（电路与系统专业论文）神经网络抑制无线通信干扰的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 摘要 无线通信是目前信息工业发展最快的部分，随着互联网资源的丰富，人们对 通信内容的要求不断提高，使得无线通信系统的传输容量、传输速率、通信质量 和通信安全性问韪成为当前无线宽带传输领域研究的热点。多载波技术，尤其是 o f d m 技术，凭借出色的对抗多径信道衰落的特性和极高的频谱利用率，更是引起 了广泛的关注。但是由于无线电波传输的特性，信号在传输中总存在着干扰，多 载波调制对于载波间的干扰( i c i ) 很敏感，人们提出了许多方法来消除这些干扰， 本文对无线传输的干扰进行了一定的研究，提出应用神经网络来抑制干扰，并使 用通信仿真技术进行了证明。 第一章概述了无线通信系统发展的状况，介绍了论文研究背景及其意义，指 出了论文研究的主要内容。 第二章首先介绍了无线信道的特点，包括无线信道的干扰类型、无线信道的 建模和信道的衰落统计，以及0 f d m 技术原理。 第三章对神经网络进行了简单说明，在此基础上逐一介绍了b p 神经网络、 h o p f i e l d 神经网络以及小波神经网络。深入研究了载波频偏移和相位噪声是如何 引起子载波间干扰原理并论述了用神经网络抑止干扰的原理，提出了基于神经网 络的o f d m 接收机模型，随后介绍了应用小波神经网络来抑制背景噪声以及应用 神经网络实现非线性的多用户检测器。 第四章主要是系统软件的设计。在这一章中，我们说明了如何用m a t l a b 仿真 一个简单的i e e e 8 0 2 1 1 a 系统，通过这个它，对第三章提出的理论和方法进行验 证。 最后对全文进行了总结，回顾了整个论文的工作，讨论了课题存在的问题并 提出可能的发展方向和未来的工作。 关键词：多载波；o f d m ：载波干扰；神经网络；相位噪声；载干比 神经删络抑制无线通信十扰的研究 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si st h ef a s t e s tg r o w i n gs e g m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y w i t ht h ep l e n t i f h l n e s so ft h ei n t e r n e tr e s o u r c e s ，p e o p l er e q u e s tc o r r e s p o n db y c o m m u n i c a t i o nc o n t e n t st o c o n t i n u o u s l yi n c r e a s ea n dt h i sn e e d sm a k et h es y s t e m c a p a c i t y ，t r a n s m i t t a b i ev e l o c i ty c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n dt h es a f e t yo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb e c o m eh o tp o i n ti nt h es t u d yf i e l do fw i r e l e s sw i d e b a n dt r a n s m i s s i o n t o d a y m u l t i - c a r r i e rt e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l y0 f d m ，i sg i v e nm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo fi t sv a r i o u sa d v a n t a g e si n 1 e s s e n i n gt h es e v e r e e f 诧c t so ff r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n ga n dh i 曲u s i n gf r e q u e n c yr a t e w i r e l e s sw a v et r a i n s m i t t i n gi s s p e c i a l ，t h e r e a r e a l w a y s i n t e r f e f e n c ei n s i g n a lt f a n s m “n g ， s om u n i c a r r i e r t e c h n i q u e sa r es e n s i t i v et oi n t e rs u b c a r r i e r si n t e r f e r e n c e ( i c i ) p e o p l ef i n dm a n yw a y s t o s u p p r e s s i n t e r f 色r e n c e s t h i sp a