基于认知无线电的超宽带系统中窄带干扰抑制技术

1、2008年3月Journal on CommunicationsMarch 2008第29卷第3期 通 信 学 报 V ol.29 No.3基于认知无线电的超宽带系统中窄带干扰抑制技术周刘蕾1，朱洪波1，张乃通2（1. 南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京210003；2. 哈尔滨工业大学 电子与信息技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150001）摘 要：基于认知无线电的思想，在满足联邦通信委员会（FCC ）频谱限制的基础上，提出一种能避开多个无线电台工作频段的UWB 脉冲波形设计算法，从而达到抑制窄带干扰的目的。仿真结果表明，提出的脉冲比通常使用的Scholtz 脉冲的性能更优，抗干扰能力

2、更强。且此方法不需要在整个频段内降低UWB 脉冲的功率谱密度，为提高UWB 脉冲发射功率，增大UWB 系统的通信距离，提供了一种灵活易行的方案。 关键词：认知超宽带无线电；频谱感知；脉冲波形设计；干扰抑制中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(200803-0135-06Narrowband interference suppression in UWB systembased on cognitive radio theoryZHOU Liu-lei1, ZHU Hong-bo1, ZHANG Nai-tong2(1. College of Telecomm

3、unications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China;2. School of Electronic and Information Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,ChinaAbstract: A novel adaptive UWB pulse shaping algorithm was presented for producin

4、g the expected spectral notches right in the frequency band occupied by the nearby wireless devices. Simulation results show that the proposed UWB waveform has a better single-link BER performance in AWGN channel, and stronger anti-jamming abilities than other conventional waveforms such as Scholtzs

5、 monocycle, etc. Besides, the power spectral density of UWB pulse does not need to be reduced over the whole frequency band. Therefore, it is possible to expand the communication range of UWB systems by increasing the transmitted power of UWB pulse.Key words: cognitive ultra wideband; spectrum sensi

6、ng; pulse waveform shaping; interference suppression1 引言超宽带（UWB ，ultra-wideband ）技术正在成为无线通信领域的一个研究热点。它使用功率谱密度极低、宽度极窄的脉冲串传送信息，能量分布在很宽的频谱上，几乎覆盖了所有无线通信系统的工作频段，所以不可避免地与窄带无线系统，如全球定位系统（GPS ）、无线局域网、蓝牙等产生相互干扰。认知无线电（CR ，cognitive radio）的概念起源于1999年Joseph Mitolo博士1的奠基性工作，核心思想是CR 具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用该空间的可用频

7、谱，并限制和降低冲突的发生。基于这个认识，把CR 技术引入到UWB 系统的认知超宽带无线电技术25收稿日期：2006-10-16；修回日期：2007-12-25基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（60432040）；国家自然科学基金资助项目（60572024）；教育部博士点基金资助项目（20050293003）Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (Key Program(60432040; The National Natural ScienceFoundation of China (605

8、72024; The Ph.D. Programs Foundation of Ministry of Education of China (20050293003·136· 通 信 学 报 第29卷（CUWB, cognitive ultra wideband）给UWB 面临的灵活频谱共享和系统共存性等问题提供一种全新的解决思路。FCC 对UWB 信号的功率谱密度（PSD ）作了严格的限制6，以确保UWB 信号对窄带用户不造成干扰。同样，抑制窄带用户对UWB 系统的干扰也是一个亟待解决的问题。抑制窄带干扰的一个有效方法就是在UWB 信号功率谱中设置零点。因此，能够感知周

9、围的频谱环境，动态地改变波形的频谱宽度、中心频率、包络（功率控制）和功率谱零点位置的脉冲信号设计和产生显得尤为重要。文献7,8提出了一种基于特征值分解的超宽带脉冲设计方案。虽然设计的脉冲能有效抑制窄带干扰，但它没有闭合表达式，且采样率高达64GHz ，实现比较困难。文献9又提出一种修正Hermite 脉冲函数，但是这种脉冲包含有直流分量，需要采用正弦信号进行调制，从而导致了系统的成本和复杂性的大大提高，且此脉冲不能最大限度的利用FCC 所允许的频谱能量。此外，这些方法都没有和外界环境交互，缺少对周围射频环境的了解，使得UWB 系统的频谱共享缺乏灵活性，系统间共存缺少针对性，限制了UWB 系统性

