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《新一代无线通信关键技术》课程报告无线通信抗干扰技术及发展趋势摘要无线通信技术特别是个人移动通信蜂窝小区的快速发展，使用户摆脱有线终端的弊端，实现实际的个人移动性。而完善的抗干扰技术，是保证通信有序和畅通的先决条件。在当今日益恶劣的电磁环境中，无线通信时常面临各种干扰，因此对无线通信的抗干扰技术要进行深入的研究。在现代的无线通信系统中，由于所处的电磁环境相当复杂，这种干扰不仅有自然干扰，还有人为干扰。实际上信息化的发展，不仅要求点对点的通信系统具有抗干扰能力，更重要的是整个通信系统和网络要具有综合抗干扰的能力，衰落和干扰是制约无线通信系统性能的主要因素。为了能在任何复杂的电磁环境下完成信息传输，尤其是面对极端恶劣通信环境中微弱信号检测时，无线通信抗干扰技术研究和应用，以及抗干扰技术的综合优化具有重要的现实意义和工程价值，也已逐渐成为无线通信研究领域中的一个热点。关键词：无线通信，抗干扰，综合抗干扰，研究进展第一章引言1.综合抗干扰通信的研究背景近年来，无线通信技术发展迅猛，各种无线和移动通信设备被广泛应用在各个领域，如工业、医药、传媒、安全、网络、个人通信等，有效提高了信息传递的效率，促进了社会生产力的发展，丰富了人们的日常生活，成为了人类文明不可分割的一部分。然而，随着无线通信应用范围不断拓展，一些极端通信条件下的无线通信应用已经融入在人们的日常生活中，如卫星导航、卫星通信和深空通信等。这些无线通信系统的发射功率受到限制，信号传播距离远，信道环境恶劣，接收端信号非常微弱，信噪比极低，容易受到自然和人为的干扰。无线通信各种自然和人为性的干扰信号，包括机器噪声，码间干扰，单音干扰，宽窄带干扰，多址干扰，天线之间的干扰等。各种形式的干扰信号为通信系统带来了巨大的损害，因此为了使信息能安全可靠地传输，必须在无线通信手段中采用各种抗干扰技术。深入研究抗干扰信号处理技术，通信系统、网络级综合抗干扰的内涵、相关要素和体系结构，研究综合抗干扰的基本理论，开发通信系统和网络的综合抗干扰技术，优化通信系统和网络的抗干扰性能，是通信信号处理和研究中的要点和重点。随着抗干扰通信技术的进步和发展，特别是综合抗干扰通信技术的研究、发展与应用，一些迫切需要解决的问题出现在我们面前各种扩频的、非扩频的，时域的、频域的、功率域的抗干扰技术与措施由于它们的抗干扰机理不同，目前尚无统一的抗干扰理论进行定性和定量分析。一般面对多系统共存通信对高频谱利用率的要求，多天线技术能够利用阵列增益，有效提高抑制信道干扰的能力，从而提高通信系统的数据传输率，增大了系统容量。而基于多天线技术的多入多出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)，利用编码技术，除阵列增益以外，还能获得分集增益和复用增益，进一步提高了系统的容量和抗干扰能力。为了更加有效地利用频谱资源，研究人员提出了正交频分复用(OFDM)技术和基于OFDM的多址接入技术OFDMA。应用中发现，OFDMA信号的缺点也明显，由于信号具有较高峰均比(PAPR)特性，为了保证发射机输出误差向量幅度(EVM)和杂散满足指标要求，需要发射机功放有较大的线性范围，从而导致发射机效率下降，不适宜在手持终端中使用。针对OFDMA的缺点，第三代移动通信长期演进(LTE)上行链路的多址接入方案选择了单载波频分复用(SC-FDMA)技术。与OFDMA技术相比，SC-FDMA有效降低了PAPR，发射机设计时可以选择较为廉价的功放，降低了设备的成本，同时延长了手持终端的可使用时间。第二章无线通信抗干扰技术研究现状1.无线传播环境无线传播环境非常复杂：首先，无线信道对所有无线设备都是开放的，各种电子设备和无线通信系统共存于其中。其次，无线信号传播路径异常复杂，不仅有视距传播中的路径损耗，还会面临各种复杂的地理环境，如丘陵、山地或城市建筑群等。