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无线通信传播反转模式分析

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本文作者:邵连单位:南京信息职业技术学院 江苏省南京市

在现代的无线通信系统中,由于所处的传播环境———电磁环境相当复杂,因此无线通信系统时常面临各种干扰的影响,这种干扰不仅有自然干扰,还有人为干扰。人为干扰又分为敌意干扰和无意干扰。敌意干扰通常体现在世界各国军事领域中的通信对抗,某方通过有意施放干扰,对敌对方的信息传输通道进行破坏,从而达到使敌对方的通信信号不能正常接收的目的。无线通信系统受到的干扰类型很多,最典型的有三种:MAI(多址干扰)、CCI(共道干扰)和ISI(码间干扰),对于干扰而言,干扰信号只有具备了合适的特性,包括频率、带宽、调制方式等,才能对通信方接收信号产生干扰影响。对敌意干扰而言,为了干扰通信方对信号的接收,通常先对通信方所接收的信号进行跟踪、侦察、分析,然后施放在频率域、时间域、空间域、电平域和速度域等各种特征与通信方所接收信号相吻合的干扰信号,即符合最佳干扰的基本准则的干扰信号,才能达到敌意干扰的目的。本文所指的无线通信系统所受到的干扰是指无意干扰,当无线通信系统处于外界电磁干扰威胁的环境中时,只要不是受到敌意方经过跟踪、侦察、分析后施放的最佳干扰信号,一般都能采用有效的抗干扰措施,从而保持无线通信系统正常的通信。

1无线通信中常见的抗干扰技术

1.1跳频技术(FH)

跳频技术作为一种较成熟的抗干扰技术,在民用无线通信系统中应用很广泛,抗干扰能力较强,是超短波通信装备的主要抗干扰技术。跳频通信的核心是采用了按一定的规律和速度来回跳变的无线电发信频率技术。与固定不变的无线电发信频率传统技术相比,跳频技术利用多频率频移键控进行码序列选择从而使载波频率不断跳变,达到频谱扩展的目的。通常而言,跳速的高低直接反应了无线通信跳频系统的性能,跳速越高无线通信系统抗干扰性能越好,跳速越低无线通信系统抗干扰性能越差;此外跳频带宽的增加也可以直接提高无线通信系统的抗干扰处理增益,跳频带宽越宽无线通信系统抗干扰性能越好,跳频带宽越窄无线通信系统抗干扰性能越差。因此,提高跳速、扩展跳频带宽是无线通信系统跳频技术的发展方向。随着无线通信技术的调制、编码技术,以及微电子、DSP(数字信号处理)技术和IT技术的迅速发展,跳频技术在目前正向自适应的方向发展。自适应跳频技术是指无线通信系统具有适应通信条件变化而进行自动跳频、并能避开跳频频率集中受干扰坏频点的能力。在无线通信自适应跳频系统中,自适应的类型很多,除了频率自适应外,还有功率自适应、速率自适应、分集自适应和自适应均衡等,但无线通信自适应系统的核心技术还是频率自适应,即无线通信自适应跳频系统通过实时地选频和换频,保证无线通信系统的通信线路一直工作在传播条件良好的弱噪声信道上。

1.2扩频技术

无线通信系统中通过应用扩频技术,可以把无线通信中施放和接收的信号隐藏在噪声中,通过对功率的有效调整对波状形的合成噪声实施编码和解码。由于无线通信扩频系统把通信信号淹没在噪声中,因此可以有效避免电磁干扰。扩频技术最常见的类型是直接序列(DS)扩频技术,即为了使无线通信系统的通信信号淹没在噪声中,扩展通信信号的频带,使信号的功率谱密度变低(即单位频带内的功率变小)。采用直接序列扩频技术的无线通信系统不仅信号隐蔽性好,而且能抗多径干扰,并实现码分多址,因此在卫星通信和数字蜂窝通信应用中很广泛,大大提高了卫星通信和数字蜂窝通信的抗干扰能力。作为第三代移动通信系统(3G)的核心技术,CDMA技术也采用了直接序列扩频技术,但由于CDMA对多个用户进行随机接入的特点,CDMA直接序列扩频技术容易受到多址干扰,这是因为随机接入的用户所使用的扩频码不能保证严格正交,造成用户间无法做到严格同步,从而引起非零互相关系数的问题,因此造成了CDMA的用户间发生多址干扰,严重影响了CDMA通信系统的通信质量和系统容量。随着CDMA系统多址干扰的日益严重,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。