10、能和频谱利用率的进一步提高。一个更有效的方法是考虑将CR 机制嵌入到UWB 系统中。本文针对窄带和UWB 的共存系统，首先提取出窄带系统的频谱信息，根据感知得到的信息动态重构UWB 脉冲的功率谱，使得UWB 脉冲的PSD 不仅满足FCC 频谱限制，且在环境中存在的多个窄带系统的中心频率处形成零点，基本上抑制了窄带系统对UWB 的干扰，改善UWB 系统频谱共享和提高系统的共存能力。且随着可编程脉冲产生器和数字信号处理技术的发展，产生一组动态适配频谱的波形是可行的3。2 共存系统的频谱环境感知 2.1 TH-BPSK-UWB 系统信号及频谱分析UWB 系统可以采用不同的多址方式和不同的信息调制方式

11、来产生UWB 信号。本文采用跳时二进制移频键控（TH-BPSK ）方式10。某单链路UWB 用户发射端信号为s tr /f c ( ( j N j j S t d w t jT c T = (1 其中，( w t 为冲激脉冲信号，f T 是冲激脉冲串的基本周期，一般比脉冲宽度m T 大很多。伪随机码序列j c 作为跳时码产生附加时间偏移来区别用户地址。c T 为伪随机码序列的最小跳时的时间间隔。s /j N d 为+1,1数字信号。取脉冲f c ( j jw t jT c T 的周期p p f T N T =，根据文献11，tr ( S t 的PSD 表示为2222tr 2p p p p (

12、( m m m P f f W f T T T T =+ (2其中，、2分别为s /j N d 的均值和方差，( W f 为Scholtz 单脉冲信号的傅立叶变换。由式(2知，发射信号的PSD 由离散谱和连续谱两部分组成：第一项是连续谱，形状取决于单脉冲的频谱特性；第二项为频谱间隔为p 1/T 的离散谱。单脉冲多采用高斯一阶或二阶导数1013来讨论问题。本节采用一种类似于高斯二阶导数的Scholtz 单脉冲。定义A 为脉冲幅度，为脉冲形成因子，其时域表达式为22( 14(/ exp 2(/ w f A t t = (32.2 UWB系统接收端信号频谱特征量提取在信噪比未知情况下，时域提取特征信

13、息的分类能力不佳，所以本文采取频域特征量提取14。一般的频域特征量提取可采用能量检测法15，循环平稳谱估计或匹配滤波器算法。通信信道中的干扰主要包括宽带干扰和窄带干扰，其中窄带干扰更为普遍且更易产生。在多数扩频通信系统中，只有少数特别强的窄带干扰严重影响系统性能16,17。如果将UWB 系统工作在这些频段的信号滤除，则强窄带干扰将能得到很好的抑制。由于UWB 信号功率谱很低，频宽很宽，相对于窄带系统来说在频谱上类似于白噪声，所以本文选用能量检测法。图1给出了频谱特征量提取的流程图。首先采用一个采样器对UWB 系统工作的电磁环境进行采样，将采样结果输入到谱估计器，通过计算PSD 来确定空间干扰所

14、在的频率位置。将估计得到的频谱幅值与一个选定的阈值T 相比较来确定整个UWB 的工作频段中哪些频点含有干扰，哪些频点未被干扰适于UWB 信号传输。在文献17对实测HF 信道窄带干扰的讨论中得出强窄带干扰占整个宽带频段的比例是很低的。为简单起见，本文通过合理设定阈值T ，可假定UWB 工作环境中仅存在不超过2个以上的强单音干扰。第3期 周刘蕾等：基于认知无线电的超宽带系统中窄带干扰抑制技术 ·137· 图1 频谱特征信息提取流程由于UWB 是短距离无线通信系统（10m 以内），则可假定设备的收发两端处于相同的电磁环境，则收发机两端能够产生相同的频谱估计值。UWB 发射信号经过

