基于凈空技術(shù)的ISM頻段可靠無線通信系統(tǒng)分析

于彥峰 喬利娟

摘 要：本文簡要介紹了凈空技術(shù)、ISM頻段等相關(guān)建模元素，提出了科學(xué)的建模方案。其間開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涉及射頻AD清零、誤碼率、射頻開關(guān)設(shè)計(jì);同時(shí)，開展了仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證誤碼率、驗(yàn)證捕獲、實(shí)測ISM無線通信系統(tǒng)，以此驗(yàn)證凈空技術(shù)應(yīng)用的可行性，減少頻譜資源緊張問題。

關(guān)鍵詞：誤碼率;射頻開關(guān);無線通信系統(tǒng)

中圖分類號：TN92文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0039-03

Analysis of Reliable Wireless Communication System in ISM Frequency Band Based on Clear Space Technology

YU Yanfeng QIAO Lijuan

（Zhengzhou Railway Vocational & Technical College，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This paper briefly introduced related modeling elements such as clearance technology and ISM frequency band， and proposed a scientific modeling program. In the meantime， system design was carried out， involving RF AD clearing， bit error rate， and RF switch design; at the same time， a simulation experiment was carried out to verify the BER， verify the capture and actually test the ISM wireless communication system， so as to verify the feasibility of the application of clearance technology and reduce the problem of tight spectrum resources.

Keywords： BER;RF switch;wireless communication system

頻譜資源是無線通信中較為關(guān)鍵的資源，此資源具有珍稀性與有限性。頻譜資源由國家負(fù)責(zé)管理與分配，由無線通信系統(tǒng)予以應(yīng)用。在無線設(shè)備與服務(wù)日益增長的背景下，有限的頻譜資源以各種形式消耗著，原有的頻譜分配方式已然難以有效滿足通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)行的需求。

1 建模

1.1 相關(guān)概念

ISM頻段的命名組織為國際通信聯(lián)盟無線電通信局，ISM頻段無授權(quán)程序，具有通信功能，無線設(shè)備使用ISM頻段，應(yīng)符合發(fā)射功率、天線增益兩個(gè)條件。ISM頻段應(yīng)用具有自由度優(yōu)勢，在無線網(wǎng)、藍(lán)牙等領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)品的高速發(fā)展，如無線局域網(wǎng)，相關(guān)運(yùn)行單位獲取了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)頻段無線通信系統(tǒng)如空地、蜂窩等逐漸開展ISM頻段應(yīng)用與運(yùn)行的可行性分析。現(xiàn)階段，關(guān)于ISM頻段設(shè)備的應(yīng)用以室內(nèi)為主，為其在星空、陸地、蜂窩等方向的通信發(fā)展提供有利條件。ISM頻段運(yùn)行所需的無線設(shè)備應(yīng)遵循的算法為載波監(jiān)聽與沖突避免相結(jié)合的方式，以此達(dá)成ISM頻段資源的貢獻(xiàn)目標(biāo)，隨即引出的通信問題為：頻譜資源供給穩(wěn)定性[1]。

凈空技術(shù)成為ISM頻段占用資源的關(guān)鍵問題，直接影響其打開星空與蜂窩等通信途徑，然而，現(xiàn)階段尚未有學(xué)者解決此問題。針對ISM頻段抗干擾能力的研究與信道占用幀等運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)建模分析。在分析信道占用幀時(shí)，人們獲得了自干擾問題相關(guān)運(yùn)行理念，從系統(tǒng)復(fù)雜性、通信質(zhì)量等方面予以權(quán)衡，提出了AD清零、基站盲發(fā)等理念。針對清零存在的系統(tǒng)影響，仿真試驗(yàn)應(yīng)從誤碼率、捕獲等方面逐一進(jìn)行。

1.2 建模方案

將三種信號（凈空信號、接收信號和ISM設(shè)備信號）的時(shí)序元素作為時(shí)序模型的建模元素。其中，凈空信號的時(shí)序控制模塊為發(fā)射模塊，在[T1]時(shí)間范圍內(nèi)完成CTS幀的發(fā)送任務(wù)。[T2]時(shí)間范圍內(nèi)無信號發(fā)送任務(wù)。周期時(shí)間表示為[T=T1+T2]。接收信號與收發(fā)信機(jī)模塊兩者的時(shí)序具有對應(yīng)性，原因在于專用信號在收發(fā)期間借助的頻分模式為雙工，在偽裝信道位置完成鏈路工作的接收工作，為此，應(yīng)僅考量信號接收問題。在[T1]時(shí)間范圍內(nèi)，信號接收設(shè)備完成了專用信號的接收工作，并接收著凈空發(fā)射模塊內(nèi)部凈空幀具有的自干擾問題。在[T2]時(shí)間范圍內(nèi)，信道資源處于可用狀態(tài)，尚未接受凈空幀的干擾影響。ISM設(shè)備在CSMA/CA算法規(guī)則中開展持續(xù)性信道凈空信號的監(jiān)聽程序，并在適當(dāng)時(shí)間予以回避[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 射頻AD清零

