基于無線技術的物聯網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備或是電子系統在指定環境中進行工作，無意出現的電磁輻射并不能直接引起其故障或是導致性能下降，并且在同樣的設備或是系統之中，只要其處于正常運行的狀態，也不會導致其他設備或是系統的正常運行受到影響。與電磁兼容性相反的即為電磁干擾，二者之間體現出相互依存的關系[1]。無線物聯網屬于一類復雜程度較高的通信網絡，雖然當前其相應的技術體系已經在通信抗干擾方面開始應用規范性良好的措施，但是因為物聯網以無線環境為基礎，同時自身具有廣泛性的特點，所以當前尚不具有可以統一使用的協調機制，也就需要及時根據實際情況提出應用效果最好的綜合解決方案。

任何信息網絡或是電子系統中，最好的EMC均應由設計環節就開始注意相關問題，若原始設計工作對于EMC不夠重視，后續則必須開展更大規模的抗干擾工作，方可保障數個系統與設備持續共存。

1 物聯網干擾因素及特征分析

物聯網的使用應用時間相對不長，需要在其中同時應用不同的通信手段，所以復雜程度相對較高，也就需要針對當前物聯網中應用頻率較高的各項無線技術，了解其間相互進行影響的具體情況，以促使物聯網的應用得到進一步完善。雖然物聯網的應用已經受到了越來越多的重視，但是多為應用在局部，例如應用于橋梁健康情況監測、環境衛生情況監測以及智能交通狀態監測等多個方面，其中應用的方式也以藍牙、Wi-Fi以及無線傳感網為主。如果對物聯網進行更大規模的應用，則極易導致其中出現電磁兼容以及抗干擾相關的問題[2]。

在無線環境中，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 避免不同系統間產生干擾

通常來說，在無線設備進入到工作狀態中以后，其能夠持續釋放信息電磁波，并將其傳至無線設備，以落實工作指令。由此，在日常生產生活的空間之中存在諸多通過無線設備系統進行釋放的電磁波，且在電磁波數量的不斷增加的背景之下，其間難免出現相互影響或相互干擾的情況，甚至可能導致部分信息在傳輸的過程中被中斷，進而導致信息傳播效果受到嚴重影響。例如一邊用電腦一邊用手機時，電腦或是手機會出現輕微的噪聲，此即為二者之間的電磁波相互產生干擾；或是飛機飛行過程中手機必須關機，因為電磁波干擾可能導致飛機定位功能相關的雷達電磁波受到影響。若能夠實現電磁兼容或良好的抗干擾能力，則可大幅提升各項信息進行傳播的效率，也就能夠為日常生產生活提供更多的便捷[4]。

2.2 避免同一系統內產生干擾

在部分規模較大的系統或設備進入到運行狀態以后，其能夠導致其他設備受到電磁波的干擾，甚至導致與自身具有密切關聯性的其他設備受到干擾，例如在汽車行駛過程中，汽車自身產生的電磁波能夠導致汽車內置的收音機設備受到干擾，雖然對于汽車收音機正常應用產生的不利影響較為輕微，但是若此類情況出現在重大活動或是大型實驗之中，電磁波干擾能夠產生的不良影響將更加顯著[5]。由此可見，針對無線物聯網電磁兼容及抗干擾能力進行研究十分重要。

3 抗干擾措施

3.1 通信抗干擾技術與體制

所謂通信抗干擾技術，也就是在應用某一抗干擾技術體制時，需要應用的技巧以及途徑，可以將其劃分成為兩個類型，分別是“擴普通信抗干擾技術”以及“非擴普通信抗干擾技術”。一般來說，對通信抗干擾技術進行應用，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主要處于獨立發揮作用的狀態，但是如果能夠根據實際情況進行綜合應用，則抗干擾效果可以得到顯著提升。需要注意的是，選擇抗干擾技術時，必須以通信系統體制為基礎，做出最合理的決定[6]。但是從整體上來看，抗干擾技術的實際應用效果能夠受到通信頻率、通信設備、用途通信、干擾技術體制、器件水平以及數據速率等多方面因素的影響。

當前無線物聯網已經得到廣泛應用，幾乎不可能完全實現電磁干擾的屏蔽，且若盲目開展屏蔽操作，極易導致各類相關設備的正常運行受到影響，所以必須積極尋找更加適宜的方式對電磁波干擾進行控制，以切實解決當前存在的各項問題。從實際上來看，可以嘗試采用以下三類技術促使無線物聯網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

無線互聯網對信息進行傳播，需要應用空間內的電磁波。對于電磁波，可以根據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行傳輸的通道，即為“信道”。以此為基礎，應用空閑信道評估技術，可以盡可能選擇沒有電磁波或是電磁波數量相對較少的信道開展信息傳播工作，由此，高頻信道中出現信息傳輸沖突的可能性大幅度降低，且無線物聯網的應用過程可以實現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制中呈現出對CCA進行提供的能力，也就是說，如果其他設備占用信道，則傳輸可以退出，且不需對通信協議進行考慮。

