（通信与信息系统专业论文）多带ofdm+uwb抗干扰问题研究.pdf

中文摘要 摘要：超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，i ，w b ) 技术作为未来短距离无线通信的重要技术 之一，受到了各国的广泛关注。由于u w b 信号占据极宽的频带，必然会与现有窄 带( 相对于u w b 而言) 通信系统共用频谱，由此带来的u w b 与窄带通信系统的 共存问题成为制约u w b 技术发展的重要因素。目前超宽带信号可以分为 m b o f d mu w b 及d s u w b 两种形式，由于m b o f d mu w b 在抗干扰方面的众 多优势，m b o f d mu w b 抗干扰技术成为目前u w b 领域的研究热点。本文以当 前普遍认为u w b 必须采用的检测避免技术( d a a ，d e t e c ta n da v o i d ) 为背景， 提出了一种新的m b o f d mu w b 干扰检测方法，并对m b o f d mu w b 干扰避免 技术进行了改进，通过仿真分析了新的干扰检测方法的可行性，以及改进的干扰 避免方法的优越性。 u w b 中的d a a 技术研究仍处于起步阶段，尚存在一些问题有待解决： 目前m b o f d mu w b 检测技术主要是基于功率检测，采用功率检测的u w b 系统需要额外添加硬件设备，而且检测频带不能灵活改变。本文提出了一种基于 符号能量比较的干扰检测方法，该方法实现简单，并且可以灵活地检测未知的窄 带干扰，并估计干扰信号带宽。 m b o f d mu w b 干扰避免主要是采用无效子载波技术，但其必须与子载波边 带抑制技术相结合才能达到合适的功率抑制深度，现有的子载波边带抑制技术还 具有改进的空间。本文提出了一种改进的子载波边带抑制方法，可以有效地改善 功率抑制效果。 最后作者利用m a t l a b 搭建了m b o f d mu w b 通信系统仿真平台，并对新 的m b o f d mu w b 干扰检测方法和改进的干扰避免方法进行了仿真研究，验证了 它们的可行性。仿真结果表明：新提出的o f d mu w b 干扰检测技术可以准确的 检测出对窄带干扰的存在，并且可以估计出窄带干扰的带宽；改进的干扰避免技 术要比原有的干扰避免技术具有更好的功率抑制能力。 关键词：超宽带；m b o f d mu w b ；d a a ；干扰；无效子载波；子载波边带抑制 分类号：t n 9 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) t e c h n o l o g ya so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i 鹤 i nf u t u r es h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sh a sb e e nw i d e s p r e a dc o n c e r n e di nm a n y c o u n t r i e s s i n c et h ei 肿s i g n a l su s e av e r yw i d ef r e q u e n c yb a n d ，i ti ss u r et h a tt h e r e a r es o m en a r r o w b a n d ( c o m p a r e dw i t hu w b ) s y s t e m se x i s ti nt h eu w bf r e q u e n c yb a n d t os h a r es p e c t r u m t h ep r o b l e mo fu w bc o e x i s t e n c ew i t hn a r r o w b a n ds y s t e mh a sb e e n t h em o s ti m p o r t a n tr e a s o nw h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fu w bt e c h n o l o g y t h e c u r r e n tm a i n s t r e a m sf o r mo fu w b i n c l u d i n gm u l t i - b a n do f d m ( m b - o f d mu w b ) a n dd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ( d s - u w s ) a sm b o f d mu w bh a sm a n y a d v a n t a g e s i ni n t e r f e r e n c e m i t i g a t i o nw i t hn a r r o w b a n ds y s t e m ，t h ei n t e r f e r e n c e m i