無線通信系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)

陳 君

（電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，四川 成都611731）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)都得到了飛速的發(fā)展。其中，無線通信技術(shù)更是日新月異。但是，無線通信中的干擾問題十分嚴(yán)重，在一定程度上限制了無線通信的應(yīng)用。無線通信之所以干擾嚴(yán)重，主要有幾個(gè)方面原因：第一，無線通信的傳播環(huán)境是所有人共處的公共環(huán)境，它的傳播環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，在傳播中可能遇到各種障礙物，從而造成無線電磁信號的非直線傳播，包括繞射、折射、反射等，這就會導(dǎo)致無線電磁信號的畸變，使有用信號的信噪比大大下降。第二，由于無線電磁信號處于空氣中，人們的生活隨時(shí)可能對它造成干擾，比如汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火。同時(shí)，各個(gè)有用信號之間也會互相干擾，如果信號之間頻率太接近，干擾更厲害。因此，如何減少無線信道中的各種干擾，提高信號的信噪比，便成為無線通信研究領(lǐng)域十分重要的課題。

1 幾種主要的干擾

1．1 同頻干擾

同頻干擾是指由于無線電磁波處于復(fù)雜的環(huán)境中，有用信號和其他干擾信號的載頻可能相同，從而導(dǎo)致接收機(jī)受到該同頻干擾信號的影響［1］。

功率控制是減少同頻干擾最有效的一個(gè)方法。它是現(xiàn)在最流行的3G系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用功率控制技術(shù)計(jì)算出每個(gè)移動臺到基站的最小發(fā)射功率，通過限制用戶使用的移動設(shè)備的發(fā)射功率，使移動臺發(fā)射的功率“恰好”合適。這樣便可以大大減少移動臺之間的相互干擾。同時(shí)，由于移動臺發(fā)射功率較小，相鄰的同頻基站接收到非本小區(qū)的移動臺發(fā)射的同頻無線信號的功率極低，從而減小了同頻干擾。而且，由于移動設(shè)備多采用可充電電池，其存電量有限。當(dāng)減小其發(fā)射功率時(shí)，會增加移動設(shè)備一次電量的使用時(shí)間。如今的智能手機(jī)耗電量極快，這種功率控制的方法可以在一定程度上降低耗電速度。

1．2 鄰頻干擾

它指干擾信號的載頻和有用信號相近，從而它的功率落入接收機(jī)接受有用信號的頻譜的頻帶內(nèi)，對接收機(jī)造成干擾。

同頻干擾和鄰頻干擾問題比較突出的是頻分復(fù)用蜂窩小區(qū)，蜂窩小區(qū)如圖1所示。這種小區(qū)把總的頻帶劃分成多個(gè)子帶，然后每個(gè)小區(qū)分別使用一個(gè)子帶，設(shè)一個(gè)基站，多個(gè)小區(qū)再形成一個(gè)區(qū)群，也稱作“簇”。每一個(gè)“簇”完全利用整個(gè)頻帶。這樣就用很多小功率的小基站代替一個(gè)大基站，由于把有限的頻帶資源在各個(gè)“簇”之間重復(fù)利用，大大提高了系統(tǒng)容量。當(dāng)然，由于每隔一定距離頻率會重復(fù)出現(xiàn)，所以也就出現(xiàn)了同頻小區(qū)之間的互相干擾。同理，在同一個(gè)“簇”內(nèi)，小區(qū)和小區(qū)距離很近，如果它們的頻率相近，也就產(chǎn)生了鄰頻干擾。

圖1 蜂窩小區(qū)

1．3 互調(diào)干擾

互調(diào)干擾通常也叫做交調(diào)干擾。它是由于兩種或多種不同頻率的有用信號經(jīng)過同一個(gè)非線性電路時(shí)，有用信號之間在互相調(diào)制，從而導(dǎo)致新的頻率成分的信號出現(xiàn)。但是這并不意味著新的頻率成分出現(xiàn)一定會導(dǎo)致干擾，如果新的頻率在接收機(jī)接受的頻帶范圍之內(nèi)，才會造成干擾。如，f1和f2兩種頻率信號的互調(diào)干擾產(chǎn)生的新頻率可能為f1－f2以及f1＋f2。信號數(shù)量越多，則新的頻率成分就越復(fù)雜。

2 抗干擾技術(shù)

為了對付各種干擾，研究人員開發(fā)出許多新的抗干擾技術(shù)，在一定程度上減少了無線信號的受干擾程度。下面介紹幾種有效的抗干擾技術(shù)。

2．1 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)即多輸入多輸出技術(shù)，是利用天線在發(fā)射端發(fā)射多個(gè)信號，在接收端接受這些信號，并對其進(jìn)行一定的疊加，從而恢復(fù)出完整的有用信號。眾所周知，系統(tǒng)容量是通信系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，MIMO技術(shù)的實(shí)質(zhì)是基于系統(tǒng)容量公式而來的，對于常見的瑞麗衰落信道而言，C可以大致表示成：

式中，B代表信號帶寬，ρ代表接受信噪比，min函數(shù)表示取幾個(gè)數(shù)中的較小者，M和N分別表示接收天線數(shù)目和發(fā)射天線數(shù)目。