3.1.2 動態信道選擇技術

從實際上來看，電磁波傳播工作中并不具有必須采用某一信道的具體規定，所以在對信息進行傳輸時，可以選擇應用動態信道選擇技術。該方法需要針對電磁波信道進行隨時的評估，并以此為基礎，在固定的時間段內選擇信息傳播效率更高的信道進行應用。因為實際的信息傳播工作可以采用隨機的方式對信道進行選擇，所以在進行信息傳輸的過程中，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沖突，也可以提升信息傳播的效率。ZigBee個人區域網之中所包含的協調器，應該首先針對全部信道進行掃描，之后選擇一個與之相適應的ZigBee個人區域網加入其中，而非重新創建。由此，同一頻段之中的ZigBee個人區域網的數量可以大幅度減少，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干擾源，協調器上層軟件則能夠及時采用信道算法對新信道進行合理選擇。

3.1.3 選擇信道算法技術

對選擇信道算法技術進行應用，首先應該合理評估無線通信過程中電磁波的強度，并根據評估結果進行合理選擇。應該選擇對信息傳播產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，應該保障自身的電磁波強度大于干擾電磁波強度，方可避免自身受到電磁波干擾。對選擇信道算法技術進行應用的過程中，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，以對系統存在的干擾進行有效控制。

以上三個類型的技術在通信鏈路層次之中，僅屬于基礎的抗干擾技術和技術體制，也就是僅能針對通信信道干擾問題進行解決。但是在經濟和科技高速發展的背景之下，無線物聯網必然需要得到持續發展，也就必然能夠逐漸發展至通信網絡層面，進而需要針對通信網絡開展抗干擾工作。而所謂“通信網絡”，也就是在某一固定范圍內采用某一協議將，同一類型的通信設備、系統、鏈路、接口設備等進行相互連接，從而構成的網絡。此類型的網絡更加復雜，其中的抗干擾工作難度也就隨之增加。

3.2 擴頻抗干擾技術

擴頻抗干擾技術的應用重點即在于對無線通信頻譜進行拓展，通過無線通信頻道對隱藏的、具有應用價值的信息進行獲取，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，在擴頻抗干擾技術之中，應用頻率最高的模式即為序列方式，其屬于能夠對通信頻譜進行拓展的一種方式，可以實現信息的傳輸，且抗干擾能力相對較強，有利于實現信號保密性的提升，所以時常在衛星通信過程中進行應用。

3.3 跳頻抗干擾技術

跳頻抗干擾技術的應用時間相對較長，并且應用效果良好，通常在民用的通信技術抗干擾中進行應用。該項技術可以實現跳轉頻率，相對于部分固定形式的無線通信來說，跳頻技術更易實現無線通信的擴展，但是其中的跳轉速度能夠對抗干擾性能產生影響。一般來說，跳頻調整速度高，相應的抗干擾性能即相對較強，在跳頻技術獲取到頻譜之后，相應的抗干擾能力可以進一步增強，并且頻譜的寬度越大，其中的抗干擾性能就越好，所以在對跳頻技術進行應用時，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

為了切實提升無線抗干擾的效果，通常需要對多項技術進行混合應用，例如混合應用抗干擾技術以及抗旱技術，二者相結合能夠體現出的抗干擾能力，相對于一種技術的單一抗干擾能力更強，且其中不足之處能夠產生的影響更加微弱，所以可以在適當的情況下，選擇應用混合技術的形式，對單一技術中存在的不足之處進行彌補。但與此同時，如果干擾設備自身的復雜程度較高，通過采用調頻技術混合直接序列的形式，可以獲得相應的信號，同時獲得寬度更大的頻譜，可以促使該項技術的應用效果得到進一步提升。

4 通信抗干擾評價

4.1 通信干擾強度評價

在通信系統之中，通信干擾情況的強弱程度能夠持續發生變化。從實際情況上來看，在通信系統之中，干擾強度最大時，干擾信號的體積可以增長至通信信號體積之上，而對干擾強度進行有效控制之后，干擾信號的體積則可逐漸進行縮減，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 通信抗干擾技術性能分析

為了對干擾信號進行有效控制，同時盡量避免誤碼情況出現，當前在無線物聯網絡中，跳頻技術的應用頻率較高，且經過反復試驗之后，可以認為，當前無線環境中出現的干擾類型主要為白噪聲干擾、多徑干擾、動態阻塞干擾以及固定阻塞干擾等。不同類型的干擾成因不同，也就需要應用具有差異性的抗干擾技術進行具有針對性的抗干擾處理，且能夠呈現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

為了能夠充分實現抗干擾的目的，必然需要在通信網絡之中采用合理的技術部措施，也就需要首先針對抗干擾方法能夠產生的效果進行評估。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進行評估；②根據相應的規則對相應的指標體系進行選擇；③采用合理的算法針對多項指標開展綜合評估工作。通常來說，對評估方法性能進行衡量的方法通常包括以下：①借助計算機仿真軟件開展分析工作，該方法具有操作便捷、成本低廉且能夠對實際通信場景進行模擬的優勢，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行重現；②采用理論分析的方式，獲取與算法和性能所對應的理論表達式，該方式具有準確率較高的優勢，不足之處則在于不能在復雜環境中進行應用，且應用過程中能夠受到的限制較多。

5 結語

在無線物聯網中實現電磁兼容以及抗干擾能力的提升，即在不導致其他設備正常通信受到影響的基礎上，提升自身的信息傳播效率，以提升相關工作的質量和效率。當前我國經濟和科技均處于高速發展的狀態當中，無線物聯網的應用頻率必然越來越高，電磁兼容與抗干擾技術的發展也就越來越重要，所以必須針對其進行更加深入的研究，促使無線物聯網技術的應用效果得到不斷提升，進而能夠為各個行業的持續發展進步提供重要動力。