t i g a t i o nt e c h n o l o g yf o rm b o f d mu w b h a sb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c hi nu w b a r e a 8 o nt h eb a c k g r o u n do fd e t e c ta n da v o i dt e c h n o l o g ym u s tb eu s e di nu w b ，t h i s p a p e rp r o p o s ean e w i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nm e t h o df o rm b o f d mu w b ，a n dg i v e s o m ei m p r o v es u g g e s t i o no fi n t e r f e r e n c ea v o i dt e c h n o l o g yf o rm b - o f d mu w b ，t h e n v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h en e wi n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nm e t h o d ，a n dt h es u p e r i o r i t yo ft h e i m p r o v e di n t e r f e r e n c ea v o i dm e t h o d t h er e s e a r c ho nd a a t e c h n o l o g yi ss t i l l i nt h ei n i t i a ls t a g e ，t h e r ea r cs t i l ls o m e i s s u e st ob er e s o l v e d ： t h ec u r r e n tm b - o f d mu w bd e t e c tt e c h n o l o g yi sm a i n l yb a s e do np o w e r d e t e c t i o n ，u s i n gp o w e rd e t e c t i o nu w bs y s t e mn e e dt oa d dh a r d w a r e ，a n dt h ed e t e c t b a n d w i d t hc a nn o tb ef l e x i b l yc h a n g e d t h i sp a p e rp r o p o s ea ni n t e r f e r e n c ed e t e c t i o n m e t h o db a s e do nc o m p a r i s o no fs y m b o le n e r g y , t h i sm e t h o di ss i m p l et oa c h i e v e ，a n di t c a nf l e x i b l ed e t e c tt h en a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ew h i c hi su n k n o w n ，a l s oi tc a ne s t i m a t e d b a n d w i d t ho fi n t e r f e r e n c es i g n a l t h ec u r r e n tm b o f d mu w bi n t e r f e r e n c ea v o i dt e c h n o l o g yi sm a i n l yu s e s u b c a r r i e rn u l l i n gt e c h n o l o g y , b u ti tm u s tc o m b i n i n gw i t h s u b c a r r i e rs i d e b a n d s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v eo p t i m u mp o w e ra t t e n u a t i o n t h em e t h o ds t i l lh a s r o o mt ob ei m p r o v e d t h i sp a p e rp r o p o s ea ni m p r o v e ds u b - c a r r i e rs i d e b a n ds u p p r e s s i o n m e t h o d ，w h i c hc a ne f f e c t i v ei m p r o v et h ee f f e c to fp o w e ra t t e n u a t i o n f i n a l l