顯然，從系統(tǒng)容量公式可以看出，帶寬和功率一定的情況下，如果同時(shí)增加接受天線和發(fā)射天線的數(shù)目，可以提升無線信道的系統(tǒng)容量。從理論上講，如果無限提升天線數(shù)目，便可以無限增加系統(tǒng)容量。又根據(jù)香農(nóng)公式，如果信道容量增加，有用信號的信噪比也會增加，也就從本質(zhì)上改善了無線信道的抗干擾性能。所以，MIMO技術(shù)可以大大提升無線信道的抗干擾能力和容量。

2．2 FHSS技術(shù)

FHSS技術(shù)即跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，它是利用載波頻率在多個(gè)頻率點(diǎn)上做偽隨機(jī)跳變的方式，大大減少了人為或者自然在某一頻段上的干擾。跳頻技術(shù)的關(guān)鍵是如何產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序列，同時(shí)，如何保證接收方做出和發(fā)射方一樣的偽隨機(jī)跳變以接收電磁信號也是關(guān)鍵之處。根據(jù)香濃公式，最大傳輸速率C＝Blog2（1＋S／N），其中，B代表碼元速率，S／N代表信噪比。當(dāng)B增加時(shí)，可以不需要較高的信噪比就能保持和以前相同的傳輸速率［2］。FHSS技術(shù)如圖2所示。

圖2 FHSS技術(shù)

2．3 智能天線技術(shù)

近年來，數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展為在無線通信中利用智能天線提供了可能。智能天線之所以能夠提高頻譜利用率和增強(qiáng)抗干擾能力，是因?yàn)樗怀硞€(gè)特定的方向發(fā)送無線電信號，它的主波束直接對準(zhǔn)接收端，從而使信號傳輸更為有效［3］。智能天線可以擴(kuò)充系統(tǒng)容量而不導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，因?yàn)樗粌H可以利用時(shí)間、頻率、擴(kuò)頻碼，還可以利用空間域。從智能天線發(fā)展而來的自適應(yīng)天線陣列可以增加系統(tǒng)抗干擾的能力，它如同給移動用戶相關(guān)聯(lián)一樣，跟蹤目標(biāo)接收端的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，時(shí)刻直接對準(zhǔn)目標(biāo)接收端發(fā)射無線電磁信號，在使目標(biāo)接收端的信號強(qiáng)度最大的同時(shí)對其他用戶的干擾最小。智能天線如圖3所示。

圖3 智能天線

2．4 認(rèn)知無線電技術(shù)

在無線通信中，頻譜資源極其寶貴，這也是信號之間產(chǎn)生干擾的原因之一。由于認(rèn)知無線電（Cognitive Radio）可以主動分析當(dāng)前的頻譜環(huán)境，當(dāng)其發(fā)現(xiàn)某些頻段暫時(shí)沒被其他信號占用時(shí)，便立刻使自身用戶利用此頻帶，大大提高了系統(tǒng)容量和通信有效率［4］。同時(shí)，認(rèn)知無線電還具有對自身頻譜環(huán)境的認(rèn)知、學(xué)習(xí)功能，可以汲取過去的錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)對當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行分析，也可以主動退讓正在使用的頻段給主用戶，具有很好的智能性。當(dāng)頻譜能更好利用時(shí)，信號之間的干擾自然也就得到了很好的控制。在認(rèn)知無線電技術(shù)中，最關(guān)鍵的技術(shù)是對于自身所處環(huán)境的頻譜檢測和分析判決，這也是目前認(rèn)知無線電研究的重點(diǎn)之一。認(rèn)知無線電技術(shù)如圖4所示。

圖4 認(rèn)知無線電技術(shù)

2．5 混合抗干擾技術(shù)

由于無線信道中各種干擾互存，通過對實(shí)際系統(tǒng)的分析，針對不同的無線通信系統(tǒng)，結(jié)合使用多種抗干擾技術(shù)，從而達(dá)到最好的抗干擾性能。例如，為了達(dá)到最大擴(kuò)頻比例，可以同時(shí)使用時(shí)間跳變技術(shù)和頻率跳變技術(shù)；或者M(jìn)IMO技術(shù)與擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合使用。但是，這樣的混合技術(shù)往往會使系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，不易維護(hù)。

3 抗干擾技術(shù)的未來

由于無線通信的方便、快捷、高效等特性，它必將是21世紀(jì)的主流通信方式。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信中的抗干擾技術(shù)也在迅猛發(fā)展。無線通信中的抗干擾技術(shù)模式很多，方法也很多，效果也都不錯(cuò)?？梢源笾驴偨Y(jié)出抗干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢：（1）抗干擾技術(shù)呈現(xiàn)出多種技術(shù)綜合使用的趨勢，這是由于無線通信信道復(fù)制性所決定的；（2）抗干擾技術(shù)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化過程，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)抗干擾正在日益崛起；（3）為了滿足未來的通信前景，各種新的抗干擾技術(shù)正在不斷誕生和發(fā)展［5］?？傊?，抗干擾技術(shù)向著復(fù)雜化、綜合化、新型化的方向持續(xù)發(fā)展是不容置疑的。

［1］ 劉 剛．同頻干擾產(chǎn)生機(jī)理分析及解決方法［J］．艦船電子對抗，2011，（3）：17－19．

［2］ 曾一凡，李 暉．?dāng)U頻通信原理［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［3］ 張 平，陶小峰，王衛(wèi)東，等．空時(shí)碼［J］．電子學(xué)報(bào)，2000，28（11A）：110－113．

［4］ 羅 暉．通信系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)的研究［J］．科技廣場，2005，（05）：51－52．

［5］ 殷云志．無線通信抗干擾技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］．無線電工程，2008，（10）：50－52．