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无线电技术论文 认知无线电系统同信道干扰分析

2018-12-06 16:13:00来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  无线电频谱频谱资源是一种社会不可或缺的自然有限的宝贵资源,近年来,随着科技的不断进步科学的发展,无线通信系统的应用和需求也随之有着猛增的态势。其中,新兴的高速无线接入技术和不同无线应用的需求都预示着需要在下一代无线系统中创造巨大的频谱资源。因此,为了能维持可持续发展的战略目标,如何提高频谱的利用率成为了研究者现如今最重要的目标之一。

  本论文主要是就无线电通信技术知识进行深入介绍,在研究频谱系统的同时掌握干扰的本质或根本,致力于频谱共享技术为宏伟目标的基础上,研究知无线电underlay接入模式所产生的同信道干扰的产生原因,了解underlay认知无线电系统中同信道干扰的基本抑制思路。定性和定量的分析认知无线电系统同信道干扰与传输功率之间的函数关系,并用MATLAB软件对分析结果进行仿真,建立图表后依据结果进行讨论并提出了抑制同信道干扰的功率控制方法。

  关键词:无线电技术,频谱共享,同信道干扰,功率控制

  1.绪论

  无线通信是利用电磁波来携带信息并用其进行传播。国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)定义了300GHz一下的频谱为无线电波频谱。国际频谱监管机构和各国的无线电规制定部门都统一的对无线频谱资源进行规划和使用,任何收发机对它的使用都必须得到政府的许可。固定频谱分配将射频(radio frequency,RF)分为授权频段以及非授权频段。

  现如今,无线通信与服务应用持续发展同紧缺有限的无线频谱资源相矛盾,从而导致在通信领域的未来发展中将会遇到瓶颈。然而无线频谱资源在日常中的使用其实是动态变化的,随着频段、时间和空间的不而不同,出于对这些的考虑许多科学家认为动态频谱接入(dynamic spectrum access,DSA )是提高有限频谱资源利用率的有效技术。人们开始考虑允许没有许可的用户对主用户不产生任何干扰的情况下使用已分配的授权频段,也就是说主要用户虽然对频谱有优先使用权,但是这些频谱资源不是其完全占有,次要用户也拥有占用该资源的权利,只要保证在其期间主要用户暂时不使用或者说能做到同时和主用户共享频谱,这其中只要保证主要用户没有受到次要用户的干扰。就以上问题我们便引出了认知无线电的概念。

  认知无线电最基本的实现目标就是为了提高频谱利用率,具有认知功能的无线电通信设备可以按照某种“伺机方式”(opportunistic way)工作在已授权的频段内。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱被称为“频谱空穴”(spectrum holes)或空白(white space),如图[1]。

  图1频谱空穴的示意图

  如果在次要用户(secondary user,SU)使用某一频段时该频段随后被主要用户(primary user,PU)使用,那此时次要用户就将转移到另一个频谱空穴继续使用,或者继续使用该频段,但是我们要尽可能的避免对主要用户的干扰,以实现动态频谱的接入。

  2.认知无线电

  2.1认知无线电概念

  认知无线电这一概念最早是在1999年由Joseph Mitola在发表的一篇名叫“Cognitive Radios:Making software Radios More Personal”的学术论文中提出Mitola认为:认知无线电是建立在软件无线电(software defined radio是,SDR)的基础上,基于模型推理的方式,通过无线电知识表示语言(radio knowledge representations language,RKRL)表述射频信号的各种参数(频率、功率等),以实现与网络的智能交流。无线电的概念被提出以后,迅速得到众多学者的广泛认可,不同的研究者和研究机构从不同领域和角度给出了认知无线电的定义。但是大部分的定义对于现如今的技术来说都不太切合实际,更为一般的定义是将无线电的认知功能与无线环境相结合,我们在这里列出几位具有代表性的定义。

  相对于Mitola博士对认知无线电技术的定义,FCC对认知无线电的定义更能被无线电研究人员所接受。FCC在发表的NPRM(Notice of Proposed Rule Making)中给认知无线电一个相对狭义的定义:“认知无线电是指认知设备能够通过实时地与所处工作的无线环境,改变发射机各项性能参数的无线电设备。认知无线电的主体可能是软件无线电(SDR),但对认知无线电设备而言。不一定必须具有软件或者现场可编程要求。”如图2

