1、隨著工業 4.0，中國制造 2025 等各個國家政策的推動，工業互聯網已成為國家關鍵競爭力，智 能制造正加速發展。進入二十一世紀，物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發展及應用， 使得社會發生巨大的改變，人類生產工業發生變革，智能制造被賦予了新的內涵，即新一代信息技 術條件下的智能制造。智能制造不僅使生產模式變得高效靈活，促使產業鏈更加有效的協作與整合， 而且催生了新型生產服務型制造，同時協同了開發和云制造的共同發展。一方面促進勞動效率、生 產效率、產品質量的提升，另一方面推動了全行業的創新和改革。現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、維護難、成本高等諸多問題， 同

2、時隨著柔性制造的需求越來越強烈，未來的生產線需要適應客戶個性化的定制需求，而無線技術 的應用不僅可以實現生產線靈活的調整和重組，而且在部署維護等方面成本優勢明顯，更順應未來 智能制造產業的發展趨勢。為更好地保障無線技術在工業領域的應用，研究分析典型工業場景復雜 電磁環境是關鍵一環。充分了解工廠的干擾情況和信道特征，深入研究工業場景下電磁環境，從而 進一步支撐無線網絡的部署，推動無線技術與工業應用的深度融合。本報告簡要介紹了無線化智能制造的背景以及關鍵應用場景，以工業典型場景汽車制造領域為 例，重點分析了其焊接車間的電磁環境，包括噪聲干擾和信道特征兩部分內容，進而針對焊接車間 電磁環境特點，給出

3、無線通信解決方案思路和方向上的建議，以供進一步網絡規劃作為參考。白皮書旨在以汽車制造焊接車間的電磁環境分析為例，明確工業電磁環境對無線通信的影響以 及對無線通信解決方案的指導意義，促進工業領域建網的規范化、標準化發展，保障無線網絡可靠性， 從而由點到面逐步快速推動無線智能制造覆蓋全行業，為工業互聯網的發展和創新做出重要貢獻。 工業互聯網網絡是不斷演進發展的，聯盟將根據國內外工業無線應用的發展情況，持續推進工業典 型電磁環境的研究分析，廣泛吸納產業界的反饋意見，適時修訂和發布報告新版。編寫說明0405 參考文獻 目錄CONATENTS1.1 智能制造發展與市場前景1.2 無線化智能制造的優勢和價

4、值03 工業無線通信解決方案建議3.3 小結汽車制造焊接車間無線解決方案建議 增加鏈路預算，彌補路徑損耗控制無線電傳輸方向，減少NLOS場景通信工業無線電磁環境分析必要性 汽車制造焊裝車間無線技術關鍵應用場景 機器人與機器人協同控制焊裝過程中的視頻監控焊裝車間工序間的物料傳輸AGV應用01 無線化智能制造背景及應用場景 012121抵抗多徑干擾，保障主徑分量擴大信道帶寬，弱化多普勒效應工業無線常見問題解決方案建議 24頻譜規劃與選擇抗干擾機制確定性傳輸機制30縮略語 2901 03040502 汽車制造焊裝車間電磁環境分析 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變信道測試結論無線化智能制造背景及 應用場景01智能制造發展與市場前景1.1智能制造是伴隨信息技術的不斷普及而逐步發展起來的。1988 年，美國紐約大學的懷特教授(P.K.Wright) 和卡內基梅隆大學的布恩教授 (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、機器人視覺和機器控 制對制造技工的技能和專家知識進行建模，以使智能機器人在沒有人工干預的情況下進行小批量生 產。21 世紀以來，隨著物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發展

6、及應用，智能制造被 賦予了新的內涵，即新一代信息技術條件下的智能制造，從而使得社會發生巨大的改變，人類生產 工業發生變革，使人類社會生活水平更上一個臺階 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展。例如，歐盟將發展先進制造業作為重要的戰略，在 2010 年制定了第七框架計劃 (FP7) 的 制造云項目，并在 2014 年實施歐盟“2020 地平線”計劃，將智能型先進制造系統作為創新研發的優 先項目；德國為應對全球挑戰提出了“工業 4.0”的發展計劃；我國根據發展的實際情況，提出中 國制造 2025的國家戰略規劃 2。2017 年，具有連接和感

7、知能力的機器人繼續引領智能制造發展，隨著 AI 技術的進步，工 業機器人也變得更加智能，并能夠感知，學習 和自己做決策。結合當前全球智能制造的發展 現狀和發展趨勢，預計到 2020 年，全球制造業的連接數將達 125 億，保守估計未來幾年全球智能制造行業將保持 15% 左右的年均復合增速（CAGR，Compound Annual Growth Rate），預 計到 2023 年全球智能制造的產值將達到 23108 億美元左右（圖 1-1）3。圖1-1 2018-2023 年全球智能制造產值規模預測 ( 單位：億美元)050002018 年E2023 年E10000150002000025000

