移动通信的抗干扰技术研究——徐慧军教材

1、东华大学研究生课程论文封面教师填写：得分任课教师签名年月日学生填写：姓名 徐慧军学号 2121134专业 电子与通信工程导师 许武军课程名称 现代通信技术任课教师 陈光课程学分 2上课时间 20 12 至 20 13 学年 第 二 学期 星期 四递交时间 2013 年 5 月28 日本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本 人独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。 论文为本人 亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：移动通信的抗干

2、扰技术研究 专业：电子与通信工程 姓名：徐慧军 学号： 2121134 1 引言在第三代移动通信系统中除了大量的环境噪声和干扰以外， 还有 大量的电台产生的干扰，如邻道干扰、公道干扰和互调干扰。第三代 移动通信系统的主流标准 WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2都00采0用了码分 多址方式， CDMA码分多址系统是一个干扰受限制系统，在信息的传 输中，存在着多址干扰，多径干扰和远近效应。任何能提高系统抗干 扰性能的技术都能提高 CDMA的系统容量，本文针对移动通信中存在 的各种干扰，对第三代移动通信系统采用的抗干扰关键技术进行了介 绍。这些技术包括： 空分多址智能天线技术， 用于抗多径干扰

3、的 RAKE 接收技术，抗多址干扰的联合检测技术，频域内的抗干扰跳频技术， 特别地详细介绍了跳频的关键技术。2 智能天线智能天线利用多个天线阵元的组合进行信号处理， 自动调整发射 和接收方向图， 以针对不同的信号环境达到最优性能。 智能天线是一 种空分多址（ SDM）A 技术,主要包括两个方面：空域滤波和波达方向 （DOA）估计。空域滤波（也称波束赋形）的主要思想是利用信号、 干扰和噪声在空间的分布， 运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪 声，以获得尽可能好的信号估计。智能天线通过自适应算法控制加权， 自动调整天线的方向图， 使 它在干扰方向形成零陷， 将干扰信号抵消， 而在有用信号方向形成主

4、 波束，达到抑制干扰的目的。 加权系数的自动调整就是波束的形成过 程。智能天线波束成型大大降低了多用户干扰， 同时也减少了小区间 干扰。3 2D-RAKE接收机3.1 2D-RAKE 接收机原理 智能天线抑制干扰的能力在多数情况下受天线阵元个数的限制， 且当感兴趣信号存在多个非相关多径时，阵列只保留其中的一路信 号，而把零陷对准其它信号，这样，阵列能够减小由非相关多径带来 的干扰，但未能发挥路径分集的优势，因而是次最优的。为此，联合 时域和空域处理的接收技术成为研究的热点。当信道存在多径时延扩展， 且时延大于一个码片周期时， 这些多 径信号既是多径干扰，又是一些有价值的分集源 , 由此产生了

5、2D-RAKE 接收机。目前 2D-RAKE接收机讨论最多的是应用在 WCDM上A 行链路。空时 RAKE接收机首先对存在角度扩展的多个路径分量进行波束 成型，以降低 DOA可分辨的其它用户信号产生的多址干扰或期望信号 的非相关多径分量， 然后将经过空间滤波后的信号送入 RAKE合并器， 以充分利用延迟可分辨的期望信号的多个路径的能量。 空间波束形成 旨在衰减干扰信号，而时间多径合并旨在利用有用信号。与时域和空域一维干扰抑制不同的是， 空时二维干扰抑制不再使 用强迫置零条件，而是考虑噪声的存在，使用优化准则。空时处理有 名的优化准则有两个， 一个是空时最小均方误差准则， 另外一个是空 时最大似

6、然准则（习惯上称作最大似然序列估计 MLSE准则）。3.2 2D-RAKE 仿真环境参数设置和假设WCDM上A行链路， IMT-2000 车载 A 信道模型，天线阵天线采用 8 阵元均匀线阵，阵元间隔为 1/2 。物理层参数符合 WCDM要A求：1） 载波频率： 2GHz ；2）Chip 速 率： 3.84Mcps ；3）采样速率： 3.84*8=30.72Msps ；4）OVSF扩频： DPDC（H16），DPCC（H256）；5）不考虑信道编码和交织； 6）用户 Kasami 码加扰3.3 仿真结果分析：（1）当天线无过载时（用户数小于 8）， 2D-RAKE接收机比传统 RAKE接收机有