y , is e tu pas i m u l a t i o np l a t f o r mo fm b o f d mu w b c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b yu s i n gm a t l a b ，t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h en e w i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nm e t h o d a n dt h ei m p r o v e dm e t h o do fi n t e r f e r e n c ea v o i d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h e n e wi n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nm e t h o dc a na c c u r a t e l yd e t e c tt h ee x i s t e n c eo fn a r r o 、b a n d i n t e r f e r e n c e , a n de s t i m a t e dt h eb a n d w i d t ho fn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c e ；t h ei m p r o v e d m e t h o do fi n t e r f e r e n c ea v o i dh a sab e t t e rp o w e r s u p p r e s s i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d k e y w o r d s ：u w b ；m b - o f d mu w b ；d a a ；s u b c a r f i e rn u l l i n g ；i n t e r f e r e n c e ； s u b c a r r i e rs i d e b a n ds u p p r e s s i o n c l a s s n o ：t n 9 2 图 图1 1 与u w b 系统存在同频干扰的无线通信系统5 图2 1o f d m 系统基本原理8 图2 2o f d m 符号的时域结构8 图2 3o f d m 符号的频域结构。9 图2 4o f d m 收发系统模型及其数字实现1 0 图2 5 空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰。l l 图2 6o f d m 符号的循环前缀12 图2 7 时延信号对o f d m 符号造成的影响实例1 3 图2 8 加入循环前缀的o f d m 数字系统框图1 3 图2 9f d m 信号频谱1 4 图2 1 0o f d m 信号频谱1 4 图2 1 1m b o f d mu w b 频带划分方案1 7 图2 1 2m b o f d mu w b 第一频带组。1 7 图2 1 3m b o f d mu w b 时频编码原理图1 8 图2 1 4m b o f d mu w b 系统发射机原理图1 9 图2 1 5m b o f d mu w b 系统接收机原理图1 9 图3 1 各国对0 f d mu w b 频带使用分配情况2 5 图3 2a w g n 信道下o f d mu w b 的q p s k 符号星座图3 4 图3 3 存在8 0 2 1 l a 干扰的o f d mu w b 符号星座图。3 4 图3 4 经过i e e eu w b 信道后o f d mu w b 符号星座图3 5 图3 5o f d m 中i f f t 调制3 7 图3 6o f d m 系统中子信道功率谱密度示意图3 8 图3 7 子载波边带功率对无效子载波的影响3 8 图3 8j 下负符号调制对边带幅度的抑制3 9 图3 9 三个子载波的o f d m 符号功率谱密度4 0 图3 1 0 两个正负符号调制后子载波的o f d m 符号功率谱密度4 0 图3 1 l 插入中间符号后正负符号调制对带外信号幅度的抑制4 1 图3 1 2 改进的正负符号调制后子载波的o f d m 符号功率谱密度4 2 图4 1o f d mu w b 仿真平台结构框图4 4 图4 2o f d mu w b 调制模块结构框图4 5 图4 3o f d mu w b 解调模块结构框图。4 5 图4 4i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型的冲击响应4 7 图4 5 第一个频带上的o f d mu w b 信号时域波形4 9 图4 6 第一个频带上的o f d mu w b 信号功率谱密度4 9 图4 7o f d mu w b 信号通过i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道后的误码率曲线5 0 图4 8o f d mi 八b 干扰检测仿真流程图5l 图4 9 无效子载波产生的功率抑制5 3 图4 1 0 加入正负符号调制后产生的功率抑制5 4 图4 1 1 采用改进的正负符号调制后产生的功率抑制。