时间反转技术在无线通信抗干扰中的应用.doc

时间反转技术在无线通信抗干扰中的应用*熊兴中1,2 ,胡剑浩1（1. 电子科技大学通信抗干扰国家重点实验室 成都 610054；2.四川理工学院 自贡643000）摘要 时间反转技术是一种空间信道匹配新技术，具有空间及时间聚焦特性，在克服码间干扰、共道干扰和多址干扰等方面具有独特的优势。本文简要介绍了时间反转技术的基本概念及其空间和时间聚焦特性，通过与一些传统抗干扰技术的对比分析，总结了时间反转技术在无线通信抗干扰中的应用及研究进展,同时指出了今后的研究方向。关键词时间反转；码间干扰；共道干扰；多址干扰1引言无线通信系统的传播环境相当复杂，常常遭受各种干扰的影响，其中比较典型的有多址干扰（MAI）、共道干扰（CCI）和码间干扰（ISI）等，为了提高无线通信系统信息传输的可靠性，对抗和减少这些由不同机理所产生的有害干扰的影响，人们提出了各种通信抗干扰抑制技术，保护通信系统在干扰环境下能准确、实时和不间断地传输信息。CDMA技术是第三代移动通信系统（3G）的核心技术，得到了广泛的应用。目前在3G系统中采用的是直接序列扩频技术，这种DS-CDMA 系统在实际应用中并没有完全发挥出CDMA 在容量上的潜在优势。在直接序列扩频通信系统中，由于多个用户的随机接入，各个用户所使用的扩频码一般不能保证严格正交，且与用户间很难做到严格同步，从而使非零互相关系数引起各用户间的相互干扰，这种干扰称为多址干扰1,2。多址干扰严重影响了接收性能与系统容量，在DS-CDMA系统的接收端，通常运用匹配滤波器来尽量减少多址干扰。随着CDMA系统容量的扩大，MAI问题日益严重，影响到3G及未来移动通信系统容量及频谱利用率的进一步提高，因而多用户检测技术成为当前和未来移动通信的关键问题之一。近几年来，为了消除这种干扰，许多研究人员对迭代多用户检测进行了广泛的研究。2002年香港城市大学的李坪教授提出了IDMA（interleave division multiple access，交织多址接入）的概念3，在IDMA系统中，交织器作为区分用户的惟一手段，对不同的用户采用不同的交织图案，在码片级迭代多用户检测的作用下进行软干扰抵消，从而实现抑制和消除MAI。但IDMA迭代多用户检测的收敛速度随着用户数的增加变得非常缓慢，这不利于高速数据传输，成为IDMA迭代多用户检测的速度瓶颈。另外，在无线通信系统中，各种物体对传输信号的反射导致了多径传播，由于不同传播路径具有不同的、随机的延迟特性，因而信号到达的时间不一致，致使发射端发射的一个脉冲信号在接收端接收的信号中不但包含该脉冲，而且包含它的各个时延信号，从而产生码间干扰。ISI是无线通信系统设计必须考虑的问题，特别是高速传输的环境中。消除ISI的典型手段有信道均衡技术和正交频分复用（OFDM）技术等。其中信道均衡的复杂度随归一化信道色散长度L（L=最大多径时延/符号周期）的增加而增加，当数据速率较低时，L较小，均衡器的实现是可行的；当数据速率较高时，L较大，均衡器的实现将变得复杂而难以实现。多载波传输技术是解决上述问题的途径之一，其中又以OFDM最为常用，在OFDM中，信道的多径扩展使得OFDM信号的各个子载波在接收端不再正交，产生ISI和CCI。解决多径扩展的一个有效办法是在OFDM符号中加入足够宽的时间保护间隔，便可全部或部分消除ISI的影响4，但随之而来的是数据速率的降低。对来自不同网络但与需要信号工作在相同频带的信号所产生的干扰通常称为共道干扰。如蜂窝移动通信系统中来自相邻蜂窝的干扰，这是蜂窝系统中使用FDMA的主要限制，也是第二代系统中不使用FDMA的主要原因。