  图2

  2005年,著名学者Simon Haykin根据前人的研究加上自我的深刻理解,他以信号处理的角度定义得到:“认知无线电是一个无线通信系统。它能够感知外界环境,并使用人工智能的技术使其能在环境中自我学习,通过实时改变某些操作参数,例如载波频率、调制技术以及传输功率等等,来使内部状态适应接受到的无线信号的统计性变化,从而达到无论何时何地的高度可靠的通信,对频谱资源有效的利用”

  IEEE1900.1WG给出的定义是:认知无线电是一种可以对其工作环境进行感知、自助推理并进行相应调整的无线电。这种无线电可以利用知识表示、自动推理和机器学习的机制来建立、开展或者终止与其他无线电的通信或网络功能。认知无线电可以通过训练实现动态自主的工作参数调整。

  2.2认知无线电的功能构架

  根据Mitola最初对认知无线电的定义,认知无线电定义了那些具有足够的计算智能,能够根据无线资源和相关的通信需求的自动地选择最和是行为的无线通信系统,具有复杂的系统结构。显然,这样的结构过于复杂以至于给我们的研究和实现工作带来了巨大的困难。在机会频谱接入的范畴,可以感知无线环境并相应改变其频谱使用方式的无线通信系统这样一个认知定义更容易被我们所接受,用以简化对认知无线电的理解。

  图3给出了定义下的认知无线电系统组成功能构架。显然作为自适应的系统,至少需要包含一个可重新配置的无线电部分,其可配置的参数可以是工作频段或者带宽等,这一模块可以通过软件无线电实现。感知模块用于获得多种外部激励,特别是针对无线频谱环境进行检测。系统还包含一个策略数据库模块,用来决定频谱的基本利用策略,定义在某个环境下认知无线电系统的何种行为是可以接收的。这一策略数据库模块可以被重新配置以适应新的政策变化。结合感知模块和策略数据模块的信息,系统对频谱的可用性进行学习和推理。

  图3认知无线电的功能框架

  认知无线电的关键技术有包括频谱感知技术、动态频谱分配(Dynamic Spectrum Allocation,DSA)、功率控制以及认知无线电的安全技术。本论文中主要涉及到频谱感知技术以及功率控制技术,对此我们将这两个概念进行简要介绍。

  (1)频谱感知技术

  频谱感知技术是认知无线电应用的基础也是该认知的前提条件,可以将频谱感知技术分类为如图4。单节点感知就是指单个认知无线电节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性表示;而协同感知则是通过数据融合,基于多个节点的感知结果根据实际使用的环境和条件进行综合性的判断。

  图4认知无线电的功能框架

  人们提出协同频谱感知,为了降低对单个检测节点的要求,可以通过检测节点间的协作达到系统要求的检测门限,降低单个节点的负担。协同频谱感知的另一个优点就是可以有效地消除阴影效应的影响。协同感知可以采用集中或者分布式的方式进行,集中式协同感知是指各个感知节点将本地感知结果送到(BS)或接入点(AP)统一进行数据融合,做出决策;分布式协同感知则是指各个节点间相互交换感知信息,各个节点独自决策。影响协同频谱感知的关键因素出来参与协同的单节点的感知性能外,还包括有拓扑结构和数据融合方法,随着FCC引入干扰温度模型来测量干扰,也有人提出通过测量干扰温度进行频谱感知,但这种方法通常要求CR节点知道授权用户的位置,目前尚面临着诸多挑战。

  3.干扰

  3.1干扰的概念

  认知无线电系统的首要任务是保证主要用户不受到干扰。认知无线电系统可以将干扰分为正在通信的主要用户的直接干扰所造成的通信质量下降,还有就是对未使用信道的干扰所造成的用户误认为是信道或设备存在的问题。

