工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書

1、隨著工業(yè) 4.0，中國制造 2025 等各個(gè)國家政策的推動，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為國家關(guān)鍵競爭力，智 能制造正加速發(fā)展。進(jìn)入二十一世紀(jì)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用， 使得社會發(fā)生巨大的改變，人類生產(chǎn)工業(yè)發(fā)生變革，智能制造被賦予了新的內(nèi)涵，即新一代信息技 術(shù)條件下的智能制造。智能制造不僅使生產(chǎn)模式變得高效靈活，促使產(chǎn)業(yè)鏈更加有效的協(xié)作與整合， 而且催生了新型生產(chǎn)服務(wù)型制造，同時(shí)協(xié)同了開發(fā)和云制造的共同發(fā)展。一方面促進(jìn)勞動效率、生 產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的提升，另一方面推動了全行業(yè)的創(chuàng)新和改革。現(xiàn)階段智能制造普遍采用的有線方案面臨著布線工期長、易腐蝕、維護(hù)難、成本高等諸多問題， 同

2、時(shí)隨著柔性制造的需求越來越強(qiáng)烈，未來的生產(chǎn)線需要適應(yīng)客戶個(gè)性化的定制需求，而無線技術(shù) 的應(yīng)用不僅可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線靈活的調(diào)整和重組，而且在部署維護(hù)等方面成本優(yōu)勢明顯，更順應(yīng)未來 智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。為更好地保障無線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，研究分析典型工業(yè)場景復(fù)雜 電磁環(huán)境是關(guān)鍵一環(huán)。充分了解工廠的干擾情況和信道特征，深入研究工業(yè)場景下電磁環(huán)境，從而 進(jìn)一步支撐無線網(wǎng)絡(luò)的部署，推動無線技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用的深度融合。本報(bào)告簡要介紹了無線化智能制造的背景以及關(guān)鍵應(yīng)用場景，以工業(yè)典型場景汽車制造領(lǐng)域?yàn)?例，重點(diǎn)分析了其焊接車間的電磁環(huán)境，包括噪聲干擾和信道特征兩部分內(nèi)容，進(jìn)而針對焊接車間 電磁環(huán)境特點(diǎn)，給出

3、無線通信解決方案思路和方向上的建議，以供進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃作為參考。白皮書旨在以汽車制造焊接車間的電磁環(huán)境分析為例，明確工業(yè)電磁環(huán)境對無線通信的影響以 及對無線通信解決方案的指導(dǎo)意義，促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域建網(wǎng)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，保障無線網(wǎng)絡(luò)可靠性， 從而由點(diǎn)到面逐步快速推動無線智能制造覆蓋全行業(yè)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和創(chuàng)新做出重要貢獻(xiàn)。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是不斷演進(jìn)發(fā)展的，聯(lián)盟將根據(jù)國內(nèi)外工業(yè)無線應(yīng)用的發(fā)展情況，持續(xù)推進(jìn)工業(yè)典 型電磁環(huán)境的研究分析，廣泛吸納產(chǎn)業(yè)界的反饋意見，適時(shí)修訂和發(fā)布報(bào)告新版。編寫說明0405 參考文獻(xiàn) 目錄CONATENTS1.1 智能制造發(fā)展與市場前景1.2 無線化智能制造的優(yōu)勢和價(jià)

4、值03 工業(yè)無線通信解決方案建議3.3 小結(jié)汽車制造焊接車間無線解決方案建議 增加鏈路預(yù)算，彌補(bǔ)路徑損耗控制無線電傳輸方向，減少NLOS場景通信工業(yè)無線電磁環(huán)境分析必要性 汽車制造焊裝車間無線技術(shù)關(guān)鍵應(yīng)用場景 機(jī)器人與機(jī)器人協(xié)同控制焊裝過程中的視頻監(jiān)控焊裝車間工序間的物料傳輸AGV應(yīng)用01 無線化智能制造背景及應(yīng)用場景 012121抵抗多徑干擾，保障主徑分量擴(kuò)大信道帶寬，弱化多普勒效應(yīng)工業(yè)無線常見問題解決方案建議 24頻譜規(guī)劃與選擇抗干擾機(jī)制確定性傳輸機(jī)制30縮略語 2901 03040502 汽車制造焊裝車間電磁環(huán)境分析 2.1 汽車制造焊裝車間電磁噪聲特性分析0910焊裝車間電磁噪聲干擾源

5、焊裝車間電磁噪聲特性汽車制造焊裝車間信道特征分類分析 13遮擋障礙金屬屏蔽時(shí)變信道測試結(jié)論無線化智能制造背景及 應(yīng)用場景01智能制造發(fā)展與市場前景1.1智能制造是伴隨信息技術(shù)的不斷普及而逐步發(fā)展起來的。1988 年，美國紐約大學(xué)的懷特教授(P.K.Wright) 和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的布恩教授 (D.A.Bourne) 出版了智能制造一書，首次提出了智 能制造的概念，并指出智能制造的目的是通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)、機(jī)器人視覺和機(jī)器控 制對制造技工的技能和專家知識進(jìn)行建模，以使智能機(jī)器人在沒有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行小批量生 產(chǎn)。21 世紀(jì)以來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展

6、及應(yīng)用，智能制造被 賦予了新的內(nèi)涵，即新一代信息技術(shù)條件下的智能制造，從而使得社會發(fā)生巨大的改變，人類生產(chǎn) 工業(yè)發(fā)生變革，使人類社會生活水平更上一個(gè)臺階 1。從全球范圍來看，除了美國、德國和日本走在全球智能制造前端，其余國家也在積極布局智能制造發(fā)展。例如，歐盟將發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)作為重要的戰(zhàn)略，在 2010 年制定了第七框架計(jì)劃 (FP7) 的 制造云項(xiàng)目，并在 2014 年實(shí)施歐盟“2020 地平線”計(jì)劃，將智能型先進(jìn)制造系統(tǒng)作為創(chuàng)新研發(fā)的優(yōu) 先項(xiàng)目；德國為應(yīng)對全球挑戰(zhàn)提出了“工業(yè) 4.0”的發(fā)展計(jì)劃；我國根據(jù)發(fā)展的實(shí)際情況，提出中 國制造 2025的國家戰(zhàn)略規(guī)劃 2。2017 年，具有連接和感

7、知能力的機(jī)器人繼續(xù)引領(lǐng)智能制造發(fā)展，隨著 AI 技術(shù)的進(jìn)步，工 業(yè)機(jī)器人也變得更加智能，并能夠感知，學(xué)習(xí) 和自己做決策。結(jié)合當(dāng)前全球智能制造的發(fā)展 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì)到 2020 年，全球制造業(yè)的連接數(shù)將達(dá) 125 億，保守估計(jì)未來幾年全球智能制造行業(yè)將保持 15% 左右的年均復(fù)合增速（CAGR，Compound Annual Growth Rate），預(yù) 計(jì)到 2023 年全球智能制造的產(chǎn)值將達(dá)到 23108 億美元左右（圖 1-1）3。圖1-1 2018-2023 年全球智能制造產(chǎn)值規(guī)模預(yù)測 ( 單位：億美元)050002018 年E2023 年E10000150002000025000

8、CAGR=15%經(jīng)過連續(xù)三年的試點(diǎn)和探索，我國智能制造行業(yè)發(fā)展取得了顯著成就。數(shù)據(jù)顯示，2010-2017 年，我國智能制造行業(yè)保持著較為快速的增長速 度，到 2017 年，我國智能制造行業(yè)的產(chǎn)值規(guī)模 已達(dá)到 15000 億元左右（圖 1-2）3。160001400012000100008000600040002000034002010 年2011 年2012 年2013 年2014 年2015 年2016 年2017 年產(chǎn)值規(guī)模（億元）同比增長(%)4200 5100654181009963122331500030%25%20%15%10%5%0%2010-2017 年中國智能制造產(chǎn)值規(guī)模（

