張克，劉留,，袁澤，張琨，張建華，劉志軍

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工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線信道與噪聲特性

張克1，劉留1,2，袁澤1，張琨1，張建華2，劉志軍3

（1. 北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044； 2. 北京郵電大學泛網(wǎng)無線通信教育部重點實驗室，北京 100876； 3. 北京航天測控技術有限公司，北京 100041）

隨著“中國制造2025”“智能制造”“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列國家戰(zhàn)略規(guī)劃的提出和實施，國內(nèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術將迎來迅猛的發(fā)展。然而，工廠惡劣環(huán)境下的信道和噪聲特性給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信帶來了極大的挑戰(zhàn)?；诖?，對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的無線通信技術進行介紹和對比，總結了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信道和噪聲特點，對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信研究中的關鍵內(nèi)容——信道和噪聲特性分析進行了回顧。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；無線通信技術；信道特性；噪聲特性

1 引言

隨著工業(yè)化與信息化的深度融合，企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)互通的需求漸增，通過接入網(wǎng)絡進而達到提高產(chǎn)品質量和運營效率的需求更為強烈，IIoT（industrial internet of things，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）應運而生。由中國電子技術標準化研究院編寫的《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書（2017）》指出：“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應，達到資源的高效利用，從而構建服務驅動型的新工業(yè)體系”[1]。目前，提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)節(jié)能減排是我國制造業(yè)面臨的主要戰(zhàn)略任務，伴隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能制造將貫穿于企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)，為我國制造業(yè)的發(fā)展帶來深刻的變革。2017年1月由工業(yè)和信息化部發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)的十三五規(guī)劃（2016—2020年）》提出，建設制造強國、網(wǎng)絡強國，推進供給側結構性改革，以CPS（cyber-physical system，信息物理系統(tǒng)）為代表的物聯(lián)網(wǎng)智能信息技術將在制造業(yè)智能化、網(wǎng)絡化、服務化等轉型升級方面發(fā)揮重要作用[2]。由此可見，制造業(yè)已經(jīng)成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要應用領域。

無線通信技術是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實施一般包括4個階段：一是利用智能感知技術隨時隨地采集工業(yè)數(shù)據(jù)，二是通過通信網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)傳遞出去，三是利用云計算、大數(shù)據(jù)等技術對這些數(shù)據(jù)進行深度挖掘和利用，四是基于信息管理、智能終端和平臺集成等技術，實現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)的智能化改造[1]。正是通信技術的發(fā)展保證了第二階段的順利進行，通信網(wǎng)絡連接現(xiàn)場設備、控制器、人機界面、監(jiān)控系統(tǒng)以及企業(yè)管理系統(tǒng)，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)中的信息傳輸通道，是生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的重要基礎。而在工業(yè)通信網(wǎng)絡中，無線通信是其中重要的組成部分之一，相較于有線通信網(wǎng)絡，無線通信網(wǎng)絡構建成本低，減少了大量電纜安裝、維護所需的費用和時間，避免了振動、高溫等惡劣環(huán)境對電纜的損壞。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術主要可以分為兩類：一類是ZigBee、Wi-Fi、Z-wave、藍牙（bluetooth）等短距離通信技術；另一類是LPWAN（low-power wide-area network，低功耗廣域網(wǎng)絡），比較常見的如NB-IoT（narrow band internet of things，基于蜂窩網(wǎng)絡的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、eMTC（增強機器類通信）、LoRa（基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案）。業(yè)界對于5G提出了需求各異的應用場景，目前5G系統(tǒng)已經(jīng)包括工業(yè)環(huán)境的通信概念，涵蓋廣泛的應用，包括機器類型通信、移動網(wǎng)絡物理系統(tǒng)和智能工廠，這些將會使工業(yè)自動化界獲益匪淺[3]。同時，mMTC（massive machine type communication，大規(guī)模機器類通信）是ITU-R（ITU-Radio Communications Sector，國際電信聯(lián)盟無線電通信組標準化組織）確定的5G三大主要應用場景之一，海量的無線物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)和應用必將有效地支撐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線技術的發(fā)展[4]。