7、明显的性能改善，能有效的对抗多址干扰。（ 2）传统 RAKE接收机在没有信道编码时 4 用户，由于多址干扰 严重，BER在 10-1 出现地板效应，而 2D-RAKE接收机则可以达到 10-2 以下的性能，但在 10-3 出现地板效应。如要获得更好的性能，必须 依靠信道编码技术。4 联合检测技术 传统的接收技术是针对某一用户进行信号检测而把其他用户作 为噪声加以处理，在用户数增多时，导致了信噪比恶化，系统性能和 容量都不如人意。 联合检测技术是在传统检测技术的基础上， 充分利 用造成多址干扰的所有用户信号及其多径的先验信息 （信号之间的相 关性时已知的：如确知的用户信道码，各用户的信道估计）

8、，把用户 信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成， 从而具 有优良的抗干扰性能， 降低了系统对功率控制精度的要求， 因此可以 更加有效地利用上行链路频谱资源， 显著地提高系统容量， 并削弱了 “远近效应”的影响。5 智能天线结合联合检测（ SA+JD）在 TD-SCDM中A 的应用5.1 SA+JD 的工作原理TD-SCDM系A 统结合使用了智能天线和联合检测技术： 1）智能天 线消除小区间干扰，联合检测消除小区内干扰，两者配合使用；2）智能天线缓解了联合检测过程中信道估计的不准确对系统性能恶化 的影响； 3）当用户增多时，联合检测的计算量非常大，智能天线的 使用减少了潜在的多用

9、户 ; 4 ）智能天线的阵元数有限，对于 M个阵 元的智能天线只能抑制 M-1 个干扰源，而且所形成的副瓣对其它用户 而言仍然是干扰，只能结合联合检测来减少这些干扰； 5）在用户高 速移动下， TDD模式上下行采用同样空间参数使得波束成型有偏差； 用户在同一方向时， 智能天线不能起到作用； 还有对时延超过一个码 片的多径造成的码间干扰都需要联合检测来弥补。5.2 SA+JD 仿真环境参数设置：TD-SCDM上A 行链路 ,单小区， IMT-2000 的室内、步行和车载 A信 道模型，天线阵天线采用 8 阵元均匀线阵，阵元间隔为 1/2。物理层参数符合 TD-SCDM要A 求：1）载波带宽 1.

10、6MHz ；2）Chip 速率： 1.28Mcps； 3）不考虑信道编码和交织 。5.3 仿真结果分析 仿真结果表明，通过智能天线和联合检测相结合， TD-SCDMA系 统能在 ITU 要求的三种多径环境下工作在满码道， 同时具有较好的抗干扰性能6 跳频通信技术无线电通信是战时通信的必备手段， 但是，传统的无线电通信都 是在某一固定频率下工作， 很容易被敌方截获或施加电子干扰， 从而 使通信失灵。跳频通信就是针对传统无线电通信的弊端， 使原先固定不变的无 线电发信频率按一定的规律和速度来回跳变。从抗干扰通信角度来 看，跳频通信是靠载频的随机跳变来躲避干扰， 将干扰排斥在接收信 道以外来达到抗干

11、扰的目的， 避免敌方电台的测向和干扰。 跳频通信 技术在抗干扰通信方面的突出优势，使其在通信装备中得以广泛应 用，并且成为超短波通信装备的主要抗干扰技术。跳频技术不仅是抵御外来干扰的能手， 而且对于抑制远距离无线 电通信本身所造成的多径干扰也十分有效。 因为采用跳频技术后， 由 于在主波波束己被接收， 而其他径向波束尚未到达接收机时， 发送和 接收载频早已跳到别的频点上， 因而避免了多径效应对通信质量的影 响。6.1 跳频通信的关键技术1 跳频图案 用来控制载波频率跳变的地址码序列通常称为跳频序列。 在跳频序列 控制下，载波频率跳变的规律称为跳频图案。2 频率合成嚣 跳频通信系统的可变频率合成

12、器是系统的核心部分， 跳变频率的总和 与跳频速率决定了系统的抗干扰能力。 从原理上说， 跳频通信系统的 可变频率合成器与普通的频率合成器没什么不同， 但有两个特点。 一 是受跳频序列控制， 跳频数增加则扩展的频率越宽， 系统的处理增益 就越大；二是能足够快的跳变频率， 使系统能够很快的从一个频率跳 到另一个频率，躲避来自外部的转发性干扰。3 同步技术对跳频系统来说， 同步就是收、 发两端的频率必须具有相同的变化规 律， 即每次跳变频率上有确切严格的对应关系。具体而言，要求做 到以下两点：一是使表示接收机的跳频图案与发射机跳频图案相一 致，这样才能通过混频器 （相乘）来完成解跳。 二是提取接收信