8、CAGR=15%經過連續三年的試點和探索，我國智能制造行業發展取得了顯著成就。數據顯示，2010-2017 年，我國智能制造行業保持著較為快速的增長速 度，到 2017 年，我國智能制造行業的產值規模 已達到 15000 億元左右（圖 1-2）3。160001400012000100008000600040002000034002010 年2011 年2012 年2013 年2014 年2015 年2016 年2017 年產值規模（億元）同比增長(%)4200 5100654181009963122331500030%25%20%15%10%5%0%2010-2017 年中國智能制造產值規模（

9、億元、%）圖1-2 2010-2017 年中國智能制造產值規模預計未來幾年我國智能制造行業將保持 11%左右的年均復合增速，到 2023 年行業市場規模將達到 2.81 萬億元，行業增長空間巨大（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規模預測（萬億元）圖1-3 2018-2023 年中國智能制造行業規模預測01 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 0203 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書

10、041.2無線化智能制造的優勢和價值工業互聯網作為智能工廠的基礎，已成為國家關鍵競爭力，市場空間達 11.6 萬億美元。現階段的傳統模式下，工業互聯網仍依靠有線技術來連接應用，面臨著布線工期長、易腐蝕、維護難、成 本高等諸多考驗：部署成本高、工期長。以 6km2 廠區為例，退火、鍍鋅等采集點多（超過 1000 個），最遠 1400m 部署光纖需架線，工期達 30 天，影響工廠投產；線纜更換成本高。硬件材料在連退、酸洗車等高溫腐蝕環境，線纜易損壞，導致線纜更換 頻繁，每 12 個月須檢測更換線纜；檢修困難。一條自動化裝配線上可能有多達上百個開關可識別托盤，有線開關安裝在輸送 機下方，電纜則鋪設在

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。如果操作區域發生變化，有線需要完全重新布設以滿足新定義操作區域的要 求，管理成本將會更高；工業無線電磁環境分析必要性1.3與商用和民用無線通信的環境相比，工業無線通信電磁環境更加特殊和復雜，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、質量及應用效果主要受 兩個因素制約：一是傳輸鏈路的信噪比：二是 傳輸的信道特征。移動無線通信系統的傳輸速率和傳輸質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計系統的信道和噪聲特性隨著智能制造的逐步發展，柔性生產的愿望越來越強烈，未來的生產線不僅需要適

12、應客 戶個性化的定制需求，同時還要滿足小批量的 生產需求。這些需求要求產線可以靈活地進行 調整和重組，而有線連接的方案線受限于線體 長度、纏繞等問題（圖 1-4）不利于產線的移動， 甚至存在安全隱患。然而，無線通信在工廠中 的應用會帶來多方面的優勢，不僅可以適應產 線的靈活調整和重組，充分滿足高速移動、旋 轉等應用場景，而且可以使網絡部署維護更加 高效便捷，同時降低成本。具體如下：圖1-4 有線方案線體纏繞無線技術可以提升效率。未來柔性制造的生產模式下，工廠可根據實際的定制化需求， 靈活地調整產線結構，實時地進行不同產品的 生產制造，有線技術的設備移動受限，產線結 構固化，限制了產線設備的移動

13、，而無線網絡 由于部署靈活性，能夠滿足靈活產線調整需求， 同時無線還省去了線纜的部署和維護時間，提 升了網絡運行的效率，節省了大量的加工時間， 進一步大大提升生產效率。無線技術可以保障安全。現階段工業自動化程度較高，產線機器人數量龐大，無線技術 可避免因為有線線纜的老化導致的機器人非正 常運動，降低對設備或者人員造成損害或傷亡。 同時，無線技術也可避免因有線線體纏繞導致 的設備驟停（圖 1-4），產線故障癱瘓，進而引 發大面積機器行為混亂危害人身安全。無線技術可以降低成本。無線技術相比與有線可在硬件材料成本節省 30%-40%，安裝部署成本節省 80%-90%，工程維護成本節省 45%-55%

14、，管理成本節省 55%-70%，綜合可節省 50%-70%4。綜合來看，無線化智能制造可以提高生產組網的靈活性，更好的適應將來生產制造的需求，也可以降低成本和提升效率，并保障了生產環境的安全，促進智能制造行業生態的發展。近些年 WIFI、ZigBee、FRID、WirelessHART 等無線解決方案已經在制造車間立足，WIFI、ZigBee、RFID 等 各類無線通信技術具有使用成本低、易部署等優點，但存在網絡覆蓋低、容量受限等問題，ISA 100.11a、WirelessHART 等技術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互聯 網應用，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 通信網絡具有統一規劃部署、廣域覆蓋、抗干擾能力強、小區切換可靠性高以及端到端網絡 QoS 保 障等優點，將會大大克服以上問題。同時，隨著工業化與信息化的深度融合，企業內部互聯互通的 需求漸增，通過接入網絡進而達到提高產品質量和運營效率的需求更為強烈，利用新一代移動通信 網絡可將生產設備無縫連接，使生產更加扁平化、定制化、智能化，從而構造一個面向未來的無線 化智能工廠。后，才能采取與之相適應的各種物理層技術，如最佳的調制方式和編碼交織方式、均衡器的 設計，或者MIMO、OFDM系統中的天線配置選擇 和子載波分配等，從而充分挖掘該系統的容 量，并