在信道占用穩(wěn)定性獲得保證的前提下，凈空幀運(yùn)行的發(fā)射功率應(yīng)具有規(guī)范性與標(biāo)準(zhǔn)性，實(shí)際應(yīng)用期間應(yīng)盡量調(diào)整發(fā)射功率，使其符合相關(guān)規(guī)定的要求。ISM頻段中，設(shè)備發(fā)射功率的最大值為1 W。然而，以星地通信為研究視角，地面接收機(jī)位置的入口信號，其電平最小值為-130 dBm，凈空幀功率的最大值為30 dBm，兩者相差160 dBm。若不計(jì)算凈空幀自干擾的相關(guān)因素，在此信道環(huán)境中運(yùn)行專用通信，就必然影響接收機(jī)獲取的積分結(jié)果，無法保障捕獲跟蹤，造成系統(tǒng)誤碼率處于膨脹發(fā)展?fàn)顟B(tài)。所以，應(yīng)在凈空中發(fā)送間隙時(shí)開展專用通信的運(yùn)行，以此防止[T1]時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生凈空自干擾問題，完成終端與基站兩個(gè)位置的時(shí)鐘同步。星空等位置的遠(yuǎn)距離通信交流形成了握手與反饋程序，降低了信號傳輸?shù)臅r(shí)效性，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性。

接收端在[T1]時(shí)間范圍內(nèi)完成AD芯片的射頻數(shù)據(jù)消除。基于[T1]的時(shí)間跨度，偽碼周期與信息時(shí)長均較小，系統(tǒng)誤碼率的影響因素為填充電平、[T1]時(shí)間范圍內(nèi)接收機(jī)在本地運(yùn)行的偽碼特征。在大量仿真試驗(yàn)中，考量系統(tǒng)運(yùn)行的簡便性，最終確定AD清零與基站盲發(fā)應(yīng)對方案。基站盲發(fā)具體指基站在全程序的通信中，專用信號具有持續(xù)性發(fā)送能力，并未加以考量凈空幀存在的發(fā)展間隙。AD清零具體指的是凈空自干擾，此干擾問題來自時(shí)間信息系統(tǒng)自發(fā)性存在的干擾能力，接收機(jī)以射頻AD芯片為運(yùn)行對象，研究其在[T1]時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)清零問題，其間[T2]時(shí)間范圍內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)不變。

2.2 誤碼率

[T1]時(shí)間范圍內(nèi)開展AD芯片的數(shù)據(jù)清零程序，接收信號設(shè)備規(guī)避了[T1]時(shí)間范圍內(nèi)存在的凈空幀自干擾問題，在此基礎(chǔ)上，除去[T1]時(shí)間內(nèi)有益信號發(fā)生損失與一部分熱噪聲資源，有益信號功率發(fā)生削弱的因子計(jì)算方式為：

[deg（singal）=（1-Bdc）2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Bdc]為清零數(shù)據(jù)與總數(shù)據(jù)量兩者之間的比值，其可以用式（2）表示。

[Bdc=T1/T=T1/（T1+T2）]? ? ? ? ? ? ? ? （2）

熱噪聲發(fā)生功率削弱，其衰減因子計(jì)算方式為：

[deg（thermalnoise）=（1-Bdc）2]? ? ? ? ? ? （3）

AD清零完成時(shí)，計(jì)算其等效載波發(fā)生的噪聲比，其計(jì)算方式為：

[C/N1=[C×（1-Bdc）2]/[N0×（1-Bdc）2] ? ? =（C/N0）×（1-Bdc）]? ? ? ? （4）

式中，[C]為有益信號對應(yīng)的載波功率;[N1]為噪聲密度;[N0]為熱噪聲內(nèi)在的功率譜密度。

式（4）可以轉(zhuǎn)化為對數(shù)表達(dá)形式，即

[[C/N1]dB=[C/N0]dB+10lg（1-Bdc）]? ? ? ? ? （5）

式中，AD清零引起了干擾變化，產(chǎn)生了載噪比損失[10lg（1-Bdc）]。

AD清零方案引起了載噪比損失，其影響因素為清零數(shù)據(jù)量與總數(shù)據(jù)量的占比。此占比數(shù)值越小，說明信噪比發(fā)生的損失相對減少。CTS幀在控制幀中的持續(xù)周期較短，在一定程度上減少了損失[3]。與此同時(shí)，基于信噪比與誤碼率存在關(guān)聯(lián)性，由清零數(shù)據(jù)占比推算誤碼率。