5 4 图4 1 2w l a n8 0 2 1 l a 仿真平台结构框图5 5 图4 1 3o f d mu w b 对w l a n8 0 2 1 1 a 干扰仿真流程图5 6 图4 1 4o f d mu w b 对w l a n8 0 2 1 1 a 干扰的仿真结果5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蝈嗣 签字日期：) 卯7 年月西日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者签名姻翔 签字日期：) 叩年石肜9 日 导师签名： 签字日期：) 呷年易月扣 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的，朱刚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来朱 刚老师对我的关心和指导。 朱刚教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向朱刚老师表示衷心的谢意。 朱刚教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张敏、王九九等同学对我论文中的理论和仿 真研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本论文是在校基金重点项目i o w a ( 超宽带) 无线通信系统干扰问题研究的 背景下，结合当前m b o f d mu w b 和d a a 技术热点研究方向，提出了一种新的 m b o f d mu w b 干扰检测方法，并对m b o f d mu w b 干扰避免技术进行了改进。 目的是为m b o f d mu w b 抗干扰技术的进一步发展提供参考。新的m b o f d m u w b 干扰检测方法和改进的m b o f d mu w b 干扰避免技术均属于独创性研究， 目前国内外还没有类似的研究成果。( t r w b ( 超宽带) 无线通信系统干扰问题研究 项目于2 0 0 7 年启动，作者有幸参与了项目的全过程，在近1 年的研究中，作者项 目团队取得了软件著作权2 项，专利申请l 项，论文2 篇，教材编写l 本等相关 科研成果，积累了大量经验，为论文的开展奠定了良好的基础。 1 引言 随着移动通信技术的不断发展，对于计算机、手机、家电等电子设备之间， 以及各终端设备与互联网之间的无线网络融合已成为人们对无线通信的新需求， 短距离无线通信技术作为互联网最后一公里的无线解决方案逐渐成为下一代无线 个人局域网w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ) 的研究热点【1 2 1 。超宽带( i ，w b ，u l t r a - w i d eb a n d ，以下均称ir w b ) 作为一种短 距离无线通信技术，以其高速率、低功耗等优点，迅速成为w p a n 的主流技术， 并被视为下一代无线通信的关键技术之一【3 l 。 u w b 物理层有两种实现方案：多带o f d m 超宽带( m b o f d mu w b ，由于 m b o f d mu w b 方案的核心技术为o f d m ，因此以下对于m b o f d mu w b 均简 称o f d mu w b ) 技术【4 5 】和直扩超宽带( d s u w b ，以下均称d s u w b ，实际上 d s u w b 是脉冲u w b 即i r - u w b 的一种，由于i r - u w b 目前基本上都采用 d s u w b 技术，因此大部分文献中提到d s u w b 和i r - u w b 都是指d s u w b ， 本文也是如此) 技术 6 , 7 1 ，两种u w b 实现方法存在较大差异。随着u w b 技术的 发展，由于d s u w b 技术在脉冲产生上的困难，使得m b o f d mu w b 逐渐占据 优势，成为现阶段u w b 的主流技术。 超宽带通信系统使用很宽的带宽，必然会与很多现有的无线通信系统频谱重 叠，由此产生的超宽带对窄带系统的干扰，以及窄带系统对超宽带的带内干扰问 题成为制约超宽带发展和应用的一个重要因素。为了解决u w b 的干扰问题，必须 展开u w b 与其他系统的共存研究【8 】。检测避免技术( d a a ，d e t e c ta n da v o i d ， 以下均称d a a ) 作为u w b 的防干扰技术在日本和欧洲越来越受到重视，为了保护 其他窄带通信系统，一些国家提出u w b 必须使用d a a 的限制方案【9 】。