9、億元、%）圖1-2 2010-2017 年中國智能制造產(chǎn)值規(guī)模預(yù)計(jì)未來幾年我國智能制造行業(yè)將保持 11%左右的年均復(fù)合增速，到 2023 年行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到 2.81 萬億元，行業(yè)增長空間巨大（圖 1-3）3。02018 年E 2019 年E 2020 年E 2021 年E 2022 年E 2023 年E0.511.522.531.671.852.052.282.532.812018-2023 年我國智能制造行業(yè)規(guī)模預(yù)測（萬億元）圖1-3 2018-2023 年中國智能制造行業(yè)規(guī)模預(yù)測01 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 0203 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書

10、041.2無線化智能制造的優(yōu)勢和價(jià)值工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智能工廠的基礎(chǔ)，已成為國家關(guān)鍵競爭力，市場空間達(dá) 11.6 萬億美元?，F(xiàn)階段的傳統(tǒng)模式下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)仍依靠有線技術(shù)來連接應(yīng)用，面臨著布線工期長、易腐蝕、維護(hù)難、成 本高等諸多考驗(yàn)：部署成本高、工期長。以 6km2 廠區(qū)為例，退火、鍍鋅等采集點(diǎn)多（超過 1000 個(gè)），最遠(yuǎn) 1400m 部署光纖需架線，工期達(dá) 30 天，影響工廠投產(chǎn)；線纜更換成本高。硬件材料在連退、酸洗車等高溫腐蝕環(huán)境，線纜易損壞，導(dǎo)致線纜更換 頻繁，每 12 個(gè)月須檢測更換線纜；檢修困難。一條自動化裝配線上可能有多達(dá)上百個(gè)開關(guān)可識別托盤，有線開關(guān)安裝在輸送 機(jī)下方，電纜則鋪設(shè)在

11、裝配線地板下的通道中，如果電纜失效，往往很難檢修；管理成本高。如果操作區(qū)域發(fā)生變化，有線需要完全重新布設(shè)以滿足新定義操作區(qū)域的要 求，管理成本將會更高；工業(yè)無線電磁環(huán)境分析必要性1.3與商用和民用無線通信的環(huán)境相比，工業(yè)無線通信電磁環(huán)境更加特殊和復(fù)雜，這對于無線通 信的信號傳播有很大的影響。從信息論的角度 看，無線通信傳輸效率、質(zhì)量及應(yīng)用效果主要受 兩個(gè)因素制約：一是傳輸鏈路的信噪比：二是 傳輸?shù)男诺捞卣?。移動無線通信系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸質(zhì)量最終都要受到無線信道和噪聲的制約。只有在 充分研究和了解所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信道和噪聲特性隨著智能制造的逐步發(fā)展，柔性生產(chǎn)的愿望越來越強(qiáng)烈，未來的生產(chǎn)線不僅需要適

12、應(yīng)客 戶個(gè)性化的定制需求，同時(shí)還要滿足小批量的 生產(chǎn)需求。這些需求要求產(chǎn)線可以靈活地進(jìn)行 調(diào)整和重組，而有線連接的方案線受限于線體 長度、纏繞等問題（圖 1-4）不利于產(chǎn)線的移動， 甚至存在安全隱患。然而，無線通信在工廠中 的應(yīng)用會帶來多方面的優(yōu)勢，不僅可以適應(yīng)產(chǎn) 線的靈活調(diào)整和重組，充分滿足高速移動、旋 轉(zhuǎn)等應(yīng)用場景，而且可以使網(wǎng)絡(luò)部署維護(hù)更加 高效便捷，同時(shí)降低成本。具體如下：圖1-4 有線方案線體纏繞無線技術(shù)可以提升效率。未來柔性制造的生產(chǎn)模式下，工廠可根據(jù)實(shí)際的定制化需求， 靈活地調(diào)整產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行不同產(chǎn)品的 生產(chǎn)制造，有線技術(shù)的設(shè)備移動受限，產(chǎn)線結(jié) 構(gòu)固化，限制了產(chǎn)線設(shè)備的移動

13、，而無線網(wǎng)絡(luò) 由于部署靈活性，能夠滿足靈活產(chǎn)線調(diào)整需求， 同時(shí)無線還省去了線纜的部署和維護(hù)時(shí)間，提 升了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效率，節(jié)省了大量的加工時(shí)間， 進(jìn)一步大大提升生產(chǎn)效率。無線技術(shù)可以保障安全?，F(xiàn)階段工業(yè)自動化程度較高，產(chǎn)線機(jī)器人數(shù)量龐大，無線技術(shù) 可避免因?yàn)橛芯€線纜的老化導(dǎo)致的機(jī)器人非正 常運(yùn)動，降低對設(shè)備或者人員造成損害或傷亡。 同時(shí)，無線技術(shù)也可避免因有線線體纏繞導(dǎo)致 的設(shè)備驟停（圖 1-4），產(chǎn)線故障癱瘓，進(jìn)而引 發(fā)大面積機(jī)器行為混亂危害人身安全。無線技術(shù)可以降低成本。無線技術(shù)相比與有線可在硬件材料成本節(jié)省 30%-40%，安裝部署成本節(jié)省 80%-90%，工程維護(hù)成本節(jié)省 45%-55%

14、，管理成本節(jié)省 55%-70%，綜合可節(jié)省 50%-70%4。綜合來看，無線化智能制造可以提高生產(chǎn)組網(wǎng)的靈活性，更好的適應(yīng)將來生產(chǎn)制造的需求，也可以降低成本和提升效率，并保障了生產(chǎn)環(huán)境的安全，促進(jìn)智能制造行業(yè)生態(tài)的發(fā)展。近些年 WIFI、ZigBee、FRID、WirelessHART 等無線解決方案已經(jīng)在制造車間立足，WIFI、ZigBee、RFID 等 各類無線通信技術(shù)具有使用成本低、易部署等優(yōu)點(diǎn)，但存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋低、容量受限等問題，ISA 100.11a、WirelessHART 等技術(shù)受限于傳輸距離或者傳輸速率 , 只適用于信息采集等少量工業(yè)互聯(lián) 網(wǎng)應(yīng)用，可見這些無線解決方案在帶寬、可靠

15、性和安全性等方面都存在局限性。5G 作為新一代移動 通信網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)一規(guī)劃部署、廣域覆蓋、抗干擾能力強(qiáng)、小區(qū)切換可靠性高以及端到端網(wǎng)絡(luò) QoS 保 障等優(yōu)點(diǎn)，將會大大克服以上問題。同時(shí)，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(luò)進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)營效率的需求更為強(qiáng)烈，利用新一代移動通信 網(wǎng)絡(luò)可將生產(chǎn)設(shè)備無縫連接，使生產(chǎn)更加扁平化、定制化、智能化，從而構(gòu)造一個(gè)面向未來的無線 化智能工廠。后，才能采取與之相適應(yīng)的各種物理層技術(shù)，如最佳的調(diào)制方式和編碼交織方式、均衡器的 設(shè)計(jì)，或者M(jìn)IMO、OFDM系統(tǒng)中的天線配置選擇 和子載波分配等，從而充分挖掘該系統(tǒng)的容 量，并

