信息傳輸，從而產生干擾，蜂窩網絡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，以異構蜂窩網為例進行分析，異構蜂窩網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，發射功率低，覆蓋范圍也相對較小，因此，這種干擾較小。而家庭基站的小區用戶與宏基站之間產生的干擾也就是上行干擾為主要的干擾源，干擾強度較大，導致出現通信效果不佳的現象，尤其是對于小區邊緣的用戶干擾最大，因此，應該采用相應的抗干擾技術。

3 蜂窩物聯網中應用的抗干擾技術

3.1 干擾消除技術

由于蜂窩物聯網網絡中部署著多個終端設備、LTE基站，并且不同的用戶之間存在的耦合關系比較復雜，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，出現消息發送延遲等情況。干擾消除技術是一種無線通信抗干擾技術，尤其在MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統中設置多個接收端的天線和發射端的天線，通過多天線實現不同端的信號發送和傳遞。消除干擾的原理如下：將發送者的干擾通過預編碼的方式與特定的信號空間對齊，實現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是多點協同傳輸CoMP，它是LTE-A的重要技術之一，該技術包括多個地理上的天線接入點，不同的天線站點通過光纖協同在一起，不同的天線基站或者節點可以同時為一個用戶服務。由于小區蜂窩系統中的不同的小區基站僅服務于這個小區，因此，處于小區邊緣的技術可能受到多個基站干擾的影響，降低了蜂窩系統的應用性能。

CoMP技術可以分成聯合處理技術（JP-CoMP）、協同調度和波束賦形技術（CS/CB-CoMP）。JP-CoMP中的下行數據來源自不同的小區，并且不同的傳輸點相互協同實現UE數據傳輸，相互協作的小區之間發送資源時采用相同的無線資源塊，在同一時刻將數據發送到同一個UE，數據發送時可以將干擾信號轉化成有用信號，干擾信號強度降低之后對數據傳輸產生較小的干擾，從而加快信號的傳輸及信號的接收。

CS/CB-CoMP中可以實現其他小區信號的干擾協調，每個用戶的數據只能在一個小區間傳輸，協作小區可以實現對發送信號波束的協調，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 增強型小區間干擾協調技術

由于蜂窩物聯網中相鄰的兩個小區可能使用相近的或者相同的頻譜資源，因此，在通信時則可能會產生嚴重的干擾，此時，為了降低這種干擾可以采用小區間干擾協調技術，通過該技術實現頻譜資源的再分配，從而降低不同通信頻道之間的干擾。小區間干擾協調技術（ICIC）包括靜態頻率復用、基于X2接口的干擾協調技術等，這些技術在應用過程中對于同構網絡的小區抗干擾效果較好，對于異構網絡中的小區抗干擾效果較差，因此，為了解決這個問題，提出了增強型小區間干擾協調（eICIC，enhanced Inter Cell Interference Coordination）技術，該技術在應用時以ICIC為基礎納入了時間維度因素，對蜂窩邊緣小區的用戶分配資源時，可以實現同一時域正交資源塊上用戶信息調度，通過小區間的頻域和時域聯合調度、功率的控制等降低干擾。當前應用的eICIC主要為幾乎空白子幀（ABS）技術方案。

幾乎空白子幀（ABS）技術方案：宏基站與家庭基站使用相同的是頻資源為相應的用戶傳遞信息，因此，如果出現子幀重疊、控制信道重疊的現象則會產生干擾，可以采用ABS技術，在宏基站中設置ABS子幀，ABS子幀不發射功率，不進行數據傳輸，僅占配置圖譜，不會對用戶的通信產生干擾。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的邊緣用戶，此時，ABS子幀的抗干擾強度幾乎為0，Pico基站的用戶通信質量明顯提升。

圖1 跳頻通信原理

3.3 跳頻技術

跳頻技術是一種應用范圍比較廣泛、比較成熟的抗干擾技術，該技術最早應用在保密通信領域，跳頻通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變，跳頻控制器為核心部件，通過改變不同信號的發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。該技術應用在抗干擾領域時，可以屏蔽掉一些干擾。在LTE系統中，只能應用在上行通信中，實現通信頻道的頻率分集增益，這樣可以保持系統具有一定的抗干擾能力。在蜂窩物聯網中，可以應用跳頻技術提升抗惡意干擾能力，同時對蜂窩物聯網中的內干擾產生抑制作用。

結束語：隨著蜂窩物聯網的應用越來越廣泛，其抗干擾技術的研究也十分重要，采用相應的抗干擾技術可以提升通信質量。蜂窩網普及之后促進了物聯網的應用和發展，更利于收集數據，促進人工智能數據的發展。