16、進一步優化系統的性能。無線信道模型 是人們對無線傳播環境及其傳播特性的一個抽 象的描述，無線信道的傳播特性是構建移動無 線通信系統的基礎部分，其在無線通信系統從 設計評估到標準化以至到最終部署的各個環節中，都有重要的作用：（1）當新的無線傳輸技 術和理論被提出時，往往使用信息論工具進行 推導驗證，從而為新技術提供理論依據、性能 極限。（2）在無線傳輸技術研究、設計以及標汽車制造焊裝車間無線技術關鍵應用場景1.4汽車制造業是國民經濟重要的支柱產業，一直被當成工業發達國家的經濟指標，在國家實力成長和社會發展中發揮著極為重要的作用。汽車制造業是典型的多工種、多工藝、多物料的大規模生 產過程，反映了一

17、個國家的綜合工業水平，不僅可以帶動鋼鐵、冶金、橡膠、石化、塑料、玻璃、 機械、電子等諸多相關產業，而且吸納各種新材料、新工藝、新設備、新技術，持續增長的生產規 模和市場規模，創造了巨大的產值、利潤和稅收。隨著汽車行業之間競爭的日益激烈，各生產廠家都普遍面臨著：提高生產效率、降低生產成本、提高生產管理水平等種種壓力，汽車行業的智能制造正在飛速發展中。汽車制造是典型的多工種、多 工藝、多物料的大規模生產過程，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 平直接關系著汽車產品的外觀質量和使用性能，是汽車制造的最重要的環節，在焊裝車間將沖壓成型 的車身各組件經過散件拼焊，整車拼焊，形成整

18、車白車身。另外，焊裝車間生產線眾多、智能化程度 高、焊接設備量大、拼焊工藝復雜，使得焊裝環節電磁環境最為復雜，因此，我們以汽車制造焊裝車 間為例簡單介紹其應用場景，并于第二章重點分析其電磁環境特征。1.4.1 機器人與機器人協同控制焊裝是自動化程度最高、機器人使用數量最多的車間。在焊裝生產過程中，存在各種機器人與機器人協同工作的情況，如：兩臺機器人共用一把焊槍、兩臺機器人協同涂膠、兩臺機器人協同搬運、 兩臺機器人協同焊接等。通過無線化，減少機器人間的線纜部署，使產線部署更靈活。機器人協同控制系統一般由4大部分組成（圖1-5）：PLC、機器人控制器、無線網絡、機器人，主要有兩大類信號：（1）機械

19、手臂任務信號：PLC通過無線網絡下發任務命令（如抓舉車身、焊接車身）給多個控制 器，控制器按照下發的任務命令控制機械手臂進行作業；（2）互鎖信號：控制器反饋機器人預定義作業信號至PLC，PLC實時同步互鎖命令給多個控制 器，保障機械手臂在運動過程中不會碰撞。在焊接過程中，一個機械手臂通過PLC下發的任務命令抓舉車身，另一個機械臂舉起焊槍進行焊接操作。同時，PLC實時下發互鎖命令保障機器手臂間不會產生異常的碰撞。機器人協同控制對網絡 時延和實時性要求很高，環境中的干擾和信號傳輸問題都是影響其業務的運行的重要因素。準化階段，都需要對各種候選方案進行性能評估。評估階段所使用的信道模型的準確性與否 直

20、接決定了仿真結果的可靠性、準確性。因此 在移動通信技術的評估過程中，各個標準化組 織非常重視評估信道模型的標準化工作。（3） 在實際的無線通信系統的部署中，需要根據實 地無線傳播環境進行網絡規劃，容量優化，盲 區覆蓋等工作。準確的信道模型（特別是路徑 損耗和陰影衰落模型）可以使網絡部署、優化、規劃的工作更加準確和有效，從而提升無 線網絡的覆蓋能力。從傳輸鏈路信噪比來看，在常規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常數。工廠在工 作時，電焊機、變頻器、點火系統、穩壓器以 及高壓輸電線等設備都會輻射出大量的電磁噪 聲，這時會出現突發的脈沖噪聲，這些噪聲可 能在

21、功率譜形狀、生命周期等方面和傳統的加 性高斯白噪聲有著較大的不同，會導致正常的通信信號受到干擾，數據包無法按時準確的傳送到接收端5-6。從信道特征來看，不同的工業領域由于工藝和產品各不相同，車間內各類物理條件、設備等 吸收和反射能力有很大差異，導致信道傳播特征（包括路徑損耗，多徑分量等）均表現不同。工業 環境中大型設備的密度、金屬類器材與材料的密 度以及各種傳播阻礙物的數目，對于無線通信信 號的傳輸至關重要。機床、機械臂等金屬障礙物 會對電波傳輸損耗造成影響；金屬設備在電波 傳播中會形成較強的鏡面反射和散射，從而產生 更多強度較大的多徑分量；工業自動化中的機 械臂轉動、機器人運輸移動等運動因素