16、進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能。無線信道模型 是人們對無線傳播環(huán)境及其傳播特性的一個(gè)抽 象的描述，無線信道的傳播特性是構(gòu)建移動無 線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其在無線通信系統(tǒng)從 設(shè)計(jì)評估到標(biāo)準(zhǔn)化以至到最終部署的各個(gè)環(huán)節(jié)中，都有重要的作用：（1）當(dāng)新的無線傳輸技 術(shù)和理論被提出時(shí)，往往使用信息論工具進(jìn)行 推導(dǎo)驗(yàn)證，從而為新技術(shù)提供理論依據(jù)、性能 極限。（2）在無線傳輸技術(shù)研究、設(shè)計(jì)以及標(biāo)汽車制造焊裝車間無線技術(shù)關(guān)鍵應(yīng)用場景1.4汽車制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，一直被當(dāng)成工業(yè)發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在國家實(shí)力成長和社會發(fā)展中發(fā)揮著極為重要的作用。汽車制造業(yè)是典型的多工種、多工藝、多物料的大規(guī)模生 產(chǎn)過程，反映了一

17、個(gè)國家的綜合工業(yè)水平，不僅可以帶動鋼鐵、冶金、橡膠、石化、塑料、玻璃、 機(jī)械、電子等諸多相關(guān)產(chǎn)業(yè)，而且吸納各種新材料、新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)，持續(xù)增長的生產(chǎn)規(guī) 模和市場規(guī)模，創(chuàng)造了巨大的產(chǎn)值、利潤和稅收。隨著汽車行業(yè)之間競爭的日益激烈，各生產(chǎn)廠家都普遍面臨著：提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)管理水平等種種壓力，汽車行業(yè)的智能制造正在飛速發(fā)展中。汽車制造是典型的多工種、多 工藝、多物料的大規(guī)模生產(chǎn)過程，包括沖壓工藝、焊裝工藝、涂裝工藝、總裝工藝。其中焊裝工藝水 平直接關(guān)系著汽車產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和使用性能，是汽車制造的最重要的環(huán)節(jié)，在焊裝車間將沖壓成型 的車身各組件經(jīng)過散件拼焊，整車拼焊，形成整

18、車白車身。另外，焊裝車間生產(chǎn)線眾多、智能化程度 高、焊接設(shè)備量大、拼焊工藝復(fù)雜，使得焊裝環(huán)節(jié)電磁環(huán)境最為復(fù)雜，因此，我們以汽車制造焊裝車 間為例簡單介紹其應(yīng)用場景，并于第二章重點(diǎn)分析其電磁環(huán)境特征。1.4.1 機(jī)器人與機(jī)器人協(xié)同控制焊裝是自動化程度最高、機(jī)器人使用數(shù)量最多的車間。在焊裝生產(chǎn)過程中，存在各種機(jī)器人與機(jī)器人協(xié)同工作的情況，如：兩臺機(jī)器人共用一把焊槍、兩臺機(jī)器人協(xié)同涂膠、兩臺機(jī)器人協(xié)同搬運(yùn)、 兩臺機(jī)器人協(xié)同焊接等。通過無線化，減少機(jī)器人間的線纜部署，使產(chǎn)線部署更靈活。機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)一般由4大部分組成（圖1-5）：PLC、機(jī)器人控制器、無線網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人，主要有兩大類信號：（1）機(jī)械

19、手臂任務(wù)信號：PLC通過無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)任務(wù)命令（如抓舉車身、焊接車身）給多個(gè)控制 器，控制器按照下發(fā)的任務(wù)命令控制機(jī)械手臂進(jìn)行作業(yè)；（2）互鎖信號：控制器反饋機(jī)器人預(yù)定義作業(yè)信號至PLC，PLC實(shí)時(shí)同步互鎖命令給多個(gè)控制 器，保障機(jī)械手臂在運(yùn)動過程中不會碰撞。在焊接過程中，一個(gè)機(jī)械手臂通過PLC下發(fā)的任務(wù)命令抓舉車身，另一個(gè)機(jī)械臂舉起焊槍進(jìn)行焊接操作。同時(shí)，PLC實(shí)時(shí)下發(fā)互鎖命令保障機(jī)器手臂間不會產(chǎn)生異常的碰撞。機(jī)器人協(xié)同控制對網(wǎng)絡(luò) 時(shí)延和實(shí)時(shí)性要求很高，環(huán)境中的干擾和信號傳輸問題都是影響其業(yè)務(wù)的運(yùn)行的重要因素。準(zhǔn)化階段，都需要對各種候選方案進(jìn)行性能評估。評估階段所使用的信道模型的準(zhǔn)確性與否 直

20、接決定了仿真結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性。因此 在移動通信技術(shù)的評估過程中，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組 織非常重視評估信道模型的標(biāo)準(zhǔn)化工作。（3） 在實(shí)際的無線通信系統(tǒng)的部署中，需要根據(jù)實(shí) 地?zé)o線傳播環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，容量優(yōu)化，盲 區(qū)覆蓋等工作。準(zhǔn)確的信道模型（特別是路徑 損耗和陰影衰落模型）可以使網(wǎng)絡(luò)部署、優(yōu)化、規(guī)劃的工作更加準(zhǔn)確和有效，從而提升無 線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。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(gè)常數(shù)。工廠在工 作時(shí)，電焊機(jī)、變頻器、點(diǎn)火系統(tǒng)、穩(wěn)壓器以 及高壓輸電線等設(shè)備都會輻射出大量的電磁噪 聲，這時(shí)會出現(xiàn)突發(fā)的脈沖噪聲，這些噪聲可 能在

21、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，會導(dǎo)致正常的通信信號受到干擾，數(shù)據(jù)包無法按時(shí)準(zhǔn)確的傳送到接收端5-6。從信道特征來看，不同的工業(yè)領(lǐng)域由于工藝和產(chǎn)品各不相同，車間內(nèi)各類物理?xiàng)l件、設(shè)備等 吸收和反射能力有很大差異，導(dǎo)致信道傳播特征（包括路徑損耗，多徑分量等）均表現(xiàn)不同。工業(yè) 環(huán)境中大型設(shè)備的密度、金屬類器材與材料的密 度以及各種傳播阻礙物的數(shù)目，對于無線通信信 號的傳輸至關(guān)重要。機(jī)床、機(jī)械臂等金屬障礙物 會對電波傳輸損耗造成影響；金屬設(shè)備在電波 傳播中會形成較強(qiáng)的鏡面反射和散射，從而產(chǎn)生 更多強(qiáng)度較大的多徑分量；工業(yè)自動化中的機(jī) 械臂轉(zhuǎn)動、機(jī)器人運(yùn)輸移動等運(yùn)動因素

22、會讓無線 信道同時(shí)具有時(shí)變特性，這些特殊的信道特征都 將對信號傳輸、網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生影響。因此，需要對典型工業(yè)場景的電磁環(huán)境進(jìn)行分析研究，了解干擾源的噪聲特性，并根據(jù)實(shí)際 的工業(yè)環(huán)境、特點(diǎn)以及工業(yè)性質(zhì)來提取無線信道 的參數(shù)，從而進(jìn)一步規(guī)劃通信頻段，指導(dǎo)工業(yè)建 網(wǎng)，支撐無線技術(shù)的空口設(shè)計(jì)，性能評估和優(yōu)化 等，更好地保障工業(yè)無線通信應(yīng)用在未來智能制 造領(lǐng)域的可靠性，推動行業(yè)發(fā)展。圖 1-5 機(jī)器人與機(jī)器人協(xié)同控制示意圖5G AP5G5G UEcontrollerSlave 11Slave 2PLCcontroller5G UESwitchSwitch07 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書1.4.2 焊裝過程中的