目前比较典型的抑制CCI的技术手段是智能天线5。由上可见，为了应对不同的干扰，常常需要将多种技术有机结合，致使系统的复杂度大增，不利于设备的简化及成本的降低。时间反转技术作为一种具有空间信道匹配功能的新技术，该技术充分利用信道状态信息来抑制干扰，时间反转不但实现简单，而且具有抑制码间干扰、共道干扰和多址干扰的能力 615，在抗干扰方面性能突出。本文通过与传统的RAKE接收、智能天线和信道均衡等抗干扰技术的对比分析，简要介绍时间反转技术的基本概念以及时间反转的空间和时间聚焦特性，分析总结时间反转技术在无线通信抗干扰中的应用及研究进展。2时间反转2.1时间反转的基本原理时间反转是光学中的相位共轭法的引申，频域中的相位共轭可用时域中的时间反转来实现。根据收发单元的特点，将时间反转分为无源时间反转和有源时间反转，它们的区别是无源时间反转只需要接收单元，不用再发射，而有源时间反转需要收发配合。在无线通信系统中使用的时间反转一般可称为无源时间反转，基本工作过程是，首先在基站接收端估计信道冲激响应，然后得到信道冲激响应的时间反转的共轭形式，最后用信道冲激响应的时间反转的共轭形式作为预处理器的传输函数，如图1所示，其基本工作原理如下。为了简化讨论，仅考虑一维时域空间，假设hk(t)为信道冲激响应，h*k(-t)为信道冲激响应的时间反转的共轭形式，则有： y(t)=hk(t) h*k(-t) （1）其中表示卷积，当k=k,y(t)就是hk(t)的自相关函数，否则y(t)就是hk(t)与hk(t)的互相关函数。不同用户间的信道冲激响应一般是不相关或弱相关的，利用这一特性时间反转技术可以削弱多址干扰和共道干扰。假设某一多径信道具有3条路径，其延迟时间分别为0、T1、T2，码片宽度为Tc，其中T1TcT2，其信道冲激响应及其时间反转的共轭形式如下：hk(t)=hk0(t)+hk1(t-)hk2(t-)（2） h*k(-t)=h*k0(t)+h*k1(t+)+h*k2(t+2) （3）则有y(t)=hk(t)h*k（t） =hk(t)hk1(t)hk(t)h*k0(t)+h*k1(t+)+h*k2(t+2) =hk0h*k2(t+2)+hk0h*k1(t+)+hk1h*k2(t-1+2) (hk0h*k0+hk1h*k1+hk2h*k2)(t)+hk2h*k1(t-2+1) +hk1h*k0(t-1)+hk2h*k0(t-2) （4）式（4）是在单入单出的情况下得出的结果，可见，y(t)的主瓣较强（式（4）中的第4项），其中各条路径均对其有贡献，与时延大小无关，并且能将所有的多径加以利用。在多径信道中，增加天线数有助于增强时间反转处理的空间及时间压缩，即表现为hk(t)的自相关函数的主瓣得以增强，旁瓣得以削弱，因为多径的影响，各天线的信道冲激响应的旁瓣出现的位置不同，天线数增加时，各天线旁瓣通常不能同相相干叠加，而所有天线接收信号的最大值在同一时刻到达并同相相干叠加，幅度远大于旁瓣，这也就是在使用时间反转时通常配置为多入单出的天线结构，即TR-MISO技术。2.2时间反转的特点从对多径的处理效果来看，时间反转处理与RAKE处理类似，但处理效果及结构并不一样。首先，在实现时间分集增益方面，时间反转处理比RAKE处理更有效，因为从时域观点看，时间反转处理可以将绝大部分的多径能量加以利用，当且仅当RAKE处理将所有多径都搜索到时，其性能才与时间反转处理的性能相当。