從信息論的角度看，決定通信頻譜效率有兩個因素：一是傳輸?shù)男诺捞卣?，二是傳輸鏈路的信噪比。從信道特征來看，工業(yè)場景中的傳播環(huán)境與傳統(tǒng)無線通信的傳播環(huán)境存在較大的差別，傳統(tǒng)工業(yè)有煤炭廠、鋼鐵廠、機械廠、木材廠、服裝廠等，不同的產(chǎn)業(yè)制造和生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，這些材料吸收和反射能力有很大差異，其信道傳播特征（包括多徑分量、路徑損耗等）均表現(xiàn)不同；此外，工業(yè)場景中存在的機床、機械臂等金屬障礙物會對電波傳輸損耗造成影響；金屬設備在電波傳播中會形成較強的鏡面反射和散射，從而產(chǎn)生更多強度較大的多徑分量；工業(yè)自動化中的機械臂轉動、機器人運輸移動等運動因素會讓無線信道同時具有時變特性。從傳輸鏈路信噪比來看，在常規(guī)無線通信中信噪比的定量使用中，通常使用加性高斯白噪聲，即噪聲的功率譜是一個常數(shù)。工廠在工作時，由于設備溫度的升高、機械震動、火花放電等物理現(xiàn)象會輻射出大量的電磁噪聲，這時會出現(xiàn)突發(fā)的脈沖噪聲，這些噪聲可能在功率譜形狀、生命周期等方面和傳統(tǒng)的加性高斯白噪聲有著較大的不同；同時，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術需要大量應用低功耗無線傳感設備，工廠中的電磁噪聲會對低功耗的無線傳感系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。

無線通信想要真正在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮作用，需要對工業(yè)環(huán)境下無線信道和噪聲特性開展新的研究分析，因為無線通信系統(tǒng)的傳輸速率和質量最終都要受到無線信道和噪聲特性的制約，準確的信道模型可以使網(wǎng)絡部署、優(yōu)化工作更加準確和有效，從而提升無線網(wǎng)絡的性能和可靠性[5]。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，許多工業(yè)控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡有著嚴格的時延和可靠性要求，只有在充分掌握信道和噪聲特性之后，才能采取與之相適應的物理層技術并實現(xiàn)合理的系統(tǒng)設計[6]。目前國內(nèi)外對工業(yè)環(huán)境下的無線信道和噪聲特性研究分析較少，而當前國內(nèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展迫切需要此類的研究。因此，本文對國外相關研究進行回顧與總結，旨在為國內(nèi)工業(yè)環(huán)境下的無線信道和噪聲特性分析提供一些啟發(fā)，為我國的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供理論基礎。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術

對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術的選擇主要取決于其具體應用的場景，因為不同場景對信息傳輸?shù)墓?、成本、速率、容量等存在差異化的需求。目前，Wi-Fi、藍牙、ZigBee、RFID（radio frequency identification，射頻識別）、UWB（ultra wideband，超帶寬）、NFC（near field communication，近場通信）等技術已被廣泛應用在短距離無線通信技術中，而NB-IoT、eMTC和LoRa等新的主流低功耗廣域網(wǎng)絡技術正在與這些短距離無線通信技術互補，相互配合使用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用場景中。其中，藍牙、Wi-Fi和ZigBee技術都使用2.4 GHz頻段；UWB（ultra wideband，超帶寬）是一種無載波通信技術，具有定位精度高、安全性強、抗干擾能力強等特點，主要應用于工廠監(jiān)控領域；RFID技術可通過無線電信號識別特定目標，單向讀寫相關數(shù)據(jù)，可以提供生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)的服務信息[7]；而NFC技術在電子設備之間實現(xiàn)簡單和安全的雙向交互，應用于物品識別。這些技術各有所長，也各有所短。