23、視頻監(jiān)控在車身制造過程中，存在各種作業(yè)機(jī)器人，包括點(diǎn)焊機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、激光焊接機(jī)器人、螺 柱焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、滾邊機(jī)器人等，在整個(gè)生產(chǎn)區(qū)域及控制過程中，為了遠(yuǎn)程觀 察作業(yè)和維護(hù)，需在機(jī)器人附近安裝高清攝像頭，對作業(yè)過程錄像，期間將產(chǎn)生大量的圖片視頻。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含三部分：攝像頭、無線網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控平臺（圖1-6）。當(dāng)視頻監(jiān)控平臺通過無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)啟動監(jiān)控命令到攝像頭，攝像頭通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集并上傳圖片和視頻到后端視頻監(jiān) 控平臺，所需帶寬為1Mbps(720p及以上清晰度)。通過該系統(tǒng)可以解決限制區(qū)域人員難以進(jìn)入，無法 及時(shí)捕捉瞬間的問題，也可減少線纜的部署，靈活改變部署位

24、置。大量的視頻和高清圖片需要無線網(wǎng) 絡(luò)提供足夠的帶寬，而機(jī)器人系統(tǒng)本身就包含很多電磁干擾源，同時(shí)大密度的設(shè)備對于信號傳輸也有 阻礙削弱作用，這些電磁環(huán)境問題都會對視頻和圖片的準(zhǔn)確可靠送達(dá)造成影響。1.4.3 焊裝車間工序間的物料傳輸AGV應(yīng)用高柔性化制造已經(jīng)成為汽車制造行業(yè)發(fā)展的趨勢，AGV在物流柔性方面起到重要作用。AGV系統(tǒng)一般由三大部分組成（圖1-7）：AGV中控室、無線網(wǎng)絡(luò)、AGV小車。AGV中控室與AGV小車之間存在著大量的交互信息均通過無線網(wǎng)絡(luò)，主要有兩大類信號：（1）AGV小車本體控制信號：運(yùn)動控制信號（AGV狀態(tài)、異常信息、速度、電壓、卡號、方向、管制、能派車、任務(wù)點(diǎn)、有無帶滑

25、撬、在等待點(diǎn)、吊點(diǎn)放行、前往站點(diǎn)等）、控制信號（舉升裝置升降等）；（2）與線體PLC對接信號：到位信號、允許進(jìn)出工作站信號等。自動化線工作站根據(jù)站內(nèi)生產(chǎn)情況，提前生成物料派送任務(wù)信息（物料名稱，需求工位等），并將任務(wù)信息傳遞給AGV派送系統(tǒng)，AGV派送系統(tǒng)根據(jù)需求工位、工藝流程以及AGV小車位置、狀態(tài)， 生成派送任務(wù)，并通知適合的AGV小車到達(dá)需求工位，按照工藝流程將物料送到目標(biāo)工位。由于整個(gè) 過程均為自動化，AGV派送系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)與需求工位、目標(biāo)工位進(jìn)行信息交互，包括請求開門、到 位、RFID讀寫成功、允許出門等信息。AGV在工作過程中始終處于移動狀態(tài)，電磁波傳播具有時(shí)變特 性，這對于接手信

26、號是有影響的，需要分析車間時(shí)變信道的特點(diǎn)，從而保證AGV移動過程中路徑可 控，運(yùn)行安全可靠，防止碰撞到設(shè)備及人員、發(fā)生事故。圖 1-6 焊裝過程的視頻監(jiān)控示意圖視頻監(jiān)控平臺無線網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)圖 1-7 焊裝車間工序間的物料傳輸示意圖重型物料搬運(yùn)大型物料搬運(yùn)小火車頭搬運(yùn)無人叉車搬運(yùn)09 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 10汽車制造焊裝車間 電磁環(huán)境分析02如前文所述，汽車制造分為四大工藝：沖壓工藝、焊裝工藝、涂裝工藝、總裝工藝。沖壓工藝主要運(yùn)用模具將鋼板加工成獨(dú)立的汽車部件，如頂蓋、發(fā)動機(jī)蓋外板等，其電磁干擾主要來自沖壓 機(jī)床。涂裝工藝、總裝工藝分別進(jìn)行汽車的噴漆以及

27、汽車配件的組裝工作。相比于以上三種工藝， 焊裝工藝是汽車制造的最重要的環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)散件拼焊，整車拼焊，形成整車白車身。焊裝過程中需 要應(yīng)用電焊機(jī)，焊機(jī)工作產(chǎn)生電火花的會輻射出大量的電磁干擾，同時(shí)，支持電焊機(jī)工作的變頻 器、穩(wěn)壓器、電子開關(guān)等設(shè)備同樣會輻射出一定的電磁干擾。另一方面，焊裝車間生產(chǎn)線眾多，智 能設(shè)備使用率高，大型設(shè)備的遮擋以及金屬材質(zhì)的反射、散射影響，導(dǎo)致其信道特征更為特殊。因 此，汽車制造領(lǐng)域的電磁環(huán)境的研究工作主要針對焊裝車間展開。汽車制造焊裝車間電磁噪聲特性分析2.1圖 2-1 焊接機(jī)器人圖 2-3 穩(wěn)壓器圖 2-2 變頻器以下將介紹焊裝車間的主要噪聲干擾源以及噪聲頻譜特性分析

28、。了解了汽車制造車間典型的干擾源，從而更準(zhǔn)確地把握汽車廠的電磁噪聲情況。2.1.1 焊裝車間電磁噪聲干擾源汽車制造廠的電磁噪聲干擾源主要有電焊機(jī)、變頻器、穩(wěn)壓器、 電子開關(guān)、伺服驅(qū)動器等設(shè)備。電焊機(jī)電焊機(jī)是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)換為熱能的機(jī)器，利用焊機(jī)的正負(fù)兩極在 瞬間短路時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，完成 焊接工作。汽車廠大量應(yīng)用的焊接機(jī)器人如圖2-1所示。焊接是汽車制造業(yè)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，車身、車門等部件都需要依靠焊接完成組裝。電焊機(jī)在工作時(shí)，焊頭產(chǎn)生的高壓電弧會輻射出大量的電磁噪 聲，這些噪聲頻率范圍很寬，由于焊接產(chǎn)生的電磁噪聲可以達(dá)到數(shù)百M(fèi)Hz7。變頻器變頻器通過調(diào)整輸出電源的

29、電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其 所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。另外，變頻器還有很多的 保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等。變頻器的實(shí)物圖如圖2-2所示。在汽車廠中，控制生產(chǎn)線的升降、進(jìn)退的傳送設(shè)備以及其他機(jī)械設(shè)備都需要應(yīng)用變頻器。變頻器產(chǎn)生的電磁噪聲主要來自整流橋模塊、逆變器模塊。整流橋在工作時(shí)其內(nèi)部巨大的電流變化會產(chǎn)生諧 波輻射，逆變器工作時(shí)會產(chǎn)生大量的耦合性噪聲8。穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器是使輸出電壓穩(wěn)定的設(shè)備。穩(wěn)壓器由調(diào)壓電路、控制電 路、伺服電機(jī)等組成。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，控制電路進(jìn)行取 樣、比較、放大，然后驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，使調(diào)壓器碳刷的位置改 變，通過自動調(diào)整線圈匝數(shù)