p e rp r o p o s e du s i n gn e u r a ln e t w o r kt os u p p r e s s i n t e r f e r e n c eb a s e do ni n t e r f e r e n c ec o e m c i e n t s a n a l y s i s s i m u l a t i o n r e s u l t 8 d e m o n s t r a t et h ew a yc a no b v i o u s l yi m p r o v et h eb i te r r o rr a t i o n i nc h a p t e r1 ，t h i sp a p e rg i v e nab r i e fi n t r o d u c t i o no fw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ew e r ei n t r o d u c e d f i n a l l y ，t h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c hw e r ep o i n t e do u t i nc h a p t e r2 ，w el i s t e ds o m et y p e so fw i r e l e s sm o d l e ，w i r e l e s sm o d l e ， f a d i n g e s t i m a t i o no fc h a n n e la n dt h ep r i n c i p l e so f0 f d m i nc h a p t e r3 ，n e u r a ln e t w o r kw a sj n t r o d u e di nb r i e f b a s e do ni tb pn e u r a l n e t w o r k ，h o p f i e l dn e u r a ln e t w o r ka n dw a v e l e tn e u r a ln e t w o r kw e r el i s t e d w es t u d i e d h o wi c lw a sc a u s e db yc a r r e “e se r ra n dp h a s en o i s ea n dh o wn e u r a ln e t w o r k s u p p r e s s e di c i 0 f d mr e c e i v e ru s i n gn e u r a ln e t w o r kw a sg i v e n a tl a s t ，d e n o i s i n g p r o c e s st ob a s e b a n ds i g n a l sw i t hw n na n dd e t e c t i n gn o n - l i n e a rm u l t i e r u s e rw i t h n e u r a ln e t w o r kw e r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，f b c u s e do nt h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m i nt h i sc h a p t e r ，w e s p e c i n e dh o wt od e s i g nas i m p l i f i e dv e r s i o no ft h ei e e e 8 0 2 1 lab ym a t l a b m e t h o d s g i v e ni nc h a p t e r3w e r et e s t i f i e dt h r o u g hi t a tl a s t ，t h es u m m a r yo ft h i st h e s i sw a sm a d ea n dr e v i e wa l lw o r k s t h eq u e s t i o n s i i 硕士学位论文 q u e s t i o n ss t i l i i nt h i ss u b j e c tw e r ed i s c u s s e d ，a n dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta i l d r e s e a r c hw e r ep r o s p e c t e d k e yw 0 r d s ：m u l t i - c a r r i e r ；o f d m ； i t e rs u b - c a r r i e r s i n t e r f e n c e ； n e u r a l n e t w o r k ；p h a s en o i s e ；c i r i l l 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无线通信发展的现状 从1 8 6 4 年英国物理学家麦克斯韦指出电磁波的存在，到现在的无线通信技术 的广泛应用，期间经历大约一百多年，将无线技术用于通信，用现在比较流行的方 式，在时间上可分为：第一代无线通信( 1 g ) ，主要包括模拟蜂窝和无绳电话系统；第 二代无线通信( 2 g ) ，主要包括数字蜂窝系统，个人通信业务系统和无线数据网络系 统；第三代无线通信( 3 g ) ，它可分为3 g 蜂窝网络系统和由各种w l a n 和w p a n 系统组 成的宽带接入系统：还有许多研究组织正在预研的第四代无线通信系统。 