物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)干擾機制及對策研究

章 毅 中國電信股份有限公司汕頭分公司高級工程師

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，將會有越來越多的隱私信息通過傳感器進行傳輸。因此，必須對傳感器節(jié)點之間的通信加以保護，以達到隱私保護安全的目的。由于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中承載著多媒體數(shù)據(jù)，這使其更容易遭受隱私安全攻擊，因此在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，無線網(wǎng)絡(luò)安全的通信機制是十分重要的。

機器與機器通信（Machine-to-Machine，M 2M）是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的必要手段，其對于移動通信的跨越式發(fā)展至關(guān)重要。M 2M也被表述為MTC，即Machine-type Communication。M 2M設(shè)備數(shù)量巨大，僅占用授權(quán)頻段進行通信必然會占用大量蜂窩網(wǎng)的地址資源，同時大量設(shè)備的接入也會造成蜂窩網(wǎng)的堵塞，因此需要使用非授權(quán)頻段進行通信。顯然，非授權(quán)頻段上M 2M通信面臨的最大問題就是來自于同頻段其他系統(tǒng)的干擾。因此，本文主要討論了非授權(quán)頻段上M 2M通信受到的干擾問題并從信道分配角度建立干擾避免算法，從而降低非授權(quán)頻段M 2M通信的干擾。

目前，在物聯(lián)網(wǎng)和物理鏈路層受到的干擾安全方面的研究主要有：

●針對靜態(tài)高密度及低密度這兩個典型M 2M應(yīng)用場景，建立基于圖論的信道分配最優(yōu)化問題，分別通過遍歷及貪婪搜索算法，得到使區(qū)域內(nèi)總干擾最小的信道分配方式。

●基于每個終端用戶的有效測量機制，提出了分布式端到端監(jiān)測系統(tǒng)。

●針對傳輸層和物理鏈路層的干擾信號進行信號屏蔽（本文主要研究此類問題）。

2 無線電磁干擾的產(chǎn)生和屏蔽機制

無線電磁干擾（EM I）是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，EM I通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達和機器產(chǎn)生的。電磁干擾EM I（Electromagnetic Interference），有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡(luò)。

電磁干擾傳播途徑一般分為兩種，即傳導耦合方式和輻射耦合方式。任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑（或傳輸通道）。通常認為電磁干擾傳輸有兩種方式，即傳導傳輸方式和輻射傳輸方式。因此，從被干擾的敏感器來看，干擾耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩大類。傳導傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿著這個連接電路傳遞到敏感器，發(fā)生干擾現(xiàn)象。這個傳輸電路可包括導線，設(shè)備的導電構(gòu)件供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。輻射傳輸是通過介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。

常見的輻射耦合有3種：甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接受，稱為天線對天線耦合；空間電磁場經(jīng)導線感應(yīng)而耦合，稱為場對線的耦合；兩根平行導線之間的高頻信號感應(yīng)，稱為線對線的感應(yīng)耦合。

電磁屏蔽是電磁兼容技術(shù)的主要措施之一。電磁屏蔽的技術(shù)原理，即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來，使其外部電磁場強度低于允許值的一種措施；或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來，使其內(nèi)部電磁場強度低于允許值的一種措施。

（1）靜電屏蔽

用完整的金屬屏蔽體將帶正電導體包圍起來，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導體等量的負電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導體等量的正電荷。如果將金屬屏蔽體接地，則外側(cè)的正電荷將流人大地，外側(cè)將不會有電場存在，即帶正電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。

（2）交變電場屏蔽

為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓，可以在于擾源和敏感電路之間設(shè)置導電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地。交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓大小取決于交變電場電壓、耦合電容和金屬屏蔽體接地電阻之積。只要設(shè)法使金屬屏蔽體良好接地，就能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得很小。電場屏蔽以反射為主，因此屏蔽體的厚度不必過大，而以結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。

（3）交變磁場屏蔽

交變磁場屏蔽有高頻和低頻之分。低頻磁場屏蔽是利用高磁導率的材料構(gòu)成低磁阻通路，使大部分磁場被集中在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽的效果越好。當然，要與設(shè)備的重量相協(xié)調(diào)。高頻磁場的屏蔽是利用高電導率的材料產(chǎn)生的渦流反向磁場來抵消干擾磁場而實現(xiàn)的。

