带系统结构„„ 系统框图„„调制信号„„信号功率谱 分析„„超宽带系统结构„„基本原理„„ 系统模型„„ 第三章公共控制信道超宽带认知无线电干扰分析与抑制 超宽带认知无线电干扰分类„„超宽带认知无线电窄带干扰„„超宽带认知无线电多址干扰„„接收机„„ 多址干扰分析„„并行干扰删除„„数值仿真及分 析„„结论及展望„„ 第四章动态频谱共享超宽带认知无线电的干扰分析与抑制„„ 超宽带认知无线电干扰分类„„超宽带认知无线电多址干 扰„„超宽带的多址方式„„超宽带的多址干 扰„„超宽带认知无线电窄带干扰„„子载波的功率 泄露„„子载波联合调制„„子载波联合调制功率谱密度比 较分析„„子载波联合调制的误码率性能分析„„结论与展望„„ 第五章总结„„参考文献„„致谢„„作者攻读学位期间发表的学 术论文目录„„ 第章超宽带认知无线电概述 引言 随着社会经济的高速发展和市场需求的快速增加，针对不同应用的各种无线技术和无 线业务如雨后春笋般层出不穷。而各种业务的载体无线电频谱资源是种宝贵的有限 的资源，主要由国家统分配授权使用。个频段般只供给个无线通信系统使用， 不同的无线通信系统使用不同的频段，互不干扰。这种静态的无线频谱管理方式，避免了 不同无线通信系统间的相互干扰。但是，随着无线通信业务需求的快速增长，可用频谱资源 变得越来越稀缺。人们通过采用先进的无线通信理论和技术，如自适应技术等努力 提高频谱效率的同时，却发现全球授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段， 其频谱的利用率极低。在些地区实际测试时，发现在以下的些 频 段和之间的大部分频段的频谱利用率很低。 图频谱利用率测量 图是对商业区的频谱利用率的实际测试结果，其中信号抽样 频率,时间跨度。测试结果表明，在全球授权频段，即便是在信号传 播特性较好需求紧张的到频段内，频谱的利用率也不到在 频段，频谱利用率降低为在以上，频谱利用率更低。事实上我们拥有丰富的 频谱资源，只是由于管理和授权的原因导致了频谱资源的利用率低 。因此寻找更有效的频谱使用和管理方式，充分利用各地区各 时间段的空闲频段，缓解不断增长的频谱资源的需求矛盾，提高频谱利用率成为十分关 注的问题。正是基于以上问题，各种以重用频谱资源和频谱共享为特点的通信技术受到了 广泛关注，也逐渐成为研究热点。其中最具代表性的就是超宽带无线通信技术 和认知无线电技术。超宽带从定义上来讲，是种完全的 衬于底层的技术，和传统的窄带无线电设备能实现共存，共享频谱。当前，技术 主要定位于短距离无线通信的应用中，例如和。而认知无线电可以感知外部环境 的智能通信系统，是软件无线电，的进步智能化发展，认知无线电可 以通过感知周围的无线通信环境并基于定的学习和决策方法，选择合适的调制方式发射功率等参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间频率以及空间上进行 多维的复用，大大提高频谱利用效率。在这两种无线新技术背后的核心思想都是不影响其他 通信系统的情况下共享可用的频谱资源，尽管它们共享频谱及与其它系统共存的方式不同， 但都极大地提高了频谱利用率，缓解了日益增长的无线业务需求与日渐匾乏的频谱资源之间 的矛盾。然而，这两种非常有前景的技术在自身的发展过程中却面临些困境，为了使它 们具有更好的性能更快地走向实际应用，越来越的研究集中于结合两种技术的特点进行互 补，提出了个全新的无 线通信技术领域超宽带认知无线电。 超宽带无线电技术 技术的定义技术最早出现在世纪年代时域电磁学的研究中，用 于通过冲激响应描述网络的瞬时特性。年，种高灵敏的短脉冲接收设备研制成 功，进步加速了技术的研究进展。直到年，超宽带这名称才被美国国 防部启用。在此之前，这项技术常被称为基带无载波调制 或脉冲无线电技术。年月，这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员 会的批准用于民用通信领域，这举措有力的推动了的发展。规定，信 号的绝对带宽大于或相对带宽大于，这里相对带宽 定义为 必要介绍下技术。在无线通信 中由于存在多径效应，传输的数字信号产生时延扩展，造成接收信号中前后码元的交叠，产 生码间干扰，造成判决，严重影响传输质量。在码元速率较高的情况下，码元 周期很短，时延扩展将跨越更多的码元，造成更严重的码间干扰。从另方面看，码元速率 较高时信号带宽较宽，信道的时间弥散将造成频率选择性衰落。为了解决信息传输速率和时 间弥散之间的矛盾，提出了多载波调制的概念。 是多载波调制的个具体实现方案，它的基本思想是将高速串行数 据流分成若干低速并行的数据流，使每个子数据流具有较低的传输速率，并利用 这些数据去调制若干相互正交的载波，各子载波的数据传输速率相对较低，码元周期较 大，只要时延扩展与码元周期的比值小于定值，就不会产生码间干 。 个符号之内包括多个经过调制的子载波，其中每个子载波都受到的调制。 如果用表示子信道的个数，表示符号的时间宽度是 分配给每个子信道的数据符号，是第个子载波的载波频率， ， ，则从开始的符号可以表示为 或 在很多文献中，经常采用等效基带信号来描述符号， 或 其中，式的实部和虚部分别对应于符号的同相和正交分量，在实际中， 可以分别与相应子载波的余弦和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的符 号。图为系统的调制和解调框图，图中假定。