30、比，保持輸出電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)壓器的實(shí)物圖如圖2-3所示。表 2-1 通信信號頻譜占用情況圖 2-4 天線方向圖圖 2-5 焊接車間頻譜測量結(jié)果在汽車廠中，大型的機(jī)械設(shè)備如電焊機(jī)、起重機(jī)等設(shè)備都需要應(yīng)用穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器需要用到大量的電磁線圈，這些電磁線圈在工作時(shí)會輻射出大量的電磁噪聲。電子開關(guān)電子開關(guān)是指利用電子電路以及電力電子器件實(shí)現(xiàn)電路通斷的運(yùn)行單元，在實(shí)際使用過程中， 電子開關(guān)主要是指觸摸開關(guān)、感應(yīng)開關(guān)、聲控開關(guān)、無線開關(guān)等墻壁開關(guān)。汽車廠中的用電設(shè)備都 需要用到電子開關(guān)，但電子開關(guān)在工作中會輻射出許多電磁噪聲。在開關(guān)接通的一瞬間會產(chǎn)生電火 花，這是電子開關(guān)電磁噪聲的主要來源。伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)

31、動器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機(jī)進(jìn) 行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。汽車廠焊接車間中大量應(yīng)用的焊接機(jī)器人就需要通過伺服驅(qū) 動器進(jìn)行控制，保證機(jī)器人能夠準(zhǔn)確的定位焊接位置，進(jìn)行精確的焊接工作。但由于伺服驅(qū)動器需 要脈沖信號進(jìn)行驅(qū)動，因此其工作時(shí)會輻射出一定的電磁干擾9。2.1.2 焊裝車間電磁噪聲特性測試分析方法：針對接收端位置的不同進(jìn)行噪聲干擾測試分析，充分對比其干擾情況，分析噪 聲干擾對于無線通信的影響。電磁噪聲測量運(yùn)用頻譜儀和對數(shù)周期天線，在汽車廠焊接車間的手工 點(diǎn)焊機(jī)和焊接機(jī)器人（這兩種設(shè)備是焊接車間最為常見的電磁噪聲源，且支持電焊機(jī)工作的變頻

32、 器、穩(wěn)壓器、電子開關(guān)等電磁干擾源，共同與電焊機(jī)組成電焊系統(tǒng)）各選取一個(gè)測量位置進(jìn)行了300MHz3GHz頻段的測量工作，測量采用對數(shù)周期天線天線（定向天線）進(jìn)行垂直、水平兩種天線極 化方式。天線方向圖如圖2-4，測量結(jié)果如圖2-5所示。通過對汽車制造車間不同位置的噪聲干擾情況測試后，可看出車間內(nèi)不僅包括機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，同時(shí)也包含很多手機(jī)通信信號和WIFI通信信號的影響。通過與各地區(qū)公開的通信信號頻 譜占用情況進(jìn)行對照，可以將車間內(nèi)各個(gè)頻段的干擾源以及干擾特征進(jìn)行梳理和分析。對照后整理 出汽車廠的通信信號的頻譜占用情況（表2-1）。從測量結(jié)果中可得出以下結(jié)論：（1）圖2-5中包含工廠中

33、的噪聲信號和通信信號，在800MHz以下的頻率范圍存在廣播電視信號。通過與公開的通信信號頻譜占用情況進(jìn)行對照可知，圖2-5中信號功率較大的900MHz、1.8GHz附 近頻段存在運(yùn)營商發(fā)射的手機(jī)通信信號，在2.4GHz附近頻段存在WIFI信號。通信信號強(qiáng)度大體分布 在-65-50dBm之間。（2）工廠中輻射出的電磁噪聲信號主要集中在300MHz1GHz頻段，功率大體分布在-120dB-m-110dBm之間，也就說明汽車制造車間的電磁干擾源主要對低頻段的無線信號有影響，那么在車間 建網(wǎng)部署的時(shí)候就要考慮對該頻段的頻譜的針對性選擇和規(guī)避。0.-10.-20.-30.-180.-90.0.90.18

34、0.H面E面11 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 12頻段（MHz）信號類型頻段（MHz）信號類型478-486電視廣播信號825-835CDMA 上行518-526870-880CDMA 下行526-534890-915GSM800 上行614-622935-960GSM800 下行654-6621710-1755GSM1800 上行662-6701755-1785FDD-LTE 上行670-6781805-1840GSM1800 下行702-7101840-1875FDD-LTE 下行718-7261885-1915TD-LTE758-7662130-2145WCDMA 下行

35、766-7742401-2481WIFI 信號790-7982575-2595TD-LTE通信信號背景噪聲電磁噪聲13 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 14（3）隨著頻率的升高，工廠中輻射出的電磁噪聲信號的功率呈明顯的下降趨勢，在1GHz以上，電磁噪聲信號功率趨于平緩，功率不再隨頻率的升高出現(xiàn)明顯的降低。在1GHz以上的高頻段的干擾 主要為通信信號。因此，未來車間的網(wǎng)絡(luò)部署可以更好地面向1G以上頻段，合理的分配頻譜，實(shí)現(xiàn) 與LTE、WIFI等通信信號的頻譜復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)大帶寬的網(wǎng)絡(luò)特性，為汽車制造車間有該需求的應(yīng)用 場景奠定基礎(chǔ)。（4）焊接車間的兩種焊接設(shè)備（手工點(diǎn)焊機(jī)、焊接機(jī)器

36、人）電磁噪聲情況，即頻點(diǎn)、功率情況 大體上相同。因此，在對這兩種設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，可以選取相同頻點(diǎn)。汽車制造焊裝車間信道特征分類分析2.2焊裝車間生產(chǎn)線眾多，智能設(shè)備使用率高，大型設(shè)備的遮擋、金屬外殼的反射、散射、移動設(shè)備的影響，導(dǎo)致其信道特征更為特殊。如下對焊裝車間的信道特征進(jìn)行測試分析，主 要提取了路勁損耗、K因子、信號包絡(luò)、時(shí)變特性等信道參數(shù)。路徑損耗是無線系統(tǒng)一個(gè)重要的考慮因素，常用公式（1）的路損模型（通用的路損模型）對無線鏈路傳輸?shù)穆窂綋p耗進(jìn)行擬合：式中n表示的是路損指數(shù)，d為收發(fā)兩端的距離（單位m），A為擬合截距，X為陰影項(xiàng)，符合高斯分布。在這里主要研究路損指數(shù)n，其反映了無線

37、鏈路功率損耗情況，一般可認(rèn)為廠房內(nèi)的大型設(shè)備以 及其他傳播阻礙物密度越大，路徑損耗指數(shù)越大，對無線鏈路傳播損耗越大，因此需實(shí)際測量建立 路損模型。K因子參數(shù)，K因子是描繪主徑信號與多徑分量強(qiáng)度比的重要參數(shù)，見公式（2）：其中PLOS和PNLOS分別表示LOS徑和其他多徑分量的功率。K因子越大表示直射分量相比散射徑分量就越大，而工廠環(huán)境中遮擋障礙削弱主徑傳播能量，從而會使K因子變小。同時(shí)環(huán)境中各類設(shè)備以及 其他傳播阻礙物會成為電磁波傳播時(shí)的散射體，廠房內(nèi)的大型設(shè)備以及其他傳播阻礙物密度越大， 散射體就會越豐富，電波傳播時(shí)就會有更多的多徑分量，使RMS（均方根時(shí)延擴(kuò)展）值增加，體現(xiàn)在 各個(gè)接收端信

