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摘要：本文通过对蜂窝物联网的描述，探讨了多天线技术在蜂窝物联网中的具体应用，以期能够促进物联网技术持续进步，为用户带来便利及良好的体验。
关键词：蜂窝互联网；多天线技术；应用
引言
随着网络技术的不断发展与提高，用户对于无线通信的速率和质量有着越来越高的要求。当前，通信系统中传输的内容不仅仅局限于传统的文字、语音和图像，高清视频、实况直播等业务的兴起使得无线通信的数据量正在以爆炸式的速率不断增长。根据预测，无线通信业务量每年将以近2倍的速率上涨，提高无线通信性能成为了迫在眉睫的任务。无线通信与有线通信相比，具有传播空间环境复杂、干扰大、衰减程度高的特点。在无线通信业务量急剧增长的今天，如何将无线信道中的频谱资源进行最大化利用，实现速率快和容量高的无线通信，是目前业界正在努力研究解决的问题。多天线技术作为无线通信中十分热门的技术之一，能够大幅度提高信道空间频谱利用率和信道容量，有效抵抗噪音干扰，在4G时代有着广泛的应用。本文将对多天线技术中的智能天线技术和MIMO技术进行简要介绍，并概述5G时代多天线技术的发展趋势。
1多天线技术概念
在研究者的不断努力下，无线通信技术发展迅速，也正因为如此，无线通信的信道的频率资源日益紧张，基于时域与频域的技术（如FDMA、TDMA和CDMA）已经无法满足用户对于传输速率的要求。在这种情况下，多天线技术被认为是提高无线传输速率、增加信道容量、改进通信质量的重要技术。多天线技术的主要原理是将无线设备发送与接收的信号在空域进行处理，并与时域信号结合，利用空时信号的相关技术，在时域及带宽不变的基础上显著改善无线通信的容量与速率。其中，多天线技术的主要技术包括智能天线技术和MIMO技术。
2蜂窝互联网的概念
蜂窝物联网，就是蜂窝移动通信网+物联网相结合的发展产物。主要包括eMTC（en-hancedMachine-TypeCommunications，增强机器类通信）和NB-IoT（narrowbandinternetofthings，基于蜂窝的窄带物联网），有较长的覆盖距离，是LTE系统的简化版。eMTC占LTE1.4MHz带宽，支持FDD和TDD两种模式，支持语音业务、切换，适合发展中速率宽带的物联网业务。NB-IoT采用200kHz超窄带设计，支持FDD工作模式，支持超大连接及小区重选，不支持切换和语音，NB-IoT的覆盖能力强且成本较低，适合发展低速率的窄带物联网业务。
3应用实践
目前，物联网已在各行业内的多个领域中规模应用，如教育、医疗、安防、家居、农业、交通、建筑等；蜂窝物联网体系架构，既支持接入多类型的物联网终端和传感设备，包括现有的物联网终端和未来的蜂窝物联网终端；同时，为所有行业的物联网终端接入对应的业务平台提供专用的网络连接，连接管理平台为物联网终端、行业应用提供支撑服务。综合分析各个行业，物联网现阶段比较成熟或热点的应用有：（1）数据采集类。如远程抄电表等，采用移动通信网络代替了传统的人工抄表，从而减少了人力成本的投入也提高了生产效率和及时性。（2）实时交互类。如智能穿戴、车载终端等，通过数据的交换，实时完成交互终端的数据及信息的传送。（3）视频应用类。如远端视频监控终端等，通过远程的数据采集，对系统做出相应的针对，从而管控、指挥及调度生产，使得整个工作流程安全、正确。以上数据采集和实时交互等业务，促使信道的频率资源日益紧张，FDMA、TDMA和CDMA等时、频域技术也无法满足用户在传输速率等方面的需求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前，我们遇到最棘手的问题就是我们要怎样最大化地利用线信道中的频谱资源，要怎么来使无线通信速率快和容量高。经过研究可知，多天线技术是将无线设备发送与接收的信号在空域进行处理，并与时域信号结合，利用空时信号的相关技术，在时域及带宽不变的基础上显著改善无线通信的容量与速率。故此，我们将多天线技术融入到蜂窝物联网中，能在平台、数据管理及数据传输方面做到一个质的提升，能提高无线传输速率、增加信道容量、改进通信质量，从而提高社会各行业的生产效能和信息服务水平。
4蜂窝物联网的抗干扰技术分析
4.1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SC-FDMA，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。
4.2网络规划层面的干扰技术优化
蜂窝物联网的组网规划基于干扰受限系统和覆盖两个指标进行统筹规划。首先是基站小区在服务范围周边存在着相同信道的干扰源，按照蜂窝组网方法，为了实现覆盖区域的无缝覆盖，通常采用正三角形、正方形或六边形小区覆盖模型。理论上，六边形能够以最少的基站数实现无缝覆盖，并且能实现平均信噪比指标最优方案。服务小区与周边多个使用相同信道的小区互为干扰源，超越小区范围的信号强度叠加起来即为其它小区的干扰强度，在六边形覆盖模型下，分布在以小区基站为圆心，N倍复用距离为半径的圆内的对小区产生干扰的等效干扰源数量为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。
4.3蜂窝物联网络的抗干扰技术探讨
干扰消除技术是近几年无线通信抗干扰技术中的重点研究领域，尤其是在MIMO系统中，通过多天线实现空间分集，从而在接收端、发送端消除干扰。在MIMO多用户场景利用干扰对齐技术能提升整个系统的容量，其原理是通过预编码的方式，将发送者的干扰对齐到特定的信号空间上，从而消除其余信号空间的干扰，使多条链路使用相同资源进行信号的传输。由于在密集部署的蜂窝网络中，存在着多个干扰用户且用户之间存在复杂的耦合关系，而干扰对齐又受到多个约束条件的限制，资源管控的复杂性较大，对终端要求较高，目前还没有运用在蜂窝物联网中这种低功耗、低成本的应用场景中。
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]毕奇,谢伟良,陈鹏.LTE多天线技术发展趋势[J].电信科学,2014,30(10):1-7.
[2]李青侠,张力.无线通信中的多天线技术综述[J].计算机与数字工程,2006,34(9):68-72.
论文作者:张仕伦, 张玉倩
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/25
标签：蜂窝论文; 技术论文; 无线通信论文; 天线论文; 干扰论文; 信道论文; 速率论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;