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    移动通信中的抗干扰技术,终于理清杏耀脉络了
    发布时间:2019年1月22日 点击次数:200
    干扰是移动通信的孪生子,自移动通信诞生以来,人们就一直在跟干扰斗智斗勇。民用移动通信至今已历四代,各种制式对付干扰的手段各有千秋,我们借此机会大致盘点一下。

    先来看下干扰容限的概念:系统尚能工作时,接收机允许输入的最大扰信比(干扰与?#26447;?#20449;号之比),它反映系统在干扰环境中对干扰的耐受能力。

    通信系统能正常工作的条件是:


    其中:
    Pji为进入接收机的干扰功率
    Psi为接收机接收到的?#26447;?#20449;号功率
    Mj为干扰容限

    因此,从大方向来说,我们可以从降低输入扰信比和提高系统干扰容限两方面来提高系统的抗干扰能力,而几代移动通信也正是这么做的。

    二 
    降低输入扰信比

    以扰信比表示的通信干扰方程如下:

     

    PTs:发信机功率
    PTj:干扰信号功率
    GTs:发信机天线增益
    GTj:干扰机天线增益
    Ls:?#26447;?#20449;号路径损耗
    Lj:干扰信号路径损耗
    GRs:收信机接收?#26447;?#20449;号时的天线增益
    GRj:收信机接收干扰信号时的天线增益

    因此,降低输入扰信比的途径又可以分为降低干扰信号、提高?#26447;?#20449;号、增大?#26447;?#20449;号与干扰的时频域重合损耗三部分。

    1. 降低干扰信号

    对于移动通信来说,干扰分为网内干扰和外干扰,网外干扰除了进行扫频排查外干扰信号源外,我们对PTj、GTj、Lj、GRj无法随意改变。

    至于网内干扰的控制,各种制式的移动通信系统采取手?#20301;?#26412;相同,有以下手段:

    ?降低GTj/ GRj:使用定向天线对小区扇区化,把旁瓣对准不希望覆盖的区域,相当于降低了干扰/被干扰方向的增益;TDSCDMA和TDD-LTE系统还用到了智能天线(波束赋形),效果更佳。

    ?降低PTj:使用功率控制及DTX不连续发射?#21462;?

    功率控制是控制网内干扰最重要的手段之一,对于GSM系统,功率控制命令通过SACCH下发,控制周期为3个测量报告的时间,约1.5秒一次。3G和4G的功率控制类似,分为开环功控和闭环功控两种,简单地说,开环功控就是无反馈的功率控制,一般用在初始接入阶段,而闭环功控根据反馈值的类型和反馈单元,又分为内环和外环。不同系统的功率控制速度不一样,WCDMA的功率控制速度是1500HZ,CDMA2000的功控速度是800HZ,LTE功率控制速度是200HZ。

    需要说明的是,由于远近效应的存在,上行更容易受干扰,因此移动通信中的功率控制主要?#24178;?#34892;功控。

    2.提高?#26447;?#20449;号

    提高?#26447;?#20449;号的手段有以下几种:

    1)提高发射功率PTs

    发射功率的提升受限于?#24067;?#35774;备,而且对于移动通信而言,每个用户不但是己方的信号源,同时又是其他用户的干扰源,因此单纯提高发射功率在改善了己方的通信效果的同时,会增加网内其他用户的干扰,整体来看不一定有?#20040;Α?#25925;,移动通信中采用功率控制的手段来调整功率,保证每个用户的功率刚刚够用就行。

    2)分集接收提高接收功率Psi

    所谓分集接收,是指接收端对它收到的多个互相独立(携带同一信息)的衰落特性信号进行特定的合并处理,以降低信号电平起伏的办法。包括接收和合并处理两部分。

    接收方式常用的有三种:空间分集、极化分集、时间分集。

    空间分集:采用空间上相对独立的多付接收天线来接收信号,然后进行合并,为保证接收信号的不相关性,这就要求天线之间的距离足够大,这样做的目的是保证了接收到的多径信号的衰落特性不同,接收天线之间的距离至少大于10个波长。是最常用的一种分集方式。

    极化分集:采用不同极化方式的多付接收天线来接收信号,然后进行合并。移动通信中常见的为正负45度极化天线。

    时间分集:时间分集的代表是Rake接收技术。RAKE接收技术是CDMA移动通信系统中的一项重要技术,可以在时间上?#30452;?#20986;细微的多径信号,对这些?#30452;?#20986;来的多径信号?#30452;?#36827;行加权调整、使之复合成加强的信号。

    合并方式有三种:最大比值合并、选择式合并、等增益合并。最常用的是最大比合并,该方案在接收端只需对接收信号做线?#28304;?#29702;,简单易实现,在接收端由多个分集支路,经过相位调整后,按照适当的增益系数,同相相加,再送入检测器进行检测,合并产生的增益与分集支路数N成正比。

    除了早期工程建设遗留下个别单极化天线外,所有制式的移动通信均使用了极化分集和空间分集,而Rake接收仅用于CDMA系统。

    3. 增大Lf/Lp/Lt

    这三种方法的原理?#30452;?#26159;:

    Lf:从频域将干扰和?#26447;?#20449;号错开,由于民用移动通信的频段不能自主确定,因此限制了此种抗干扰方式的使用。

    Lp:在极化方向上跟干扰隔离,但由于移动通信中电波在传播过程中极化方向频繁变化,因此无法用增加Lp的方式来减少干扰。

    Lt:从时域上隔离干扰,一般用于军用,比如猝发传输技术,将数据压缩在一个突发脉冲中传输,让敌方来不及干扰。

    另外,从某种意义上来说,各系统的多址技术也算是这类抗干扰技术,比如GSM的时分多址,其实就是从时间上把各用户的信号隔离,避免相互干扰。

    三 
    提高干扰容限

    干扰容限反映了保证系统正?#26041;?#35843;的前提下,可“忍受”的最大干扰水平。主要跟采取哪些技术手段有关,当然也跟各厂家的设备性能有关。常见的技术手段有以下几种:

    1. 扩频技术

    扩频技术实质上是先将信号的带宽扩展,然后送入信?#26469;?#36755;,在接收段通过相关处理,使?#26447;?#20449;号的频谱压缩而噪声和干扰的频谱不仅不会压缩,反而会扩展得更宽,通过窄带滤波器提取?#26447;?#20449;号,?#35828;?#22122;声和干扰。

    3G系统中广泛地应用了扩频技术,对于不同的业务类型和扩频的码片速率,系统可获取不同的处理增益:

    处理增益=10lg(码片速率/业务比特速率)

    处理增益越高,保证正常工作所需要的载干比要求?#38477;停?#27604;如WCDMA系统的码片速率是3.84MChips/s,对于12.2K的语音业务,处理增益可高达25dB,相当于对不采用扩频技术的相同业务来说,用了扩频技术后对载干比的要求下降了25dB,抗干扰能力大大增强。

    2. 跳频

    跳频就是手机和基?#24452;及?#29031;一个相同的频点序列来收发信息,移动通信中的跳频技术主要指的是在GSM系统中的应用。

    GSM系统中,小区中每个频点所受的干扰强度和分布是不一样的,同一路通话的突发脉冲的载频的变化,降低了信号所受的干扰,通话受到的电波干扰被平均,否则,移动台一直工作在固定的频点?#24076;?#21017;整个通话过程的每一个突发脉冲可能都会受到固定不变的强干扰,也就是说采用跳频技术把干扰分散到了携带突发脉冲的不同的载频?#24076;?#20063;可以认为是频率分集。

    跳频产生的增益跟参与跳频的频点数有关,另外还跟跳频的速率和环境有关。在工程中,实际测试跳频增益的基本方法是:在要求相同的FER前提下,接收机在不同的跳频频点数时要求不同的C/I,这些C/I的差值就是跳频所获得的增益。

    3. 数字处理技术

    1) 信源编码

    信源编码是将原始信息转换成利于传输的数字信息,目标就是使信源减少冗余,更加有效、经济地传输,最常见的应用形式就是压缩。好的信源编码在较高的误码率下,解码输出的信号仍有较高质量,对解调器输入信号的载干比要求?#31995;汀?

    对于语音业务而言,信源编码一般要经过抽样、量化和编码三个步骤,各系统使用的信源编码为:



    至于LTE系统,初期由于仅支持数据业务,因此不涉及信源编码,Volte阶段支持语音业务后,采用的也是AMR编码方式。

    2) 信道编码

    信道编码就是在发送端对原数据添加冗余信息,这些冗余信息是和原数据相关的,再在接收端根据这种相关性来检测和纠正传输过程产生的差错。

    移动通信中常见的信道编码方式有线性分组码、卷积码、级联码、Turbo码和LDPC码?#21462;?#19981;同的编码复杂度不同,功能也不一,有些只能检错,有些可以?#26469;恚?#20197;下是在各类通信系统中的使?#20204;?#20917;:



    3)交织

    交织技术把一条信息中的连续比特以非连续方式发送,这样即使在传输过程中发生了成串差错,?#25351;?#25104;一条连续比特串的消息时,差错也就变成单个(或者长度很短)的错误比特,这时再用信道纠正随机差错的编码技术(FEC)消除随机差错。交织技术可以消除一定时间?#24076;?#36830;续干扰的影响,但必须要跟?#26469;?#25216;术同时使用才有意义,而且随着交织深度的不同,会带来不同程度的时延。

    4. 调制方式

    不同的调制方式,抗干扰性能不同,以调相来说,调制阶数越高,传输效率越高,但同时对信号质量的要求也越高,抗干扰能力越弱,比如64QAM的抗干扰能力就弱于16QAM。
    除了GSM使用调?#20302;猓?#20854;他杏耀通信系统均使用调相方式,对于LTE来说,根据无线环境的不同,灵活采用不同的调制方式,保证了数据传输的可靠性。
    各制式使用的调制方式如下:



    四 
    小结

    随着通信技术的发展,抗干扰技术也在不断的发展中,但万变不离其宗,大的方向还是这么几个,只要掌握了总的脉络,学习起来就能事半功倍,避免“只见树木,不见森林”。
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