基于認(rèn)知無(wú)線電的脈沖陷波UWB窄帶干擾抑制

賈占彪,陳 紅,蔡曉霞,王喜風(fēng)

(解放軍電子工程學(xué)院,合肥 230037)

1 引 言

近年來(lái),超寬帶(UWB)擴(kuò)頻通信技術(shù)在軍事、科技和商業(yè)領(lǐng)域受到極大關(guān)注。UWB技術(shù)的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新性特征就是其與現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)共享頻譜資源,而不是去尋找“空白”但可能不適合的頻譜,但由于超寬帶系統(tǒng)占有很寬的頻段,將不可避免與現(xiàn)有的窄帶無(wú)線電系統(tǒng)重疊,造成UWB系統(tǒng)與其它已授權(quán)系統(tǒng)之間的相互干擾[1-2]。

如何避免UWB系統(tǒng)與其它系統(tǒng)相互干擾,實(shí)現(xiàn)共存,是廣泛實(shí)現(xiàn)UWB的前提。現(xiàn)有的窄帶干擾抑制方法主要可以分為兩類:一是從接收端對(duì)接收信號(hào)和接收方法進(jìn)行處理和改進(jìn)[3];另外,還可以在信號(hào)進(jìn)行傳輸之前對(duì)超寬帶脈沖產(chǎn)生方法做一定的調(diào)整,采用抑制干擾的脈沖成形算法,或者是通過(guò)改變信號(hào)調(diào)制方式來(lái)改變信號(hào)的功率譜,從而使信號(hào)具有抗干擾能力。文獻(xiàn)[4]提出采用Doublet脈沖的方式來(lái)避免對(duì)GPS等的干擾,但其脈沖頻譜上的零點(diǎn)不是隨意可調(diào)的,脈沖頻譜零點(diǎn)的寬度也難于控制。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于特征值分解的超寬帶脈沖設(shè)計(jì)方案,雖然設(shè)計(jì)的脈沖能有效抑制窄帶干擾,但它沒(méi)有閉合表達(dá)式,采樣率高達(dá)64GHz,實(shí)現(xiàn)比較困難。文獻(xiàn)[6-7]提出基于半正定的脈沖波形設(shè)計(jì)方法,其給出的頻譜規(guī)范要比FCC的規(guī)范嚴(yán)格得多,這雖然可以降低對(duì)其它系統(tǒng)的干擾,但同時(shí)也降低了發(fā)射端的最大發(fā)射功率,增加了接收難度。上述方法共同的缺點(diǎn)是:沒(méi)有和外界環(huán)境交互,缺少對(duì)周圍射頻環(huán)境的了解,使得UWB系統(tǒng)的頻譜共享缺乏靈活性,系統(tǒng)間共存缺少針對(duì)性,限制了UWB系統(tǒng)性能和頻譜利用率的進(jìn)一步提高?；诖?研究人員提出將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)引入到超寬帶系統(tǒng)中來(lái),期望通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境的電磁環(huán)境,然后通過(guò)改變通信參數(shù)在窄帶系統(tǒng)使用的頻段處形成凹陷以降低對(duì)其的干擾[8]。

本文提出了一種自適應(yīng)脈沖頻譜陷波的超寬帶窄帶干擾抑制方法,這種方法的新穎之處在于能夠根據(jù)認(rèn)知結(jié)果動(dòng)態(tài)地降低脈沖在干擾頻段的功率譜從而達(dá)到避開(kāi)窄帶干擾的目的。首先以高斯脈沖為例,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)陷波器對(duì)脈沖頻譜的陷波性能,并在提出的認(rèn)知超寬帶(CUWB)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)常用窄帶系統(tǒng)的干擾抑制,最后就陷波前、后脈沖的通信性能進(jìn)行了比較分析。

2 基于陷波的窄帶抑制實(shí)現(xiàn)