1.3MIMO(多入多出)技术和虚拟智能天线技术

近年来,在无线通信技术研究中引发研究者们的广泛关注与研究兴趣的是MIMO无线传输技术和虚拟智能天线技术,作为通信领域的重要技术突破,MIMO无线传输技术和虚拟智能天线技术已经在理论上被证明可以极大提高无线通信系统的性能和容量。MIMO无线传输技术的核心是在发射端用多个发射天线传送通信信号,在接收端用多个接收天线接收信号,在提高无线通信系统的性能和容量的基础上,通过与OFDM(正交频分复用)、时空编码等技术结合使用,就可以同时实现通信系统的空间、频率和时间的分集,从而提高通信系统在空域、频域和时域上的抗干扰能力。但作为一项新技术,MIMO技术在无线通信抗干扰中的实际应用还有许多问题有待解决,例如,无线通信系统的天线配置、信号检测、功率分配、空时编码等。与MIMO系统的多天线发送和多天线接收技术不同,智能天线技术的核心在于利用或借用在同一地域内工作的其他同类通信装备天线之间的相互作用,从而实现类似智能天线的功能。智能天线技术的优点在于,应用了智能天线技术的无线通信系统的每个天线可同时抑制来自不同方向的干扰信号源,本地域内所有同类通信装备的物理天线组成一个虚拟的智能天线网,充分加强了天线接收端的信干比,从而达到提高无线通信系统抗干扰性能的目的。使应用智能天线技术的无线通信系统的信号干扰能力比普通的无线通信系统信号干扰能力要提高几十dB,应用智能天线技术的无线通信系统的抗干扰有效性相当于在普通的无线通信系统中安装了一部抗干扰电台。

1.4混合技术

在多种无线通信抗干扰技术的基础上,可以组合起来构成各种混合技术,例如DS/FH混合技术。一般说来,采用混合技术要比单一的扩频技术或者跳频技术要复杂,实现起来也相对困难得多。但将不同的无线通信抗干扰技术结合起来应用将会在无线通信系统抗干扰性能上有进一步的提高。例如DS/FH系统,其处理增益不仅是DS和FH处理增益的简单加和,而且采用DS/FH混合技术的无线通信系统比单独采用DS或FH的无线通信系统要获得更宽的频谱扩展和跳频效果,因而取得更大的处理增益。但缺点是采用混合技术的无线通信系统的复杂度大增,设备趋于复杂并提高了构建成本。

2基于时间反转技术的抗干扰技术

为了应对不同的干扰,可以将多种无线通信抗干扰技术组合起来构成各种混合技术,但系统复杂度增加,提高了成本。作为具有空间信道匹配功能的新技术———时间反转技术,不但具有抑制码间干扰、共道干扰和多址干扰的综合能力,抗干扰性能突出,而且实现也比无线通信抗干扰混合技术要简单得多。时间反转技术是通过对信道状态信息的充分利用来达到抑制信号干扰的目的。所谓时间反转,其实是光学中的相位共轭法的概念应用到通信领域。根据通信系统收发单元的特性,时间反转可以分为两种———无源时间反转和有源时间反转,无源时间反转只接收不发射,有源时间反转既接收又发射。无线通信系统中使用的时间反转技术一般是只接收不发射,即无源时间反转。其基本工作原理如图1所示。无线通信系统中采用时间反转技术时,首先在无线通信系统基站的接收端估计信道冲激响应,分析判断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无线通信系统中预处理器的传输函数。图1中的基于时间反转的无线通信系统的信道冲激响应及其时间反转的共轭形式如下:由于不同用户间的信道冲激响应是不相关或弱相关的,因此利用这一特性,无线通信系统的时间反转技术可以削弱多址干扰和共道干扰。

3结束语

无线通信抗干扰技术的发展,不仅仅局限于信号处理的方向上,更是向多元化、综合抗干扰的方向发展。由于无线通信系统生存于复杂的电磁环境之中,容易受到各种来自外界的干扰,因此要有有效的抗干扰技术来对付日益严重的干扰威胁。因此对无线通信的抗干扰技术还必须进行深入的研究。

无线通信传播反转模式分析责任编辑:陈老师    阅读:人次