  第一类干扰包括对接收机一层或多层信号质量的直接干扰。如图5所示第二类干扰是在通信中认知用户用对所有未使用该特定频谱的用户即主要用户和次要用户,都有可能造成干扰影响。针对这类干扰问题,早现有的频谱政策和技术条件下,授权网络很难采用应对直接干扰的方法来解决,相比第一类干扰直接影响通信中的主要用户,第二类干扰影响的是未接入的主要用户,在实际网络中会更加敏感。无线电系统中针对第二类干扰影响的频谱分析有待进一步解决。

  3.2同信道干扰与邻信道干扰

  在进行移动无线通信系统设计的工程中,我们探讨信号传输中的影响时,研究和了解干扰问题和噪声的特征是减小他们对通信质量影响的前提。当众多电台组成通信网时,干扰是必然存在的。下面将就跨信道干扰和同信道干扰对移动通信系统性能的影响做详细介绍。

  除了衰落和损耗之外噪声与干扰也是信道对信号的限制因素。在无线通信系统中,干扰是指在通信过程总发生的,导致有用信号接收质量下降、损害或阻碍状态及事实。干扰信号就是指通过直接耦合或者间接耦合的方式进入信道、接收设备或者系统的电磁能量,它可以多接收信号产生影响,导致性能下降、质量恶化、甚至阻断通信的进行。换句话说,干扰指无用信号引起有用信号接收质量下降或者损害的事实。常见的干扰包括有互调干扰、同信道干扰、阻塞干扰、跨信道干扰等,在进行移动通信系统设计时,必须研究干扰对信号的传输影响,并采取必要的解决办法,已减小他们之间的影响。

  邻道干扰就是干扰台信号功率落入相邻或者相近的接收机接受频带中时所产生的额干扰问题,相近的频道可以相隔几个或者几十个频道。由于工作频带紧随的若干频道的寄生边带功率、宽带噪声、杂散辐射等产生的干扰以及在移动通信网内,一组控件离散的邻近工作频道引入的干扰是邻道干扰的两个方面。

  为了说明邻道干扰,我们列举了一个单音调频信号进行分析,在此我们假设单音调频信号为:

  式中表示信号幅度;表示载波角频率;表示调频指数;表示调制信号角频率。可以展开为:

  将上述式子的两个因子展开成傅里叶级数的形式,可得

  式中,为第一类n阶贝瑟尔函数,它是调频指数的函数。由式子XX可见,调频信号含有无穷多对边频分量,边频之间的频率间隔为,各边频分量的幅度大小由各阶第一类贝瑟尔函数值确定。这些边频分量落入邻道接收机的通带内,即产生了邻道干扰。

  同信道干扰

  同信道干扰(Co-Channel Interference,CCI)是指所有落在接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰,同信道干扰问题主要是由恶劣天气、高使用率下的频谱或者是不合理的频率规划等条件下所引起的。

  在移动通信系统中,为了提高频谱的 利用率,在相隔一定距离后,要重复使用相同的频道,这种方法我们称作是同频道再用。同频道再用会产生同信道干扰这一问题。再用距离越近,同频道干扰就越大;再用距离越远,同频道干扰就越小,但频率利用率就会降低。一般而言,能构成同频道干扰的频率范围为,其中为载波频率,为接收机的中频带宽。

  4.频谱共享技术

  4.1频谱共享的步骤

  从实现的角度上来看,我们针对频谱共享的步骤来对其每个步骤的功能进行介绍。如图6

  图6频谱共享过程

  4.1.1频谱感知

  频谱感知是保护主要用户免受干扰从而实现频谱共享、提高认知无线网络自身频谱利用率。频谱感知对分配给主要用户的频段在时域、频域和空域多维空间不断的进行检测,为的是从中获取频谱使用的情况。如果该频段未被主要用户占用,那么称该频段为“频谱空穴”,频谱感知就是感知可用的频带,发现频谱空穴并检测主要用户的再次出现。频谱共享基于频谱感知到的频谱空穴进行。

  4.1.2频谱分配

  因为受到主要用户使用频谱的限制,导致认知用户使用的频谱数量和位置随时间在不断地变化。频谱资源是有限的,次要用户在使用这些资源时需要竞争,而且不同认知用户的优先级、QoS要求都不一样,所以认知无线电网络需要保证优先级高的次要用户先得到服务,同时,也要保证频谱资源不会被某些认知用户独自占有,即系统需要公平而有效地管理频谱空穴。因此,频谱分配基于频谱资源的可用性,根据一定的规则,给认知用户分配信道。在频谱分配中,需要设计一个频谱分配规则以提高认知无线电性能,保证无冲突频谱分配,使系统性能得到改善或者接近最优状态。