目前对于 d a a 技术的研究还处于起步阶段，尤其对于o f d mu w b 方案的d a a 抗干扰研 究尚有很多技术问题需要解决。 综上所述，对于m b o f d mu w b 系统的抗干扰技术研究，已成为目前u w b 技术的重要研究方向，对于将来u w b 的应用与发展将产生深远的影响。本文将主 要围绕m b o f d mu w b 中的抗干扰技术展开研究，并提出相应的解决方案，为我 国u w b 技术的发展提供参考。 j 匕京交煎太堂亟堂位i 金交互i 宣 1 1u w b 简介 u w b 通信的历史可追溯到1 0 0 年前马可尼试验越洋无线电通信获得成功，这 可看作早期的、粗糙的冲激无线电。有关超宽带无线通信技术的绝大部分早期研 究工作，特别是冲激无线电通信的研制，均在美国政府的机密计划支持下完成， 直到1 9 9 4 年以后，保密限制才逐渐解除，从而大大加快了这方面的研究。1 9 9 8 年 起，美国联邦通信委员会( f c c 以下称f c c ) 就超宽带无线设备对原有窄带无线 通信系统的干扰及其电磁兼容的问题开始广泛征求业界意见，到2 0 0 2 年初f c c 最 终通过了在3 1 1 0 6 g h z 频段上使用超宽带，并要求功率等级与无意发射信号相 同，在不干扰现有无线设备的基础上允许超宽带通信、测距及成像设备的商业应 用【i 们。而到目前为止，超宽带的标准化工作还在进行之中。 f c c 批准使用超宽带后，涌现了大量超宽带物理层的提案，而在2 0 0 3 年i e e e 8 0 2 1 5 3 的m a c 协议也最终获得通过，这样8 0 2 1 5 3 的主要分歧就落在了超宽带 物理层的选择上。f c c 对超宽带给出了两种定义：一是信号的1 0 d b 带宽大于或等 于5 0 0 m h z ，二是信号相对带宽( 相对带宽= 2 ( 厶一无) ( 厶+ 兀) ) 大于等于o 2 。 由于f c c 对超宽带的定义只是从信号带宽角度定义无线电信号的，对于超宽带信 号的产生方式没有明确规定，因此用脉冲信号产生u w b 不再是唯一的方法。到 2 0 0 4 年经过几轮的投票超宽带物理层提案最终融合成了两个提案：l 号提案是由 i n t e l ，t i 等提出的多带o f d m 超宽带( m b o f d mu w b ) t 1 ，2 号提案是由m o t o r o l a 等提出的直接序列扩频超宽带( d s u w b ) t 1 2 】。两大阵营分别组建了自己的联盟，支 持m b o f d m 的联盟是m b o a ( m u l t i b a n do f d ma l l i a n c e ) ，支持d s u w b 的是 超宽带论坛。超宽带论坛目前有7 7 家会员，主要包括早期进入超宽带领域，掌握 了大量超宽带技术专利的中小企业，其中还有十几家高校和研究所，占了近1 5 。 而m b o a 联盟己有1 7 0 多个成员，几乎集中了所有的大型跨国公司和集团。 d s u w b 与o f d mu w b 两种u w b 实现方式各有所长，在频带表现、收集 多径能量和抗干扰能力上，m b o f d m 方案优于d s c d m a 方案；在覆盖范围、 功率消耗、实现的复杂度上，d s c d m a 方案优于m b o f d m 方案；在标准的发 展上，m b o f d m 方案走在了前面，在最近的i e e e 会议上获得了更多的支持，但 仍未达到i e e e 要求的7 5 的投票率，由于在无线u s b 推动小组m b o a 成员占有 多数，这使得基于o f d mu w b 的无线u s b 获得批准，而d s u w b 未获批准；在 产品进度上，d s c d m a 方案处于领先地位，己经推出了核心芯片。两个方案都在 某些方面具有出色的性能，但是随着u w b 技术的发展，由于o f d mu w b 技术所 表现出来的众多优点，以及各大公司的鼎力支持，o f d mu w b 逐渐占据了优势， 并成为u w b 的主流技术。o f d mu w b 技术作为u w b 通信中一种新的实现方式， 2 以它独特的优势，促进o f d mu w b 芯片的商业化和产品化进程，使得o f d mu w b 方案得到了越来越多厂商的支持与应用，并于2 0 0 7 年3 月被i s o 正式通过成为第 一个i 、舳的国际标准【1 3 1 。 i ，w b 技术主要具有以下特点【怍1 7 l ： l 、发射功率低、隐蔽性好 超宽带无线电的射频带宽可达1 g h z 以上，且所需的发射功率一般在1 0 a w ， 信号功率谱密度低，被隐蔽在环境噪声和其他信号中，难以被检测到。再加上采 用的跳时、跳频、直接序列等扩频多址技术，使非授权者很难截获传输的信息， 因而安全性非常好。传统的无线通信系统，因为频带较窄，要实现1 0 0 m b p s 以上 的高传输速率，必须采用高阶调制等方法达到较高的频谱使用效率( b i t s s h z ) ，这 就对信噪比提出了很高的要求，同时提高了系统的复杂性。u w b 系统的频带很宽， 即使传输速率高达l g b p s 以上时，所需信噪比仍然不高，这使得系统较为简单， 能较大地降低了系统的成本和功耗。