摘要：由于蜂窝物联网采用蜂窝组网方式，整个信号的覆盖区域被划分为多个小区并分配了相应的频谱资源，但频谱有限必然导致频率复用，甚至部分协议采用同频组网方式，同时频谱之间存在信号重叠，因而蜂窝物联网必然存在着干扰问题，如何减少系统干扰、提升系统性能是本文重点研究的问题。
关键词：蜂窝物联网；NB-IoT；抗干扰
1干扰对蜂窝物联网的影响
首先，干扰影响通信系统物理层的传输质量。其次，当干扰使系统错误率足够低时，将中断信息传输，并利用丢失率来衡量通信系统的稳定性。物联网的长期在线特性不同于语音通信的特性。一般物联网服务对掉线呼叫不敏感，但物联网数据传输不实时，掉线率过高会增加系统控制层的负载。此外，蜂窝物联网的信道容量在理论上遵循香农定律，即信道容量与信噪比成正比，在给定信道带宽的前提下，干扰会降低系统的信道容量。
2蜂窝物联网的抗干扰技术分析
2.1蜂窝物联网系统设计的抗干扰技术
以NB-IoT为例，下行多址采用OFDMA技术，子载波间隔15kHz，无线帧长、子帧、时隙和每时隙的OFDM符号数设置等，采用与LTE一致的结构设计。载波总带宽为180KHz，相当于一个LTEPRB的带宽，确保了与LTE的兼容性，提供了带内部署的可行性。NB-IoT上行基于SCFDMA，支持多频传输和单频传输，其中单频传输采用3.75kHz和15kHz，多频传输采用N*15kHz，也是基于与LTE一致的子载波设计。NB-IoT的三种部署方式包括独立部署、保护带部署和带内部署。其中，独立部署主要应用在GSM频段场景下，利用GSM的200KHz信道带宽，容纳NB-IoT180KHz并在其两边预留10KHz的保护间隔；保护带部署应用在LTE边缘保护频带，使用空闲的180KHz保护带宽作为NB-IoT的载波频段；而带内部署能够占用LTE载波中间的除广播信道和同步信号以外任何资源块。NB-IoT的子载波设计，能够保持NB-IoT的子载波与其它LTE子载波的正交性，提升系统部署的抗干扰能力。同时蜂窝物联网在物理层设计加入了重传机制，确保了蜂窝物联网在同站址部署的前提下，能提供比LTE更优的抗干扰性能和覆盖性能。
2.2网络规划层面的干扰技术优化
蜂窝物联网的网络规划是以干扰受限系统和覆盖为基础的。首先，在基站小区的服务范围内存在同一信道的干扰源。根据蜂窝网络方法，为了实现覆盖面积的无缝覆盖，通常采用正三角形、正方形或六边形的蜂窝网络覆盖模型。从理论上讲，hexagon可以用最少的基站数量实现无缝覆盖，并且可以实现平均信噪比指数的最优方案。服务区域和周围多个邻居互相干扰来源，使用相同的信道的信号强度增加超出其他干扰强度和六角报道的发展模型，在细胞内分布的中心圆，N次重用距离为半径的圆的数量相当于干扰源的干扰是6N。在网络规划阶段，为保障整个区域总信道容量，尽量加大同信道或同频小区的间距，即复用距离可以有效减少干扰；在工程阶段，在保障边缘小区信号强度的前提下，通过调整天线俯仰角等工程参数，尽量控制小区信号覆盖范围限制在小区边界以内，另外将其越区覆盖强度限制在可以接受的范围之内，也是提升信噪比的有效手段；在实际的网络布局过程中，优化对象主要是提升边缘小区的信噪比，处理好覆盖和干扰这两个矛盾，使得蜂窝物联网在整个广域范围内取得良好的信号质量和优异的系统性能。
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2.3蜂窝物联网络的抗干扰技术探讨
2.3.1干扰消除技术