因此，无线信号到达接收端时，经过了信道畸变，并叠加了各种干扰。作为无线通信中的典型应用，卫星导航、卫星通信和深空通信是远距离。远距离通信过程中，无线信号经过路径损耗和多径衰落等影响，达到接收端时已经非常微弱。伴随着个人移动通信服务的广泛应用，通用移动通信系统获得了迅猛发展。从20世纪80年代，“第一代”移动通信系统实现大规模商业应用，到LTE标准的制定，仅仅用了20多年的时间。如此短时间的更新换代，以及投资成本、用户群等因素，“第四代”将和“第三代”、“第二代”长期共存。为了各系统能够有效利用无线频谱资源，ITU-R为这些技术分配了相应的频段。但是，实际的多系统通信环境中，无线通信设备发射机输出信号存在带外泄露、交调等干扰信号，接收机滤波器也不可能将带外信号完全滤除掉，产生了系统间的各种干扰。2.典型的抗干扰技术超窄带技术：近年来，高速通信和信息技术的发展，人们提出了新的概念和高度创新的技术，UWB（超宽带）和UNB(超窄带）无线通信系统特别引起了关注。前者从系统到实际已取得初步成功，广泛的应用于军事，后者的研究则是刚刚开始。多输入多输出(MIMO)技术：MIMO无线传输技术是通信领域的一项重要技术突破，近年来引起了人们的广泛关注与研究兴趣。MIMO技术是指在发射端通过多个发射天线传送信号，在接收端使用多个接收天线接收信号的无线通信技术，目前理论已经证明应用MIMO技术能极大地提高无线通信系统的性能和容量。将MIMO技术与OFDM、时空编码相结合，就能同时实现空间分集、频率分集和时间分集。这样就能在空域、频域和时域上实现抗干扰。虚拟智能天线技术：最近的年份较先进的通信技术是智能天线技术。智能天线可以压制敌人的多方干扰，信号干扰比增加几十分贝。无线电抗干扰的有效性并不比一般的抗干扰电台差。虚拟智能天线是使用或借用同一地理区域和类似的其他通讯装备天线之间的相互作用，实现了类似智能天线的功能，以提高天线的信号接收端的干扰比和提高抗干扰性能。基于信号处理综合抗干扰技术：新的通讯设备和系统里，信号处理基础上的多种抗干扰措施有跳频、扩频、混合扩频、伪信号隐蔽、数据猝发、自适应干扰抑制、前向纠错等。所有这些措施都有时变性，能够依据据环境进行变化和组合，如跳频，可以随机变速率跳频、自适应跳频等。在实时选频系统中，通常把干扰水平的大小作为选择频率的一个重要因素。所以由实时选频系统所提供的优质频率，实际上已经躲开了干扰，可使系统工作在传输条件良好的弱干扰或无干扰的频道上。近年来出现的高频自适应通信系统，还具有“自动信道切换”的功能。也就是说，遇到严重干扰时，通信系统将作出切换信道的响应。高频自适应是指高频通信系统具有适应通信条件变化的能力。在高频通信系统中可以有各种类型的自适应，如频率自适应、功率自适应、速率自适应、分集自适应、自适应均衡和自适应调零天线等，一般来说，高频自适应就是指频率自适应。智能组网技术：智能组网技术是指抗干扰通信网系可以自动感知电磁环境，对受干扰程度作出分析判断，实时调整通信系统的网络结构。例如，在卫星通信系统中，对于空间传输网路，建立多种路由传输方案。当系统受到不可抵御的强干扰时，主动关闭某些传输通道，减少系统承载信息量，根据优先级别，优先将重要信息迂回到其他路径进行传输。当干扰分析与识别设备发现干扰消除时，能自动恢复到正常工作状态。智能组网技术是面向通信过程和网络、系统的，可以最大限度地利用现有的通信资源，提高通信系统的抗干扰能力和生存能力。软件无线电技术：近年来，随着软件无线电技术的出现和发展，为综合抗干扰技术的实现提供了方向。在软件无线电中采用扩、跳频抗干扰技术，完全可以与时变技术相结合。此时扩、跳频的速率、范围、方式都可参量化，根据不同的使用场合和干扰情况进行变化。一部设备可以做到既可单独跳频工作也可直扩方式工作，还可跳频与直扩混合方式工作，这样将大大增强通信系统的抗干扰能力。3.发展趋势随着微电子技术、计算机技术、网络通信技术等信息技术的飞速发展，通信抗干扰技术发生巨大变化。尤其是军用通信，以低截获、数字化处理、网络化为主要特点，通用化、软件化、智能化、综合一体化发展。