如果l r w b 通信采用的是其传统的基带窄脉冲 形式，因为无需对载波进行调制和解调，将使系统的成本和功耗进一步降低，同 时低功率的脉冲比起以前雷达和通信中的大功率脉冲，更容易产生，实现成本更 低。 2 、系统容量大、传输速率高 u w b 系统具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统共存，从而 提高频谱利用率，带来了极大的系统容量。数字化、综合化、宽带化、智能化和 个人化是通信发展的主要趋势。对于高质量的多媒体业务，高速率传输势必不可 少的基础。u g q 3 无线通信利用其超宽带的优势，即使把发送信号功率谱密度控制 的很低，也可以实现高达1 0 0 5 0 0 m b p s 的信息速率。根据香农信道容量公式，如 果使用7 g h z 带宽，即使信噪比低至1 0 d b ，理论信道容量也能达到1 g b i t s 。目前 的演示系统表明，在近距离上( 3 - 4 m ) 的传输速率可达4 8 0 m b s 。 3 、多径分辨能力强、定位精度高 多径衰落一直是传统无线通信难以解决的问题，而u w b 信号由于带宽达数 g h z ，具有很高的分辨率，能分辨出时延达纳秒级的多径信号，而j 下好室内等， 多径场合的多径时延一般也是纳秒级的。这样，u w b 系统在接收端可以实现多径 信号的分集接收。u w b 信号的抗多径衰落的固有鲁棒性，特别适合于室内等多径、 密集场合的无线通信应用。但u w b 信号极高的多径分辨率也导致信号能量产生严 重的时间弥散( 频率选择性衰落) ，接收机必须通过牺牲复杂度( 增加分集阶数) 以便 捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的u w b 系统设计 中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。此外，信号的 距离分辨力与信号的带宽成正比。由于信号的超宽带特性，u w b 系统的距离分辨 3 精度是其它系统的成百上千倍。u w b 信号脉冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨 能力可高达厘米级，这是其它窄带系统所无法比拟的。这使得超宽带系统在完成 通信的同时还能实现准确定位跟踪，定位与通信功能的融合极大地扩展了系统的 应用范围。 1 2 u w b 干扰问题研究现状 从u w b 技术共享频带的概念被提出之日起，国际上很多机构都对u w 技术 的可行性进行了研究和探讨：2 0 0 2 年美国联邦通信委员会f c c 在他们的初步报告 以及随后召开的会议中明确了u w b 的设计提案和规范，规定u w b 技术不能干扰 已存在或计划部署的无线系统，特别是为安全服务的通信系统。i e e e8 0 2 组织对 共用频率带来的相互干扰问题给予高度关注。i e e e8 0 2 1 5 2 专门研究在2 4 g h z 的工业、科学和医疗( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c , a n dm e d i c a l ，i s m ) 波段内无线通信系 统干扰抑制及共存方案。2 0 0 4 年成立的i e e e8 0 2 1 9 小组，着重解决w l a n 与 w p a n 的相互干扰问题，其中最重要的一部分就是u w b 与w l a n 的相互影响及 干扰抑制解决方案。 无论是i r u w b 还是o f d mu w b 其脉冲持续时间非常短，其频谱为g h z 量 级，几乎会对现存所有无线通信系统都产生干扰，虽然f c c 已对u w b 的发射功 率谱密度做出了严格的限制，但并不能完全消除u w b 系统对其它无线通信系统的 干扰，同时u w b 系统也会受到来自其它无线通信系统的干扰。因此如何抑制各种 无线系统与u w b 间的同频干扰一直是u w b 研究热点。总体来说，与u w b 相互 干扰的无线系统主要是：地面通信系统( 固定点对点系统，蜂窝通信和广播) ；g p s ； 卫星通信；无线电导航或是探测系统；工作在i s m ，ui i 波段系统，比如8 0 2 1 l a ， 8 0 2 1 l b ，b l u e t o o t h 等，如图1 1 所示： 4 童 j 塞 善 r n 哪_ 呵n t q 图1 1 与u w b 系统存在同频干扰的无线通信系统 f i 9 1 1w h - e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o - e x i s t i n gw i t hu w bs y s t e m 国内外学者在u w b 无线电与现有无线电共存性方面做出了很多研究工作，文 献 1 8 ，1 9 对u w b 与g p s 信号之间的干扰情况进行了研究，研究结果表明：不恰 当的超宽带无线电系统参数选择会造成对常规g p s 系统的干扰。此外文献 2 0 2 3 】 还有对超宽带系统与w l a n 、g s m 和u m t s 系统的共存性进行了讨论。