基于5G技术的物联网通信抗干扰方法

陈文仰

（广州市市场监督管理数据应用中心，广东 广州 510620）

1 物联网通信技术概述

物联网技术作为基于互联网的技术体系，在很大程度上有效打破了空间、时间范围，该技术直接实现了人与物、人与人、物与物三者的连接。在对物联网技术进行大规模部署时，设备成本、部署成本、可扩展覆盖面积、可连接设备数量、通信安全性等要素主要影响着物联网的部署质量。蜂窝网络体系的进一步发展，是物联网获得持续性迭代的关键，短距离及固定通信标准在大多数的物联网场景中得到应用，低功率无线网络、蓝牙等连接技术展现了短途通信的一部分应用，但显然不能作为城市物联网通信技术基础。而由于LPWA技术在数据速率、信道带宽、能源效率、覆盖方面的优势，在物联网技术中有普遍应用。LoRa技术在扩频技术基础上获得发展，该技术具备低成本、连接节点多、功耗低、传输距离远的优势。SigFox技术基于超窄带技术基础，对构建物联网网络给出了完备的端间连接方案。而EMTC、NB-loT技术则均为窄带LTE技术范畴，同当下的LTE网络技术相比，以降低传播速率的方式，实现低数据速率设备的有效连接[1]。

2 5G技术背景下的物联网通信技术

物联网技术有着很大的市场场景和市场价值，以互联网为技术基底，通过低功耗、大规模交互设备的相互连接，实现智能化、自动化。当下物联网系统已经遍及社会生活的方方面面，可穿戴设备、智能交通系统、智能传感器、智能家电、智能手机等都是物联网技术的应用场景。这些物联网相关体系对人们的生产生活产生了巨大影响，研究分析认为，这些物联网设备中有70亿以2G、3G、4G为代表的蜂窝技术进行连接。作为新一代移动通信技术，5G网络技术已陆续投入商用，5G技术的优势表现在8个方面：时延、连接密度、网络能效、移动性能、流量空间容量、频谱效率、用户体验速率、基站峰值速率等。在传输速率上，5G通信技术在4G技术基础上实现了10~100倍的速率提升，传输速率达到10 Gbps，端到端间的时延在毫秒级别，当应用于物联网系统时，可使设备密度同样增加10~100倍，流量密度的提升更高，达到了1 000倍[2]。

3 基于5G技术的物联网通信抗干扰方法

3.1 5G技术背景下的物联网主要技术分布

5G技术在主要应用的技术分布上，包括高效的网络传输技术和高密度的无线网络技术两部分。多天线技术能够显著提升网络通信的频率、强化数据传输的安全性。滤波器组技术是5G网络体系中的关键技术，5G网络发射端的多载波调制工作由合成滤波器实现，并通过滤波器来进行接收端的多载波解调工作，进一步完成传输。而正交频分复用技术是用单独滤波器对各子载波进行解调处理，各子载波之间不会相互干扰。在无线网络技术处理过程中，5G网络技术体系的各个关键架构节点分为：具有“云”特征的无线接入网技术、软件定义网络、虚拟化技术、超密集网络技术、自组织网络、设备到设备技术。而通过功能抽象、软硬件解耦实现的虚拟化技术，则使得网络设备对专用硬件不再过于依赖，促进了网络资源的进一步共享，进而使得网络自适应性及弹性大幅得到增强。而NFV技术作为5G网络的关键技术内容，为5G网络提供灵活的可扩展机制，该技术使得原本面向分布用的自定义网络切片，能够为5G IoT技术创设可进行编程的架构式网络环境，采用NFV技术，可在一个物理实体网络上构建多个虚拟网络，可依照需求重新配置设备，对多个网络进行构建。以短程通信实现设备间连接已经成为进行5G IoT数据传输的新型方式，通过这一方式，能够有效降低5G IoT技术的所需能耗，促进实现负载平衡，并可为边缘用户提供更为高效的QoS服务。D2D技术正在作为一类行业领先技术而得到大规模应用，D2D技术可对NB-IoT上行链路进行扩展，并可基于NB-IoT技术构建路由蜂窝网络。在物联网技术广泛应用的背景下，D2D技术与移动NB-IoT用户设备配合使用已成为常态。在5G网络的未来发展过程中，窄带物联网（NB-IoT）、软件定义网络、移动边缘计算、毫米波、MTC通信等相关技术，都将发挥重要作用。