第一代无线通信系统出现在2 0 世纪8 0 年代初，典型的模拟蜂窝系统有美国的 a m p s ，英国的t a c s 。西德的c 一4 5 0 等，其调制方式为模拟调频，系统的发射功率取决 于所使用的信道带宽和蜂窝网络中小区的半径。通过将频带为3 0 k h z 的信道分割 为带宽更窄的信道，提高蜂窝网络的容量。无绳电话是有绳电话网的无线延伸，第 一代无绳电话( c t l ) 系统比较简单，系统把普通的电话单机分成座机和手机两部分， 座机和有线电话网连接，手机和座机之间用无线电连接，这样允许携带手机的用户 在一定范围内自由活动进行通话。c t l 系统通常采用模拟调频技术，传输模拟话音， 手机和座机的发射功率一般小于1 0 m w ，无线覆盖范围约1 0 0 m 左右。第一代无线通 信系统的缺点是频谱利用率低，抗干扰能力差，系统保密性差等，但由于模拟技术 十分成熟，因而在发展初期得到了较为广泛的应用。模拟蜂窝技术由于系统容最小， 不适合多媒体通信业务的需要，在日益激烈的市场竞争中逐渐被淘汰“1 。 随着数字通信技术的发展和用户对高质量无线通信的追求，从2 0 世纪8 0 年代 末开始，无线通信系统发展到了以数字通信技术为代表的第二代无线通信系统，这 些系统由于采用了更先进的数字技术，使得通信质量，传输效率和系统容量有了很 大的提高。除了传统的话音业务外，第二代无线通信系统还为用户提供了丰富多彩 的数据业务第二代数字蜂窝网络包括欧洲的全球移动通信系统( g s m ) ，美国的 i s 一5 4 ，i s 一9 5 系统和日本的j d c 系统。与第一代模拟蜂窝系统相同，第二代数字蜂 窝系统也使用f d d 双工方式且工作在8 0 0 9 0 0 m h z 频段。i s 一5 4 和j d c 系统采用 的载波间隔与其各自使用地区的第一代模拟蜂窝系统的载波间隔相同，g s h l 和 i s 一9 5 则使用多个模拟信道组成一个数字信道。p c s 系统是在第一代无绳电话系统 神经网络抑制无线通信干扰的研究 的基础上发展起来的，与第一代无绳电话系统相比，p c s 系统更加复杂，采用了类 似蜂窝移动通信系统的技术，可覆盖较大的区域，具有移动交换能力。但与蜂窝系 统相比，p c s 系统主要面向家庭和办公室等小区域使用，小区的覆盖半径小 ( r 5 0 0 m ) ，支持的移动速度低( 小于5 k m h ) ，天线可安装在路边的电线杆上，手机 和基站的复杂度较低。为了降低系统的复杂度，p c s 系统使用3 2 k b i t s 的自适应 差分脉冲编码调制( a d p c m ) 语音编码技术，以及时分双工( t d d ) 和非相干接收技 术。p c s 系统主要为用户提供传统的语音业务，随着计算机网络技术的发展，在2 0 世纪9 0 年代，面向数据业务的无线网络技术也得到了快速发展，根据覆盖的范围 和传输速率，无线数据网络可分为移动数据网、无线局域网( w l a n ) 和无线个域网 ( w p a n ) 。移动数据网为移动用户提供分组数据业务，它的特点是覆盖范围广，但数 据传输速率较低最早的移动数据业务是1 9 8 3 年由m o t o r o l a 和i b m 公司联合开发 的a r d i s 系统1 9 8 6 年e r i c s s o n 公司在a r d l s 系统的基础e 开发了m o b i t e x 系统。 随后i b m 与其它9 家运营商合作开发了蜂窝数字分组数据( c d p d ) 系统。w l a n 出现 在2 0 世纪8 0 年代初期，在2 0 世纪9 0 年代得到了快速的发展，逐渐发展成为两大 系列标准，分别是美国电气与电子工程师协会( i e e e ) 制定的8 0 2 1 1 系列标准和欧 洲电信标准协会( e t s i ) 制定的h i p e r l a n 系列标准。i e e e 8 0 2 i l 是i e e e 在1 9 9 7 年制定的第一个w l a n 标准，该标准作为有线局域网的扩展，用于解决办公室和校 园网中用户的无线接入，工作频率为免许可证的i s i 频段( 2 4 g h z ) ，物理层采用直 接序列扩频( d s s s ) ，调频扩频( f h s s ) 或红外线传输技术，最大传输速率可达到 2 m b i t s 随后，i e e e 在1 9 9 9 年完成了支持更高数据传输速率的i e e e 8 0 2 1 1 a 和 i e e e 8 0 2 “b 标准无线个域网与w l a n 的主要区别在于覆盖范围小( 一般小于1 0 m ) 采用即兴式( a d _ h o c ) 网络结构，支持数据和语音业务，设备消耗功率低，具有即插 即用特点。 