NB-IoT是基于窄帶（200 kHz）的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術，是專門為低功耗、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務設計的（基于FDD模式）。NB-IoT技術穿墻能力較傳統(tǒng)技術有大幅度的提升，且在同一基站情況下，NB-IoT可以提供現(xiàn)有無線技術50~100倍的接入數(shù)，一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，并且支持低時延敏感度、超低成本、低功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡架構[8]。此外，NB-IoT構建于蜂窩網(wǎng)絡，可直接部署于GSM（global system for mobile communication，全球移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡、UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡或LTE（long term evolution，通用移動通信技術的長期演進）網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT繼承了4G網(wǎng)絡的安全能力，支持雙向鑒權以及空口嚴格加密，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性，有效支撐工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用。

eMTC在LTE系統(tǒng)的基礎上，為低功耗、廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務拓展了新功能，可在LTE系統(tǒng)上實現(xiàn)軟件升級。eMTC支持上下行最大1 Mbit/s峰值速率，遠遠超過傳統(tǒng)GPRS（general packet radio service，通用分組無線服務）、ZigBee等技術的速率；eMTC支持連接態(tài)移動性，物聯(lián)網(wǎng)用戶可以無縫切換，保障用戶體驗；基于TDD（time division duplexing，時分雙工）的eMTC還可提供低成本的定位技術，在物流跟蹤、貨物跟蹤等場景應用廣泛[9]。

LoRa是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，最早由美國Semtech公司采用和推廣。LoRa極大地改善了接收的靈敏度，降低了功耗；LoRa技術的網(wǎng)關支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大，還可以支持測距和定位。LoRa技術的特點使其非常適用于要求功耗低、距離遠、大量連接及定位跟蹤的物聯(lián)網(wǎng)應用場景[10]。

綜上所述，NB-IoT雖然以低功耗、廣域網(wǎng)、低速率、待機時間長而著稱，但其帶寬只有200 kHz左右，不能達到較高速率業(yè)務的需求。eMTC帶寬1.4 MHz，具有良好的移動性和語音功能，可在LTE系統(tǒng)上直接升級軟件支持。NB-IoT和eMTC適合于面積廣闊的公共空間，LoRa主要使用于非授權頻段，受無線覆蓋范圍限制，適用于一些短距離覆蓋和專用網(wǎng)絡場景應用，滿足很多工業(yè)生產(chǎn)生活中對小范圍內(nèi)構建局域網(wǎng)的需求。

3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道測量研究現(xiàn)狀與信道特性研究回顧

3.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道特點

工業(yè)無線通信的發(fā)展和實施，能夠讓企業(yè)的管理部門和生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息進行實時更新，實時掌握工廠中的生產(chǎn)情況，能夠更迅速、及時準確地互通信息進行控制和管理。常規(guī)工廠環(huán)境大致分為3類典型工業(yè)場景。

（1）精密工業(yè)場景

如手機電路板電裝車間、家用電器生產(chǎn)線車間等（如圖1（a）所示）。這類場景中，生產(chǎn)都是在機箱內(nèi)部流水線進行，加工設備在出廠之前需要3C（China compulsory certification，中國強制認證）認證，對外的電磁輻射等都有限制[11]，因此，工廠內(nèi)電磁干擾相對較好。而操作工人走動會導致信道的時變性。

（2）常規(guī)工業(yè)場景

如汽車加工車間（如圖1（b）所示），這類場景中，變頻器、點火系統(tǒng)、穩(wěn)壓器、高壓輸電線、電子開關等會輻射出大量的電磁噪聲[12]。此外，這類傳播環(huán)境屬于時變信道傳播環(huán)境，原因是廠內(nèi)有工業(yè)機器人、機械臂等自動化設備搖擺工作。

（3）傳統(tǒng)工業(yè)場景

如鋼鐵廠車間（如圖1（c）所示）。這類場景中，工業(yè)建筑空間相對較大，機器設備尺寸很大，加熱爐、搖臂鉆床等會產(chǎn)生大量的噪聲，同時有大型的輸送機、起重機械、裝卸機器等工作使這類場景信道具有時變特性。