在符号周期内， 所有的子载波都是正交的，在实际应用中，每个子载波在个符号周期内都包含整数 倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差个周期。这特性可以用来解释子载波之间的正 交性，即∫ ≠ 图调制解调 对式中的第个子载波进行解调，然后在时间长度内进行积分，即 ∫ ∫ 由上式可知，对第个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对于其它载波来 说，在积分间隔内，频率差别可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零 。 这种正交性还可以从频域角度来理解，根据式，每个符号在其周期内 包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为的矩形脉冲的频谱与组位于各 个子载波频率上的函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为 函数，这种函数的零点出现在频率为整数倍的位置上，这种现象可 以参见图，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的 函数频谱。在每个子载波频率的最大处，所有其它子信道的频谱幅值恰好为零。对 于比较大的系统来说，式中的复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆 变换的方法来实现。令式中的， 可以得到 可以看到等效为对进行运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符 号，可以对进行变换，得到 根据上述分析可以看到，系统的调制和解调可以分别由来代替。通过 点运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过载波调制之后， 发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行点运算， 即可获得发送的数据符号。 图信号中各子载波的频谱 采用技术的最主要原因之是它可以有效地对抗多径时延扩展，通过把输入的数 据流并行分配到个子信道上，使每个的符号周期可以扩大为原始数据符号周期的 倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低了倍。在系统中，为了最大限 度地消除符号间干扰，在每个符号之间要插入保护间隔 该保护间隔的长度般要大于无线信道的最大时延扩展，这样个符号的多径分量就不 会对下个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是段空闲的传输 时段。然而在这种情况 下，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰。 为了消除的影响，符号需要在其保护间隔内插入循环前缀信号， ，即把符号的尾部的信息复制到保护间隔内，如图所示， 图具有循环前缀的符号 其中，循环前缀，的积分时间，为子载波频率的间 隔，符号周期。系统模型多频带 方案采用了时频交织，技术，即信息比特在不 同的子带之间进行交织。系统既可以看作是全频带系统，也可以看作是子 频带系统。图为时频交织示意图。 图时频交织示意图 从图中可看出，在子带上传输第个符号，在子带上传输第二个符 号，在子带上传输第三个符号，第四个符号重新在子带上进行传输，以 此类推。图中假定只在三个符号间进行时频交织。实际上，周期可能长 得多。的确切长度和模式可能随不同的超帧或微网而有所差异。从图可以看出， 循环前缀插在每个符号的开头，而保护间隔则加在每个符号之后。 时频交织的结构使得所有子带和数据传输只需单个发送和接收链，保护间隔确保发送和 接收有足够的时间转换至下个子带 。 技术具有优越的抗多径衰落的特性，合理的长度可以保证在恶劣的信道环境 下也能捕获到大部分能量，的长度决定着捕获多径能量的大小，之外的任何多径能量 都会导致载波间干扰。长度的选择应最大程度地使收集到的多径能量损失和 造成的不良影响降为最小，同时还保证的开销较小。信道模型具有很高的离散性， 最糟糕的信道环境出现了均方根时延，的长度通常为均方根时延的倍，为了充分捕获多径能量并尽量减少对所有信道环境的影响，持续时间应选择为 。在实际应用中，般选择符号周期的长度是的倍，这时由于插入循 环前缀所造成的信噪比损耗只有。增加子载波数量会降低引起的开销，但随着子 载波数量的增加变换的复杂性也会增加，且相邻子载波的间隔将减小。为了在 开销和复杂性之间取得最佳平衡，本文使用个子载波，其中个数据子载波， 个导频子载波及个空子载波。符号参数如表所示。 参数 数值 子载波总数 子带带宽子载波间隔 周期循环前缀长度保护间隔长度符号间隔 表符号参数 系统的发射机结构如图所示，图中符号的合成方法与传统的 系统类似，只是符号长度子载波间隔循环前缀等具体参数有较大的差别。 图系统发射机结构 方案可支持几种比特速率 和。为了在调制器的输入端保持固定的 的速率，应针对原始二进制流采用不同的编码速率和不同的扩频因子，如表所示 。 信息速率调制方式编码速率约束长度 表系统参数 第三章公共控制信道超宽带认知无线电干扰分析与抑制第三章公共控制信道超宽带 认知无线电干扰分析与抑制 本章将以第二章中介绍的型为例，简要分析其对窄带通信系统的干基于公共控制信道超宽带认知无线电干扰抑制的研究