1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ) 首先提出了第三代移动通信系统“1 ，当时称 为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 6 年，i t u 将f p l m t s 正式更名为 i m t 一2 0 0 0 ，意指上作在2 0 0 0 m h z 频段上，在2 0 0 0 年后商用的全球移动通信系统。 第一代模拟和第二代数字系统支持语音通信和有限的数据通信业务，第三代的目 标就是提供宽带范围的服务，除了一些与移动有关的信息外，还包括i s d n 业务的 无线扩展。与第一代、第二代以话音和低速率数据业务为主的移动和个人通信系 统相比，第三代移动通信系统具有以下特点：提供宽带范围的业务、多速率和高速 率数据业务服务( 位速率高达2 m b i t s ) ；提供高质量业务服务，即长话质量的语 音、位错误率小于1 0 1 的数据业务；简单的小区结构和易于管理的信道；在混和 硕士学位论文 小区情况下运行；在不同的环境下运行( 室内室外、商业民用和蜂窝无绳等) ； 需要灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施；低功率消耗；较大用 户容量。第三代移动通信技术到目前为止主要有三种标准，分别是：w c d m a ( 欧洲) 、 c d m a 2 0 0 0 ( 美国) 和t d s c d a ( 中国) 。对于第三代移动通信是采用t d m a 系统结构 还是采用c d m a 系统结构，各个国家都在研究和决策之中，目前的研究显示，c d m a 系统有许多优点：固有的抗多径哀落能力，可以运用话音激活技术增加系统容量， 减少传输功率，具有软切换和软容量的特性，系统的容量大，保密性好等优点。 宽带c d m a 系统结构最有可能成为第三代移动和个人通信系统采用的系统结构。 目前又有新技术出现，比以c d m a 为核心的第三代移动通信技术更加完善，我 们称之为“第四代移动通信技术”( 4 g ) 。第一代模拟系统仅提供语音服务，不能 传输数据；第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9 6 k b i t s ，最高可 达3 2 k b i t s ；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2 m b i t s 。虽然第三代移 动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求， 第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽需求，其数据传输速 率可以达到1 0 m b i t 8 至2 0 m b i t s ，可能的研究包括基于时、空域信号联合处理 的干扰抑制技术；信道编码与天线分集相结合”1 ；不同通信环境下的算法分集技 术、分布式天线技术等。以o f d m 为核心技术是第四代移动通信系统计划的一个趋 势，它在宽带领域的应用具有很大的潜力，较之第三代移动通信系统，采用多种 新技术的0 f d m 具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增 加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、 影像等大量信息的多媒体业务通过宽频带信道高品质地传送出去。 1 2 课题研究的背景和意义 无线通信相比有线通信具有它的优点，它无需布线，安装周期短，后期维护容 易。网络结构容易变迁和增减。具有移动性，但复杂的通信环境和无线电波特性，使 得它在通信中极易受到干扰，这大大限制了它的应用。 无线网络的传输介质是空气，无线电波在空中的发送和接收很容易受到其他 无线发射系统和大气中噪声的干扰。同时无线网络也会干扰附近的其他无线网络 和无线电设备，例如：当前无线局域网的主流产品是i e e e8 0 2 1 1 a b 标准的产品， 它工作在2 4 g h zi s m 频段，而微波炉的工作频段也是2 4 g h z ，同时由于微波炉 的功率远大于无线局域网产品，因此当微波炉工作时，会极大的干扰附近无线局域 神经网络抑制无线通信干扰的研究 网的工作，造成信号传输阻塞或数据传输错误。 在无线信道中广泛存在着三类扩散，并带来了三种选择性快衰落，即传播上 非点波束引起的波束的角扩散，并由它引起的空间选择性衰落；用户的快速移动 引起的在频率上的多普勒扩散，而由它引起的时间选择性衰落；由于传播上多径 效应所引起的在时间上的时延功率谱扩散，由它引起频率选择性衰落。 无线传输除有上述典型的衰落以外，还有以下典型的干扰存在： 码间干扰如果个数字发射系统在所有频率范围内是线性的和无畸变的，那 么该通信系统就具有理论上无穷大的带宽，然而，实际系统均为带限的，这样信 道频率响应就会有一定的畸变，从而带来传输信号的幅度畸变和时延畸变，使得 接收端信号发生扩散和重叠，导致码间干扰。 同信道干扰这是由频分复用带来的自干扰，它是使用相同频率集合小区信号 问的彼此干扰，同信道干扰抑制问题也是目前无线传输技术的研究热点，也称为多 用户检测问题。 