22、會讓無線 信道同時具有時變特性，這些特殊的信道特征都 將對信號傳輸、網絡性能產生影響。因此，需要對典型工業場景的電磁環境進行分析研究，了解干擾源的噪聲特性，并根據實際 的工業環境、特點以及工業性質來提取無線信道 的參數，從而進一步規劃通信頻段，指導工業建 網，支撐無線技術的空口設計，性能評估和優化 等，更好地保障工業無線通信應用在未來智能制 造領域的可靠性，推動行業發展。圖 1-5 機器人與機器人協同控制示意圖5G AP5G5G UEcontrollerSlave 11Slave 2PLCcontroller5G UESwitchSwitch07 工業無線電磁環境白皮書1.4.2 焊裝過程中的

23、視頻監控在車身制造過程中，存在各種作業機器人，包括點焊機器人、涂膠機器人、激光焊接機器人、螺 柱焊機器人、搬運機器人、弧焊機器人、滾邊機器人等，在整個生產區域及控制過程中，為了遠程觀 察作業和維護，需在機器人附近安裝高清攝像頭，對作業過程錄像，期間將產生大量的圖片視頻。視頻監控系統包含三部分：攝像頭、無線網絡、視頻監控平臺（圖1-6）。當視頻監控平臺通過無線網絡下發啟動監控命令到攝像頭，攝像頭通過無線網絡實時采集并上傳圖片和視頻到后端視頻監 控平臺，所需帶寬為1Mbps(720p及以上清晰度)。通過該系統可以解決限制區域人員難以進入，無法 及時捕捉瞬間的問題，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 絡提供足夠的帶寬，而機器人系統本身就包含很多電磁干擾源，同時大密度的設備對于信號傳輸也有 阻礙削弱作用，這些電磁環境問題都會對視頻和圖片的準確可靠送達造成影響。1.4.3 焊裝車間工序間的物料傳輸AGV應用高柔性化制造已經成為汽車制造行業發展的趨勢，AGV在物流柔性方面起到重要作用。AGV系統一般由三大部分組成（圖1-7）：AGV中控室、無線網絡、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絡，主要有兩大類信號：（1）AGV小車本體控制信號：運動控制信號（AGV狀態、異常信息、速度、電壓、卡號、方向、管制、能派車、任務點、有無帶滑

25、撬、在等待點、吊點放行、前往站點等）、控制信號（舉升裝置升降等）；（2）與線體PLC對接信號：到位信號、允許進出工作站信號等。自動化線工作站根據站內生產情況，提前生成物料派送任務信息（物料名稱，需求工位等），并將任務信息傳遞給AGV派送系統，AGV派送系統根據需求工位、工藝流程以及AGV小車位置、狀態， 生成派送任務，并通知適合的AGV小車到達需求工位，按照工藝流程將物料送到目標工位。由于整個 過程均為自動化，AGV派送系統需要實時與需求工位、目標工位進行信息交互，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，電磁波傳播具有時變特 性，這對于接手信

26、號是有影響的，需要分析車間時變信道的特點，從而保證AGV移動過程中路徑可 控，運行安全可靠，防止碰撞到設備及人員、發生事故。圖 1-6 焊裝過程的視頻監控示意圖視頻監控平臺無線網絡高清攝像頭機器人無線網絡圖 1-7 焊裝車間工序間的物料傳輸示意圖重型物料搬運大型物料搬運小火車頭搬運無人叉車搬運09 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 10汽車制造焊裝車間 電磁環境分析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。沖壓工藝主要運用模具將鋼板加工成獨立的汽車部件，如頂蓋、發動機蓋外板等，其電磁干擾主要來自沖壓 機床。涂裝工藝、總裝工藝分別進行汽車的噴漆以及

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節，負責散件拼焊，整車拼焊，形成整車白車身。焊裝過程中需 要應用電焊機，焊機工作產生電火花的會輻射出大量的電磁干擾，同時，支持電焊機工作的變頻 器、穩壓器、電子開關等設備同樣會輻射出一定的電磁干擾。另一方面，焊裝車間生產線眾多，智 能設備使用率高，大型設備的遮擋以及金屬材質的反射、散射影響，導致其信道特征更為特殊。因 此，汽車制造領域的電磁環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 焊接機器人圖 2-3 穩壓器圖 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、變頻器、穩壓器、 電子開關、伺服驅動器等設備。電焊機電焊機是一個將電能轉換為熱能的機器，利用焊機的正負兩極在 瞬間短路時產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。汽車廠大量應用的焊接機器人如圖2-1所示。焊接是汽車制造業最重要的一個環節，車身、車門等部件都需要依靠焊接完成組裝。電焊機在工作時，焊頭產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，由于焊接產生的電磁噪聲可以達到數百MHz7。變頻器變頻器通過調整輸出電源的