  4.1.3频谱接入

  在使用信道的过程中主要用户具有绝对的优先级,主要用户和次要用户主从式动态接入信道。频谱接入的功能是确定认知用户是否可以接入网络以及采用什么方法接入。因此,频谱接入需要一个有效的频谱接入算法,协调多个次要用户接入信道中,避免多用户发生冲突。目前最具代表性的研究成果是V.Brik等人提出的动态频谱接入协议(dynamic spectrum access protocol,DSAP)。DSAP通过智能地为无线节点分配可用的无线频谱资源,达到避免拥塞、使干扰最小化、调整用户无线资源的使用以适应网络管理者需要的目的,从而提高网络性能。

  4.1.4频谱移动

  频谱移动指用户改变工作频谱的过程。在认知无线电中,以下三种情况需要进行频谱移动:1.次要用户在使用某工作频段,突然主要用户出现并预占用该频段时,次要用户需要腾出信道给主要用户使用,自己再去寻找新的空闲信道进行通信;2.认知用户从一个地方移动到另一个地方时,则可能会因为可用频谱发生变化而进行频谱切换;3.在通信过程中通信信道的质量下降时,需要切换到更好的信道中去。当认知无线电改变它的工作频谱的时候,网络协议将从一种工作状态变成另外一种工作状态,因此需要设计频谱移动性管理协议以确保网络状态尽可能快地、平滑地进行转换。

  4.2频谱共享分类

  频谱共享主要分为四个模块:体系解耦、频谱分配行为、频谱接入技术和作用域。如图7所示图7频谱共享技术分类

  1.体系结构

  体系结构中又分为集中式频谱共享和分布式频谱共享。

  集中式由中心实体控制频谱分配和接入过程,通常,检测过程是分布式的,网络中的每一个实体将他们的测量数据传送到中心实体,中心实体建立频谱分配图。

  对于分布式结构,各节点基于本地观测确定频谱分配和接入。每个分布式节点都参与频谱分配,同时频谱接入由节点本身的政策决定。分布式结构在实际应用中容易实现,但控制开销较高。

  2.分配行为

  从分配行为上看,频谱共享分为合作式频谱共享和非合作式谱共享。

  合作式共享需要考虑节点通信对其他节点的影响,也就是说。各节点之间要共享每一个节点的干扰测量参数,所有的集中式共享均可看做事合作的,当然也存在分布式的合作共享,该方式强调系统整体的有效性,但为了共享相邻用户频繁交换的协作信息,需要公共的协调协议和通信链路,会增加系统的复杂性和额外开销。

  非合作式共享各节点具有自私特性,只考虑自身的利益,根据自己的信息和策略进行频谱资源管理,控制开销和能耗较低,但是频谱利用率较低,并且会造成严重的不公平性。

  3.接入技术

  从接入技术上看,频谱共享分为overlay方式频谱共享和underlay方式频谱共享。在overlay方式的频谱共享中,认知无线电节点利用主要用户未使用的频带,从而最小化对主要用户的干扰。

  在underlay方式的频谱共享中,利用扩频技术来提高频谱使用效率,主要用户会将次要用户在某以频谱上的发送功率视作噪声。这个过程需要复杂的扩频技术,而相对overlay方式能够利用增加的带宽。

  4.作用域

  从作用域的角度上看可以将频谱共享分为网络内频谱共享和网络间频谱共享。研究者们对频谱共享的研究主要集中在网内频谱共享,即考虑一个认知无线网络内在不影响主要用户正常通信的前提下,各认知用户之间的频谱分配;网络间频谱共享是指在多个认知无线网络的环境中,各网络之间的认知用户共享频谱。网络内频谱共享根据网络内的认知用户是否合作,可以分为合作式网内频谱共享和非合作式网内频谱共享。非合作共享方式在性能上逊色于合作式方式,但是大大降低了通信开销费用。网间频谱共享可以分为集中式网间频谱共享和分布式网间频谱共享。目前的集中式和分布式的网间频谱共享解决方案都要求有一个控制信道,这会产生一些问题。