（a）精密工業(yè)場景（波峰焊車間）

（b）常規(guī)工業(yè)場景（汽車加工車間）

（c）傳統(tǒng)工業(yè)場景（鋼鐵廠車間）

通過以上典型工業(yè)場景與其他典型場景（市區(qū)、辦公室、家庭等）無線信道的對比，如果將物聯(lián)網(wǎng)部署工業(yè)環(huán)境，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的無線信道會表現(xiàn)出如下不同的特點。

（1）不同的工廠存放的材料對信道影響程度不同。例如，造紙廠倉庫環(huán)境具有高吸收特點，無線電波以直射波傳播并且強度快速衰減；鋼鐵廠環(huán)境具有高反射特點，廠內(nèi)大型金屬設備導致電波在信道傳播過程中出現(xiàn)衍射和反射特性。

（2）不同工廠的結構差異大，工業(yè)廠房比普通的住宅和辦公樓的樓層高，普通住宅層高一般為2.8 m左右，而標準廠房高度一般是5~6 m，并且工廠環(huán)境比家庭和辦公環(huán)境惡劣許多，如振動、浮塵等因素都會對信號進行反射和散射，從而產(chǎn)生多徑衰落。

（3）出現(xiàn)多普勒頻偏現(xiàn)象，工廠內(nèi)有工人、機器人、卡車、懸掛設備等的隨機移動，這會讓工廠環(huán)境中的無線信道具有時變特性。如汽車廠使用的移動機器人，機器臂的搖擺運動會帶來多普勒偏移。此外，由于地面的不平穩(wěn)，車體運動過程中出現(xiàn)不斷的晃動也會產(chǎn)生多普勒隨機頻偏現(xiàn)象。

3.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道測量研究現(xiàn)狀

無線信號在傳播中受環(huán)境、地形等因素的影響，使得無線信道的衰落特性變化十分復雜，這將從根本上制約工業(yè)無線通信系統(tǒng)的性能[11]，針對工業(yè)場景的信道特性研究是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信系統(tǒng)設計中需要考慮的重要問題。1989年，參考文獻[13]通過數(shù)據(jù)分析了路徑損耗和時延功率譜，在美國印第安納五座工廠LOS（line of sight，視距）和OBS（obstructed line-of-sight，遮擋視線）條件下重復發(fā)送一個10 ns脈沖信號，測量頻率為1.3 GHz，通過示波器衰減、失真，完成了信道的時域測量。2004年，參考文獻[14]提出了一個在小型焚化爐廠中超寬帶（ultra wideband，UWB）信道統(tǒng)計模型，分析了頻率為3.1~10.6 GHz視距（LOS）和非視距（NLOS）的小尺度衰落和功率時延分布。2005年，參考文獻[15]利用定向天線來研究無線信道，測量頻率為2.4 GHz，在馬格德堡基地一個類似于制造廠的環(huán)境下分析了平均時延、均方根延遲和相干帶寬。2007年，參考文獻[16]討論了工業(yè)環(huán)境中3個頻率的窄帶測量，即0.9 GHz、2.4 GHz和5.2 GHz，開發(fā)了一種測量程序，并測量了3種場景下的路徑損耗，得出了影響工業(yè)環(huán)境信號傳播的因素，提出了一種工業(yè)路徑損耗模型。2009年，參考文獻[17]基于頻域分析方法測量了頻率為5.5 GHz的工廠環(huán)境，研究了工廠LOS條件下的信道多徑分量和時延擴展。2010年，參考文獻[18]在短距離室內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡環(huán)境下，利用矢量網(wǎng)絡分析儀測量頻率為5.8 GHz的信道沖激響應，研究了LOS和NLOS條件下的均方根時延，并與其他具有特定統(tǒng)計分布的模型進行比較，提出了對室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用都有效的短距離衰落模型。2012年，參考文獻[19]研究了兩種的重要工業(yè)環(huán)境對無線電波傳播的影響，一種是高吸收環(huán)境，另一種是高反射環(huán)境，根據(jù)無繩電話和工業(yè)科學醫(yī)療使用頻段選擇的頻率分別為0.43 GHz、1.89 GHz、2.45 GHz，分析了信道路徑損耗和多徑分量。參考文獻[20]使用矢量網(wǎng)絡分析儀和虛擬天線陣列方法測量了頻率0.8～2.7 GHz的3種不同工業(yè)環(huán)境，分析了信道沖激響應和功率時延分布，并對經(jīng)典Saleh-Valenzuela（S-V）模型進行了修改。2016年，參考文獻[21]研究了自動化工廠車間的無線電波傳播，使用寬帶信道探測儀在5.85 GHz載波頻率下進行信道測量，對信道時延特性進行統(tǒng)計研究。2017年，參考文獻[22]在3個地點進行了7個場景測量，研究了頻率為5.8 GHz的LOS和NLOS場景，分析了路徑損耗指數(shù)、RMS（root mean square，均方根）時延擴展、相干帶寬和小尺度衰落的幅度分布。