假設(shè)專用信號規(guī)則為CDMA，選擇BPSK的調(diào)制方法，專用信號計(jì)算關(guān)系用公式可以表示為：

[s（t）=A×x（t-T）×D（t-T）×sin（2π（f+fd）（t-T）+θ）]? （6）

式中，[A]為信號振動幅度;[t]為信號;[x（t）]、[D（t）]分別為擴(kuò)頻對應(yīng)碼、數(shù)據(jù)碼，[x（t）]與[D（t）]的取值范圍均為[-1，+1];[f]為載波頻率;[fd]為普勒頻移;[T]為傳播發(fā)生延時(shí);[θ]為初相位。

假設(shè)雙極性碼的基礎(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，關(guān)鍵性信號變化范圍為[A]，信道噪聲表現(xiàn)為高斯白類型，在低性能濾波器作用下，形成高斯帶線噪聲[n（t）]，此時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)參數(shù)為[V]。在[V]時(shí)刻，一維概率密度的計(jì)算方式為：

[f（V）=1/[（2π）-1σn]e-V2/2σn]? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中，[σ]為AD清零區(qū)域的信號。

系統(tǒng)誤碼率總數(shù)的計(jì)算定義為：

[Pe=P（0）P（1/0）+P（1）P（0/1）]? ? ? ? ? ? ? （8）

式中，[P（0/1）]為發(fā)送1時(shí)發(fā)生0錯(cuò)判的概率;[P（1/0）]為發(fā)送0時(shí)發(fā)生1錯(cuò)判的概率;[P（0）]為發(fā)送0時(shí)的對應(yīng)概率;[P（1）]為發(fā)送1的對應(yīng)概率。

假設(shè)[Vd]作為判決限制值，當(dāng)[dPe/dVd]=0且存在[P（0）=P（1）=1/2]時(shí)，將其代入式（8），結(jié)果為：

[Pe=1/2erfc（A/[（2π）-1σn]）]? ? ? ? ? ? ? （9）

在連續(xù)時(shí)段[Tb]周期內(nèi)，[A]載波變化區(qū)間內(nèi)的調(diào)制信號產(chǎn)生的比特能量[Eb=1/2A2Tb]，其誤碼率計(jì)算方式為：

[Pe=1/2erfc（A/（Eb/N0）-1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

由此計(jì)算AD清零產(chǎn)生的載噪比損失[ΔC/N0]，單位為dB，計(jì)算公式為：

[[ΔC/N0]dB=10lg（1-Bdc）]? ? ? ? ? （11）

AD清零時(shí)，BPSK誤碼率計(jì)算公式為：

[Pe=1/2erfc（[（Eb/N0）（1-Bdc）]-1）]? ? ? ?（12）

3 仿真試驗(yàn)

3.1 驗(yàn)證誤碼率

下面驗(yàn)證射頻AD清零方案是否具有可行性，應(yīng)采取的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證方式為：開展誤碼率的仿真試驗(yàn)。其仿真參數(shù)設(shè)計(jì)為：信息速率=400 Rb/bps;擴(kuò)頻碼速率=2.048 Rcp/bps;編解碼形式設(shè)定為Golay（24，12，8）;凈空幀時(shí)效為150 Tf/μs;信道消耗時(shí)長為10.28 Tc/ms。

仿真條件設(shè)計(jì)為：凈空幀未發(fā)生自干擾事件;[T1]時(shí)間范圍內(nèi)射頻AD清零完成;產(chǎn)生凈空幀干擾事件，幅值規(guī)格為[N]。

仿真試驗(yàn)分析如下：[T1]時(shí)間范圍內(nèi)，AD信號清零方案有效獲取的誤碼率數(shù)值較低，當(dāng)[Eb/N0]=6 dB時(shí)，誤碼率在較為理想狀態(tài)下發(fā)生10-4的數(shù)量級偏差。系統(tǒng)內(nèi)部凈空幀的功率與專用信號功率相比，前者較大，因此設(shè)計(jì)期間難以排除凈空幀產(chǎn)生的自干擾問題。AD清零理論對應(yīng)仿真試驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行存在吻合性，證實(shí)此方案具有可行性。

3.2 驗(yàn)證捕獲

捕獲程序的驗(yàn)證方法主要借助PMF-FFT算法，仿真參數(shù)為：信噪比[SNR]=-25 dB，濾波器長度[X]=26，濾波器個(gè)數(shù)[P]=1 024，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)[N]=1 024，捕獲目標(biāo)頻點(diǎn)[fd]相位為10 340 Hz/1 chip，采樣率[fs]=20.48 MHz。仿真分析如下：在仿真試驗(yàn)中，捕獲的二維結(jié)果均具有峰值較小的特點(diǎn)，干擾頻率與碼位具有較大的基底噪聲，引起目標(biāo)頻點(diǎn)與碼相位發(fā)生覆蓋與淹沒事件。凈空幀干擾特征表現(xiàn)為時(shí)間信息的自發(fā)性[4]。為此，F(xiàn)PGA控制單位采取的信號捕獲方式要保證選擇性與有效性。針對凈空幀在[T2]時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)送間隙得到的捕獲結(jié)果，依據(jù)仿真參數(shù)計(jì)算得知，多普勒頻率步進(jìn)量參數(shù)[Δf=fs/XP=769.23 Hz]，捕獲結(jié)果中峰值坐標(biāo)為（14，1）。由此計(jì)算，對應(yīng)頻率為10 000 Hz、干擾碼相差為1 chip，此數(shù)值與目標(biāo)設(shè)置數(shù)值具有一致性。