  5.overlay频谱共享方式与underlay频谱共享方式

  5.1overlay频谱共享方式

  当两个用户或者两个以上的用户同时使用同一频段的频谱资源,用户与用户之间的互相干扰是不可避免的。 由于频谱共享的接入方式即overlay频谱共享方式underlay频谱共享方式,从而导致干扰随之而来。overlay式频谱共享是利用频分复用的方法来避免干扰的产生,其原理就是“见缝插针”。次要用户占用主要用户授权的闲置频段使用网络,然而此时主要用户突然要使用该频段时,次要用户将立即切换到其他闲置频段中去,但由于检测误差等因素影响主要用户占用频谱时会对其带来干扰。且由于路径损耗和无线环境的衰落也会导致次要用户对主要用户产生干扰问题。下面我们将详细介绍underlay频谱共享方式,利用现有的研究入手,分析和研究underlay方式下所产生的干扰问题。

  5.2underlay频谱共享方式

  在underlay式频谱共享系统中,次要用户在保证主要用户能够正常工作的前提下,可以允许与主要用户同时接入同一段频谱工作。为了使次要用户对主要用户造成的干扰在主要用户允许的范围内,次要用户通常采用扩频技术,从而可以严格的控制好传输功率。所以在进行underlay式频谱共享前,系统需要做出一项预处理工作,要先估计出授权系统可以接受的干扰值,以及预测出即将引入的非授权用户在授权用户接收机处的干扰,从而得出结论是否允许非授权用户接入,如果允许需要确定非授权用户的传输功率是多少。

  在underlay频谱共享系统中次要用户对传输PSD会有服务受限,初级RX有个噪声层面上的的镜像增长,PSD可以保持较低的发射功率(这仅仅在低级用户短距离传输中实现)和通过一个非常大的通信扩频带宽。仅有一部分二级用户在接收过程中落入用户成为干扰。所以underlay频谱共享方式并没有真正意义上适应他们所处的通信环境中的传输参数,但是因为他们通常作为二级用户网络中用到所以被提及。

  Underlay原理是在超宽带系统(UWB)通信中实现的并是其中信号具有非常大的带宽。如此大的带宽为大量的扩频银子提供了可能根据这个比例信号带宽分配给符号传输速率是非常大的。典型的传感器网络应用中每秒5k字符,扩频中的105~106通常运用在500兆赫和5GHz的传输带宽中实现的。如此大的带宽中散步的扩频因子通常都以为着辐射问题。即每功率的PSD单元的带宽,可以非常低,同时仍然在次级RX保持良好的SNR。主要窄宽RX在系统中只能看见二级信号传输功率很小的一部分。这就意味着该初级系统的窄带是非常小的。如图

  图8一个UWB系统和一个窄频带(IEEE802.11)局域网之间的干扰

  6.模型设计

  我们考虑在一个认知无线电网络系统中,分级频谱共享问题,在这个网络中,一级用户和二级用户在相同的频谱范围传输数据。特别地,在本文中研究的underlay频谱方式下,二级用户和一级用户在一个公共频段上同时传输。我们此项研究的工作重心是每对想要彼此通话的而两个用户的通信链路。我们将会把属于二级网络的通信链路定义为二级链路。

  在此模型中我们假设有很多的一级用户和耳机用户同时与他们的通信人进行通信。此时,“用户”将会被广泛的使用,用户可以是移动节点,可以是集中式网络中的基站点/接入点,或者式在自组网中的简单的移动节点。尽管模型像其他技术被拓展,CDMA技术仍被设定。

  用户(即一级用户和二级用户)同时通信会彼此干扰。我们将会考虑到一级网络的接收端,后来被称为一级接收点的干扰限制。我们假设每个一级接收点可以接收的一个最大干扰水平。同样,二级链路也可以把BER作为QOS执行效果的指标。如图:,正如图中所见我们以其中一个次要用户作为本次研究的参考点,该用户受到了其他次要用户的干扰,同时还会受到主要用户对其所带来的干扰。不可避免的,还有部分噪声干扰,为了简单考虑,我们把主要用户所造成的干扰以及噪声干扰同属一类干扰。

