基于物联网业务类型的无线抗干扰技术的创新机

　0引言
　　近年来，物联网产业发展迅猛，作为物联网发展的重要基础性支撑资源，无线电频谱资源越发紧张，已成为制约物联网发展的重要因素，如何解决频谱资源的短缺问题已直接关系到物联网未来的发展[1-2]。
　　当今可用的无线电频谱资源越来越匮乏，形势日趋严峻，主要的原因有：第一，目前国内尚未对物联网发展进行有效的；第二，随着物联网的迅猛发展，无线通信技术的成熟以及大量无线设备应用的普及，剧增的频谱使用需求和紧缺的频谱资源之间的矛盾不断增加；第三，无线电磁环境日益呈现复杂恶劣的局面，不同系统间的干扰也越来越严重。
　　为此需要对如何提高系统容量和频谱利用率的技术手段进行研究，现阶段主要的技术有抗干扰技术、认知无线电技术、编码技术、多址技术等，其中，无线抗干扰技术在提高频谱利用率中有着重要的价值。本文以无线抗干扰技术为重点研究，从技术层面阐述了无线抗干扰技术与物联网业务之间的联系，探讨了物联网的不同业务适合采用的无线抗干扰技术。
　　1无线抗干扰技术分类及对比分析
　　1.1扩展频谱抗干扰技术
　　在极端恶劣通信条件下，扩频通信（spread spectrum communications）技术被认为是一种能够有效抵抗干扰、抗多径衰落、降低截获概率、易于实现码分多址（CDMA）、提高通信距离的重要手段。近年来，由于其高频谱效率所带来的高经济效益而得到越来越广泛的应用。
　　扩展信号频谱的方式有多种，如直接序列扩频（direct sequence spread spectrum，DSSS）、跳频扩频（frequency hopping spread spectrum，FHSS）、跳时扩频（time hopping spread spectrum，THSS）、线性调频和它们的混合方式。在物联网无线通信中最常用的是直接序列扩频、跳频扩频以及它们的混合方式扩频。本文主要介绍直接序列扩频、跳频扩频的基本原理及特点。
　　1）直接序列扩频技术。
　　直接序列扩频主要思想是直接利用具有高码率的扩频码序列，采用各种调制方式在发端扩展信号的频谱，在接收端用相同的扩频码序列进行解码，把扩展为宽的扩频信号还原为原始的信息[67]。该技术具有抗窄带干扰和抗多径干扰能力强、易实现RAKE接收的特点。
　　2）跳频扩频技术。
　　跳频扩频是指载波工作的中心频率按某种跳变规律（跳频序列）在很宽的频带范围内不断跳跃改变，而噪音和干扰信号的中心频率通常不会改变，或噪声和干扰频率的变化速度跟不上跳频系统频率的变化[8]。利用跳频序列的随机性和为数众多的跳频频点，使得它和干扰信号的频率发生冲突的概率大为减小。因此，跳频扩频技术是靠躲避来主动避免外界干扰。只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码，且两端载频同步跳变，就可抑制噪音和其他干扰信号。
　　1.2非扩展频谱抗干扰技术
　　非扩展频谱类的抗干扰技术有很多，例如智能天线技术、正交频分复用技术、多输入多输出技术、分集技术、交织与纠错、时域均衡、频域均衡、频率冗余、功率自适应、频率自适应等。这些非扩展频谱抗干扰技术可降低接收机要求的信噪比，增加系统增益和信号的隐蔽性。其中，智能天线技术、正交频分复用技术和多输入多输出技术是目前最常用的抗干扰技术。
　　1）智能天线技术。
　　智能天线（smart antenna，SA）是天线阵和智能算法结合的产物，利用信号在传播方向上的差别区分同频率、同时隙的信号。通过天线自适应地构成波束方向，可选择性接收特定方向的无线信号，而对其他方向的干扰信号进行抑制或消除。该技术不仅可以抗多径干扰、减少衰落，而且能成倍地扩展通信容量。当智能天线技术与其他复用技术结合使用时，能最大限度地利用有限的频谱资源。
　　2）正交频分复用技术。
　　正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）在频域把给定的信道分成若干正交的子信道，每个子信道独立使用一个子载波进行调制，且各子载波并行传输，相当于把频率选择性衰落信道划为多个并行的平坦衰落信道。OFDM系统允许频谱重叠的正交子载波作为子信道，可实现小区内用户间的正交性，从而有效减小用户间干扰，增大系统容量，提高频谱利用率，但对频偏和相位噪声敏感。此外，通过灵活地选择适合的子载波进行传输，OFDM系统可实现动态频域资源分配，充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。
　　3）多输入多输出技术。
　　多输入多输出（multiple input multiple output，MIMO）技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信息被分解在多个载波信号中传输。因此，即使某个频域的信号受到干扰，也可通过其他频域信号进行恢复，而不至于因单一载波受到干扰而影响到整个信号的传输。总之，它能够利用天线阵列增益、分集增益和复用增益，有效提高抑制信道干扰的能力，降低信道误码率，提高抗衰落和抗噪声性，增大数据传输率和系统容量。MIMO技术的实现同时需要OFDM、空时编码、分集接收等技术的协调使用。
　　实践表明：将扩频通信技术与非扩频类通信技术有机结合，可充分发挥每种技术的优势，弥补单一抗干扰技术的不足，显著增强通信系统的综合抗干扰能力[9]。
　1.3无线抗干扰技术对比