（4）交變電磁場屏蔽

一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強度為主要考慮因素。

屏蔽體做好之后需要進行屏蔽效能檢測。

目前，常用無線網(wǎng)絡(luò)阻隔系統(tǒng)能夠在一定距離內(nèi)通過發(fā)送干擾信號，有效阻斷指定網(wǎng)絡(luò)信道內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的通信，并同時保持預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)信道的正常通信。在滿足無線網(wǎng)絡(luò)一定的通信要求的同時，提供了一種在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對涉密信息的可靠保護，常見設(shè)備如濾波器。

無線網(wǎng)絡(luò)阻斷系統(tǒng)跳過通訊協(xié)議直接對無線網(wǎng)絡(luò)信道進行分析，并且通過信號干擾來達到阻斷目的，因此能夠滿足高級別涉密場所的保密需要。其獨到之處在于可以預(yù)設(shè)可信任信道，對可信任信道之外的無線網(wǎng)絡(luò)信道進行電磁干擾，這種有選擇性的阻斷不僅可以杜絕被黑客攻擊的可能性，同時還保留了與外界的通訊。

無線網(wǎng)絡(luò)阻斷系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)物理層的角度，在網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議之上對無線網(wǎng)絡(luò)信號實施控制，而同類無線網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品通常是通過對MAC地址及協(xié)議進行分析，檢測是否有MAC地址偽裝和泛洪拒絕服務(wù)攻擊，監(jiān)控和分析AP，識別假冒AP，從而達到防止泄密的目的。相比之下，線網(wǎng)絡(luò)阻斷系統(tǒng)更加具有安全性和可靠性，能夠有效抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊。

3 無線網(wǎng)絡(luò)干擾排查機制

目前，直觀衡量評估產(chǎn)生的指標有兩種：

3.1 干擾指標

●RSSI：Received Signal Strength Indicator（反向接收信號強度指示）

接收信號強度指示（RSSI）定義為：接收寬帶功率，包括在接收機脈沖成形濾波器定義的帶寬內(nèi)的熱噪聲和接收機產(chǎn)生的噪聲。測量的參考點為UE的天線端口，即RSSI是在這個接收到Symbol內(nèi)的所有信號（包括導頻信號和數(shù)據(jù)信號、鄰區(qū)干擾信號、噪音信號等）功率的平均值。

●NI：Noise Interference（反向干擾噪聲）

系統(tǒng)上行檢測到的干擾噪聲，相對RSSI指標，NI指標是通過檢測頻譜的具體干擾噪聲，能夠更準確反映小區(qū)上行干擾狀況。在主設(shè)備網(wǎng)管監(jiān)測體系中，主要通過級干擾噪聲、平均每RB干擾噪聲等指標體現(xiàn)，超過-110dBm認為異常，超過-100dBm認為存在嚴重問題。該指標為最常用指標。

由于目前是商用網(wǎng)絡(luò)，RSSI不能準確地反映反向干擾情況，評估干擾時RSSI僅作為參考指標，評估干擾主要以每RB的反向噪聲干擾（NI）為依據(jù)。

干擾排查思路：

（1）首先排查系統(tǒng)內(nèi)的干擾，其次考慮系統(tǒng)外的干擾。

（2）應(yīng)先考慮工作頻譜鄰近頻譜的已知通信系統(tǒng)的干擾，后再排查工作頻譜遠離物聯(lián)網(wǎng)授權(quán)頻譜的通信系統(tǒng)；最后，到未知的電器設(shè)備產(chǎn)生的干擾。了解所用系統(tǒng)頻段鄰近的頻譜規(guī)劃，了解該頻譜過往被干擾的排查過程，以便借鑒。

（3）先排查受到較強干擾，且干擾持續(xù)存在的小區(qū)；最后排查干擾較弱，干擾不持續(xù)的小區(qū)。

（4）盡可能掌握干擾小區(qū)的多種特性，便于定位干擾源。

（5）獲取被干擾基站的工程設(shè)計圖紙，檢查被干擾基站天線安裝是否符合隔離度標準。

（6）獲取被干擾基站周邊的地理狀況，檢查是否是水面、峽谷等特殊環(huán)境。

3.2 干擾排查流程

如圖1所示，干擾排查流程詳述如下：

（1）檢查被干擾小區(qū)底噪數(shù)據(jù)，分析干擾特點

●分析帶寬內(nèi)受干擾的頻域特性。查看是否部分被干擾，還是整個帶寬內(nèi)存在干擾?？梢酝ㄟ^頻譜掃描，即時查詢NI噪聲值，利于頻率相關(guān)特性尋找干擾來源。