但是到目前為止，國內(nèi)還沒有用于描述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下典型無線信道的分析模型。從過去的研究中可以發(fā)現(xiàn)一些原因，首先是傳統(tǒng)的信道研究，沒有考慮到工廠環(huán)境時變特性對信道的影響；其次，工業(yè)無線網(wǎng)絡中高反射材料對無線信道特性的影響并未得到足夠重視；并且，工廠環(huán)境下信道測量往往很難開展，測量數(shù)據(jù)的缺乏使得很難建立準確可靠的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線信道傳播模型。

3.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道特性

3.3.1 大尺度衰落

大尺度衰落是指收發(fā)端之間距離的變化引起信號場強的變化。一方面，接收信號強度隨著發(fā)射機和接收機之間的距離以對數(shù)形式變化；另一方面，在收發(fā)端之間距離相同的條件下，由于工廠環(huán)境中的物體分布不同以及障礙物會導致信號功率損耗，通常表示為發(fā)射功率與接收功率之間的比率。

表1 各種典型工業(yè)場景大尺度衰落參數(shù)

在過去的幾年中，已經(jīng)進行了多種工業(yè)環(huán)境下的室內(nèi)信道測量。表1總結了各種典型工業(yè)場景大尺度衰落參數(shù)。

表1總結了各種工業(yè)測量中的路徑損耗相關參數(shù)，其中OBS1與OBS2表示遮擋程度不同。在環(huán)境、頻率和鏈路配置方面，觀察到參數(shù)有很大的不同。對于許多環(huán)境，路徑損耗指數(shù)范圍在1~3。另外，隨著頻率的增加，反射體增加，會導致路徑損耗指數(shù)降低。然而，不同的工業(yè)環(huán)境，路徑損耗指數(shù)和頻率之間沒有明確的關系。因為路徑損耗不僅取決于路徑長度，而且還與工業(yè)建筑材料類型（金屬、木材和混凝土等）、散射體的大小和密度有關。

3.3.2 時間色散

時間色散主要是因為多徑傳播造成信號時間擴散現(xiàn)象。與其他典型室內(nèi)環(huán)境相比，時間色散在工業(yè)環(huán)境下無線信道會有很大的不同，時間色散受發(fā)射機、接收機和工廠物理環(huán)境等因素的影響。PDP（power delay profile，功率時延分布）可以用于定量地描述時間色散。在參考文獻[27]中，可以得出電波在傳播過程中受建筑物大小、密度、結構、室內(nèi)地板布局和室內(nèi)裝飾位置等影響。在參考文獻[28]中在LOS條件下進行測量，從測量結果得到隨著收發(fā)端天線間距越來越遠，時延也隨之增加。由以上研究，可以發(fā)現(xiàn)，工廠環(huán)境無線信道時間色散取決于環(huán)境中散射體的大小、類型、密度和分布，并且多徑分量到達時間與接收天線間距有關。在參考文獻[13]中，對印第安納州5家大型工廠進行測量，每個工廠具有不同特點，所有工廠均方根時延平均值在LOS條件下大于96 ns；在NLOS條件下大于105 ns。數(shù)據(jù)表明，在工廠建筑物中的無線傳播可以通過混合的幾何或者統(tǒng)計模型來進行適當?shù)拿枋?，要考慮到墻壁和天花板的鏡面反射以及來自倉庫物品和設備產(chǎn)生的隨機散射。因為在工廠環(huán)境中，建筑物的年齡、物品分布、墻壁位置和天花板高度都是影響均方根時延的關鍵因素。在參考文獻[29]中，隨著接收天線間距增加，均方根時延擴展增加。在參考文獻[15]中圖3對比了4種典型場景下測量場景的信道沖激響應。從平均時延、均方根時延和相干帶寬得到的數(shù)據(jù)結果發(fā)現(xiàn)，受干擾的因素不完全依賴于LOS條件，與金屬阻礙物的分布有關。在靜態(tài)模式下，RMS時延擴展超過72 ns，這表明了金屬設備的反射是主要影響因素；當接收天線間距較短時，均方根時延擴展幾乎是恒定的。當發(fā)射機天線與接收機天線逐漸移開時，反射信號幅度變大，均方根時延增加。

