基于RFID、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee的物联网电磁兼容和干扰协调研究

当今科技发展日新月异，从数字化城市到智慧化地球，人类正向着一个更加发达、先进、文明的社会目标迈进。物联网概念的提出，被人们誉为是一次新的技术革命。只要在物体中嵌入一个微型感应芯片，再借助无线或有线网络技术，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也能“交流”，这就是物联网。

依据物联网的定义，从信息传输的角度出发，物联网可以理解为“利用一切通信手段构成智能信息传输的网络”。而从应用技术考量，那么，多种通信手段的融合，势必会带来电磁兼容性和抗干扰协调问题,特别是在无线环境下，这些因素尤为重要。

广义上的电磁兼容性(EMC)是指电子系统或通信设备工作在指定的环境中，不至于由于无意的电磁辐射而引起性能下降或发生故障的一种能力；反之,这一系统或设备在运转和工作时，也不能影响其他系统或设备的正常运行。电磁兼容的反面即电磁干扰(EMI)，两者互相对立和依存。

对于任何一个电子系统或者信息网络，要想得到最佳的EMC,应从其设计开始就高度重视EMI问题;如果在原始的设计中没有对EMC引起足够的重视或规划,则必须在投入使用以后釆取更多抗干扰措施，以使多个系统和设备共存，这将大大损害系统和设备的正常使用和运行。因此，从通信层面去理解，物联网实质上是要利用多种通信手段来构成“网”。并且,物联的概念提出的时间不长，通信协议还没有完全做到规范统一，从这个意义上讲,无论是有线或是无线，甚至是光网络应用到物联网领域都存在兼容性问题。

当前，用于无线个人区域网（WPAN,WirelessPersonalAreaNetwork）范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型的技术标准有蓝牙（Bluetooth）、ZigBee,无线USB（WirelessUSB）、无线局域网Wi-Fi（IEEE802.llb/g）等。而物联网较多运用这些短距离无线技术构成接入网，所以它们的电磁兼容问题日益凸现「刃。由于这些无线技术均选择了2.4GHz（2.4〜2.483GHz）ISM的开放工业频段，再加上无绳电话和微波炉等大功率干扰源的共存,使得该频段日益拥挤和复杂，根据这几种短距离无线技术射频频谱设置情况，所得到的ISM开放频段各种信号带宽和频谱分布图如图1所示。

如果从电磁干扰（EMI）的角度去理解，无论是电信号还是光信号,在传输或传播过程中都要经受各种衰落和损耗。同时，通信信号还要受到其他信号的干扰,这种干扰通常还包括噪声。干扰和噪声是影响通信性能指标的重要因素。接收机能否正常工作，不仅取决于输入信号的大小，更取决于噪声和干扰的大小。一般情况下，干扰和噪声主要分两类，即周期性干扰（如电台干扰）和非周期性干扰（如脉冲干扰和平滑干扰）；按噪声和干扰来源又可分为接收机内部噪声、天电噪声、宇宙噪声、人为噪声、无线电干扰等。通常将天电噪声、宇宙噪声、人为噪声称为外部噪声,而将无线电干扰称为干扰。

物联网中的RFID,Wi-Fi.蓝牙、ZigBee等所遇到的电磁干扰均符合上述关于干扰的定义。具体而言，物联网中RFID,Wi-Fi,蓝牙、ZigBee等除了自身同频相互干扰以外，还会受来源于广播、电视、雷达、导航、工业等及无线通信系统（如微波中继通信、移动通信、各种无线网络等）的干扰。具体干扰成因有同信道干扰、邻道干扰、发信机的带外杂散干扰、接收机的寄生响应和阻塞干扰、互调干扰等。

物联网概念的提出时间并不长，标准和规范也没有完全统一,信息传输中需要利用多种通信手段，具有相当的复杂性和不可预见性。因此,立足物联网中目前应用较多的短距离无线技术来研究其相互依存和相互影响，并借助象IEEE802.15.4标准中的抗干扰协调机制，对完善物联网的开发与应用具有非常重要的现实意义。就国内而言,物联网的研究与应用已成为业界的热门话题,但这些应用研究还仅仅是局部的，或者是单一的,如桥梁健康监测与远程监控、人类健康动态监测、环境卫生监测、智能交通系统等。目前无线方式用到的仅仅有RFID、Wi-Fi、蓝牙、Zig-Bee无线传感网等，但未来多种技术融合的大规模物联网应用，必然带来电磁兼容和抗干扰协调问题。因此,本文提出的问题迫切需要加以研究和总体协调。

对电磁兼容和抗干扰协调的研究是一个比较复杂的系统工程。其研究的基本技术路线是通过对物联网典型无线技术（如RFID,Wi-Fi,蓝牙等）同频干扰及遇到的电磁干扰源（如广播、电视、雷达、导航、工业等）的频率、功率及电磁特性及电波技术参数与传播特性的技术分析，深入研究其特征并归纳干扰成因（如同信道干扰、邻道干扰等），从而提出抗干扰协调方法和应用框架的建议。

研究的基本方法是通过对物联网无线通信技术参数收集、干扰成因分析和电磁兼容的机理研究，运用系统工程理论,建立一套完整的电磁兼容仿真建模方法。电磁兼容建模方法是用于建立输入参数（如辐射源、各种激励等）和输出参数（各种响应）之间关系的一种技术，如缝隙转移阻抗等效建模方法等「云。通过实测和仿真，得出物联网抗干扰协调的方法和准则，从而得出应用框架建议和协调措施。

实验手段主要有射频信号测试与频谱分析;实际无线网络功率测量与信道压制分析;带内、带外辐射测量;物联网无线技术带外杂散干扰、接收机的寄生响应、阻塞干扰、互调干扰测量与分析等。

关键技术有电磁屏蔽环境下运用矢量网络分析仪进行射频测量与分析;不同应用场景下的抗干扰技术方案的研究与优化;物联网背景下的无线融合应用解决方案;频率自适应规划协调机制等。

针对不同的通信系统，特别是短距离无线技术，世界上许多机构和科研人员在电磁兼容方面都有过相应研究,也提出了规范及标准，并提供了很多机制来保证2.4GHz频段与其他无线技术标准的共存能力。其协调措施和技术方案主要有以下三种：

第一是如空闲信道评估(ClearChannelAssess-ment,CCA)技术。IEEE802.15.4物理层可在碰撞避免机制(CSMACA)中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议山；

第二是动态信道选择技术。该技术中,ZigBee个人区域网(PAN)中的协调器首先要扫描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN,而不是自己去创建一个新的PAN,这样就可减少同频段PAN的数量，降低潜在的干扰。但如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道；

第三是选择信道算法技术。对比IEEE802.lib和IEEE802.15.4信道算法，该技术有4个IEEE802.15.4信道(n=15,16,21,22)落在3个IEEE802.11b信道的频带间距上，这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的能量低，将这些信道作为IEEE802.15.4网络的工作信道可以将系统间的干扰降至最小。

物联网是一个前沿技术，目前还没有准确的定数,但其发展和运用却是一个非常迅猛的过程，其复杂性和挑战性也是前所未有的,必须引起业界高度重视和深入研究，并在应用的基础上加以总结和提高。物联网中电磁兼容和干扰协调是未来大规模应用的前提和基础，很有必要投入一定力量来进行认真研究、规划与协调，以便为未来物联网大规模应用和迅速发展打下坚实的基础。