干扰消除技术是近年来无线通信抗干扰技术的重点研究领域，尤其是在MIMO系统中，通过多天线实现空间分集，从而消除接收端和发送端干扰。在MIMO多用户场景中，干扰对准技术可以提高整个系统的容量。其原理是通过预编码将发送方的干扰与特定的信号空间对齐，从而消除信号空间其余部分的干扰，使多个链路使用相同的资源进行信号传输。因为在蜂窝网络的密集部署，有多个用户之间的干扰和复杂的耦合关系，由多个约束和干扰对齐是有限的，资源控制的复杂性更大、更高的终端需求，没有使用移动互联网的这种低功耗，低成本的应用场景。另一个干扰消除技术是CoMP（多点协同传输），主要运用在基站下行链路传输场景。首先针对边缘小区用户受到的小区间干扰，蜂窝基站采用分布式多天线的收发结构及联合预编码；另外通过信道检测和信道估计，求解相关的信道矩阵，配置基站的预编码器和终端的接收滤波器，均可减少或消除小区间干扰。在蜂窝物联网的实际运用中，求解过程比较复杂，器件的参数估计通常也难以获得最优解，如何获得最佳的传输效果，也是亟待解决的一个问题。
2.3.2小区间干扰协调技术
小区间干扰协调（ICIC）主要从资源调度的角度建立相邻小区间的资源分配策略。由于相邻干扰是最严重的两个细胞的边缘社区，ICIC模块在基站控制基站通过算法的资源分配模块，调度时频资源和调整特定时频资源的信号强度，以避免严重小区间干扰。与LTE手机物联网带内部署模式中，由于类似的传输特性和信道占用物联网的特点，它是相对容易优化系统中的干扰ICIC协调相邻细胞的NB副载波到不同渠道相同频率的前提下网络。在保护频带部署模式上，最大限度地利用小区内部和边缘的NB频段的12个子载波群，保证边缘小区用户接收到外围干扰信号的平方，也是一种备选的资源分配模式。
2.3.3跳频通信
跳频通信最早应用于安全通信领域。通过快速改变信号的频率，使得探测者不可能及时捕捉到有用的信号。在抗干扰领域的应用程序中，跳频技术的应用可以有效地屏蔽恶意干扰，而对于普通的沟通过程，与固定频率相比，单频干扰的机理相当于扩大系统的频谱范围，以提高信噪比。在LTE系统中，下行信道采用频率选择调度将数据发送到最优传输信道。仅对上行信道，如PUSCH信道，采用跳频技术实现频率分集增益，提高了系统的抗干扰能力。移动互联网的事情，尤其是在工业应用和安全应用程序场景中，它是一个可选的技术方向结合跳频技术提高健壮性和反恶意干扰物联网系统的能力，同时抑制系统内的干扰。
2.3.4智能天线技术
智能天线技术通过调整天线阵的信号强度，利用无线信号传输的空间相干性产生给定的波束，将无线信号定向到给定的方向。利用智能天线技术，无线信号波束将指向用户或我们期望到达的基站，而不是成为干扰源，可以显著减少用户信号的干扰，通过信号检测和信道估计算法，可以根据需要自适应跟踪用户。然而，在物联网的应用中，当物联网的移动性要求不高，用户链接分布密集且不均匀时，可以有效利用空港资源。然而，物联网应用中上下游数据需求不均衡，主要用于上述线路传输的数据采集，终端成本低，也制约了智能天线的应用。
3结语
在万物互联的大背景大趋势下，蜂窝物联网是近几年蓬勃发展起来的新的网络形式，与语音通信、数据通信、视频通信等传统通信业务不同，在终端需求、应用需求上依然还有很多未知领域需要探索。干扰问题是蜂窝物联网组网所面对的问题之一，在系统设计、网络规划采用的抗干扰技术，以及传统蜂窝网络所采用的抗干扰措施是否适用于物联网场景，在实际运用中依然要在性能需求和方案成本中寻求平衡，达到成本和收益的统一。
参考文献：
[1]李烨，刘大畅，贺嘉敏.蜂窝物联网的抗干扰技术研究[J].中国新通信，2019，21（08）：22-23.
[2]付艳.蜂窝物联网业务模型研究[J].中国新通信，2019，21（04）：23-24.
论文作者:杨淼,焦小龙,赵刚,杨柳
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/20
标签：干扰论文; 蜂窝论文; 信道论文; 抗干扰论文; 信号论文; 载波论文; 技术论文; 《电力设备》2019年第14期论文;