29、電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其 所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。另外，變頻器還有很多的 保護功能，如過流、過壓、過載保護等。變頻器的實物圖如圖2-2所示。在汽車廠中，控制生產線的升降、進退的傳送設備以及其他機械設備都需要應用變頻器。變頻器產生的電磁噪聲主要來自整流橋模塊、逆變器模塊。整流橋在工作時其內部巨大的電流變化會產生諧 波輻射，逆變器工作時會產生大量的耦合性噪聲8。穩壓器穩壓器是使輸出電壓穩定的設備。穩壓器由調壓電路、控制電 路、伺服電機等組成。當輸入電壓或負載變化時，控制電路進行取 樣、比較、放大，然后驅動伺服電機轉動，使調壓器碳刷的位置改 變，通過自動調整線圈匝數

30、比，保持輸出電壓的穩定。穩壓器的實物圖如圖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果在汽車廠中，大型的機械設備如電焊機、起重機等設備都需要應用穩壓器。穩壓器需要用到大量的電磁線圈，這些電磁線圈在工作時會輻射出大量的電磁噪聲。電子開關電子開關是指利用電子電路以及電力電子器件實現電路通斷的運行單元，在實際使用過程中， 電子開關主要是指觸摸開關、感應開關、聲控開關、無線開關等墻壁開關。汽車廠中的用電設備都 需要用到電子開關，但電子開關在工作中會輻射出許多電磁噪聲。在開關接通的一瞬間會產生電火 花，這是電子開關電磁噪聲的主要來源。伺服驅動器伺服驅

31、動器是用來控制伺服電機的一種控制器，通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進 行控制，實現高精度的傳動系統定位。汽車廠焊接車間中大量應用的焊接機器人就需要通過伺服驅 動器進行控制，保證機器人能夠準確的定位焊接位置，進行精確的焊接工作。但由于伺服驅動器需 要脈沖信號進行驅動，因此其工作時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。電磁噪聲測量運用頻譜儀和對數周期天線，在汽車廠焊接車間的手工 點焊機和焊接機器人（這兩種設備是焊接車間最為常見的電磁噪聲源，且支持電焊機工作的變頻

32、 器、穩壓器、電子開關等電磁干擾源，共同與電焊機組成電焊系統）各選取一個測量位置進行了300MHz3GHz頻段的測量工作，測量采用對數周期天線天線（定向天線）進行垂直、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，可看出車間內不僅包括機械設備產生的電磁干擾，同時也包含很多手機通信信號和WIFI通信信號的影響。通過與各地區公開的通信信號頻 譜占用情況進行對照，可以將車間內各個頻段的干擾源以及干擾特征進行梳理和分析。對照后整理 出汽車廠的通信信號的頻譜占用情況（表2-1）。從測量結果中可得出以下結論：（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 近頻段存在運營商發射的手機通信信號，在2.4GHz附近頻段存在WIFI信號。通信信號強度大體分布 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 建網部署的時候就要考慮對該頻段的頻譜的針對性選擇和規避。0.-10.-20.-30.-180.-90.0.90.18

34、0.H面E面11 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 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 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 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，未來車間的網絡部署可以更好地面向1G以上頻段，合理的分配頻譜，實現 與LTE、WIFI等通信信號的頻譜復用，從而實現大帶寬的網絡特性，為汽車制造車間有該需求的應用 場景奠定基礎。（4）焊接車間的兩種焊接設備（手工點焊機、焊接機器

36、人）電磁噪聲情況，即頻點、功率情況 大體上相同。因此，在對這兩種設備進行網絡部署時，可以選取相同頻點。汽車制造焊裝車間信道特征分類分析2.2焊裝車間生產線眾多，智能設備使用率高，大型設備的遮擋、金屬外殼的反射、散射、移動設備的影響，導致其信道特征更為特殊。如下對焊裝車間的信道特征進行測試分析，主 要提取了路勁損耗、K因子、信號包絡、時變特性等信道參數。路徑損耗是無線系統一個重要的考慮因素，常用公式（1）的路損模型（通用的路損模型）對無線鏈路傳輸的路徑損耗進行擬合：式中n表示的是路損指數，d為收發兩端的距離（單位m），A為擬合截距，X為陰影項，符合高斯分布。在這里主要研究路損指數n，其反映了無線

37、鏈路功率損耗情況，一般可認為廠房內的大型設備以 及其他傳播阻礙物密度越大，路徑損耗指數越大，對無線鏈路傳播損耗越大，因此需實際測量建立 路損模型。K因子參數，K因子是描繪主徑信號與多徑分量強度比的重要參數，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。同時環境中各類設備以及 其他傳播阻礙物會成為電磁波傳播時的散射體，廠房內的大型設備以及其他傳播阻礙物密度越大， 散射體就會越豐富，電波傳播時就會有更多的多徑分量，使RMS（均方根時延擴展）值增加，體現在 各個接收端信