3.2 5G技术背景下的物联网通信面临的挑战

5G技术有效满足了物联网的未来发展需求，使物联网有了更为广泛的应用场景，但5G IoT技术也同样面临着多重挑战，这些挑战包括通信干扰、通信可信、安全性问题等。在进行5G IoT体系搭建过程中，原本便面临着挑战，随着大量物联网设备的加入，通信网络是否具有可扩展性已成为一大问题，同时还需对大量物联网设备的状态信息进行确认，并需对5G IoT技术本身带来的互操作性及异构性进行兼顾。进行结构设计时，还需权衡考虑5G IoT的隐私及安全性。在确保5G网络的有效性时，还需解决无线软件定义网络问题，为保证网络体系的灵活高效，SD-CN技术增强网络如何进行可扩展，也是5G背景下互联网通信面临的挑战。同时，对大多数SDN而言，控制分离数据平面工作也存在着问题，NFV在技术上同SD高度互补，但并不对SDN构成依赖，它在第三方公共云上运行，故而对安全性及隐私性构成挑战。随着5G IoT技术的日益标准化，物联网的应用与开发会越来越成熟。

3.3 物联网通信抗干扰方法

蜂窝物联网具有能耗低、连接能力强、成本投入少的特点，它的终端模块能实现10年左右的待机时间，其一个扇区可实现连接数在10万以上。而随着社会经济的持续发展，蜂窝物联网能够借助LTE的产业链及全球部署特质，促进广域物联网的建设落实。为了促进蜂窝物联网大规模覆盖并达到持续降低能耗的目的，各类独立载波、LTE带内、LTE保护带等主要模式逐渐形成。在对物联网进行部署过程中，需要结合具体的技术模式进行具体分析，视具体的应用模式对可能存在的干扰现象及可应用的抗干扰举措进行研判。在物联网系统中存在干扰问题时，必然对通信物理层的信号传输工作构成不利影响，通信干扰问题还会使系统误码率出现持续减少情况，在误码率降低到一定区间后，信号中断问题就会发生。而由于物联网的长期运行特征，也使得物联网语音通话特点存在异同，但如若物联网信号传递效率受到影响，则会使得掉线率增加的同时大幅增大系统负担。物联网的信道容量应当确保容量同信噪比间的正比关系，而在信道带宽已确定的情况下，发生干扰后，则会使信道容量发生缩减。科技发展随之带来了物联网行业的迅速发展，并快速在工业、医疗、家居等领域得到普遍应用，我国各领域的物联网技术可挖掘空间巨大。而同传统物联网技术相比，广域物联网的发展得到了越来越多的重视，其技术的普及和发展，进一步地推动着物联网抗干扰技术的研发和推广。当下5G技术已得到普遍发展，而物联网通信中的抗干扰技术，则主要有下述几方面的技术内容。

首先是调频通信技术，这一技术最开始普遍应用于保密通信中，调频通信技术能对信号频率进行转换，防止其他人员通过信号频率获取有效数据信息，当单频干扰问题出现时，通过调频通信技术，可扩展系统频谱规模，提高信噪比，进而排除恶意干扰信号。对LTE网络来说，下行信道最常用的方式就是频率选择调度，从而选择合理的信道来保证数据传输工作平稳进行。而上行信道则可以借助调频通信技术来对频率进行分集，保证系统整体稳定性。物联网技术在工业领域进行应用时，调频通信技术能提升系统本身安全性，保证系统不受外部环境因素干扰。另外，调频通信技术对于系统内部的干扰问题也有一定的控制能力，在实际应用中非常实用。