38、號疊加從而產(chǎn)生碼間干擾影響通信。信號包絡(luò)是信道的小尺度信息，表現(xiàn)出接收信號的分布情況，包絡(luò)方差的大小可以反映同一路徑中接收端信號幅值波動情況，方差越大、波動越大、多徑影響越大，因此在鏈路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮環(huán) 境中多徑的影響，從而采取相應(yīng)措施。時(shí)變特性是指當(dāng)設(shè)備以恒定的速率沿某一方向移動時(shí)，由于傳播路程差的原因，會造成電磁波相位和頻率的變化，通常將這種變化稱為多普勒頻移。多普勒頻移會導(dǎo)致無線通信中發(fā)射和接收的 頻率不一致，從而使得加載在頻率上的信號無法正確接收，甚至無法接收到。焊裝車間有大量的AGV 小車在移動執(zhí)行物料搬運(yùn)的任務(wù)，運(yùn)動速度越快其產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)越嚴(yán)重，對通信所產(chǎn)生的影響 也就越大，需要

39、根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行考察。綜合來看，信道受到影響有以下幾種情況：2.2.1 遮擋障礙不同工業(yè)環(huán)境中的遮擋障礙，如建筑物、機(jī)床、機(jī)械臂等對電波傳輸損耗造成影響不同，同時(shí)大量的設(shè)備在電波傳播 中會形成反射和散射，從而產(chǎn)生更多的多徑分量，致使信道 參數(shù)不同10-11。如圖2-6所示為實(shí)際焊裝車間的環(huán)境特征，由 圖可以看出實(shí)際環(huán)境中存在著大量的物理建筑、設(shè)備機(jī)床、 焊接機(jī)械臂等對信號傳播有遮擋阻礙作用的因素。圖 2-6 實(shí)際的工業(yè)環(huán)境(2)2LOSLNLOS Pm| h m, l |2Pml 2K m | h m, l |PL d A 10 n log10 d X(1)金屬反射物各種傳播阻礙物路損

40、指數(shù)是路徑損耗模型的一個(gè)重要參數(shù)12，它描繪了空間電磁波傳輸時(shí)在無線鏈路中損耗情 況，路損指數(shù)的值越大表明無線鏈路損耗隨著距離 增加損耗越嚴(yán)重。表2-2是基于實(shí)際焊接車間測量 的數(shù)據(jù)計(jì)算得到兩種不同傳播方式LOS與NLOS方式 的參數(shù)。如圖2-7所示為LOS與NLOS的環(huán)境，發(fā)射天 線在同一位置，在LOS情況電磁波傳播時(shí)沒有遮擋，NLOS情況電磁波會受到建筑物、器械設(shè)備等傳 播阻礙物的影響。信號包絡(luò)信息可以用包絡(luò)方差來描繪接收信號的幅值波動情況，從而反映信號傳播環(huán)境受多徑影響的嚴(yán)重程度13。如圖2-8所示為不同傳播條件下即LOS與NLOS兩種場景的信道包絡(luò)情況，表2-4所 示為具體場景包絡(luò)方差

41、統(tǒng)計(jì)量?？梢钥闯觯琋lOS條件下的包絡(luò)方差2大于LOS的2，主要原因是 NlOS場景沒有直射徑，接收信號是由多徑傳播到達(dá)，因此接收端的信號包絡(luò)顯示其信號波動較LOS場 景更為劇烈，通信質(zhì)量受影響更大。相對于普通用戶傳統(tǒng)的通信環(huán)境，焊接車間受復(fù)雜環(huán)境因素影 響，無論是LOS還是NLOS場景其多徑信號都更為豐富，可分辨的多徑數(shù)目可以達(dá)到20-30多個(gè)，信號 幅值波動更大，從而導(dǎo)致車間內(nèi)的信號傳輸面臨更大挑戰(zhàn)。由表2-2所示不同傳播條件下，NLOS傳播條件下的路損指數(shù)明顯大于LOS的路徑損耗，這是由于NLOS的環(huán)境下，傳播鏈路中會有許多車間內(nèi)的金屬機(jī)器及零部件阻擋了電波的傳播，損失了傳播的 能量，而

42、車間中通信接收端大部分處于NLOS的傳播條件下，在下一步的信道模型建立和鏈路預(yù)算中 應(yīng)考慮選取較大的路損指數(shù)，以更好的評估車間的信號傳輸和覆蓋。K因子是描繪主徑信號與多徑分量相對大小的重要參數(shù)，K因子越大說明由于物理遮擋或金屬設(shè)備反射導(dǎo)致環(huán)境中主徑信號能量被削弱越多而多徑分量占比越大，導(dǎo)致通信信號傳輸受到影響，通信 質(zhì)量變差。焊接車間實(shí)際測得，在LOS條件下K因子值為5dB左右，NLOS條件下K因子值約為4dB左右， NLOS的K因子明顯小于LOS，這是由于NLOS場景下的電磁波傳播受遮擋較為嚴(yán)重，主徑分量被嚴(yán)重的遮 擋，接收到的信號主要是經(jīng)反射、折射等過程的多徑分量，而車間大多數(shù)信號傳輸都面

43、臨NLOS的傳播 情況，因此需要采取相應(yīng)措施來抵抗路徑損耗以及減少多徑干擾，保障主徑信號傳輸不受影響。時(shí)延擴(kuò)展(Delay Spread, DS)量化了第一個(gè)到達(dá)信號和其他多徑信號之間的時(shí)間延遲，該信道參數(shù)能客觀的描繪無線信道時(shí)間色散情況，分析環(huán)境中多徑影響程度，通常用時(shí)延擴(kuò)展的均方根來 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)12。LOS與NLOS兩種傳播條件下，由于傳播環(huán)境散射體的影響不同，時(shí)間色散會有很大差表 2-2 焊接車間 LOS 與 NLOS 條件下的路損指數(shù)圖 2-7 焊接車間 LOS 與 NLOS 測量環(huán)境中心頻率 (GHz)LOSNLOS1.12.53.11.62.63.22.552.43.43.52.63

44、.35.82.73.2表 2-3 均方根時(shí)延擴(kuò)展值 (Root Mean Square RMS）頻點(diǎn)LOSNLOS5.8GHz27.23us37.92us別。如表2-3所示為兩種傳播條件下所提取的時(shí)延擴(kuò)展，由于窄帶的多徑分辨率低，因此一般采用寬帶信號統(tǒng)計(jì)，在測量中頻點(diǎn)選用了5.8GHz，帶寬為10MHz的寬帶帶寬?？梢钥闯鯪LOS條件下RMS明顯 大于LOS條件下，這主要由于在NLOS傳播條件下多徑相對較強(qiáng)豐富，信號通過不同路徑反射、折射等 傳播方式到達(dá)接收端。因此在設(shè)計(jì)無線系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮傳播信號的符號周期應(yīng)該大于RMS，NLOS條件下 更應(yīng)選取適合的符號周期，這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，不會產(chǎn)生碼

45、間干擾等問題。15 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 16120m60m人工焊接生產(chǎn)線高 度：10m車行道LOS Rx1Rx100NLOS Rx1Rx100Tx自動焊接生產(chǎn)線 發(fā)射機(jī)位置人行道 接收機(jī)位置02080測量點(diǎn)0510154060(b)NLOS 傳播條件歸一化幅值 1.1GHz 2.55GHz3.5GHz020051015406080測量點(diǎn)(a)LOS 傳播條件歸一化幅值 1.1GHz 1.6GHz 1.6GHz 2.55GHz3.5GHz圖 2-8 LOS 與 NLOS 場景包絡(luò)特性17 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 18表 2-4 LOS 和 NLOS