38、號疊加從而產生碼間干擾影響通信。信號包絡是信道的小尺度信息，表現出接收信號的分布情況，包絡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，因此在鏈路設計時應考慮環 境中多徑的影響，從而采取相應措施。時變特性是指當設備以恒定的速率沿某一方向移動時，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。多普勒頻移會導致無線通信中發射和接收的 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 小車在移動執行物料搬運的任務，運動速度越快其產生的多普勒效應越嚴重，對通信所產生的影響 也就越大，需要

39、根據業務實際運行情況進行考察。綜合來看，信道受到影響有以下幾種情況：2.2.1 遮擋障礙不同工業環境中的遮擋障礙，如建筑物、機床、機械臂等對電波傳輸損耗造成影響不同，同時大量的設備在電波傳播 中會形成反射和散射，從而產生更多的多徑分量，致使信道 參數不同10-11。如圖2-6所示為實際焊裝車間的環境特征，由 圖可以看出實際環境中存在著大量的物理建筑、設備機床、 焊接機械臂等對信號傳播有遮擋阻礙作用的因素。圖 2-6 實際的工業環境(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、指數是路徑損耗模型的一個重要參數12，它描繪了空間電磁波傳輸時在無線鏈路中損耗情 況，路損指數的值越大表明無線鏈路損耗隨著距離 增加損耗越嚴重。表2-2是基于實際焊接車間測量 的數據計算得到兩種不同傳播方式LOS與NLOS方式 的參數。如圖2-7所示為LOS與NLOS的環境，發射天 線在同一位置，在LOS情況電磁波傳播時沒有遮擋，NLOS情況電磁波會受到建筑物、器械設備等傳 播阻礙物的影響。信號包絡信息可以用包絡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境受多徑影響的嚴重程度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情況，表2-4所 示為具體場景包絡方差

41、統計量。可以看出，NlOS條件下的包絡方差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，因此接收端的信號包絡顯示其信號波動較LOS場 景更為劇烈，通信質量受影響更大。相對于普通用戶傳統的通信環境，焊接車間受復雜環境因素影 響，無論是LOS還是NLOS場景其多徑信號都更為豐富，可分辨的多徑數目可以達到20-30多個，信號 幅值波動更大，從而導致車間內的信號傳輸面臨更大挑戰。由表2-2所示不同傳播條件下，NLOS傳播條件下的路損指數明顯大于LOS的路徑損耗，這是由于NLOS的環境下，傳播鏈路中會有許多車間內的金屬機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算中 應考慮選取較大的路損指數，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，K因子越大說明由于物理遮擋或金屬設備反射導致環境中主徑信號能量被削弱越多而多徑分量占比越大，導致通信信號傳輸受到影響，通信 質量變差。焊接車間實際測得，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重，主徑分量被嚴重的遮 擋，接收到的信號主要是經反射、折射等過程的多徑分量，而車間大多數信號傳輸都面

43、臨NLOS的傳播 情況，因此需要采取相應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。時延擴展(Delay Spread, DS)量化了第一個到達信號和其他多徑信號之間的時間延遲，該信道參數能客觀的描繪無線信道時間色散情況，分析環境中多徑影響程度，通常用時延擴展的均方根來 統計數據12。LOS與NLOS兩種傳播條件下，由于傳播環境散射體的影響不同，時間色散會有很大差表 2-2 焊接車間 LOS 與 NLOS 條件下的路損指數圖 2-7 焊接車間 LOS 與 NLOS 測量環境中心頻率 (GHz)LOSNLOS1.12.53.11.62.63.22.552.43.43.52.63

44、.35.82.73.2表 2-3 均方根時延擴展值 (Root Mean Square RMS）頻點LOSNLOS5.8GHz27.23us37.92us別。如表2-3所示為兩種傳播條件下所提取的時延擴展，由于窄帶的多徑分辨率低，因此一般采用寬帶信號統計，在測量中頻點選用了5.8GHz，帶寬為10MHz的寬帶帶寬。可以看出NLOS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豐富，信號通過不同路徑反射、折射等 傳播方式到達接收端。因此在設計無線系統時應考慮傳播信號的符號周期應該大于RMS，NLOS條件下 更應選取適合的符號周期，這樣才能保證系統的穩定，不會產生碼

45、間干擾等問題。15 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 16120m60m人工焊接生產線高 度：10m車行道LOS Rx1Rx100NLOS Rx1Rx100Tx自動焊接生產線 發射機位置人行道 接收機位置02080測量點0510154060(b)NLOS 傳播條件歸一化幅值 1.1GHz 2.55GHz3.5GHz020051015406080測量點(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 場景包絡特性17 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 18表 2-4 LOS 和 NLOS

