工业物联网无线信道特性研究

工业物联网无线信道特性研究

郭江鸿 吕志颖

泉州信息工程学院 362000

摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。目前，工业物联网已成为国家的关键竞争力，智能制造产业加速发展，无线技术作为工业物联网系统中的信息传输通道，在工业领域起着强有力的支撑作用。本文就工业物联网无线信道特性展开探讨。

关键词：物联网；工业物联网；无线通信技术；信道特性

引言

随着时间的推移和时代的不断改革创新，物联网逐渐出现在人民群众的视野当中。在这一次的重要技术革命中，传统产品的设计思路发生了巨大的改变；但是从另一个角度来看，也是为了满足当代人民群众的基本需求。

1工业物联网中的无线通信技术

对工业物联网无线通信技术的选择主要取决于其具体应用的场景，因为不同场景对信息传输的功耗、成本、速率、容量等存在差异化的需求。目前，Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、RFID（射频识别）、UWB（超带宽）、NFC（近场通信）等技术已被广泛应用在短距离无线通信技术中，而NB-IoT、eMTC和LoRa等新的主流低功耗广域网络技术正在与这些短距离无线通信技术互补，相互配合使用于工业物联网的应用场景中。其中，蓝牙、Wi-Fi和ZigBee技术都使用2.4GHz频段；UWB（超带宽）是一种无载波通信技术，具有定位精度高、安全性强、抗干扰能力强等特点，主要应用于工厂监控领域；RFID技术可通过无线电信号识别特定目标，单向读写相关数据，可以提供生产制造控制系统、生产制造执行系统和管理信息系统的服务信息；而NFC技术在电子设备之间实现简单和安全的双向交互，应用于物品识别。这些技术各有所长，也各有所短。

2物联网时代的工业设计对象的改变

物联网的出现改变了实际产品的设计理念，逐渐实现了从常规的智能产品到智慧型产品的转变。但是，众所周知，常规智能化产品其实也具有一定的智能化功能，其中包括比较常见的是智能感知以及判断决策等等。归根结底，常规智能产品的“智能”其实只是设计工作者对其进行了大量的编程工作。在实际产品运行工作当中，如果发生了一些编程之外的情况，常规智能产品其实是不能进行自行判断的，因此，常规智能产品的这种“智能”在此情况下就失去了自身的意义。而物联网当中的智慧型产品并不是常规的独立智能产品，其自身具有大量的传感器，并且能够将获取到的信息通过网络或者其他的通信方式传递到信息控制中心，控制中心做出最终决策之后，就能够将智能化的行为完成了。这一整个流程无需人工操作的参与，因此，在物联网当中设计出来的产品具有感知能力和思考能力[2]。从整体的角度来看，设计师设计思路的转变对于未来社会的发展是具有重要意义的。物联网设计产品的智能化，对于当今人民群众的日常生活和工作都能够提供巨大的便捷，对其进行合理利用之后，社会工作将会变得更加高效率和高质量，同时对于未来智能化发展也能够起到重要的促进作用。

3工业物联网无线信道特性

3.1工业物联网信道

在工业物联网场景中存在大量的机器人、传感器、机械设备，这些设备之间需要以稳定、高效的方式进行海量连接。Sigfox、LoRa、NB-IoT是3种常用的物联网标准，它们在功率消耗、频段、通信距离、传输速率、连接设备数等性能指标上有所不同。工业物联网信道展现出许多新的特性，如变化的路径损耗、随机抖动、非直射传播、丰富的散射体以及多移动性。目前，工业物联网信道测量的结果较少，这些信道测量主要集中在6GHz以下频段，与现有物联网标准使用的频段相同。然而，对未来物联网的巨流量与巨连接而言，毫米波频段的工业物联网信道测量极具前景。

3.2IIoT（工业物联网）中无线信道的频段

IIoT中无线信道的频段选择与不同场景和不同应用有关，各频段特性不同，适用于不同的部署场景。一般来说，从低功耗大连接的工业场景到高可靠低时延的工业场景，低于6GHz和毫米波频段的部署都需要研究。在低功耗大连接的工业场景下，工业无线通信网络通常使用的频段有甚高频（VHF）、特高频（UHF）和超高频（SHF），如230MHz频段、433MHz频段和470～510MHz频段、2.4GHz和5.8GHz频段等免授权频段，也包括电信运营商购买的授权频段。在短距离无线通信中，Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、射频识别（RFID、超带宽（UWB）等技术被广泛应用，这些技术的使用频段在2.4GHz。此外，基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT）、基于LTE演进的物联网接入技术（LTEeMTC，LTEenhancedMTC）、低功耗超长距离无线通信技术（LoRa，longrang）和Sigfox等新的主流低功耗广域网络技术与这些短距离无线通信技术能够互补，相互配合使用于IIoT的应用场景中。

3.3工业物联网信道特点

工业无线通信的发展和实施，能够让企业的管理部门和生产现场数据信息进行实时更新，实时掌握工厂中的生产情况，能够更迅速、及时准确地互通信息进行控制和管理。工业物联网环境下的无线信道会表现出如下不同的特点。（1）不同的工厂存放的材料对信道影响程度不同。例如，造纸厂仓库环境具有高吸收特点，无线电波以直射波传播并且强度快速衰减；钢铁厂环境具有高反射特点，厂内大型金属设备导致电波在信道传播过程中出现衍射和反射特性。（2）不同工厂的结构差异大，工业厂房比普通的住宅和办公楼的楼层高，普通住宅层高一般为2.8m左右，而标准厂房高度一般是5~6m，并且工厂环境比家庭和办公环境恶劣许多，如振动、浮尘等因素都会对信号进行反射和散射，从而产生多径衰落。（3）出现多普勒频偏现象，工厂内有工人、机器人、卡车、悬挂设备等的随机移动，这会让工厂环境中的无线信道具有时变特性。如汽车厂使用的移动机器人，机器臂的摇摆运动会带来多普勒偏移。此外，由于地面的不平稳，车体运动过程中出现不断的晃动也会产生多普勒随机频偏现象。

结语

近年来，工业领域发生了巨大变革，IIoT已成为国家的关键竞争力，智能制造产业加速发展，无线技术为工业领域的信息传输提供着强有力的支撑作用。

参考文献

[1]孙玉.我国物联网产业发展趋势[J].物联网学报,2018,1(3):1-5.

[2]张克,刘留,袁泽,等.IIoT无线信道与噪声特性[J].电信科学,2018,34(8):87-97.