这些无 线系统相对于u w b 而言，都可以看成是窄带系统。当我们假设u w b 与现有窄带 无线通信系统同时工作且距离较近时，互干扰不可避免，比起u w b 带外辐射引起 的干扰，当前研究的重点在频谱有重叠的无线系统互干扰，如u w b 与8 0 2 1 l a ( 5 1 5 5 8 2 5 g h z ) 、u w b 与w i m a x ( 其中的5 g 频段) 等。 我国在u w b 干扰问题的研究上还处于起步阶段，取得的成果主要集中在信号 产生及有效辐射方面。电子科技大学、东南大学、北京邮电大学等研究机构在脉 冲产生器、超宽带天线等方面取得了进展。一些通信公司( 如中兴通讯、大唐电 信等) 也设立了技术研究部门，并取得了可喜的成绩。经测试发现，u w b 设备与 其他设备至少要间隔数米才能有效避免干扰，但实践中很多小型移动设备必须置 于彼此非常接近的距离之内。因此，能否有效地降低系统与其他无线通信系统之 间的干扰会影响到u w b 技术的成功推广与使用。 另外，超宽带系统的带外干扰问题的研究是一个盲区，这部分干扰还很难用 理论计算的方法准确计算，目前的研究局限于工程上的估算。因此虽然将工作频 段定为3 1 g h z 1 0 6 g h z ，但超宽带设备对现有蜂窝移动通信及3 g 等系统的干扰 也需要考虑。 目i j 对于u w b 干扰的研究主要集中在：频域上的频谱抑制技术，用于消除 s u w b 与窄带通信系统在频谱上的重叠；以及时域上的检测避免技术( d a a ，d e t e 虻 t a n d a v o i d ) 技术，在时域上避免u w b 与窄带通信系统同时以较大功率发射。 对于频谱抑制技术，国内外学者的研究主要集中于i r - u w b 脉冲信号的脉冲 成形技术，目前已有成熟的脉冲成形算法 2 4 2 5 1 ；而在o f d mu w b 方面，由于o f d m 本身具有灵活的频谱控制能力，可以让某些子载波不携带数据，从而消除在该子 载波频段上的信号【2 6 1 ，或是采用陷波滤波器的方法实现深度更深的频谱凹陷【2 7 1 。 国内外在o f d mu w b 干扰方面的研究并不多见，也有一些研究成果，但多不成 熟，与i r - u w b 技术相比尚处初步阶段。 d a a ( d e t e c t a n da v o i d ) 技术是一种集检测与避免于一身的新技术，d a a 没有 从频谱出发考虑共存问题，而是通过时域上避免相互冲突来实现减少干扰。d a a 技术实现方式并不唯一，但遵循统一的原则：l 、检测信道；2 、判断信道状态；3 、 确定u w b 工作状态。目前提出的d a a 技术多数是基于i r u w b 的，对于o f d m u w b 技术的d a a 方式还没有成熟的研究。 1 3 论文结构与主要工作 第l 章主要对u w b 技术进行概述，主要包括u w b 定义、历史和研究现状， u w b 技术的显著特点等。最后介绍u w b 与其它通信系统干扰问题，以及u w b 抗干扰技术的研究现状。 第2 章主要阐述了o f d m 技术的基本原理，以及其在o f d mu w b 重要的应 用，分别介绍了o f d m 和o f d mu w b 的系统结构，并指出了o f d m 和o f d m u w b 的技术特点。 第3 章简单介绍了目前在u w b 领域比较流行的d a a 抗干扰技术，对d a a 技术原理做简单陈述，并对o f d mu w b 抗干扰技术进行了综述。提出了应用于 o f d mu w b 的能量比较的干扰探测新技术，对o f d mu w b 子载波边带抑制技术 提出了改进意见，并提出了一种改进的子载波边带功率抑制方法。 第4 章通过仿真验证了所搭建的o f d mu w b 仿真平台的实用性，对能量比 较干扰检测方法进行了仿真验证，并通过仿真对改进的子载波边带抑制方法和传 统子载波边带抑制方法进行了比较，验证改进的边带抑制方法的优越性。最后， 对o f d mu w b 信号对w l a n8 0 2 1 1 a 系统的干扰进行了仿真，研究o f d mu w b 抗干扰技术的可行性。 第5 章对全文进行的工作和得到的结论进行总结，指出未完成的工作，以及 对未来的展望。 6 2o f d m u w b 系统基本原理 2 1o f d m 系统简介 2 1 1o f d m 基本原理 近年来，随着d s p 芯片技术，快速傅里叶变换技术、信道自适应技术、均衡 技术等技术的不断发展，使得o f d m ( j e 交频分复用) 技术得到空前发展。由于具有 抗多径能力强、频谱利用率高等优点。o f d m 技术适用于多径无线环境和频率选 择性衰落信道中的高速数据传输，现已被广泛地应用于数字广播系统、无线局域 网、宽带无线接入网等系统。o f d m 技术很有可能成为下一代移动通信系统的核 心技术之一，被视作b 3 g 4 g 未来无线通信网络的物理层关键技术。 