由以上均方根時延測量研究可以發(fā)現(xiàn)工廠內(nèi)設施、天線間距具有不同的反射水平。因此，從一個環(huán)境獲得的測量結果不適用其他環(huán)境，這會使無線技術的可靠性復雜化。

3.3.3 時變特性

如今的工業(yè)中，工廠自動化隨處可見，廠內(nèi)人員移動、機器人運動和小車在行駛中擺動等因素使工業(yè)環(huán)境中的無線信道具有時變特性，會出現(xiàn)多普勒頻移現(xiàn)象。一方面，工廠內(nèi)人員移動、機器人運動等會引起多普勒頻偏。在參考文獻[30]中，將人體建模為垂直定向的圓柱體，通過將來自室內(nèi)環(huán)境的地板、天花板和墻壁的反射以及來自移動人體散射的多徑分量進行參數(shù)化，符合Rice（萊斯）分布并且信號隨著工作人員的移動而變化。參考文獻[33]研究了工業(yè)中有機器人工作的無線信道的時變特性，測量的接收天線安裝在做周期圓周運動的機器人手臂上。該機器人手臂重復運動的周期為1.5 s，運動線速度為2 m/s，中心頻率為2.44 GHz。測量時間為10 s，從多普勒頻移的測量結果發(fā)現(xiàn)，在前6 s變化快速，在后4 s變化緩慢，然后機器人停止工作，由此得到工業(yè)中機器人手臂在做周期性圓周運動時會使信道具有時變特性。另一方面，課題組研究了某汽車廠LOS場景下運輸小車的信道時變特性，研究發(fā)現(xiàn)運輸小車的多普勒頻移并不是理論上的純多普勒值，而是在理論值的基礎上還存在一定的隨機頻偏。圖2是某汽車廠測量場景，沿箭頭從左向右勻速推動運輸小車，在移動運輸小車的過程中，工廠地面不平，使得小車有不規(guī)則擺動。

圖2 汽車廠實測場景

根據(jù)測量頻率為5.8 GHz的實測數(shù)據(jù)將運輸小車移動對信道的影響進行了分析，如圖3所示為瞬間多普勒功率譜，圖3(a)是LOS條件下的仿真數(shù)據(jù)，圖3(b)為LOS條件下的實測數(shù)據(jù)。從測量結果得到運輸小車不規(guī)則的擺動會導致信號產(chǎn)生有波動頻差，并根據(jù)實測結果對工業(yè)環(huán)境下運輸小車的多普勒頻偏提出了一種數(shù)學模型，該模型的多普勒頻移符合理論的多普勒頻移加具有一定高斯分布的隨機頻偏值，工廠環(huán)境下運輸小車多普勒頻偏滿足：

4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電磁噪聲特點與噪聲特性研究現(xiàn)狀

4.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電磁噪聲特點

噪聲對無線通信系統(tǒng)的影響十分顯著，分析噪聲的特點對工業(yè)無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性設計十分重要。噪聲工業(yè)環(huán)境下與其他典型環(huán)境（市區(qū)、辦公室、家庭等）也有所不同，其特點主要分為以下幾個方面。