无线通信抗干扰技术的发展趋势概括如下：①采用新的抗干扰技术。为了满足未来的通信需要，将采用更多的新型抗干扰技术;②综合使用多种抗干扰技术。典型应用是跳频、直扩和跳时3种基本抗干扰体制的组合应用;③向网络化抗干扰发展。智能组网技术在网络级就可以进行抗干扰。4.抗干扰性能分析扩频抗干扰性能分析：扩频信号通过处理增益，能够有效对抗干扰。文献[8-9]，考虑快速跳频M-ary频移键控接收机，分析了其抗多音干扰的性能。针对两种不同的接收机结构，得到了误码率闭合表达式，考虑加性白高斯噪声信道，在多音干扰条件下，分析了时频二维扩频的误码率性能，综述了现有DSSS系统对于窄带干扰抑制的所有方法，比较其优缺点。采用各种时域处理技术对NBI抑制的性能上限进行了对比。重点在时域处理技术性能比较上，其他方法的分析较为粗略，考虑部分频带干扰条件下，针对快速跳频BFSK信号，提出一种选择分集合并的接收机模型。并且分析了存在部分频带干扰和加性高斯白噪声的非频率选择性Nakagami-m衰落信道下，接收机误码率性能。通过分析发现，恶劣通信条件下，扩频信号具有非常好的抗干扰能力。MIMO系统典型抗干扰技术性能分析进行了总结：文献[10-11]，针对MIMO系统，考虑瑞利和莱斯信道，分析干扰存在或不存在时中断性能。提出一种MIMO系统同频干扰建模方式，基于本文提出的干扰模型，得到多小区下行容量的精确表达式。然后，在多小区协同的MISO蜂窝网络中，分析了小区边缘用户的下行链路容量，给出闭式表达。将同频干扰和高斯白噪声建模为相关高斯噪声，采用ML检测，VBLAST结构，分析了MIMO系统的误码率界。使用特定接收方式，干扰模型比较简单。5.LTE无线通信抗干扰发展现状随着LTE标准化进程的加快，LTE技术的大规模商用指日可待，与此同时，WiFi网络的覆盖范围也越来越广，这两种技术即将面临长期共存的局面。考虑LTE基站与用户终端之间的距离有时会很远，且基站附近存在着WiFi无线接入点，则LTE上行通信链路必将受到WiFi信号干扰。此时，由于WiFi和LTE工作在相邻频段，大功率WiFi信号的旁瓣与LTE上行信号的频带重叠，形成了同频干扰。在多接收天线的通信场景中，等增益合并(EqualGainCombining，EGC)、最大比合并(MaximumRatioCombining，MRC)虽然能够利用天线分集对抗多径信道的衰落，但两者都没有考虑多天线接收信号中干扰的相关性。多接收天线的干扰抑制合并(InterferenceRejectionCombing，IRC)方法利用各接收天线之间干扰的相关性，进行干扰抑制与合并。针对实际应用，文献[12]将IRC、MRC方法应用在蜂窝移动通信网络中，考虑窄波束宽度的接收天线，与MRC方法相比，IRC方法的输出信干噪比SINR更高。文献[13]将IRC方法应用在多用户的多输入多输出空分多址(MIMO-SDMA)下行链路中，应用IRC后，MIMO-SDMA下行链路的和速率容量得到提高。文献[14]将IRC方法应用在人体局域网(BodyAreaNetwork，BAN)中，并给出了存在网间干扰时，两接收天线场景下干扰抑制增益的仿真结果。在多址接入分布式网络的多天线场景中，考虑网络节点位置服从泊松点过程分布，文献[15]分析了瑞利信道中应用IRC合并后分布式网络的中断概率，与最大比合并方式的中断概率相比，IRC的中断概率更低。比较了干扰受限的多天线场景中，IRC、MRC、EGC三种合并方式的输出信干噪比，其中IRC方法输出信干噪比最高。同时，IRC方法中干扰的协方差矩阵不容易获取。针对干扰协方差矩阵的估计问题，文献[16]以接收信号的协方差矩阵作为干扰信号协方差矩阵的估计值，但由于接收信号还包含了期望信号分量，该种方式估计出的干扰信号协方差矩阵并不可靠。参考文献：[1]李文清.超短波无线电通信抗干扰技术发展趋势研究[J].中国科技信息,2007(22):310-311.[2]FirouzbakhtK,N