15、理想高斯白噪声信道，即无信号失真且不存在信道衰减和延迟。则UWB 系统接收端信号表示为NBre tr ( ( ( (, 1, 2i f iW t S t It n t i =+= (4其中，NB( ( i f I t 指第i 个中心频率为NBif 的单音干扰，( n t 为加性高斯白噪声（AWGN ）信号。 取18dBm T =，图2给出了系统接收端信号的PSD 。可见环境中至少存在2个强单音干扰系统，分别为1NB 0.8GHz, f =2NB 5GHz, f =可能对UWB 系统产生干扰。为抑制干扰，在对周围射频环境了解的基础上必须UWB 系统进行优化。图2 系统接收端信号的功率谱密度3 U

16、WB 脉冲波形设计Scholtz 单脉冲的宽度取决于脉冲形成因子，减小的值将会使脉冲宽度压缩。另外，随着高斯导函数阶数的增高，其峰值频率也会相应提高。图3(a和图3(b分别给出了各阶高斯导数以及不同对应的Scholtz 脉冲的功率谱密度。图3 不同参数高斯函数的频域特性3.1 UWB脉冲波形设计建模Step 1 制定功率谱模板。FCC 规定UWB 系统的PSD 不得超过41.3dBm/MHz，且在窄带系统的工作频率NBif 处，PSD 低于一个门限值K ，以避开窄带干扰。从而制定出UWB 脉冲的功率谱密度所遵循的功率谱模板M ( P f 。可见，该模板具有多个拐点，其中仅1NB (05413

17、. f , . 、1NB (15i . f + NB 05i . f , 413 . 、NB ( i i f ,K 比较重要，只要脉冲的PSD 值低于这几个拐点，则此脉冲将能符合模板的限定。而只要单个脉冲能逼近模板，那么经过调制和编码后的脉冲频谱宽度和中心频率就不会变化。Step 2 脉冲建模。本文提出对多个不同阶数高斯导函数进行线性组合，用函数逼近的方法，动态选择组合波形参数及加权系数，使脉冲的PSD 自适应地逼近模板。不失一般性，选用一至八阶高斯导函数W K作为基底函数，权向量为C K ，则脉冲的数学模型为·138· 通 信 学 报 第29卷 T ( ( ( ( 123

18、8i i ii i i w t C W c w t ,wt ,n n ,i , , , , =K K"(5其中，( ( 12381238i i W w t ,i , , , , C c ,i , , , , =K K" " ， 3.2 脉冲设计方法式(5给出的脉冲模型中有3个自由度：权值向量C K，脉冲形成因子向量J J K ，高斯导数阶数n 。产生最佳J J K 和C K的一般步骤为Step 1 初始化。利用一组随机数作为C K的初值，记为C 。检验C 作为权向量的组合脉冲的PSD 是否符合功率谱模板M ( P f 限定。Step 2 预处理。如上述初值使组合脉

19、冲的PSD 均落在M ( P f 之下，则固定权值为C ；否则重复Step 1。根据各阶高斯导数中的参数i 对组合信号功率谱的影响分析，调节i 的值，得出一组最佳向量J J K作为各基底函数的脉冲形成因子。该步骤可使得Step 3的迭代运算收敛加快。Step 3 迭代。预处理未使得组合脉冲的PSD 达到最优，即没有最大限度使用模板频谱所允许的辐射功率。傅立叶变换的线性特性18表明，相加信号的频谱等于各个单独信号频谱的相加。则改变权向量，可使得组合信号的PSD 更加地逼近模板。采用迭代算法得到一组最佳的权值向量C K。设迭代终止条件1NB1NB2NB1NB NB05151205413dBmdBm