（1）工廠噪聲的種類較多，對無線信號產(chǎn)生影響的噪聲主要有機械性噪聲和電磁性噪聲。機械性噪聲由機械撞擊、摩擦、轉動而產(chǎn)生，如破碎機、球磨機、電鋸和機床等發(fā)出的噪聲；電磁性噪聲由于磁場脈動、電源頻率脈動引起電器部件震動而產(chǎn)生，如發(fā)電機、變壓器、繼電器產(chǎn)生的噪聲。

（2）工廠噪聲的分布頻率范圍較大，且各種類型的噪聲總是同時存在于工廠內(nèi)各個隨機的位置。比如焊接產(chǎn)生的噪聲頻率可以達到數(shù)百MHz，火花放電產(chǎn)生的電磁噪聲輻射分布在幾百MHz到GHz，用于控制機械設備的計算機產(chǎn)生的電磁輻射頻率分布在幾十Hz到3 GHz。

（3）工廠噪聲不僅有高斯白噪聲影響，還有突發(fā)的脈沖噪聲等，且工廠環(huán)境的噪聲在強度、頻率范圍、帶寬、功率譜形狀、生滅特征等方面與傳統(tǒng)的高斯白噪聲存在很大的差異；在工廠正常工作時，由于機械設備的間歇性工作，其輻射出的電磁噪聲也會呈現(xiàn)出一定的時變特性。

4.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)電磁噪聲研究現(xiàn)狀

在參考文獻[31]中提出了工業(yè)無線網(wǎng)絡的寬帶信道模型，該模型考慮了惡劣工廠環(huán)境中噪聲的影響，采用一階兩態(tài)馬爾可夫過程描述工業(yè)環(huán)境中典型突發(fā)脈沖噪聲的特性。脈沖噪聲的幅值與噪聲功率比有關，當噪聲功率變大時，脈沖噪聲的幅值增大。從測試結果中發(fā)現(xiàn)，如果沒有考慮噪聲對信道的影響，工廠環(huán)境的噪聲會極大地降低無線通信系統(tǒng)的性能。在參考文獻[32]中測量了100 MHz~6 GHz頻段下變電站的電磁噪聲環(huán)境，給出了脈沖率、脈沖幅度、脈沖持續(xù)時間、脈沖發(fā)生時間等統(tǒng)計分析，構建了基于統(tǒng)計和頻譜特性的脈沖噪聲模型，用于評估變電站無線設備的部署相關情況。在參考文獻[33]中提出了用APD（amplitude probability distribution，幅度概率分布）統(tǒng)計方式評估電磁噪聲對通信系統(tǒng)的影響，將幅度概率分布定義為干擾強度超過某個電平的時間概率，計算式為：

其中，是的CDF（cumulative distribution function，累積分布函數(shù)）。通過幅度概率分布統(tǒng)計參量的測量結果，可以獲得噪聲電平的平均值和有效值，能夠真實地反映噪聲的特性，評估噪聲對不同類型的通信系統(tǒng)的影響。在參考文獻[30]中，用APD測量的環(huán)境是典型鋼鐵廠，其中心頻率分別為439 MHz、440 MHz、570 MHz及2 450 MHz，其中，干擾在439 MHz時最明顯，因為有一輛汽車、一輛運輸機器人和一臺起重機同時工作。在造紙廠電動機將大塊木頭粉碎的過程中，產(chǎn)生的噪聲使得DECT（digital enhanced cordless telecommunication，室內(nèi)無繩電話）系統(tǒng)突然出現(xiàn)問題無法使用。本文對某汽車廠焊接設備的電磁噪聲展開了研究，采用對數(shù)周期天線分別測量了手工點焊機與焊接機器人附近的噪聲信號，得到了噪聲功率、噪聲帶寬、噪聲之間頻率間隔等相關參數(shù)。圖4（a）和圖4（b）分別為手工點焊機與焊接機器人附近的噪聲信號，從測量結果中可以看出，手工點焊機與焊接機器人工作時產(chǎn)生的噪聲分布大體上相同，但并不完全吻合。兩種焊接設備的噪聲信號主要分布在300~900 MHz頻段，其功率主要集中在-110~97 dBm，帶寬在4~20 kHz范圍相對較窄。這主要是由于兩種機械設備采用的焊頭相同，故噪聲情況相近，但工作時焊頭的高度、焊機工作方式略有差異，導致噪聲略有不同，但兩者總體上大致相似。由這些研究可以看出，不同工廠噪聲差異很大，對于噪聲測量應全面考慮工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所應用的頻段。若影響無線通信系統(tǒng)的噪聲只用加性高斯白噪聲（additive white Gaussian noise）表示，在惡劣的工廠環(huán)境中存在的脈沖噪聲會顯著降低無線系統(tǒng)的可靠性和有效性。