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对 较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因 此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响， 并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时 延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。而且，保 护间隔一般都采用循环前缀，由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交， 这样就避免了子载波间的相互干扰；同时它们的频谱是相互重叠的，这样又提高 了频谱利用率。 2 1 2o f d m 系统模型 一个o f d m 符号之间包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。如果表示子 信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，d i ( f = o ，1 ，) 是分配给每个子信道的 数据符号，丘是第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = 1 ，h t t 2 ，则从f = f ，开始 的o f d m 射频符号可以表示为： s c r ，= r e 善吐陀c t ( t - t , - 三，e x p 2 万c 丘+ ；，。一气， ) t , t t s + t 。2 。， s ( f ) = 0t + r 7 通常也可以采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，如式( 2 2 ) 。 ) = 委n - 1 4 咧一争叫伽；( f 训 t s t ( 2 - 2 ) s ( t ) = 0 t f l + 丁 其中，实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分 别与相应子载波的c o s 分量与s i n 分量相乘，构成最终的子载波信号和合成的 o f d m 符号。图2 1 中给出了o f d m 系统基本模型的框图。 型牺 p 岖乎匦母鸟 串趔孝 d 一1 2 硝t t 叫弘群 并 串 i 爿亘p 叫弘匦西鸟 换 并 变 变 型峪二 换 剑峪： 。一，2 即 岖油咂匹挣匦竭取 图2 1o f d m 系统基本原理 f i 9 2 1p r i n c i p l e so fo f d ms y s t e m 图2 2 给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例，其中所有的子载波都 具有相同的幅值和相位，但在实际中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的 幅值和相位都可能是不同的。从图2 2 可以看出，在一个0 f d m 符号内每个子载波 都包含整数倍个周期，而且相邻子载波问相差1 个周期，各个子载波之间满足正 交性。 图2 2o f d m 符号的时域结构 f i 9 2 2t i m e - d o m a i ns t r u c t u r eo fo f d ms y m b o l o f d m 符号子载波的频谱如图2 3 所示，从图2 3 中可以看出，在每个子载波 8 频率的最大值处，所有其他子载波的频谱值恰好为零，因此可以将多个子载波重 叠传输，消除发送符号间的干扰。 图2 3o f d m 符号的频域结构 f i 9 2 3f r e q u e n c y - d o m a m s t r u c t u r eo f o f d ms y m b o l 每个子载波的基带频率为无= n a f = n t ，这样保证了各个子载波在o f t 范围内正交。子载波间的正交性在时域内可表示为： 三f 丁口歹2 稚p 2 雄威= j l 纷= 跏 r 硒 1 0 于i m ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 中，丁为一个o f d m 符号的周期。 一个0 f d m 符号是多个经过星座影射、载波调制的子载波信号之和，每个子载 波的调制方式可以选用相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( 0 a m ) 。如果一个o f d m 符 号由个正交的子载波组成，则在这个子载波上调制了路并行的数据流。若 串行输入的高速二进制比特流为 ) ，则经过串并转换和星座映射后，可以得到 路子信号x 。( r l = 0 ，1 ，n - 1 ) ，其中x 。是第n 路经过星座调制后的离散复 信号。每个基带子载波的形式为 矽( f ) = e 硎 ( 2 3 ) 式( 2 4 ) 中厂为子载波的频率。则o f d m 带通符号可表示为： 一l s ( f ) = x 咒e 伽细蛳 o fsr ( 2 - 5 ) n = 0 式( 2 5 ) 中。(