捕獲檢測概率的計(jì)算公式為：

[Pd=1-k=1N[1-Q（2X×P×SNRin）|G（fd，k）|，t0]] （13）

式中，[G（fd，k）]為濾波器輸出時(shí)[N]點(diǎn)FFT在[k]點(diǎn)獲得的幅度響應(yīng);[t0]為歸一化計(jì)算結(jié)果;[SNRin]為信噪比;[Q]為路積分相關(guān)值，表示捕獲點(diǎn)位的信號干擾情況。

假設(shè)虛警率[Pfa]=10-5，代入式（13）獲得[Pd]=1。由此，PMF-FFT對應(yīng)的捕獲時(shí)間計(jì)算公式為：

[T=[2+（2-Pd）（q-1）（1+k×Pfa）]/2PdTd]? ? ? （14）

式中，[q]為搜索碼片數(shù)量;[Td]為延遲事件。

借助濾波器計(jì)算，可得[T]=6.5 ms，符合時(shí)間碼（TC）運(yùn)行的時(shí)間規(guī)范。

3.3 實(shí)測ISM無線通信系統(tǒng)

系統(tǒng)總體測試程序總有三種測試結(jié)果。一是在ISM設(shè)備未運(yùn)行時(shí)開展專用通信的測試工作，測試方法為：在相對較遠(yuǎn)的基站完成專用信號的發(fā)送工作;在一體化終端接收設(shè)備中開辟新的通道，保障上位機(jī)設(shè)備高效獲取專用信號幀[5]。二是在ISM設(shè)備周圍運(yùn)行的專用通道予以測試，測試方法為：在相對較遠(yuǎn)的基站完成專用信號的發(fā)送工作;在一體化終端接收設(shè)備中開辟新的通道;開啟路由器靜待專用通道自啟;將路由器連接在計(jì)算機(jī)終端，完成文件發(fā)送，此時(shí)計(jì)算機(jī)終端信號發(fā)送速度的計(jì)量單位為Mb/s，然而上位機(jī)難以有效接收專用信號幀。三是針對凈空信號發(fā)射完成獲取的專用通信進(jìn)行測試：在相對較遠(yuǎn)的基站完成專用信號的發(fā)送工作;在一體化終端接收設(shè)備中開辟新的通道;開啟路由器靜待專用通道自啟;將路由器連接在計(jì)算機(jī)終端，完成文件發(fā)送;開啟凈空發(fā)射板塊。此時(shí)，計(jì)算機(jī)終端信號發(fā)送速度的計(jì)量單位為Mb/s，發(fā)送速度逐漸削弱至0，上位機(jī)可重新成功獲取專用信號幀。

這三種實(shí)測方式驗(yàn)證了ISM頻段開啟一體化專用通信終端的設(shè)計(jì)方案具有運(yùn)行可行性。針對未添加ISM設(shè)備的運(yùn)行系統(tǒng)，工作處于理想狀態(tài)，開啟凈空發(fā)射模塊，會引起專用通信系統(tǒng)內(nèi)部的信噪比惡化，相比實(shí)際產(chǎn)生的信噪比，前者高出4 dB。此信噪比變化在通信鏈路設(shè)計(jì)中處于余量范圍內(nèi)，證實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行具備較高的實(shí)用性。

4 結(jié)論

ISM頻段以凈空技術(shù)為基礎(chǔ)，借助可靠的無線通信系統(tǒng)，完成通信技術(shù)軟硬件方案。此方案可以保證共享頻段在星空等地的通信專用性，降低通信專用型建設(shè)的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]吉行健，梁廣，孫思月，等.基于凈空技術(shù)的ISM頻段可靠無線通信系統(tǒng)[J].中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（4）：498-506.

[2]鄧麗莉，駱驍.1 800 MHz頻段行業(yè)專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)間干擾共存研究[J].山西科技，2020（2）：49-52.

[3]侯琪.高頻段無線通信系統(tǒng)中的預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2018：11-12.

[4]肖雄.基于MMR的無線通信系統(tǒng)多頻段濾波器的小型化研究[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2018：22-23.

[5]宋昊.高性能非授權(quán)頻段無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018：18-19.