5 結束語

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)開始，想要實現(xiàn)自動化工廠，需要加速完善通信技術來改進生產(chǎn)流程和管理系統(tǒng)。本文首先對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中使用的無線通信技術進行總結和對比，歸納了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信道和電磁噪聲特點，回顧了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信道和噪聲測量以及研究的已有成果。本文討論了不同工業(yè)環(huán)境條件下的路徑損耗，分析了信道時間色散、時變特性以及噪聲特性，并強調(diào)了影響它們的因素。研究發(fā)現(xiàn)只有充分了解無線信道和噪聲特性以及不同無線技術適用的工業(yè)場景，才能使工業(yè)生產(chǎn)中不可預測的干擾風險降至最低。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開無線通信技術的支持，未來迫切需要對不同工廠環(huán)境、不同頻率和鏈路配置的信道和噪聲測量以及對其特性展開分析，以進一步驗證現(xiàn)有的模型或開發(fā)新的模型，適應工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展。

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Wireless channel and noise characteristics in industrial internet of things

ZHANG Ke1, LIU Liu1,2, YUAN Ze1, ZHANG Kun1, ZHANG Jianhua2, LIU Zhijun3

1. Institute of Broadband Wireless Mobile Communications, School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China 2. Key Laboratory of Universal Wireless Communications, Ministry of Education, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 3. Beijing Aerospace Measurement and Control Technology Co., Ltd., Beijing 100041, China

With the proposal and implementation of “Made in China 2025” “Intelligent Manufacturing” “Internet plus” and a series of national strategic planning, the industrial internet of things (IIoT) has developed rapidly in China. However, the channel and noise characteristics of the industrial poor environment have brought great challenges to the wireless communication of the industrial internet of things. The application of different wireless communication technologies in IIoT were introduced and compared and the features of wireless channel and noise in the environment of IIoT were summarized. As the key content of wireless communication research, channel and noise characteristics were analyzed overall.

industrial internet of things, wireless communication technology, channel characteristics, noise characteristics

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018217

張克（1994?），女，北京交通大學碩士生，主要研究方向為寬帶無線通信。

劉留（1981?），男，博士，北京交通大學電子信息工程學院教授、博士生導師，主要研究方向為高鐵無線信道測量與建模、高鐵寬帶接入物理層關鍵技術等。

袁澤（1994?），男，北京交通大學碩士生，主要研究方向為寬帶無線通信。

張琨（1993?），男，北京交通大學碩士生，主要研究方向為寬帶無線通信。

張建華（1976?），女，北京郵電大學信息與通信工程學院教授、博士生導師，主要方向為寬帶移動通信系統(tǒng)新理論及技術等。

張志軍（1986?），男，北京航天測控技術有限公司高級工程師，主要研究方向為測控技術、裝備自動化測試等。

2018?01?20；

2018?05?20

北京郵電大學泛網(wǎng)無線通信教育部重點實驗室資助項目（No.KFKT-2018105）；北京市科技新星計劃基金資助項目（No.Z161100004916068）；國家自然科學基金面上基金資助項目（No.61471027）

Key Laboratory of Universal Wireless Communications, Ministry of Education (No.KFKT-2018105), Beijing New-star Plan of Science and Technology (No.Z161100004916068), The National Natural Science Foundation of China (No.61471027)