远近效应当两个信号使用的信道相互邻近时，距离基站较近的强信号会抑制 距离基站较远的弱信号。 邻道干扰由邻近的信道内发射信号造成的干扰，随着通信系统的快速增长， 要建立一个独立于干扰之外的通信系统几乎是不可能的。为了充分利用系统所分 配的频率资源，常把信道之间的频率间隔设计的很小，而这就成了邻道干扰的主要 原因。在同一小区或相邻小区使用相邻信道时，尽可能的减小邻道干扰是非常重要 的，受发射机放大器性能和接收机滤波器性能的限制，要完全消除邻道干扰是不可 能的，在实际应用中，如果同时使用的信道的频率间隔大于五个信道带宽，则完全 可以达到通信质量的要求。当相邻两个信道同时传输信号时，信道频谱就不可避免 地要超出信道带宽地限制而扩散到相邻信道内，而被使用相邻信道的接收机收到， 当邻道干扰功率足够大时，可以引起通信质量的下降，甚至无法正常通信。 第四代无线通信中的0 f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号 是多个子信道信号的叠加，易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖， 这就对它们之间的正交性提出了严格的要求，而无线信道具有时变性，在传输过 程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机木地振荡器之间存在的相位偏 差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致载波间干扰( i c i ， i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，这种对频率偏差的敏感性是o f 洲系统主要缺点 之一。 无线信号一般通过三种方式传播：反射、衍射和散射，基于这三种方式，大区 硕士学位论文 制的蜂窝无线传输大体具有三个独立的特征现象：随距离而变的路径损耗，对数正 态阴影效应，多径衰落。 以上简述了无线信道和无线电波的传播特性，由此可知无线传输所受到的不 确定因素的影响众多，要在这样的时变信道中应用现代高速传输技术需要克服诸 多困难，也正因为这些不确定传输特性的存在使得抑制无线干扰技术的研究一直 成为众多学者研究的热点。 1 3 抑制无线干扰技术的发展和本论文的主要内容 伴随无线通信的发展，抑制无线干扰的技术也同时在不断出新，人们一直在寻 找能更好解决无线干扰问题的方法，从编码方式，调制方式，发射技术等方面进行 研究。现在有许多技术用来抑制上面的干扰和衰落，为了对付这三种不同的选择性 衰落，人们想出了各种办法予以克服：专门为克服空间选择性衰落的分集接收技 术；专门为克服时间选择性衰落的信道交织编码技术：专门为克服频率选择性衰 落的r a k e 接收技术；对于邻道干扰通过增加传输信号前缀来进行改善；对于远近 效应可以通过发射信号的功率控制来改善系统的。在o f d m 系统中也存在这些干 扰，尤其是子载波间干扰的问题，现在消除o f d m 系统中的子载波间干扰有许多方 法，包括干扰自消除法、o f d m 符号重传和p n 序列频偏估计。其中由多普勒扩展引 起的子载波干扰可用r a k e 接收机，由相位噪声引起的子载波干扰可通过频域均衡 法和时域加窗法来处理。 由于神经网络具有很强的从输入信息到输出信息的映射功能，因此通过各种 标准的信号滤波样本或各种信号处理的标准样本的学习，可以把滤波过程或处理 过程在权值和阈值集中存储和记忆，这样就可通过网络的联想能力来实现滤波和 信号处理，这在理论上讲是可行的，不过用神经网络进行信号处理不像常用的各 种信号处理方法那样概念清晰、过程透明，而是一种“黑箱”式处理。 本论文主要是研究应用神经网络来抑制无线通信干扰的技术，针对0 f d m 系 统对频率偏移及相位噪声比较敏感的弱点( 这些弱点会产生较为严重的子载波问 干扰，影响系统的性能) ，提出应用神经网络来抑制这些干扰，在相关理论的基础上， 提出了几种方法，并通过仿真验证了方法的效果，这些技术使系统的性能有了提 升。在文中，详细说明了用m a t l a b 实现i e e e8 0 2 1 l a 无线局域网的仿真程序，并将 神经网络处理模块加入其中，通过测试，证明此模块能使o f d m 的性能有较大提 高。全文分五个部分：第一章概述了无线通信系统发展的状况，介绍了论文研究 堡竺塑篁垫! ! 耋竺塞堡三堡墼至塞 背景及其意义，指出了论文研究的主要内容。第二章首先介绍了无线信道的特点， 包括无线信道的干扰类型、无线信道的建模和信道的衰落统计，然后重点介绍了 0 f d m 技术。第三章对神经网络进行了简单说明，在此基础上逐一介绍了b p 神 经网络、h o p f i e l d 神经网络以及小波神经网络，通过深入研究了载波频偏移和相 位噪声引起子载波间干扰原理，提出了基于神经网络的o f d m 接收机，论述了用 神经网络抑止干扰的原理，随后介绍了应用小波神经网络来抑制背景噪声以及应 用神经网络实现非线性的多用户检测器。第四章中，完成了i e e e8 0 2 1 1 a 系统的 仿真，它是在第二章的理论基础上，用m a n a b 仿真软件进行设计，主要是接收和 发送部分，给出了整体的程序流程图，随后对前面提出的神经网络抑制干扰的理论 进行验证，同时研究快速的神经网络的算法，通过误码率( b e r ) 、信噪比( s n r ) 和载 波干扰比( c i r ) 来检验效果第五章对全文进行了总结，回顾了整个论文的工作， 讨论了课题存在的问题并提出可能的发展方向和未来的工作。 