無線通信系統中的抗干擾技術

陳 君

（電子科技大學航空航天學院，四川 成都611731）

0 引 言

隨著科學技術的進步，有線通信技術和無線通信技術都得到了飛速的發展。其中，無線通信技術更是日新月異。但是，無線通信中的干擾問題十分嚴重，在一定程度上限制了無線通信的應用。無線通信之所以干擾嚴重，主要有幾個方面原因：第一，無線通信的傳播環境是所有人共處的公共環境，它的傳播環境相當復雜，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，人們的生活隨時可能對它造成干擾，比如汽車發動機點火。同時，各個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雜的環境中，有用信號和其他干擾信號的載頻可能相同，從而導致接收機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方法。它是現在最流行的3G系統的一項關鍵技術。應用功率控制技術計算出每個移動臺到基站的最小發射功率，通過限制用戶使用的移動設備的發射功率，使移動臺發射的功率“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，由于移動臺發射功率較小，相鄰的同頻基站接收到非本小區的移動臺發射的同頻無線信號的功率極低，從而減小了同頻干擾。而且，由于移動設備多采用可充電電池，其存電量有限。當減小其發射功率時，會增加移動設備一次電量的使用時間。如今的智能手機耗電量極快，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接受有用信號的頻譜的頻帶內，對接收機造成干擾。

同頻干擾和鄰頻干擾問題比較突出的是頻分復用蜂窩小區，蜂窩小區如圖1所示。這種小區把總的頻帶劃分成多個子帶，然后每個小區分別使用一個子帶，設一個基站，多個小區再形成一個區群，也稱作“簇”。每一個“簇”完全利用整個頻帶。這樣就用很多小功率的小基站代替一個大基站，由于把有限的頻帶資源在各個“簇”之間重復利用，大大提高了系統容量。當然，由于每隔一定距離頻率會重復出現，所以也就出現了同頻小區之間的互相干擾。同理，在同一個“簇”內，小區和小區距離很近，如果它們的頻率相近，也就產生了鄰頻干擾。

圖1 蜂窩小區

1．3 互調干擾

互調干擾通常也叫做交調干擾。它是由于兩種或多種不同頻率的有用信號經過同一個非線性電路時，有用信號之間在互相調制，從而導致新的頻率成分的信號出現。但是這并不意味著新的頻率成分出現一定會導致干擾，如果新的頻率在接收機接受的頻帶范圍之內，才會造成干擾。如，f1和f2兩種頻率信號的互調干擾產生的新頻率可能為f1－f2以及f1＋f2。信號數量越多，則新的頻率成分就越復雜。

2 抗干擾技術

為了對付各種干擾，研究人員開發出許多新的抗干擾技術，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。

2．1 MIMO技術

MIMO技術即多輸入多輸出技術，是利用天線在發射端發射多個信號，在接收端接受這些信號，并對其進行一定的疊加，從而恢復出完整的有用信號。眾所周知，系統容量是通信系統的一個重要指標，MIMO技術的實質是基于系統容量公式而來的，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函數表示取幾個數中的較小者，M和N分別表示接收天線數目和發射天線數目。

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

2．2 FHSS技術

FHSS技術即跳頻擴頻技術，它是利用載波頻率在多個頻率點上做偽隨機跳變的方式，大大減少了人為或者自然在某一頻段上的干擾。跳頻技術的關鍵是如何產生偽隨機碼序列，同時，如何保證接收方做出和發射方一樣的偽隨機跳變以接收電磁信號也是關鍵之處。根據香濃公式，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B增加時，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技術如圖2所示。

圖2 FHSS技術

2．3 智能天線技術

近年來，數字信號處理技術的發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抗干擾能力，是因為它只朝著某個特定的方向發送無線電信號，它的主波束直接對準接收端，從而使信號傳輸更為有效［3］。智能天線可以擴充系統容量而不導致系統復雜度的增加，因為它不僅可以利用時間、頻率、擴頻碼，還可以利用空間域。從智能天線發展而來的自適應天線陣列可以增加系統抗干擾的能力，它如同給移動用戶相關聯一樣，跟蹤目標接收端的實時坐標，時刻直接對準目標接收端發射無線電磁信號，在使目標接收端的信號強度最大的同時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 認知無線電技術

在無線通信中，頻譜資源極其寶貴，這也是信號之間產生干擾的原因之一。由于認知無線電（Cognitive Radio）可以主動分析當前的頻譜環境，當其發現某些頻段暫時沒被其他信號占用時，便立刻使自身用戶利用此頻帶，大大提高了系統容量和通信有效率［4］。同時，認知無線電還具有對自身頻譜環境的認知、學習功能，可以汲取過去的錯誤經驗對當前環境進行分析，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。當頻譜能更好利用時，信號之間的干擾自然也就得到了很好的控制。在認知無線電技術中，最關鍵的技術是對于自身所處環境的頻譜檢測和分析判決，這也是目前認知無線電研究的重點之一。認知無線電技術如圖4所示。

圖4 認知無線電技術

2．5 混合抗干擾技術

由于無線信道中各種干擾互存，通過對實際系統的分析，針對不同的無線通信系統，結合使用多種抗干擾技術，從而達到最好的抗干擾性能。例如，為了達到最大擴頻比例，可以同時使用時間跳變技術和頻率跳變技術；或者MIMO技術與擴頻技術相結合使用。但是，這樣的混合技術往往會使系統的復雜性提高，不易維護。

3 抗干擾技術的未來

由于無線通信的方便、快捷、高效等特性，它必將是21世紀的主流通信方式。隨著無線通信技術的發展，無線通信中的抗干擾技術也在迅猛發展。無線通信中的抗干擾技術模式很多，方法也很多，效果也都不錯。可以大致總結出抗干擾技術的發展趨勢：（1）抗干擾技術呈現出多種技術綜合使用的趨勢，這是由于無線通信信道復制性所決定的；（2）抗干擾技術出現網絡化過程，利用計算機網絡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正在不斷誕生和發展［5］。總之，抗干擾技術向著復雜化、綜合化、新型化的方向持續發展是不容置疑的。

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

［2］ 曾一凡，李 暉．擴頻通信原理［M］．北京：機械工業出版社，2005．

［3］ 張 平，陶小峰，王衛東，等．空時碼［J］．電子學報，2000，28（11A）：110－113．

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

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