46、 場景下的包絡(luò)方差圖 2-9 工業(yè)生產(chǎn)中的大型設(shè)備場景LOSNLOS23.75.6表 2-5 機(jī)箱內(nèi)外的路損指數(shù)中心頻率 (GHz)LOSNLOS機(jī)箱內(nèi)部機(jī)箱外部機(jī)箱內(nèi)部機(jī)箱外部1.12.82.53.43.11.63.02.63.83.22.552.72.43.73.43.52.82.63.43.3表 2-6 機(jī)箱內(nèi)外的 K 因子測量值中心頻率 (GHz)LOSNLOS機(jī)箱內(nèi)部機(jī)箱外部機(jī)箱內(nèi)部機(jī)箱外部1.14.24.83.23.81.63.94.64.24.12.554.55.23.04.63.54.95.13.33.92.2.2 金屬屏蔽工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要是存在大量的無線傳感器來收集各種設(shè)備狀態(tài)

47、以及監(jiān)護(hù)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，未來車間大部分設(shè)備也是由無線PLC進(jìn)行控制的，傳感器和PLC大多存在于金屬外殼組裝成的大型設(shè)備、金屬車體或者金屬機(jī)箱的內(nèi)部10（如圖2-9），這種情況下金屬屏蔽效應(yīng)對于信號的傳輸影響非常大。因此，為了提高無線信號傳輸質(zhì)量，使車間內(nèi)的智能設(shè)備在安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行工 作，需要分析具有金屬屏蔽影響的信道特征。如下為焊裝車間實(shí)際測試結(jié)果。由表2-5所示相同傳播條件下，機(jī)箱內(nèi)部的路損指數(shù)均大于機(jī)箱外部的路損指數(shù)，平均超過0.3dB左右。其主要原因是由于金屬機(jī)箱的屏蔽作用會使電磁波傳播產(chǎn)生能量上的損耗，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程中應(yīng)考慮大量傳感器和PLC接收端存在與機(jī)箱內(nèi)部或大

48、型機(jī)器內(nèi)部的情況，從而在工業(yè)環(huán)境中規(guī)劃無線鏈路時(shí)使用較大的路徑損耗指數(shù)進(jìn)行信道建模來優(yōu)化無線技術(shù)。在主徑與多徑分量基本相同的傳播條件下，機(jī)箱內(nèi)外的K因子表現(xiàn)仍有差異，主要結(jié)果顯示機(jī)箱內(nèi)部的數(shù)值小于機(jī)箱內(nèi)部的數(shù)值，且平均小0.7dB，這說明金屬屏蔽作用對于工廠內(nèi)信號傳播是有一 定影響的（表2-6）。這是由于在機(jī)箱內(nèi)部，主徑信號被金屬機(jī)箱遮擋，會有能量上的損耗，其他分 量大部分是靠反射折射等多徑方式接收，能量上損耗基本穩(wěn)定，因此機(jī)箱內(nèi)部的K因子相對于機(jī)箱外 部更小一些。那么，在規(guī)劃工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候要關(guān)注接收端處于金屬機(jī)箱內(nèi)部的情況，采取相應(yīng) 措施對抗金屬機(jī)箱內(nèi)部的屏蔽損耗影響。如圖2-10所示為

49、對比相同傳播條件機(jī)箱內(nèi)外的信道包絡(luò)情況，從表2-7可看出無論是LOS傳播情況還是NLOS傳播情況，機(jī)箱內(nèi)部的信號包絡(luò)方差2均大于機(jī)箱外部。主要原因是由于在機(jī)箱內(nèi)部， 接收端接收更多的是經(jīng)過反射、折射的信號，多徑傳播相對于外部更為豐富，從而使接收端的信號 包絡(luò)波動更為劇烈，方差更大。因此，金屬機(jī)箱的屏蔽作用對于接收信號的波動程度影響明顯，網(wǎng) 絡(luò)規(guī)劃時(shí)需要考慮到接收端信號幅值分布不均的情況，更好地進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。406080測量點(diǎn)002051015歸一化幅值 1.1GHz 1.6GHz2.55GHz3.5GHz0204060(d)NLOS機(jī)箱外80測量點(diǎn)0510(b)LOS機(jī)箱外歸一化幅值 1.1G

50、Hz 1.6GHz0051015 15(a)LOS機(jī)箱內(nèi)歸一化幅值 1.1GHz 1.6GHz 2.55GHz 3.5GHz 2.55GHz 3.5GHz020406080測量點(diǎn)051015204060(c)NLOS機(jī)箱內(nèi)歸一化幅值80測量點(diǎn) 1.1GHz 1.6GHz2.55GHz3.5GHz圖 2-10 機(jī)箱內(nèi)外包絡(luò)特性表 2-7 不同場景機(jī)箱內(nèi)外包絡(luò)方差圖 2-11 工業(yè)中的智能運(yùn)輸車 與智能機(jī)器人場景LOSNLOS機(jī)箱內(nèi)外機(jī)箱內(nèi)機(jī)箱外機(jī)箱內(nèi)機(jī)箱外25.53.76.55.62.2.3 時(shí)變信道在移動通信中，當(dāng)移動臺移向基站時(shí)，多普勒頻偏為正，遠(yuǎn)離基站時(shí)，多普勒頻偏為負(fù)，因此移動的接收或發(fā)

51、射端會產(chǎn) 生多普勒效應(yīng)從而影響通信質(zhì)量。如圖2-11所示，分別是工業(yè) 環(huán)境中的智能運(yùn)輸車和智能機(jī)器人。在焊裝車間實(shí)際生產(chǎn)中有 許多的運(yùn)輸任務(wù)，而這些運(yùn)輸任務(wù)大多數(shù)是機(jī)械性或者周期性 的常規(guī)路線，因此會有許多的AGV智能運(yùn)輸車來替代工人進(jìn)行 實(shí)際的材料運(yùn)輸，進(jìn)而提高工業(yè)的生產(chǎn)效率；另外焊裝過程中 會用智能機(jī)器人來替代工業(yè)進(jìn)行作業(yè)生產(chǎn)，智能機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn) 是能保證安全作業(yè)以及高精度作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。這些情況下機(jī)器 人、運(yùn)輸車車、懸掛設(shè)備等的隨機(jī)移動，都會讓工廠環(huán)境中的無線信道具有時(shí)變特性，從而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)對無線信道產(chǎn)生一定的影響14。2.2.4 測試結(jié)論1、路徑損耗：NLOS與LOS場景相比路徑損耗指數(shù)

52、更大，機(jī)箱內(nèi)部相對于機(jī)箱外部路損指數(shù)更大，最大值接近4dB,這說明焊接車間大密度的大型設(shè)備、各種物料的阻礙遮擋以及金屬機(jī)箱的屏蔽 作用大大削弱電磁波的能量，導(dǎo)致接收信號能量損耗。因此在信道模型建立和鏈路預(yù)算中應(yīng)考慮選 取較大的路損指數(shù)，以更好的評估車間的信號傳輸和覆蓋，進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。2、K因子和均方根時(shí)延擴(kuò)展RMS：焊接車間實(shí)際測得，NLOS場景相對于LOS場景K因子約小1dB，機(jī)箱內(nèi)部相對于機(jī)箱外部K因子約小0.7dB。這是由于NLOS場景下的電磁波傳播受遮擋較為嚴(yán)重，主 徑分量被嚴(yán)重的遮擋，接收到的信號主要是經(jīng)反射、折射等過程的多徑分量，而車間大多數(shù)信號傳 輸都面臨NLOS的傳播情況