2 1 概述 第2 章多载波通信 下一代无线技术的最普通的特征是支持多种媒体服务，例如语音、图像和数 据等。这意味着未来的无线终端，由于有高速率数据的保证，能被连接到不同的 网络来得到不同的服务：i p 数据包和宽带数据流服务( 例如：视频) 。人们希望不断 发展的兼容一般协议和多种物理层或软件无线接口的无线终端，能实现现在和未 来标准的无缝转换。 现在有将近十亿的无线移动终端用户，如此快速的增长强化了无线通信的重 要性。信息社会的革命由于许多标准和产品的发展而不断推进，为了适应用户快速 变化需求是这场革命的动力，因此，全世界的无线接入系统将一直处于大量庞杂的 标准和系统之中，无线通信系统不仅包括蜂窝移动通信系统 ( 如：g s m ，i s 一9 5 ，d a m p s ，p d c ，u m t s 或c d 姒) ，还包含无线局域网( w l a n ) ( 如：h i p e r l a n 2 ，i e e e 8 0 2 1 l a b ) ，蓝牙和无线本地圈( w l l )( 例 如：h i p e r m a n ，h i p e r a c c e s s ) ，还有作为广播系统的i e e e 8 0 2 1 6 ( 如数字音频广播 ( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) ) 。 自从用目前的第二带无线通信系统( g s m ，i s 一9 5 ，d a m p s a 和p d c ) 代替第一代 模拟移动通信网，这打开了全数字化网络的大门，并加速了这些趋势的发展。随着 第三代系统( u m t s ，i m t 一2 0 0 0 和c d 姒2 0 0 0 ) 的出现，无线技术的演变在今天仍在继 续，同时，研究团体将目光投向了超过3 g 的，具有更多技术挑战的第四代系统 ( 4 g ) 。 下一代无线系统( 4 g ) 的主要目标不单是研制出满足高数率和新服务的新技术 而且要有能集成现存技术的通用性的平台。因此，选择下一代无线系统的通用空中 接口显的尤为重要，尽管4 g 准确要求并没被定义出来，但新的空中接口至少要满 足下面的要求： ( 1 ) 普通的结构，能集成现存的技术； ( 2 ) 高谱效率，能在给定的频谱提供高数率： ( 3 ) 尺度可变化性，能设计不同的蜂窝构造，以达到更好的覆盖； ( 4 ) 可适应性和可重构性，支持不同的标准和技术； 神经网络抑制无线通信干扰的研究 ( 5 ) 低费用，能快速推向市场。 多载波技术现在受到广泛的注视，尤其在高速率的广播应用中，其主要的优点 是它在频率选择性衰落信道的健壮性，特别是通过在频域的均衡化，降低了信号处 理的复杂度。在多载波技术中较常用的是o f d m 方案，1 9 8 5 年，c i m i n i 把o f d m 的概念引入移动通信系统”1 ，打开了无线o f d m 系统发展的大门，0 f d m 利用逆快 速傅立叶变换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( f f t ) 来实现调制和解调，是实现复杂度最 低，应用最广泛的一种多载波传输方案，o f d i 技术在4 g 中的应用也在广泛的讨论 中”“1 。除了0 f d l 之外，人们还提出了许多其它的实现多载波调制的方式，如矢 量变换方式”1 ，基于小波变换的d w m t 方式p “1 ，采用滤波器组的滤波多音( f m t ) 调 制方式”“等，这些实现复杂度相对较高。 2 2 无线信道的特征 2 2 1 无线信道的干扰 在移动无线信道中，传输信号将受到各种干扰： ( 1 ) 多径干扰由于自然或人为的物体产生反射、散射和衍射，传输中的电磁 波会发生多径传输。因此，在接收天线接收到许多不同方向的，具有不同的延迟、 衰减和相位的波，这些波使得合成接收信号的振幅和相位发生变迁。 ( 2 ) 多普勒扩展它是由在无线信道中的移动物体造成的。 接收波在相位和 幅度的变化导致时间变化的多径传播，甚至在波长顺序小的变化都会导致合成波 的不同，由时间变化的多径传播引起的信号强度变化称之为快衰落。 ( 3 ) 阴影传输波被山、建筑物、墙和树阻挡，导致信号强度的衰减。相比快 衰落，远距离将引起阴影位置显著的变化。这种因为阴影导致的信号强度变化被 称之为慢衰落。 ( 4 ) 路径损失路径损失表示根据接收端与发射端之间的距离引起平均信号 功率的衰退。在自由空间，平均信号功率随基站( b s ) 与终端站( t s ) 之间距离 平方减少，在无线信道中，存在着非线性信号路径，信号功率的衰减高于一般情 况，它根据距离的3 次方或5 次方衰减。 2 2 2 无线信道 无线信道的信道特征可用时间变化信道的脉冲响应而( f ，f ) 或 ( r ，r ) 的傅立叶变 换h ( f ，t ) 来表征，信道的脉冲响应表示由于在 一f 时刻输入脉冲信号，在t 时刻 信道的输出响应。无线信道可看作一个广义静态随机过程，也就是在一段短的时 间内或一个小的空间距离内，信道的衰落统计保持为一一个常数。在多径传播的环 硕士学位论文 境中，信道的脉冲响应由通过v 。