●分析受干擾小區(qū)時間周期特性。是否固定時刻出現(xiàn)干擾，還是時間連續(xù)性干擾，干擾強度是否隨通常定義的話務(wù)忙閑時變化，白天與夜間的干擾程度是否存在變化。

●分析受干擾小區(qū)存在個別小區(qū)還是多個小區(qū)出現(xiàn)。如果多個小區(qū)存在干擾，可對比受干擾小區(qū)的NI噪聲，與隨時間變化關(guān)系，確認是否受同一干擾源。

（2）檢查被干擾小區(qū)、基站的工作狀態(tài)

排查受干擾小區(qū)是否存在設(shè)備故障，排除設(shè)備問題引起底噪數(shù)據(jù)異常。通過EMS網(wǎng)管查詢各類告警，即RRU、GPS、天線通道告警等。尋找干擾嚴重的小區(qū)，排查天饋是否異常。

（3）區(qū)分系統(tǒng)內(nèi)干擾與系統(tǒng)外干擾

關(guān)閉本FDD-LTE系統(tǒng)的部分站點，單獨開啟受干擾小區(qū)，在小區(qū)空載狀況下，檢查底噪情況；如果底噪恢復(fù)正常，可確定為系統(tǒng)內(nèi)干擾。如果仍存在底噪升高的情況，則判定為系統(tǒng)外干擾。如果無法關(guān)閉本系統(tǒng)LTE小區(qū)，噪聲NI分析，大致判斷是否系統(tǒng)內(nèi)干擾。

（4）系統(tǒng)內(nèi)干擾排查方法

檢查是否有GPS時鐘異?；?，排查設(shè)備故障引起的底噪偏高。

如果不好確定施擾基站，則需要逐個關(guān)閉干擾來源方向上的基站，尋找具體的施擾基站。

圖1 干擾排查流程

（5）系統(tǒng)外干擾排查方法

系統(tǒng)外干擾的排查主要結(jié)合排除干擾源與掃頻定位干擾源的方法，從單站排查干擾源開始，逐漸擴大排查區(qū)域。

關(guān)閉基站小區(qū)的下行功率，使用掃頻儀連接8木天線，掃頻帶寬設(shè)定為系統(tǒng)帶寬的上下擴展15MHz內(nèi)，觀察系統(tǒng)帶寬內(nèi)外的噪聲分布，查看有無鄰頻的大信號（可能帶來阻塞干擾）。利用8木天線的定向接收特性，多個角度進行掃頻，尋找最大干擾源方向；多個小區(qū)逐點掃頻，定位干擾來源。

（6）采用排除法，在找到疑似干擾后，對干擾源進行消除確認

提請當?shù)剡\營商，協(xié)調(diào)關(guān)閉干擾源，通常需要關(guān)閉干擾源電源，以查驗系統(tǒng)干擾是否消除。如果不便于直接關(guān)閉干擾源，則可采用屏蔽物的方法，將干擾源使用電磁屏蔽材料遮蓋；或?qū)⒏蓴_源傳播途徑阻擋起來，檢驗干擾程度是否降低，直至確認干擾源。

（7）對干擾成因定性排查，搞清楚干擾類型，如阻塞干擾、雜散干擾、互調(diào)干擾等，制定相應(yīng)的解決方案。

4 結(jié)束語

在無線網(wǎng)絡(luò)中，媒介的廣播、共享特性使其易于受到干擾性質(zhì)的拒絕服務(wù)攻擊，嚴重影響著網(wǎng)絡(luò)的性能和安全。本文對物聯(lián)網(wǎng)與運營商基站網(wǎng)絡(luò)潛在危險進行分析，并從現(xiàn)網(wǎng)干擾排查機制進行了詳細的總結(jié)，給出未來可能存在的干擾問題應(yīng)對方法和思路。