53、，更有很多傳感器和PLC位于機(jī)箱內(nèi)部的情況，因此需要采取相應(yīng)措施來抵 抗能量損失，保障主徑信號傳輸不受影響。另外，均方根時(shí)延擴(kuò)展RMS參數(shù)值在NLOS場景明顯大于 LOS場景，也是由于NLOS場景下多徑信號相對豐富，大多通過不同路徑反射、折射等傳播方式到達(dá)接 收端。因此在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)應(yīng)考慮傳播信號的符號周期大于RMS，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免產(chǎn)生 碼間干擾等問題。3、包絡(luò)特性：NLOS場景的包絡(luò)方差2大于LOS場景，機(jī)箱內(nèi)部的包絡(luò)方差大于機(jī)箱外部，主要原因是NlOS場景沒有直射徑，接收信號是由多徑傳播到達(dá)，同時(shí)機(jī)箱內(nèi)部多徑傳播相對于外部也更 為豐富，因此接收端信號波動較更為劇烈，通信質(zhì)量受影

54、響更大。相對于普通用戶傳統(tǒng)的通信環(huán)境，無論是LOS還是NLOS場景，機(jī)箱內(nèi)或外，焊接車間受復(fù)雜環(huán)境因素影響（堆放的金屬材料、焊接 設(shè)備、運(yùn)輸車以及各種建筑物），信號傳播的多徑信號分量更多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)需要考慮到接收端信 號幅值分布不均的情況，更好地進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。4、時(shí)變特性：主要對移動AGV運(yùn)輸車場景提出了多普勒數(shù)學(xué)模型，通過將實(shí)測模型與仿真模型進(jìn)行對比，說明所提出的模型符合實(shí)測結(jié)果，從而根據(jù)該模型中的隨機(jī)頻移f的標(biāo)準(zhǔn)差大小，描繪 移動業(yè)務(wù)在不同頻段下的多普勒效應(yīng)程度以及變化情況。結(jié)果表明頻率越高，隨機(jī)頻移值的標(biāo)準(zhǔn)差 越大，多普勒效應(yīng)越嚴(yán)重，因此在規(guī)劃頻段的過程中需要結(jié)合各個(gè)頻段的多普勒頻移結(jié)果

55、，進(jìn)行信 道建模和技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)測結(jié)果對焊裝車間運(yùn)輸小車的多普勒頻移提出了一種數(shù)學(xué)模型，該模型的多普勒頻移fd(t)符合理論的多普勒頻移fd(t)加具有一定高斯分布的隨機(jī)頻移值f，如下：公式中fd(t)是一定速度下的理論多普勒頻移，即fd(t)=v(t)cosa(t)/，f是均值 為0，方差為2的高斯分布變量，表2-8是各 個(gè)頻段的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值大小。如圖2-12所示為 實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果，可以看出隨機(jī)多普勒 的數(shù)學(xué)模型實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，表 2-8 各個(gè)頻段的f 標(biāo)準(zhǔn)差中心頻率 (GHz)1.11.62.553.55.8610141826圖 2-12 實(shí)測結(jié)果（左）與仿真結(jié)果（右）

56、這表明該隨機(jī)多普勒模型可以比較全面的描繪運(yùn)輸車在運(yùn)動時(shí)的多普勒變化規(guī)律。同時(shí)，從表2.5可以看出頻率越高，隨機(jī)頻移值的標(biāo)準(zhǔn)差越大，多普勒效應(yīng)越嚴(yán)重，因此在規(guī)劃頻段的過程中需要結(jié) 合各個(gè)頻段的多普勒頻移結(jié)果，進(jìn)行信道建模和技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前來看，焊接車間的AGV小車移動 速度很慢為1m/s，造成的多普勒頻移對通信影響不算很大。19 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 20f (t) f (t) f (3)dd工業(yè)無線通信解決方案 建議03汽車制造焊接車間無線解決方案建議3.1如前所述，焊接車間的電磁噪聲干擾多來源于車間干擾源sub1 GHz的頻段，需在盡量規(guī)避干擾源頻段的影響前提下，進(jìn)

57、一步規(guī)劃建網(wǎng)頻段。同時(shí)對焊接車間無線通信信道特征分析表明，NLOS場 景相比LOS場景、金屬機(jī)箱內(nèi)相比金屬機(jī)箱外路徑損耗大、K因子小、RMS大、多徑信號分量更多以及 AGV搬運(yùn)小車的移動特性使無線通信產(chǎn)生多普勒現(xiàn)象。接下來，針對焊接車間電磁環(huán)境的以上特點(diǎn)， 給出一些解決方案思路和方向上的建議，以供進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃作為參考。同時(shí)，希望通過本報(bào)告明 確工業(yè)電磁環(huán)境對無線通信的影響以及對無線通信解決方案的指導(dǎo)意義。3.1.1 增加鏈路預(yù)算，彌補(bǔ)路徑損耗電磁波是一種能量的傳輸形式，隨著傳輸距離的延展，能量會衰減，引起路徑損耗。在相同條件 下（相同的天線和相同傳輸環(huán)境），鏈路預(yù)算越大通信距離越遠(yuǎn)、通信質(zhì)量

58、越好，鏈路預(yù)算通常用 發(fā)射功率與接收靈敏度的差值來表示。因此如果希望傳輸更遠(yuǎn)的距離，在通信設(shè)備研制階段，可以 將增加發(fā)射功率和提高接收靈敏度作為一個(gè)優(yōu)化方向。增加發(fā)射功率的做法通常是使用功率放大器（PA），提高接收靈敏度的通常做法是使用低噪聲放大器（LNA）。另一方面，天線是將收發(fā)機(jī)內(nèi)載波能量與空間電磁波能量相互轉(zhuǎn)換的元件，輻射特性主要由材質(zhì) 和輻射結(jié)構(gòu)兩要素決定。天線的材質(zhì)一般采用金屬，也有非金屬天線（如陶瓷天線），其中金屬天 線導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高，但體積較大適合做外置天線；非金屬天線體積小，適合做內(nèi)置天線。天 線的輻射結(jié)構(gòu)一般按頻率從低到高包括鞭狀天線、對數(shù)周期天線、喇叭天線、拋物面天線

59、和球面天 線等，如圖所示（圖3-1）。天線的主要參數(shù)有頻段、增益和方向性，天線頻段決定了輻射電磁波的 波長，因此一般頻率越低波長越長天線的尺寸越大；天線增益表征了天線增加空間電磁能量的作用，天線增益越大輻射效果越明顯，可以通過設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)或采用多天線來提高增益，增加發(fā)射與 接收端的鏈路預(yù)算。3.1.2 控制無線電傳輸方向，減少NLOS場景通信在建網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，可利用天線的方向性增加LOS場景應(yīng)用，減少NLOS場景應(yīng)用。同一個(gè)天線輻射結(jié)構(gòu)在不同方向也表現(xiàn)出不同的天線增益，即天線的方向性。全向天線各向輻射增益比較接近，適合 在工業(yè)現(xiàn)場中心設(shè)置，但在工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)中有許多通信設(shè)備采用的安裝方式比較特殊

60、，如壁掛 式、地埋式、吸頂式。這類無線通信設(shè)備適合使用定向天線，定向天線一般采用波束成型技術(shù)，因 此定向天線輻射方向的增益一般比全向天線大5-10dBi，適用于遠(yuǎn)距離定向信息傳輸。另外，每個(gè)天 線可作為天線陣元組合成天線陣，再配合發(fā)送分集和空間復(fù)用技術(shù)可以增加整個(gè)系統(tǒng)的輻射增益。 例如，在不可避免的NLOS場景下使用雙天線或四天線等多天線技術(shù)，以及配合控制裝置組合成的智 能天線，分時(shí)控制天線的主瓣方向。圖 3-1 天線輻射結(jié)構(gòu)類型21 工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書工業(yè)無線電磁環(huán)境白皮書 22鞭狀天線喇叭天線對數(shù)周期天線拋物面天線球面天線3.1.3 抵抗多徑干擾，保障主徑分量多徑是一種傳播現(xiàn)象，指兩路