46、 場景下的包絡方差圖 2-9 工業生產中的大型設備場景LOSNLOS23.75.6表 2-5 機箱內外的路損指數中心頻率 (GHz)LOSNLOS機箱內部機箱外部機箱內部機箱外部1.12.82.53.43.11.63.02.63.83.22.552.72.43.73.43.52.82.63.43.3表 2-6 機箱內外的 K 因子測量值中心頻率 (GHz)LOSNLOS機箱內部機箱外部機箱內部機箱外部1.14.24.83.23.81.63.94.64.24.12.554.55.23.04.63.54.95.13.33.92.2.2 金屬屏蔽工業互聯網主要是存在大量的無線傳感器來收集各種設備狀態

47、以及監護等相關數據信息，同時，未來車間大部分設備也是由無線PLC進行控制的，傳感器和PLC大多存在于金屬外殼組裝成的大型設備、金屬車體或者金屬機箱的內部10（如圖2-9），這種情況下金屬屏蔽效應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量，使車間內的智能設備在安全、可靠的網絡條件下進行工 作，需要分析具有金屬屏蔽影響的信道特征。如下為焊裝車間實際測試結果。由表2-5所示相同傳播條件下，機箱內部的路損指數均大于機箱外部的路損指數，平均超過0.3dB左右。其主要原因是由于金屬機箱的屏蔽作用會使電磁波傳播產生能量上的損耗，因此網絡規劃過程中應考慮大量傳感器和PLC接收端存在與機箱內部或大

48、型機器內部的情況，從而在工業環境中規劃無線鏈路時使用較大的路徑損耗指數進行信道建模來優化無線技術。在主徑與多徑分量基本相同的傳播條件下，機箱內外的K因子表現仍有差異，主要結果顯示機箱內部的數值小于機箱內部的數值，且平均小0.7dB，這說明金屬屏蔽作用對于工廠內信號傳播是有一 定影響的（表2-6）。這是由于在機箱內部，主徑信號被金屬機箱遮擋，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，能量上損耗基本穩定，因此機箱內部的K因子相對于機箱外 部更小一些。那么，在規劃工業無線網絡的時候要關注接收端處于金屬機箱內部的情況，采取相應 措施對抗金屬機箱內部的屏蔽損耗影響。如圖2-10所示為

49、對比相同傳播條件機箱內外的信道包絡情況，從表2-7可看出無論是LOS傳播情況還是NLOS傳播情況，機箱內部的信號包絡方差2均大于機箱外部。主要原因是由于在機箱內部， 接收端接收更多的是經過反射、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 包絡波動更為劇烈，方差更大。因此，金屬機箱的屏蔽作用對于接收信號的波動程度影響明顯，網 絡規劃時需要考慮到接收端信號幅值分布不均的情況，更好地進行技術優化。406080測量點002051015歸一化幅值 1.1GHz 1.6GHz2.55GHz3.5GHz0204060(d)NLOS機箱外80測量點0510(b)LOS機箱外歸一化幅值 1.1G

50、Hz 1.6GHz0051015 15(a)LOS機箱內歸一化幅值 1.1GHz 1.6GHz 2.55GHz 3.5GHz 2.55GHz 3.5GHz020406080測量點051015204060(c)NLOS機箱內歸一化幅值80測量點 1.1GHz 1.6GHz2.55GHz3.5GHz圖 2-10 機箱內外包絡特性表 2-7 不同場景機箱內外包絡方差圖 2-11 工業中的智能運輸車 與智能機器人場景LOSNLOS機箱內外機箱內機箱外機箱內機箱外25.53.76.55.62.2.3 時變信道在移動通信中，當移動臺移向基站時，多普勒頻偏為正，遠離基站時，多普勒頻偏為負，因此移動的接收或發

51、射端會產 生多普勒效應從而影響通信質量。如圖2-11所示，分別是工業 環境中的智能運輸車和智能機器人。在焊裝車間實際生產中有 許多的運輸任務，而這些運輸任務大多數是機械性或者周期性 的常規路線，因此會有許多的AGV智能運輸車來替代工人進行 實際的材料運輸，進而提高工業的生產效率；另外焊裝過程中 會用智能機器人來替代工業進行作業生產，智能機器人的優點 是能保證安全作業以及高精度作業等優點。這些情況下機器 人、運輸車車、懸掛設備等的隨機移動，都會讓工廠環境中的無線信道具有時變特性，從而產生多普勒效應對無線信道產生一定的影響14。2.2.4 測試結論1、路徑損耗：NLOS與LOS場景相比路徑損耗指數

52、更大，機箱內部相對于機箱外部路損指數更大，最大值接近4dB,這說明焊接車間大密度的大型設備、各種物料的阻礙遮擋以及金屬機箱的屏蔽 作用大大削弱電磁波的能量，導致接收信號能量損耗。因此在信道模型建立和鏈路預算中應考慮選 取較大的路損指數，以更好的評估車間的信號傳輸和覆蓋，進行相應的網絡規劃。2、K因子和均方根時延擴展RMS：焊接車間實際測得，NLOS場景相對于LOS場景K因子約小1dB，機箱內部相對于機箱外部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重，主 徑分量被嚴重的遮擋，接收到的信號主要是經反射、折射等過程的多徑分量，而車間大多數信號傳 輸都面臨NLOS的傳播情況