  假设在考虑的地理区域内,有M个一级接收点和N个二级通信链路。我们把来自二级链路的传输节点到二级链路j的接收节点的信道增益表示为,同时,把来自二级链路的传输节点到一级接收节点j的信道增益表示为。由于一级用户在二级链路的接收端发射,假定,为总的噪声干扰,其中包括的有一级用户所产生的干扰和噪声所带来的干扰,为了在CDMA基础上无线接入,相应的有效的功率谱密度式子可以写作:

  在XX式子中B是频谱带宽,是二级链路的传输速度。是处理增益,这里往往要求大于一个特定值。处理增益简单地等同于其他多径接入技术,比如FDMA,并且表示成SINR。在后面我们都用SINR来代替。现在,如果一个特定的模型计划被执行,BER和SINR会有个清楚的关系问题。因此,在二级链路中,对于一个特定需求水平的BER,需要比一个对应的值更大。因此,二级链路的QOS要求可以表示为

  ,=1,2,···,N

  现在,定义为一级接收点j能承受干扰水平的最大值。一级接收点j的干扰约束条件可以写成

  ,j=1,2,···,M

  式子中一级接收点j总的干扰会小于最大值。我们假定二级链路i的传输速率可以在允许的范围内调整。这个范围的最大值和最小值分别是和。同样,二级链路i的功率比最大功率小。我们假设,在一个可控制的范围内,所有的信道增益是可用的。

  7.仿真

  7.1仿真软件MATLAB介绍

  MATLAB是一种专业的计算机程序被人们广泛使用,其中主要应用于工程科学的矩阵数学运算。但在发展的今天,它已经逐渐成为一种极其灵活的计算体系,用于解决各种重要技术上的问题。MATLAB在使用MATLAB语言的过程中,为我们提供了一个十分丰富的预定义函数库,使得我们在技术工作中变得简单高效。

  MATLAB中各种各样的函数功能比其他像C语言这些语言能更好地解决技术问题,同时还能够调用其他编程语言进行编写,对对象进行文字信息处理、建模仿真、绘制函数和编辑公式。现在,MATLABA已经在生活的各个领域中广泛使用,能够解决多种类型的问题,它是一种适用于多种学科和各种工作平台的数学仿真软件。

  7.2仿真结果

  为了仿真出的结果更加直观,更便于我们对研究更好的分析出结果,这里我们将一些数据直接定义为常量,用户的数量我们直接定成10个,在现实中主要用户对次要用户的干扰较小,因此在仿真中我们直接将主要用户与噪声的综合定义为0.005,代码见附录。为了结果更加清晰我们引入了信道传输速率这个量,将SINR公式中的Mi代入观察图形走向。仿真结果如图。

  图中红色线表示=0.5,蓝色线表示=0.75,灰色线表示=1.0,从图中我们可以很直观的看出越小信道传输速率越快,随着的不断增长,所对应的信道传输速率也随之增大。其中我们N改为100时得到仿真图如下。

  可见当数量越大时,随着的变化信道传输速率越明显,基本可以看成为一条直线。

  总结:

  就目前科学发展来看,要想在未来中无线接入技术和不同的无线应用能够高速发展,在下一代无线通信系统中创造巨大的频谱资源这一重大课题可谓迫在眉睫。我们从认知无线电这一最基本的概念出发,贯穿了从认知到认识干扰再到抑制干扰这一过程,使我们对认知无线电有了个初步的了解。本文的中心内容在于利用功率控制的方法来抑制同信道中的干扰问题,在本文设计的模型中进行研究,并利用仿真的方式将同信道干扰与传输功率之间的函数关系作为推导,并在其中引入了信道传输速率的量,将传输功率的变化所影响信道传输速率的变化更为直观的表现出来,经过观察仿真图像得出相应结论,解决了认知无线网络中的频谱共享问题。特别是在CDMA网络中提出使用频谱接入控制算法,其目的在于将次级用户的链接减少到最低限度,使基于SINR目标的QoS约束和对原始用户干扰约束达到令人满意的效果。实质性的解决了提高频谱利用率这一重大课题。

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