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工业物联网中的频谱占用及噪声特性分析

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张琨 ,陶成 ,刘留 1,2* ,袁泽 ,张建华 2
1.北京交通大学电子信息工程学院,北京100044;
2.北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室,北京100876

摘要:工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)作为5G低功耗大连接物联网的
主要场景,其电磁环境错综复杂.复杂的电磁环境会对IIoT通信产生一定的干扰,IIoT信道电磁
干扰的主要来源是工厂机械设备工作时产生的电磁辐射.真实准确的频谱占用及噪声特性分析
是保证IIoT信息可靠传输的前提.对某汽车厂焊接车间300MHz~6.5GHz的频谱占用情况进行研
究,结果显示除了已知的电信运营商信号,车间内主要分布着300MHz~2GHz频段的窄带信号和
470~800MHz频段的宽带信号.通过办公区与焊接车间测量结果以及相关文献结果的对比,认为窄
带信号来源于工厂的金属焊接和加工;宽带信号是当地的无线广播电视信号.
关键词:工业物联网;5G;频谱占用;噪声特性

5G技术已经成为通信行业的研究热点,与传统的4G技术相 [6] ,因此工业场景的无线频谱特性以及噪声特性的研究对保证无
比,其要求在峰值速率、用户体验速率、连接数密度、时延特 线传感网的传输可靠性有重要的意义.
[1]
性、可靠性、频谱效率以及功耗效率等多方面有全面提升 .5G 国内外学者对工业电磁噪声进行了不同方面的测量与探
[7]
技术的应用场景也不仅仅是传统的广域覆盖,包括了增强型移动 讨.张连迎等 在工业区环境对短波无线电噪声系数进行了昼夜
[8]
宽带场景、低时延高可靠通信场景以及mMTC(massive Machine 测量,对比了不同时段的无线电噪声情况;Stenumgaard等 从功
Type Communication)场景.其中mMTC场景主要面向于物联网 率时延谱及均方根时延等信道参数研究了工业电磁环境对信道
[9]
业务,旨在真正做到万物互联,IIoT(Industrial Internet of 的影响;Cheffena 探讨了工业传感器网络环境的噪声与干扰,
Things)作为mMTC的主要应用场景,其相关研究有十分重要的意 提出了基于2种状态的马尔科夫过程,对脉冲型干扰建立了数学
[2]
义.IIoT体系架构可分为3个层次 :感知层、网络层和应用层, 模型;Coll等[10]对439,440,570和2450MHz频段的信号进行了幅
其中感知层主要以大量传感器、射频识别以及二维码等手段进 度概率分布统计,分析了工业环境的频谱特性;Myers [11] 分析了
行信息获取、信息交互、命令控制以及设备的监控维护.传感器 工业环境中常见的电磁干扰源,得出了不同干扰源出现的特定频
网络以其高可靠、低成本、低功耗以及易扩展等优势被广泛地 段;Skomal [12] 研究了电源线和焊接所产生的电磁辐射.然而以往
应用于感知层中.工业的电磁环境复杂,例如电焊机的焊接、金 的研究大部分是针对工业环境的某个频点或频段,没有全面探究
[3]
属材料的加工以及其他相关工艺流程都能产生电磁干扰 .电焊 工业环境中的频谱特性,不能反映工业环境中的频谱占用情况.
机在焊接工作过程中产生大量热能和强烈光从而产生电磁辐射 本文主要研究工业环境中0.3~6.5GHz频率范围的频谱占
[4]
.车间内金属材料加工时也会形成电火花,高压下电火花放电 用及噪声检测,统计分析了窄带信号强度与频率的分布特性,对
[5]
也会产生高频电磁脉冲、光学辐射及热能等 ,从而产生电磁辐 比分析了宽带信号的频谱特性以及功率.统计显示除了已知的
射.这些电磁辐射都会对功率较低的无线传感器的通信产生干扰 电信运营商信号,窄带信号主要分布在400~800MHz的频段并且

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