因为RAKE处理是一种典型的时域一维处理方案，其接收性能受信道分辨率的限制，只能分离时延超过一个码片宽度的不相关多径信号，对时延小于一个码片宽度的相关多径信号无法分辨，而时间反转处理对多径之间的时延间隔没有要求，时间反转处理可以利用更多的多径信息。如式（2）所示，其中时延小于一个码片宽度的多径hk1(t)在RAKE处理中无法分辨，就不能加以利用，在时间反转处理中则可充分利用，如式（4）中的第4项所示。其次，在空间分集增益方面，一个时域多径分量实际上是由多个多径信号组成的，尽管这些多径信号在时域上是不可分辨的，但它们的空域特征却是有差别的，即它们的到达方向（DOA）是不同的。对不同DOA的多径信号在式（4）中虽未能表现，但这些多径信号用RAKE处理无法利用，而用时间反转处理则可充分利用。最后，RAKE接收采用的是先分离多径信号，分别接收然后加权合并的工作模式，随着多径数的增加RAKE的实现结构变得越来越复杂，时间反转处理的结构相对简单且不存在路径搜索。从空间聚焦效果来看，时间反转处理的空间聚焦与空间匹配滤波或数字波束形成、智能天线技术类似，时间反转处理与智能天线技术对通信系统性能改善的共性主要表现在以下几个方面： 减轻时延扩展及多径衰落； 减小共道干扰； 提高频谱利用率，增大系统容量； 扩大小区的覆盖范围； 提高发射效率，降低发射功率，节省系统成本。但是，时间反转处理的空间聚焦与空间匹配滤波或数字波束形成、智能天线技术并不一样。从结构看，时间反转处理比空间匹配滤波简单，其中空间匹配滤波在蜂窝移动通信系统的使用，为从空间角度上区分用户信号提供了可能，智能天线技术利用数字波束形成技术产生空间定向波束，使天线波束主瓣对准期望用户信号到达方向、旁瓣或零点对准干扰信号到达方向，达到高效利用期望信号并消除或抑制干扰信号的目的，从而提高系统容量和通信质量，因此成为适应第三代移动通信系统要求的重要技术。但利用智能天线技术形成数字波束时存在加权系数的调控，以便产生空间定向波束，而时间反转处理只是根据时分复用的特点进行信道冲激响应的跟踪。从处理效果看，时间反转处理具有时间分集和空间分集，而空间匹配滤波主要是空间分集。一般来说，时间反转预处理器工作于单径信道时，完成相当于空间匹配滤波的功能。时间反转预处理器工作于多径信道时，完成类似于空时匹配滤波的功能，此时相当于空间匹配滤波与RAKE处理共同作用的效果，即完成信号的空间及时间聚焦。所以时间反转处理既不能单纯地看成是空间匹配滤波，也不能单纯地看成是时域里的RAKE处理，时间反转处理具有空时共同分集作用的效果。另外，与传统的改善接收信号质量和链路性能的信道均衡技术相比，信道均衡技术是用来削弱多径引起的符号间干扰，均衡器从调整参数至收敛，需要额外的数据传输及处理时间，增加了用户接收器的复杂度。同时信道均衡的复杂度与信道多径数有关，信道多径数越大则信道均衡实现成本就越高，这也是与时间反转处理不一样的地方。当然时间反转处理方法会带来一些不希望的多径成分，但这些多径成分都很微弱，借助于不同用户信道冲激响应间的弱相关性和不同路径信道冲激响应间的弱相关性，可以将这些不希望的多径成分加以削弱，也就是说时间反转处理方法带来的不利因素可由其自身的特点加以克服。3时间反转在无线通信抗干扰中的研究现状时间反转技术在20世纪90年代中期由M.Fink率先提出，随后时间反转技术被广泛应用于各种领域，在水声通信中，应用时间反转技术解决未知的水下复杂环境所造成的多径效应而导致的码间干扰以及海洋中各种噪声的影响，从而大大简化了水声通信信号的处理复杂度，避免了复杂的信道自适应均衡、窄波束通信等16。在探地雷达方面，为了探测地下的某一目标，在周围环境未知的情况下，常常很难探测到希望的目标，而时间反转技术的使用有助于获得地下目标清晰的图像17。