53、，更有很多傳感器和PLC位于機箱內部的情況，因此需要采取相應措施來抵 抗能量損失，保障主徑信號傳輸不受影響。另外，均方根時延擴展RMS參數值在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接 收端。因此在無線網絡規劃時應考慮傳播信號的符號周期大于RMS，才能保證系統的穩定，避免產生 碼間干擾等問題。3、包絡特性：NLOS場景的包絡方差2大于LOS場景，機箱內部的包絡方差大于機箱外部，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，同時機箱內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，通信質量受影

54、響更大。相對于普通用戶傳統的通信環境，無論是LOS還是NLOS場景，機箱內或外，焊接車間受復雜環境因素影響（堆放的金屬材料、焊接 設備、運輸車以及各種建筑物），信號傳播的多徑信號分量更多，網絡規劃時需要考慮到接收端信 號幅值分布不均的情況，更好地進行技術優化。4、時變特性：主要對移動AGV運輸車場景提出了多普勒數學模型，通過將實測模型與仿真模型進行對比，說明所提出的模型符合實測結果，從而根據該模型中的隨機頻移f的標準差大小，描繪 移動業務在不同頻段下的多普勒效應程度以及變化情況。結果表明頻率越高，隨機頻移值的標準差 越大，多普勒效應越嚴重，因此在規劃頻段的過程中需要結合各個頻段的多普勒頻移結果

55、，進行信 道建模和技術優化設計。根據實測結果對焊裝車間運輸小車的多普勒頻移提出了一種數學模型，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 個頻段的標準差數值大小。如圖2-12所示為 實測結果與仿真結果，可以看出隨機多普勒 的數學模型實測結果與仿真結果基本吻合，表 2-8 各個頻段的f 標準差中心頻率 (GHz)1.11.62.553.55.8610141826圖 2-12 實測結果（左）與仿真結果（右）

56、這表明該隨機多普勒模型可以比較全面的描繪運輸車在運動時的多普勒變化規律。同時，從表2.5可以看出頻率越高，隨機頻移值的標準差越大，多普勒效應越嚴重，因此在規劃頻段的過程中需要結 合各個頻段的多普勒頻移結果，進行信道建模和技術優化設計。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 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 20f (t) f (t) f (3)dd工業無線通信解決方案 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，需在盡量規避干擾源頻段的影響前提下，進

57、一步規劃建網頻段。同時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、金屬機箱內相比金屬機箱外路徑損耗大、K因子小、RMS大、多徑信號分量更多以及 AGV搬運小車的移動特性使無線通信產生多普勒現象。接下來，針對焊接車間電磁環境的以上特點， 給出一些解決方案思路和方向上的建議，以供進一步網絡規劃作為參考。同時，希望通過本報告明 確工業電磁環境對無線通信的影響以及對無線通信解決方案的指導意義。3.1.1 增加鏈路預算，彌補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境），鏈路預算越大通信距離越遠、通信質量

58、越好，鏈路預算通常用 發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的距離，在通信設備研制階段，可以 將增加發射功率和提高接收靈敏度作為一個優化方向。增加發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，天線是將收發機內載波能量與空間電磁波能量相互轉換的元件，輻射特性主要由材質 和輻射結構兩要素決定。天線的材質一般采用金屬，也有非金屬天線（如陶瓷天線），其中金屬天 線導電性好、機械強度高，但體積較大適合做外置天線；非金屬天線體積小，適合做內置天線。天 線的輻射結構一般按頻率從低到高包括鞭狀天線、對數周期天線、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，可以通過設計天線結構或采用多天線來提高增益，增加發射與 接收端的鏈路預算。3.1.2 控制無線電傳輸方向，減少NLOS場景通信在建網規劃時，可利用天線的方向性增加LOS場景應用，減少NLOS場景應用。同一個天線輻射結構在不同方向也表現出不同的天線增益，即天線的方向性。全向天線各向輻射增益比較接近，適合 在工業現場中心設置，但在工業無線通信網絡中有許多通信設備采用的安裝方式比較特殊

60、，如壁掛 式、地埋式、吸頂式。這類無線通信設備適合使用定向天線，定向天線一般采用波束成型技術，因 此定向天線輻射方向的增益一般比全向天線大5-10dBi，適用于遠距離定向信息傳輸。另外，每個天 線可作為天線陣元組合成天線陣，再配合發送分集和空間復用技術可以增加整個系統的輻射增益。 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，以及配合控制裝置組合成的智 能天線，分時控制天線的主瓣方向。圖 3-1 天線輻射結構類型21 工業無線電磁環境白皮書工業無線電磁環境白皮書 22鞭狀天線喇叭天線對數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象，指兩路