基于陷波的思想算法是將超寬帶脈沖通過(guò)陷波器來(lái)降低自身特定頻段的功率譜從而使UWB系統(tǒng)避開(kāi)窄帶干擾,達(dá)到與其它系統(tǒng)共存的目的。這種方法對(duì)不同超寬帶脈沖具有普遍適用性,不需要從脈沖成形算法來(lái)考慮。FIR濾波器和IIR濾波器都可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的陷波器,滿足不同的陷波要求。本文主要以FIR陷波器為例來(lái)展開(kāi)討論。

2.1 FIR陷波器設(shè)計(jì)

本文采用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且應(yīng)用較為普遍的窗函數(shù)法來(lái)設(shè)計(jì)陷波器。分別選取矩形窗、漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗、凱塞窗進(jìn)行研究。設(shè)置阻帶寬度為0.4 GHz,可以得到不同窗函數(shù)在不同濾波階次情況下的陷波寬度和陷波深度,如表1所示。

表1 不同窗函數(shù)的陷波性能Table 1 The trap performance of the different windows function

從表1可以看出,隨著濾波階次N的增大,陷波寬度逐漸減小,但是陷波深度并沒(méi)有隨著N的增大而增大,增大到一定程度時(shí),反而隨著減小,也就是說(shuō)陷波深度和濾波階次之間并非是單調(diào)關(guān)系。明顯可以得出結(jié)論:凱塞窗在相同階次的情況下陷波深度最大,且有最小的過(guò)度帶寬,所以選擇凱塞窗作為加窗函數(shù)。需要注意的是,階次N的取值是陷波深度和陷波寬度這兩方面折衷考慮的最佳值。

2.2 基于FIR陷波算法的窄帶抑制實(shí)現(xiàn)

我們采用凱塞窗設(shè)計(jì)FIR陷波器,以五階高斯導(dǎo)函數(shù)作為陷波脈沖,ISM頻段(2.4 GHz)為陷波頻段進(jìn)行驗(yàn)證。其中高斯脈沖為

式中,A為信號(hào)幅度,α=0.314 ns為脈沖形成因子。可得FIR陷波前、后的脈沖波形和脈沖功率譜分別如圖1和圖2所示。

圖1 FIR陷波前、后脈沖波形Fig.1 The pulse and the FIR trapped pulse

圖2 FIR陷波前后脈沖功率譜Fig.2 The power spectral density of the pulse and the FIR trapped pulse

由圖1看出,陷波后的脈沖波形在時(shí)域上發(fā)生了偏移。從圖2可知,陷波后的脈沖功率譜在被陷波頻段的功率譜衰減了約55 dB,完全可以避開(kāi)處于2.4 GHz頻段的窄帶干擾;陷波寬度為0.4GHz,說(shuō)明陷波效果只是存在窄帶系統(tǒng)頻段附近,而對(duì)其它頻段的脈沖功率譜毫無(wú)影響。這樣,我們就可以通過(guò)設(shè)置不同陷波頻點(diǎn)來(lái)避免UWB與其它系統(tǒng)之間的相互干擾,實(shí)現(xiàn)共存,具有很大的靈活性。

3 基于認(rèn)知無(wú)線電的自適應(yīng)陷波脈沖設(shè)計(jì)

3.1 認(rèn)知超寬帶系統(tǒng)模型

CUWB在國(guó)內(nèi)外的研究還處于起步階段,相關(guān)研究成果還不多,筆者在已有文獻(xiàn)[9-11]的基礎(chǔ)上,嘗試提出了一種改進(jìn)CUWB系統(tǒng)模型,系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 CUWB系統(tǒng)模型Fig.3 CUWB system mode

