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同频与邻频干扰的产生机理与系统级影响

一、概述

在物联网时代,数十亿设备通过无线网络连接,各种无线信号在有限频谱资源中交织碰撞。据预测,到2025年全球物联网设备连接数将突破750亿台,到2030年将突破250亿台。海量设备在有限频谱中工作,使得干扰问题日益突出。

同频与邻频干扰

二、同频与邻频的“信号冲突”

同频干扰,是指两个工作在相同频率上的物联网设备之间的相互干扰

物联网设备常工作在ISM频段(包括2.4GHz和5GHz等)。以2.4GHz频段为例,互不干扰的信道十分有限。当多个物联网设备在相同频率上工作且覆盖区域有重叠时,就会产生同频干扰。

邻频干扰则源于无线信号的频谱特性。无线信号的频谱呈钟形分布,在发射频宽之外,信号是逐渐衰减而非突然降为零

如果两个中心频率不同的设备发射频宽有重叠部分,就会产生邻频干扰。即使使用不重叠的相邻信道,如果设备间距离过近且发送功率较大,也会产生干扰

物联网环境中,多种无线技术(如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等)共享相同频段,加上微波炉、无绳电话等非通信设备的工作,使得邻频干扰问题更加复杂。

三、资源受限与高密度部署

物联网设备与普通通信设备相比,在应对干扰方面面临独特挑战:

设备资源受限:许多物联网设备对成本和功耗有严格限制,无法像手机那样搭载复杂的抗干扰算法。NB-IoT等窄带系统的处理能力有限,难以通过干扰频谱特征初步判断干扰源

高密度部署:在智能城市、智能农业等场景中,大量物联网设备密集部署LoRa主模块在密集部署场景(如智能城市传感器集群)中,数据包丢失率会显著上升

隐蔽终端问题:当两个物联网设备处于彼此的传输范围之外,但都在与同一接入点通信时,就会出现隐藏节点问题。它们发送的数据会在接入点处发生碰撞,导致数据传输失败

远近效应:当距离基站近的物联网设备和距离远的设备同时发射信号时,近端设备的强信号可能淹没远端设备的弱信号

四、系统级影响

干扰对物联网系统的影响是全方位的,从单个设备性能下降到整个系统服务中断。

在性能指标方面,干扰会导致物联网设备的信噪比(SNR)降低。当SNR低于15dB时,通信质量显著下降。干扰还会增加传输误码率,在NB-IoT系统中,当底噪高于-128dBm时即认为存在干扰

在系统层级,干扰会减少网络容量并限制覆盖范围。在高干扰环境下,基站的有效覆盖半径会缩小。干扰还会导致数据包丢失率上升,在密集部署的LoRa网络中,数据包丢失率可能超过30%

在应用层面,干扰可能造成物联网服务中断。在工业物联网环境中,大量电机、电焊机等设备运行时产生的电磁干扰,会干扰车间内的无线监控和通信设备,影响生产流程的正常运行

五、 抗干扰技术与解决方案

面对干扰挑战,物联网系统可采用多种抗干扰技术:

频谱管理:认知无线电结合强化学习算法,能够实时感知频谱空洞并实现智能切换。动态信道分配技术可让物联网设备自动选择干扰较小的信道

物理层技术:LoRa采用的扩频调制(CSS)具有高达19.5dB的同信道抑制能力,即使信号强度低于噪声仍可解码。正交扩频因子(SF)技术使不同SF的信号在相同频段互不干扰

网络层优化:LoRaWAN支持自适应数据速率(ADR),可动态调整SF、带宽和编码率,平衡传输距离与网络容量,减少碰撞概率。合理规划网关密度(如每平方公里部署≥3网关)可提升空间分集增益

硬件设计通过屏蔽、滤波与接地技术优化电磁兼容设计。依据Schelkunoff屏蔽理论,金属屏蔽体的屏蔽效能与材料电导率、磁导率及频率密切相关



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