个不同路径接收的大量分散脉冲组成邮1 。 一l ( f ，r ) = e x p ( ，( 2 石厶，r 十) d p f p ) ( 2 1 ) 口2 0 各参数意义如下： ：幅度； o 即：多普勒频率； 砟：相位； 7 p ：传播延迟： 信道的传输方程m 为： ( ，f ) = 艺8 h 2 “矗州 ( 2 2 ) 删 延迟是通过测量接收机的第一个可测量路径获得。多普勒频率依赖终端站的 移动速度v ，光速c ，载波频z 和分配给第p 条路径的入射角口。 厶，：型 ( 2 3 ) 与信道传输方程相关的信道脉冲响应显示于图2 1 中。 j l ( 霸 岫虬1 卜啼t h m 图2 1 僭逼脉冲晌应 在频率选择性无线信道中，作为延迟f 的一个方程，延迟能量密度谱p ( f ) 给 出了信道输出的平均能量，平均延迟；，均方根延迟，最大延迟都是延迟 能量密度谱的特征参数，平均延迟是 。一l o o ， f = 专 ， ( 2 4 ) q ， 工一一一p 舾0 o p 刊口pr ( 2 5 ) 均方根延迟扩展定义为 ”2 ( 2 6 ) 同样，多普勒能量密度谱s 魄) 以无线信道的时域变化为特征，作为多普勒频 率，一个方程，给出信道输出的平均能量。多径信道的频率色散特性被最大多普 勒频率厶一和多普勒扩展量化，多普勒扩展是多酱勒能量密度谱的带宽， 可达到l ，d l 的两倍。 氏“2 l 厶。i ( 2 7 ) 2 2 3 信道衰落统计 衰落过程的统计是信道的特征，对于信道模式参数说明是很重要的。假设在 信道中有大量分散信号，这些信号对接收端的信号起作用，由此得到一个简单而 经常使用的方法。应用中间有限定理可推导出一个信道脉冲响应的复值高斯过程。 在缺乏l o s 或统治器件时，这过程是一个零均值过程。相关的信道传输方程大小 是随机可变的，由a 简单表示的，根据p ( a ) 指定的瑞利分布。 d = d ( ，f ) 刊日( ，o l ( 2 8 ) p ( 口) ：罢e 。， ( 2 9 ) 这里q = 联口2 ) 是平均能量，相位在( o ，2 万) 之间非规则分布。 多径信道除了随机移动的散射体外，还包含一个l 0 s 或d o m i n a n tc o m p o n e n t ， 信道的脉冲响应能不再被当做零均值过程。在假设信道的脉冲响应为复值高斯过 程时，信道的传输方程的大小是由p ( a ) 给定的莱斯分布。 砌) = 告e 巾2 ，n + 厶( 2 一鲁) ( 2 1 0 ) 莱斯因子k 由主通路与散射通路的能量比值来决定，i 是零序可更改的贝塞 尔方程的第一种，相位在( 0 ，2 疗) 之间非规则分布。 2 2 4 符间干扰( i s i ) 和载波问干扰( 1 c 1 ) 当相邻数据符号由于不同传播路径有不同的延迟产生相互重叠和干扰，时延 扩展会导致码间干扰。单载波调制系统的干扰符号数量由埘给出。 n i s l m $ w 2 ( 2 1 1 ) 硕士学位论文 对于低符号延迟乃( 乃 。，信道将产生可忽略的i s i 。 当每个传输符号的延迟随载波数n 增加而增加，累计i s i 随之而减少。多载波调 制系统的相互干扰符号数由n 给出。 rf ，。“一。= i 音争| ( 2 1 2 ) l “一dl 剩余的i s i 能被保护间隔消除。 在使用单载波调制的无线信道中，最大的多谱勒扩展远小于两相邻信道的距 离，以至相邻信道的干扰对多谱勒扩展的影响对单载波系统来说，是不需要考虑 的问题。对于多载波系统，子载波信道占据的宽度f 会很小，以至多谱勒响应会 导致显著的i c i 。如果所有子载波都被多谱勒频移f 影响，这个多谱勒频移能被 接受机补偿，i c i 就可避免。然而，如果多谱勒扩展按几个子载波的空间比例发 生，i c i 可能会极大的降低系统的性能。为了避免由于i c i 或具有i c i 均衡的很 复杂接收机引起的性能下降，子载波空间f 应该选择 e 厶。( 2 1 3 ) ，以至由多谱勒扩展引起的后果可以被忽略。尽管如此，如果选择设计一个多载 波系统，其多谱勒扩展以子载波空间递增或更高，这时，可使用一个频域的r a k e 接收机，通过频域的r a k e 接收机，r a k e 的每一个分支可解决不同的多谱勒频率。 表2 1 抗干扰技术 项目 影响的性能采用的技术 阴影衰落 接收信号强度衰落储备 多径时延扩展 i s i 均衡 不可恢复差错率直接序列扩频 正交频分复用( o f d m ) 定向天线或智能天线 快衰落误比特率差错控制编码 误分组率调频技术 跳频扩频技术 分集技术 交织技术 角度扩展空问相关性多天线( m i m o ) 技术 神经网络抑制无线通信干扰的研究 电波在传播过程中会产生诸如信号覆盖范围、阴影衰落、多径衰落和多谱勒 扩展及其角度扩展等问题，针对这些问题，在系统设计、规划与部署的时候，需 要有针对性的进行处理，特别是在物理层和链路层采取相应的措施来加以改善， 表2 1 总结了可能采取的技术。 2 3 多载波通信 为了抑止无线信道的干扰，更有效的传输数据，1 9 世纪前，人们提出了频分 复用( f d m ) 技术，它把可用带宽分成若干相互隔离的子频带，同时分别传送一路低 速信号，从而达到信号复用的目的。这种传输方式的复杂性比较高，因为各子载 波都需要自己的模拟前端，同时为了使得接收机可以区分各子频带，各予频带之 间必须有足够的间隔，从而避免经过信道后发生频谱混叠，所以频谱利用率通常 很低。 