該系統(tǒng)模型包括射頻激勵(lì)信號(hào)模塊、感知模塊、認(rèn)知引擎模塊和自適應(yīng)調(diào)整傳輸模塊4個(gè)部分。在該模型中,CUWB系統(tǒng)認(rèn)知環(huán)是從接收機(jī)檢測(cè)射頻激勵(lì)信號(hào)開(kāi)始,通過(guò)在一個(gè)寬的頻帶上對(duì)頻譜環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),將感知信息送到認(rèn)知引擎模塊。通過(guò)認(rèn)知引擎技術(shù)估算干擾溫度、位置信息及探測(cè)頻譜空洞,從而提取UWB通信環(huán)境存在的干擾信號(hào)的頻譜特征,認(rèn)知引擎將之作為短期知識(shí)和知識(shí)庫(kù)中的長(zhǎng)期知識(shí)進(jìn)行匹配選擇,將匹配的最終結(jié)果作為調(diào)整系統(tǒng)脈沖波形和發(fā)射功率的依據(jù),反饋回發(fā)射端。同時(shí),認(rèn)知引擎把每次得到的信息作為知識(shí)加以儲(chǔ)存作為以后的學(xué)習(xí)案例。這樣通過(guò)不斷的學(xué)習(xí),認(rèn)知引擎可以積累有益的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),從而使其對(duì)UWB系統(tǒng)的調(diào)整更迅速。最后發(fā)射機(jī)根據(jù)接收機(jī)反饋的頻譜及信道狀態(tài)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜管理及發(fā)射功率控制以形成CUWB系統(tǒng)的自適應(yīng)功率譜,或產(chǎn)生與之相匹配的頻譜靈活的自適應(yīng)脈沖信號(hào)。

自適應(yīng)功率調(diào)整是對(duì)整個(gè)頻段進(jìn)行調(diào)整,靈活性差,同時(shí)總的信號(hào)發(fā)射功率也會(huì)降低,造成系統(tǒng)信噪比的降低。而通過(guò)對(duì)脈沖頻譜優(yōu)化就可以避免自適應(yīng)功率譜的上述缺點(diǎn)。根據(jù)CUWB系統(tǒng)模型,結(jié)合脈沖陷波方法,可以得到一種自適應(yīng)脈沖陷波的窄帶干擾抑制方法。

3.2 自適應(yīng)陷波脈沖設(shè)計(jì)

“真正的”認(rèn)知超寬帶是超寬帶系統(tǒng)能夠根據(jù)認(rèn)知無(wú)線電對(duì)周圍的頻譜使用情況的感知結(jié)果構(gòu)建“見(jiàn)縫插針式”的自適應(yīng)輻射掩模,這種功率譜限制不再受限于政策規(guī)定,而是完全取決于通信環(huán)境,這樣能使頻譜利用率達(dá)到最高。當(dāng)然,伴隨而來(lái)的是設(shè)備復(fù)雜性的提高,而且目前要實(shí)現(xiàn)一個(gè)“真正的”認(rèn)知超寬帶無(wú)線電還是相當(dāng)困難的,原因在于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的限制:目前的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器還沒(méi)有足夠快的運(yùn)算速度來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正的認(rèn)知無(wú)線電[8]。本文主要討論在FCC輻射掩模的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)常用通信系統(tǒng)干擾的自適應(yīng)抑制,這是認(rèn)知超寬帶的一種簡(jiǎn)化情況,算是對(duì)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知超寬帶的嘗試性探索。

自適應(yīng)陷波脈沖的設(shè)計(jì)主要分3個(gè)步驟:

(1)對(duì)UWB通信環(huán)境進(jìn)行頻譜感知,估計(jì)UWB系統(tǒng)周圍的頻譜環(huán)境;

(2)對(duì)頻譜感知的結(jié)果進(jìn)行綜合處理,提取窄帶系統(tǒng)頻譜特征,結(jié)合長(zhǎng)期積累的先驗(yàn)知識(shí),識(shí)別存在的干擾,并將本次得到的結(jié)果作為案例加以存儲(chǔ)作為以后的學(xué)習(xí)樣本;

(3)令超寬帶脈沖通過(guò)合適的陷波器,使脈沖的功率譜在授權(quán)用戶所在頻段降低從而規(guī)避窄帶干擾,實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)與授權(quán)用戶之間的共存。

3.3 仿真實(shí)現(xiàn)