　　综合前文对无线抗干扰技术的分析，归纳得到表1中所示的无线抗干扰技术及其技术特征，它为后文研究物联网在不同业务下无线抗干扰技术的选择奠定了理论基础。 表1无线抗干扰技术与其技术特征
　　无线抗干扰技术技术特征智能天线技术系统容量大；抗干扰抗衰落能力强；低时延OFDM技术系统容量大；传输速率高；灵活性强；抗干扰、抗多径衰落能力强、对频偏和相位噪声敏感MIMO技术系统容量大；传输速率高；抗干扰能力强、低信道误码率直接序列扩频技术抗干扰、抗多径衰落能力强；传输速率高；灵活性强；安全性高；保密性强跳频扩频技术抗干扰、抗多径衰落能力强；灵活性强；安全性高；保密性强跳时扩频技术抗干扰、抗多径衰落能力强；安全性高；保密性强
　　2物联网业务分类
　　ITU在《IMT2000以及超IMT2000系统的地面部分未来发展的频谱需求的计算方法》 中，提出了IMT2000（international mobile telecom system2000）服务类别SC（service category）的划分方法，即服务类别为业务量等级和服务类型的一个组合，它们分别反映一个服务可能的业务量配置文件和可行峰值数据速率。ITU从用户角度定义了服务类型的4种等级：会话级服务、互动级服务、流媒体级服务和背景级服务，区分这些指出，3GPP根据业务的内在技术要求把3G业务划分为4种业务类别，即会话类业务、交互类业务、流媒体类业务和后台类业务。
　　在2009年国际通信展上，中国移动总裁王建宙表示，物联网将为3G带来至关重要的应用。因此，本文参考前人关于3G业务的划分方法，将物联网的业务归纳为会话级业务、互动级业务、流媒体级业务和背景级业务4种。
　　1）会话级业务。
　　此类业务多为交互式的音频/视频业务，涉及对延迟非常敏感的应用，例如，多媒体会议业务、可视对讲业务等。其特征为可接受传输延迟的限值十分严格，时延的重要性高于误码率、丢包率，同时无明显的突发性特征，具有较好的持续性，对数据率的要求相对较低。
　　2）交互级业务。
　　此类业务基于经典的Client/Server模式，主要包括传统的数据通信业务、终端用户（人或机器）在线从远端设备（如业务器）请求数据业务，例如，ITS智能交通系统导航业务、ETC电子不停车收费业务、远程在线视频教学业务、远程医疗可视电话业务等。其特征为对传输时延要求较低，对误码率、丢包率要求较高，同时具有显著的突发特征，对数据率要求不高。
　　3）流媒体级业务。
　　此类业务无交互性，主要用于用户终端看（或听）实时视频（或音频），例如，智能家居视频监控、智能公路中的数字视频联网监控业务等。为保持流媒体信息实体之间的时间关系，其应具有的特征为可接受的延迟变化比人类感知极限所给定的延迟变化要大得多，同时丢包率决定了此类业务流数据的稳定性和持续性，其重要性明显大于传输时延。
　　4）背景级业务。
　　此类业务是对传送时间最不敏感的等级，主要由传统的非交互业务组成，例如电子门票防伪、门禁控制业务等。其特征为时延要求较低，具有较强的数据突发性、较低的误码率，同时对数据率和丢包率敏感[12]。
　　本文将物联网业务的QoS（quality of service）需求特征划分为5个参数：实时性要求，丢包率要求，吞吐量要求，容量要求和数据突发性。不同类别的物联网业务具有不同的QoS需求，具体见表2。
　　3物联网不同业务的无线抗干扰技术选择基于物联网不同业务分类的无线抗干扰技术选择，需将应用层的业务QoS与物理层的无线抗干扰技术结合，即问题的本质是物联网网络节点的跨层优化，提供满足多类业务需求的服务质量保证。基于多类业务的QoS涉及到通信的各个层，比如物理层、传输层、TCP层、网络层和应用层等。其中，实时性要求、容量要求、数据突发性对应其应用层，丢包率要求对应其网络层，而吞吐量对于物理层、TCP/IP层、应用层均有要求。
　　4结语
　　物联网产业是一个新兴产业，目前在全球范围内尚处于起步阶段。本文通过回顾已有研究，分析归纳出常用无线抗干扰技术的系统容量、灵活性、安全性、保密性强等技术特征。参考IMT2000服务类别（SC）和3G业务的划分方法，将物联网业务归纳为会话级业务、互动级业务、流媒体级业务和背景级业务4种。针对不同业务在QoS需求上的差异，提出了物联网在每种业务下适合采用的无线抗干扰技术，为物联网无线通信提供了一些可供参考的抗干扰技术。例如，采用智能天线技术的多媒体会议业务可更好地满足其QoS要求；电子门票防伪业务更适合采用直接序列扩频技术或跳频扩频技术，与MIMO技术有机结合可进一步提高QoS。
　　从无线通信抗干扰技术的发展趋势来看，无线抗干扰技术将向着多元化、综合抗干扰的方向发展。但多种技术有机结合将增大系统的复杂度，不利于设备的简化及成本的降低，因此，还有待进一步研究和探讨适合在物联网无线通信中使用的抗干扰性能突出且实现简单的抗干扰技术。
　　参考文献：
　　[1]赵思思， 张洪顺.物联网发展对频谱需求的分析与思考[J].物联网技术， 2011（1）：5254.
　　[2]何廷润.物联网发展需以频谱资源有效供给为前提[J].通信世界， 2010（3）：2835.
　　[3]范晶晶.频谱管理为物联网发展“护航”[N].通信产业报.201096.
　　[4]丁龙刚.基于无线技术的物联网电磁兼容与抗干扰研究[J].物联网技术， 2013（1）：4648.
　　.物联网技术， 2011（6）：5961.

 本文选自《数字通信》2014年第2期，版权归原作者和期刊所有。