多载波调制技术( m c m ) 是频分复用技术的一种，它把一高速数据流分解成几 个并行的低速数据流，每个低速数据流用一个子载波来传送。因为在每个子载波 上的符号速率远低于初始的符号速率，延迟扩展( 例如i s i ) 的影响被大幅度降 低，同时减少了均衡器的复杂度。在多载波调制中，对信号的处理多数是在频域 内完成的，当子信道的数目很多时，每个子信道都可看作是一个无符号间干扰的 子信道，接收端不需要采用复杂的信号处理技术即可实现各子信道的无i s i 信息 传输，而且还可以根据每个子信道的衰落情况来动态调整每个子信道上所传输的 信息比特数。实现多载波调制的方法有多种：如矢量编码方式、小波变换方式、 结构化信道信号方式( s c s ) 、滤波多音方式，以及0 f d m 方式等。其中0 f d i 是一 个使用数字信号处理来高效实现多载波技术的低复杂度技术。 2 3 1 正交频分复用( 0 f d m ) o f d m 是一种特殊的多载波传输技术，既可以被看作是一种调制技术，也可以 被当作一种复用技术，它是对多载波调制的一种改进方案，其特点是各子载波相 互正交，因此扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波之间的相互干 扰，还大大提高了频谱利用率”。在m 个子载波上传输m 个复值源符号& ( n = o m 1 ) ，源符号可在信源和信道编码，交织和符号映射后获得。串行数据 符号的源符号延迟乃和经过传并转换后的o f d m 符号延迟t 关系如下： = 札乃 ( 2 1 4 ) o f d m 的原理“”是在具有只= l z 频宽的子载波上调制虬个子数据流，以取得 硕士学位论文 圯个子载波上信号之间的正交性。这m 个平行调制的源符号最称为一个0 f d m 符 号由矩形脉冲形状封装的o f d m 符号为”： 札 x ( f ) = 吉最p “。，o f t ( 2 _ 1 5 ) on 1 0 虬个子载波频率位于z = 甩l ，n = o ，m 一1 。 图2 2 描述了规范化的0 f 蹦符号的功率密度谱与规范化的频率玛的比较。 注意，在这副图中，功率密度谱被平移到中心频率，每个符号最以相等的功率传 输。点曲线说明第一个被调制子载波的功率密度谱，并指出作为札个功率密度谱 范围总和的总功率密度谱的结构，每个功率密度谱被平移了只。对于大的c 值， 功率密度谱在包含札个子信道的频率范围内( 一0 5 s 蜴s o 5 ) 变得平坦。构成功 率泄漏的是边带附近的子信道，因此，当m 值很大时，功率密度谱逼近采用理想 奈奎斯特滤波的单载波调制。 使用o f d m 的主要优点是它可在离散域内通过i d f t 实现，或者使用计算效率 更高的i f f t 实现。当以1 ，z ：f 数率采样一个o f d m 符号的复值封装x ( t ) 时，其采样 值为： 1 肛 _ = 古鼠p 皿”“心，v = o ，札一1 ( 2 1 6 ) n 响瑚m 一俩掣恸c y 图2 21 6 个子载波的0 f d m 频谱 神经网络抑制无线通信干扰的研究 0 f d m 图2 3 应用o f 洲的数宇多载波传输系统 采样序列耳是源符号序列最的i d f t 。图2 3 显示了基于i d f t 应用o f d m 多 载波调制和基于d f t 的反o f d m 多载波解调。随着子载波数量的增加，o f d m 符号的持续时间t 相对于信道脉冲晌应持续时间逐渐增大，i s i 的总和逐渐减 少。 然而，要完全避免i s i 的影响，并且维持子载波信号间的正交性，避免i c i ， 保护间隔的持续时间t ( 巧) 必须被插入相邻o f d m 符号之间a 保护间隔 是每个o f d m 符号的循环扩展部分，这些o f d m 符号的持续时间被延长。 i = 疋+ t + ( 2 1 7 ) 为了防止i s i ，由( 2 1 2 ) 和( 2 1 4 ) 可知保护间隔的离散长度k 需满足 气l 丘孝i a 具有循环扩展的采样序列表示为： = 寺最p 且”，v = 一k 札一1 ( 2 1 8 ) 这个序列通过一个d a 转换器，这个d a 转换器的输出是具有一持续时间的 x n ) 的信号波形，这个信号被上变换，同时r f 信号在信道中传输。当r f 信号下 变换后，信道的输出y ( f ) 是x ( t ) 与信道脉冲响应 ( f ，r ) 的卷积与附加噪声信号h ) 的和。 y ( f ) = ix o r ) 而( r ，f ) d f + 胛( f ) ( 2 1 9 ) 接收信号) ，o ) 通过一个a d 转换器，其输出序列只( v = 一k ，虬一1 ) 是以1 乃 速率对接收信号一( f ) 的采样值。因为i s l 只存在于接收序列的前三。个采样值内， 这t 个采样值在多载波解调前被移除。儿中不受i s i 影响的部分( v = o ，圮一1 ) 被用d f t 的反0 f d m 进行多载波解调。d f t 的输出是多载波解调序列 r = o ，c 一1 ) ，r 包含m 个复值符号。 0 一l b = 只e 巾“，n = o 虬一1 ( 2 2 0 ) 归0 保护间隔可避免i c i ，所以每个子信道能被分开考虑。更进一步，当假定每 个