其次是干扰消除技术，该技术是当下物联网抗干扰技术中的重点研究内容，尤其对于MIMO技术而言，以多天线方式对空间进行分集，从而实现发送端到接收端干扰问题的排除，MIMO技术也被称作多输入多输出技术，在某一输入输出领域的信号被干扰后，该技术能够利用其多信道输送的机制，对受干扰信号展开修复，这使得该技术有效规避了在多载波干扰情况下，信号整体受到大幅影响的情况发生。应用抗干扰对齐技术在多用户场景中对信道容量进行扩充过程中，主要以预编码的方式，将存在干扰的信号区域，在相关信号空间中进行“对齐”，从而实现了对干扰情况的有效排除。由于蜂窝网络具有较为密集的特征，因此常常存在较多的干扰因素，这些干扰因素制约着该技术的普及。此外，该技术对终端也有着不小的需求，故而虽然消除干扰技术具备低功耗的相关优势，但在物联网抗干扰领域的应用也并不普遍。

CoMP技术也是一种被普遍应用的干扰消除技术，该技术也称为多点协同传输技术，在技术实施过程中，会对多区间存在的干扰问题进行结合，以分布式多天线的方式改善存在问题，并通过对信道进行检测及预估确认信道矩阵，以便更好地对基站与编码器及接收滤波器进行配置，促进区间干扰的有效消除。CoMP技术在物联网抗干扰的实现过程中也存在局限性，对求解的难度要求高，需确保结构参数的合理性。智能天线技术也在抗干扰过程中被得到应用，该技术基于天线技术及智能算法的相互融合，对天线矩阵进行控制，对信号发送状态进行调整，并借助无线电传输空间的相互关联，形成波束，从而将无线电信号向指定方向进行传输，以此规避其他方向带来的信号干扰。

智能天线技术可避免多方向干扰问题，同时有助于减缓信号衰弱状况和通信信道的扩充，无线信号波束能够向预定方向进行延展传输，这也使得波束自身不会对其他信号构成干扰，以此实现对干扰问题的“双重规避”。而通过对信道进行估算及检测，也能实现对用户的灵活跟踪。由于物联网技术对设备并没有严格的性能要求，所以当连接的设备数量较少、用户需求较低时，可以对空闲的设备资源进行利用。在用户使用过程中，物联网上行数据和下行数据不一致时，设备会优先传输上行数据。

小区间干扰协调技术也是常用的抗干扰技术，其一般依照进行资源调度的方向，对临近区间的资源配置工作进行分析。在临近区间构成的干扰问题中，边缘位置是最为明显的干扰区域，基站内的ICIC模块则能够基于相关算法，对资源配置模块进行调控，并展开对射频资源的合理调度。通过对射频资源信号传输的调控，实现区间干扰问题的有效改善。LTE带内部部署模式下的物联网，在信道占用形式及传输特征上均具备相近性，故而在同频组网的情况下，通过将临近区间子波在不同信道中进行调控，可对系统内部存在的干扰问题进行有效改善，从而确保信号具备稳定性。对于保护带部署模式来说，通过对频段中多处子载波进行应用，使其在小区间内部及边缘位置分别进行配置，从而能够保证小区间边缘部位对外部干扰因素进行正交性接收。这样一种干扰协调方式发挥的作用十分有效，具备较强的可行性价值。

4 结束语

科技自主创新进程的不断加速，使得物联网技术迎来新的发展机遇，多项物联网技术处于并列并存的共同发展阶段。本文基于5G网络技术，探讨了5G网络技术背景下物联网的发展重点难点，并论述了相关的通信抗干扰技术，以期为行业发展贡献思考。■