在医学超声波领域，应用时间反转成像技术检测人体体内组织的病变18。在地球物理学中应用时间反转技术探寻地震的震源中心。可以说时间反转技术为在未知环境信息的情况下的信号传输及处理提供了新的有用工具。当前，无线通信系统正朝着高速、高效数据传输模式发展，多输入/多输出天线技术、宽带传输技术应运而生，但是多天线技术增加了发送及接收设备的成本，另一个选择就是应用宽带传输，宽带虽然有许多优势，但宽带传输意味着延迟将增加，而且有许多挑战，如信道估计、信道均衡等。时间反转技术除了应用于水声通信、探地雷达、超声波以及地球物理学等领域外，后来又引入到超宽带通信领域（UWB）以抑制多径效应引起的符号间干扰（ISI），以及多用户系统中的多址干扰和共道干扰。在超宽带系统中，为了不影响频谱范围内的其他通信系统,超宽带系统的发射功率受到了严格的限制。因此超宽带通信的中心问题是通过多径传播有效地接收发射机发射的信号,并有效地消除ISI, 将时间反转技术运用在多入单出(MISO)系统中可明显减少超宽带系统中的ISI,增强系统的接收性能。在一般的无线通信系统中，时间反转技术在抑制符号间干扰、多址干扰和共道干扰方面也有突出的优势，而且有利于简化接收设备的复杂度，增强通信的抗侦察能力，提高通信系统的私密性19，所以在保密通信和军事通信中也有广泛的应用前景。在无线传感网络中，有大量的传感器分布在相对较近的地方，应用协同通信可有效解决无线传感网络中的功耗问题，参考文献20,21给出了时间反转技术在无线传感网络协同通信中的理论优势及可行性。4存在的问题及展望从现有的应用可知，时间反转技术主要应用在固定无线通信的场合，这是因为在固定无线通信中信道状态信息的获取相对比较容易，而且系统的信道性能比较稳定。从这一角度来说，时间反转技术在无线局域网这样的无线通信中的应用就相对比较容易。但是无线通信除了固定无线通信，还有各种移动无线通信，时间反转技术在移动无线通信的应用目前还少有介绍。其中的关键问题是接收或发射设备的运动将导致多普勒频移，而运动的速度也可能从1 1 000 km/h内变化，这一问题如不能解决将直接影响时间反转技术在蜂窝移动通信中的应用。参考文献22在水下通信中应用波阵面的分割解决了接收设备运动导致的多普勒频移现象，其实验结果表明时间反转技术可以应用在水下设备在运动时的通信系统中，从而使时间反转技术在移动通信系统中的应用成为可能。但时间反转技术在蜂窝移动通信中的应用还有不少挑战，因为时间反转技术对信道估计、信道估计误差比较敏感。如何快速跟踪信道冲激响应的变化而进行信道估计，以及如何弥补信道估计误差对系统性能的影响等问题目前都还少有讨论。智能天线与RAKE接收技术结合起来组成空时二维RAKE（2D-RAKE）接收机能够弥补各自的不足，充分利用用户多径信号的空间与时间的可分辨性有效抑制多址干扰和对抗多径衰落，从而有效解决CDMA系统反向信道的容量受限问题。但是由前面的论述可知，时间反转技术与智能天线和RAKE接收技术既有相同点也有不同点。将时间反转技术与RAKE接收技术相结合构成新型空时2D-RAKE，这种空时2D-RAKE与传统空时2D-RAKE相比，结构简单、成本较低、实现更容易。另外，将时间反转技术与智能天线和RAKE接收技术有机结合，能充分发挥各自的优势，弥补各自的不足，也是一个不错的选择。所有这些都还有待进一步研究和探讨。参考文献1Proakis J G. 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