13、号的载 波频率，用它对接收信号作相关检测，解调信息。6.2 对跳频通信的干扰跳频通信干扰的四个必要条件（1）时域条件： 由于频率跟踪瞄准式干扰是实时测量出跳变的频 率，并在该频率上发射干扰信号， 因为干扰设备反应时间和电波传播 时间的影响， 干扰信号的发射时间总是滞后于通信信号。 在信号频率 的驻留时间内，只要有 50 的时间被干扰，就可以达到有效干扰。 这就要求从干扰设备的引导接收机截获到信号， 到干扰信号到达接收 机的总延迟时间，必须不小于信号驻留时间的 5O。（2）空域条件：是指跳频通信发信机、接收机以及干扰机所处的 地理位置应该满足的数学关系。为了有效地干扰跳频系统， 在通信频率跳到新

14、的频率之前， 干扰机必 须完成从侦听到施放干扰的全过程(3) 频域条件：干扰频谱与跳频通信信号中携带信息的频谱相重 合，这样，在频域就难以将二者分开 干扰机采用线性宽频带实时测 出跳变频率，在进行处理前进行验证比对，看是否满足相等条件，满 足则实施干扰信号发射， 不满足则继续搜频。 被干扰的佶道数占跳频 总信道数的比例与跳速和信号形式有关， 但是，无论哪种跳速和信号 形式， 只要干扰了 5O以上的信道，都可以达到有效干扰的目的。(4) 能域条件：一般情况下，干扰信号应具有压制敌方通信所需 的干扰频率。对跳频通信最有效的干扰是以下三种：(1) 窄带频率瞄准式干扰。用于干扰单个信道的窄带干扰。窄带

15、 频率瞄准式干扰， 先由引导接收机搜索截获并分析信号，然后选择 最好的干涉样式启动发射机开始按照需要功率进行干扰， 在某一个频 率上施放长时间的大功率的干扰， 即单频 干扰。(2) 拦阻式干扰。用于干扰一个频段内多个信道的宽带干扰。拦 阻式干扰，先进行线性扫频，然后根据扫到的频率范围，实施连续拦 阻式干扰或者梳状拦阻式干扰。 它按频率范围分为全频段和部分频段 干扰。(3) 频率跟踪瞄准式干扰。这种干扰方式是实时测量出跳变的频 率，并且它结合了窄带频率瞄准式干扰和拦阻式干扰的优点， 采取一 种折中的方法， 即也采用窄带干扰，避免了拦阻式干扰由于干扰功 率分散在很宽的频段上而需要很高的干扰功率，由

16、使用了全频段扫 描，采用跟频干扰，提高了窄带频率瞄准式干扰的灵活性。6.3 跳频技术在商业移动通信中的作用在业务密集区， GSM系统的容量受频率复用产生的干扰限制，相 对载干比可能在呼叫之间有很大的变化。 载波电平一般随移动台与基 站的距离及相互间的障碍情况变化而变化。 而干扰电平则在很大程度 上依赖于邻近小区的同频干扰。 由于系统的目标是尽可能满足更多用 户的要求，当不选用跳频时，若某一频点出现干扰，当某用户占用该 频点时就会造成通话质量下降， 而使用户难以接受， 若干扰是连续的， 很容易造成质量差掉话。 当使用跳频时， 该干扰情况就会被该载波的 其他呼叫所共享，干扰被平均了，干扰不再处于连

17、续状态，而处于突 发状态，整个网络的性能将得到很大提高。经分析，使用跳频的网络 可比不采用跳频的网络高 3dB 的增益。 GSM系统中采用慢跳频技术， 跳频速率为 217 跳/ 秒，跳频在两个时隙间进行，一个时隙内用固定 频率收发，下一时隙用另一频率收发，以减小干扰的影响。7 第三代移动通信系统抗干扰技术的展望 联合检测用于解决多用户之间的干扰问题，而 RAKE接受用于解 决多径干扰问题， 两者虽然不能直接比较， 但实现上可以研究在联合 检测前加上 RAKE接收的算法。此外，第三代系统对多普勒频移的要 求更加严格，如何增加 RAKE接收机的分支数目，对多径进行有效地 分离、调整、选择与合并，需要更加深入地研究。由于系统的复杂度和成本考虑， 智能天线和联合检测这两种技术 主要在基站采用， 下一步探索在移动终端使用 2D-RAKE或者干扰消除 （IC）的可行性。 此外学术界还提出了下行链路的多用户传输技术 - 联合发送（ JT），即把联合检测转到发送端来执行，旨在提高下行链 路的实际数据传输速率和简化移动台的设计。参考文献：【1】浅谈无线电通信抗干扰技术孙德轶 许玉昆 . 经济技术协作信 息-2008 年 17 期【2】清华大学移动通信教程第 10 讲-抗干扰【3】