蜂窝物联网的抗干扰技术分析

方艳辉 房 伟 张少波

（1.河北科技学院；2.保定市第一中心医院）

蜂窝物联网（C-IoT）包括应用层、平台层、网络层及终端层，蜂窝物联网通信过程中不同小区的用户之间存在信息干扰，本文主要分析了三种蜂窝物联网的抗干扰技术，期望为蜂窝物联网通信质量的提升提供理论支持。

蜂窝物联网（cellular Internet of things，简称C-IoT）是一种物联网的主要应用场景，属于低频率的广域物联网，以蜂窝网络为主要手段接入。蜂窝物联网在应用过程中由于采用蜂窝的组网方式，并且对用户进行小区划分，确定应用的频谱资源，但是由于多个小区用户同时进行通信，通信时可能存在信号重叠、频率复用的问题，导致了信号的干扰，因此，蜂窝物联网的抗干扰技术研究十分重要。

1 蜂窝物联网（C-IoT）结构

蜂窝物联网（C-IoT）的结构体系包括应用层、平台层、网络层及终端层，其中终端层是指接入物联网的各种设备如无人机、医用设备、家庭设备、可穿戴设备、网关设备等；网络层包括各种与蜂窝网实现互联的核心网络包括eMTC、NB-IoT、2G/3G/4G、5G、等，平台层包括物联网的服务平台及蜂窝网的运营商平台；应用层主要包括蜂窝物联网的不同应用场景，如智能制造、智慧家庭、智慧医疗、智慧交通等。当前商用的蜂窝物联网主要是增强机器类通信eMTC和窄带物联网NB-IoT技术，终端层需要采集用户的身份卡信息。C-IoT对终端的功耗进行了优化，还可以设置节能模式和挂起状态，节能模式时通过定时器保持状态同步，挂起状态时通过终端和eNB存储相关的信息，核心网还需要应用限速机避免出现流量拥堵的情况。NB-IoT中无法实现语音功能和切换功能。C-IoT规模商用时，还需要构建服务平台，通过平台实现生态整合，向上功能通过应用程序接口API实现与服务层对接。

2 蜂窝物联网通信中的干扰分析

蜂窝物联网属于窄带通信，频宽为15KHz或3.75KHz，蜂窝物联网组网过程中，通常采用六边形、正方形、三角形的覆盖模型，该模型应用时在不同基站小区的服务范围周边具有相同信道的信息传输，从而产生干扰，蜂窝网络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，以异构蜂窝网为例进行分析，异构蜂窝网中存在的干扰主要包括家庭基站之间存在的干扰（下行干扰）、家庭基站与宏基站（Me NB）之间的干扰（上行干扰），由于家庭基站一般位于室内，发射功率低，覆盖范围也相对较小，因此，这种干扰较小。而家庭基站的小区用户与宏基站之间产生的干扰也就是上行干扰为主要的干扰源，干扰强度较大，导致出现通信效果不佳的现象，尤其是对于小区边缘的用户干扰最大，因此，应该采用相应的抗干扰技术。

3 蜂窝物联网中应用的抗干扰技术

3.1 干扰消除技术

由于蜂窝物联网网络中部署着多个终端设备、LTE基站，并且不同的用户之间存在的耦合关系比较复杂，资源管控的难度大，通信过程中存在的干扰较多，于通信不利，出现消息发送延迟等情况。干扰消除技术是一种无线通信抗干扰技术，尤其在MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统中设置多个接收端的天线和发射端的天线，通过多天线实现不同端的信号发送和传递。消除干扰的原理如下：将发送者的干扰通过预编码的方式与特定的信号空间对齐，实现多空间多条链路的共同信号传输，消除同一空间中的信号干扰。另一个干扰消除技术是多点协同传输CoMP，它是LTE-A的重要技术之一，该技术包括多个地理上的天线接入点，不同的天线站点通过光纤协同在一起，不同的天线基站或者节点可以同时为一个用户服务。由于小区蜂窝系统中的不同的小区基站仅服务于这个小区，因此，处于小区边缘的技术可能受到多个基站干扰的影响，降低了蜂窝系统的应用性能。

CoMP技术可以分成联合处理技术（JP-CoMP）、协同调度和波束赋形技术（CS/CB-CoMP）。JP-CoMP中的下行数据来源自不同的小区，并且不同的传输点相互协同实现UE数据传输，相互协作的小区之间发送资源时采用相同的无线资源块，在同一时刻将数据发送到同一个UE，数据发送时可以将干扰信号转化成有用信号，干扰信号强度降低之后对数据传输产生较小的干扰，从而加快信号的传输及信号的接收。

CS/CB-CoMP中可以实现其他小区信号的干扰协调，每个用户的数据只能在一个小区间传输，协作小区可以实现对发送信号波束的协调，可以避开干扰比较大的波束，波束赋形采用单一的方向性波束，降低了不同用户之间的干扰。

3.2 增强型小区间干扰协调技术

由于蜂窝物联网中相邻的两个小区可能使用相近的或者相同的频谱资源，因此，在通信时则可能会产生严重的干扰，此时，为了降低这种干扰可以采用小区间干扰协调技术，通过该技术实现频谱资源的再分配，从而降低不同通信频道之间的干扰。小区间干扰协调技术（ICIC）包括静态频率复用、基于X2接口的干扰协调技术等，这些技术在应用过程中对于同构网络的小区抗干扰效果较好，对于异构网络中的小区抗干扰效果较差，因此，为了解决这个问题，提出了增强型小区间干扰协调（eICIC，enhanced Inter Cell Interference Coordination）技术，该技术在应用时以ICIC为基础纳入了时间维度因素，对蜂窝边缘小区的用户分配资源时，可以实现同一时域正交资源块上用户信息调度，通过小区间的频域和时域联合调度、功率的控制等降低干扰。当前应用的eICIC主要为几乎空白子帧（ABS）技术方案。

几乎空白子帧（ABS）技术方案：宏基站与家庭基站使用相同的是频资源为相应的用户传递信息，因此，如果出现子帧重叠、控制信道重叠的现象则会产生干扰，可以采用ABS技术，在宏基站中设置ABS子帧，ABS子帧不发射功率，不进行数据传输，仅占配置图谱，不会对用户的通信产生干扰。宏基站中的ABS子帧与家庭基站视频资源对齐分配给不同小区的边缘用户，此时，ABS子帧的抗干扰强度几乎为0，Pico基站的用户通信质量明显提升。

图1 跳频通信原理

3.3 跳频技术

跳频技术是一种应用范围比较广泛、比较成熟的抗干扰技术，该技术最早应用在保密通信领域，跳频通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变，跳频控制器为核心部件，通过改变不同信号的发送频率从而使窥探者不能捕捉到有用的信号，跳频通信原理见图1。该技术应用在抗干扰领域时，可以屏蔽掉一些干扰。在LTE系统中，只能应用在上行通信中，实现通信频道的频率分集增益，这样可以保持系统具有一定的抗干扰能力。在蜂窝物联网中，可以应用跳频技术提升抗恶意干扰能力，同时对蜂窝物联网中的内干扰产生抑制作用。

结束语：随着蜂窝物联网的应用越来越广泛，其抗干扰技术的研究也十分重要，采用相应的抗干扰技术可以提升通信质量。蜂窝网普及之后促进了物联网的应用和发展，更利于收集数据，促进人工智能数据的发展。