基于脈沖陷波的窄帶干擾抑制方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是靈活性,它可以對(duì)任何超寬帶脈沖的任意頻段的功率譜進(jìn)行陷波。本文以文獻(xiàn)[12]提出的一種基于正弦高斯組合的UWB脈沖為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證,這種脈沖在滿足FCC輻射掩模的條件下,具有較高的頻譜利用率,但它沒(méi)有考慮超寬帶與其它窄帶系統(tǒng)之間的相互干擾。如果我們對(duì)正弦高斯組合脈沖的功率譜在干擾頻段進(jìn)行陷波處理,這樣在實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率的同時(shí),還能解決UWB系統(tǒng)與其它授權(quán)系統(tǒng)的相互干擾問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率和系統(tǒng)共存的完美結(jié)合。圖4就是基于自適應(yīng)陷波脈沖而實(shí)現(xiàn)的對(duì)常用窄帶系統(tǒng)的抑制。

圖4 基于自適應(yīng)脈沖的窄帶干擾抑制Fig 4 The narrowband interference suppression based on adaptive pulse

4 鏈路預(yù)算和數(shù)據(jù)傳輸速率

信號(hào)的傳輸距離是衡量系統(tǒng)性能的很重要的一個(gè)指標(biāo)。為了檢驗(yàn)利用脈沖陷波抑制窄帶干擾這種方法對(duì)傳輸距離的影響,就正弦高斯組合脈沖進(jìn)行FIR陷波前、后的鏈路預(yù)算進(jìn)行比較分析。

在自由空間傳播條件下,傳輸距離d與數(shù)據(jù)傳輸速率Rb之間的關(guān)系為[13]

式中,c為光速,麥克斯韋常數(shù)k=1.38×10-23J/K,標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)溫度T0=300K,Gt和Gr是發(fā)射和接收天線增益,F為噪聲指數(shù),LM為鏈路余量,Ps(f)為發(fā)射脈沖波形的功率譜密度,Eb/N0為平均每個(gè)信息位的信噪比,給定不同調(diào)制方式的誤碼率即可求出所需的信噪比,這里采用的調(diào)制方式為2PPM和2PAM。

仿真參數(shù)設(shè)置如下:Gt=1,Gr=1,F=7 dB,LM=5 dB,誤碼率Pre=10-3,陷波頻段為IEEE 802.11a(5.125～5.85 GHz)。得到正弦高斯組合脈沖在FIR陷波前、后的傳輸距離如圖5所示。從圖5可以得出結(jié)論:陷波后的脈沖傳輸距離略小于陷波前的脈沖傳輸距離,這是因?yàn)榧訛V波器的方法在一定程度上減小了脈沖信號(hào)的功率,因而會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸距離產(chǎn)生一定的影響;但是同時(shí)也可以看出,陷波前、后的傳輸距離相差很小,也就是說(shuō),基于脈沖頻譜陷波的窄帶抑制方法,在實(shí)現(xiàn)UWB與其它窄帶系統(tǒng)共存的同時(shí),并未在整個(gè)頻段范圍內(nèi)降低UWB脈沖功率,這就為增大UWB系統(tǒng)的通信距離提供了一種可行的方案。

圖5 FIR陷波前、后脈沖的傳輸距離Fig.5 The transmission distance of the pulse and the FIR trapped pulse

5 結(jié) 論

將CR技術(shù)和UWB相結(jié)合的認(rèn)知超寬帶技術(shù),是一種基于動(dòng)態(tài)感知周圍頻譜環(huán)境、具有自適應(yīng)構(gòu)建UWB頻譜輻射掩模、自適應(yīng)頻譜接入、生成自適應(yīng)信號(hào)適配波形的新型智能無(wú)線通信系統(tǒng)。CR主要解決與環(huán)境的動(dòng)態(tài)交互問(wèn)題,UWB主要解決自適應(yīng)的脈沖信號(hào)生成與傳輸問(wèn)題。本文利用認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知和認(rèn)知引擎技術(shù)提取授權(quán)用戶的頻譜信息,利用陷波手段降低干擾頻段處的脈沖功率譜,形成凹陷以避免UWB系統(tǒng)與授權(quán)用戶之間的相互干擾,實(shí)現(xiàn)共存。此方法在實(shí)現(xiàn)UWB與其它系統(tǒng)共存的同時(shí),并未降低脈沖發(fā)射功率,具有良好的系統(tǒng)傳輸性能;且基于陷波這種處理方法靈活易行,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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