20、 dBm413dBm 1i if . f f f f f f . f f . P . P K P K P . i N, , , +=<<<<=" (6其中，NBi f f P=表示在UWB 脉冲信号在频点NB if 处的PSD 值。根据式(6，如果此次产生的PSD 比上次的优，则用新产生的权向量替代原来的，否则保留并判断是否满足式(6。如果迭代结果已满足模板要求，则终止迭代，否则改变迭代步长，反复迭代，直到满足终止条件。取12100K K =，通过预处理得到的J J K700 200 120 120 120 120 200 60 60 60 (ps，迭代运算产

21、生的最佳权向量 C K=0.653 05 0.043 12 0.000 01 1.771 39 4.438 52 3.628 94 0.113 67 0.000 01 5.123 93 8.948 52将C K 和J JK 的值代入式(5，即可得最终UWB 脉冲波形的解析表达式。图4给出该UWB 脉冲波形与功率谱密度，该脉冲的功率谱密度在强单音干扰的工作频点0.8GHz 和5GHz 附近几乎等于零。将此脉冲作为UWB 发射端信号进行传输，可使得其干扰的单音系统的功率谱密度相互正交，从而达到抑制窄带干扰的目的。此外，当信道中的干扰成分变化时，通过对环境的周期性重复采样，可通过上述算法灵活选择自适

22、应波形中基函数参数和权值，改变波形形式，从而使得UWB 系统自适应的躲避干扰。且该算法还可任意选择不同的基函数组合，达到自适应地在特定频段“陷波”的目的。图4 抑制多窄带干扰的UWB 脉冲波形与功率谱如在下一周期的检测中得到仅存在一个单音干扰，采用2.2节中所示的能量检测方法，得到单音干扰频率为1NB1.15GHz f =，依照3.1节中的波形设计算法，可以得到UWB 脉冲波形及其功率谱密度，如图5所示。可见其在频点1.15GHz 处的PSD 值基本为零。图5 抑制单窄带干扰的UWB 脉冲波形与功率谱第3期 周刘蕾等：基于认知无线电的超宽带系统中窄带干扰抑制技术 ·139·

23、 4 干扰抑制性能仿真分析与比较对Scholtz 脉冲与本文所设计的脉冲分别在上节所设定的2个和1个强单音干扰存在环境中的误码性能进行比较。对脉冲均进行归一化，脉冲宽度均定义为0.6ns ，抽样频率为100GHz ，T f =10ns。经过AWGN 信道，UWB 接收机端信号为(s NBrec tr f c ( ( (i j j j j /N jf iS t A d w t jT c T I t n t =+(7j A 和j 表示信号衰落和延迟，NB(i f I t 表示中心频率为NB if 的窄带干扰，到达UWB 接收机的平均功率为NB iP 。( n t 为均值为零，功率谱密度为2/0N

24、的加性高斯白噪声。忽略衰减和时延，10j j A , =。采用m 序列作为跳时码，接收端采用相关接收10。经相关、积分、求和后的有用信号： (ff1tr f c f c d s j T j j j /N jT m d w t iT c T v t iT c T t +=(8其中，tr ( ( v t w t 为模板信号，为简单起见取s 1N =。故有用信号功率22tr ( d m w t t +=(9不考虑多用户，总干扰信号为 (fNB fff1rec f c 1f c d d i j T j f jT i j T j jT n n t I t v t iT c T t n t v t iT

25、c T t +=+=+(fNB f 1j c d i j T f f jT iI t v t iT c T t + (10 其中，(ff 1f c d j T j jT n t v t iT c T t +近似为均值为零，方差为2rec 的高斯随机变量。则最终的信干比为(22SN rec NB ii R m /P =+ (11图6和图7分别给出图4和图5中所对应的自适应UWB 波形在2个单音干扰和一个单音干扰存在情况下，UWB 和窄带干扰信号的功率比与误码率之间的关系曲线，可以看出自适应脉冲性能更优，抗干扰能力更强。该方法虽然在一定程度上提高了系统复杂度，但是它能动态地对频谱分配策略与干扰要求

26、作出反应，进而无缝地修正UWB 系统的发射波形以适应无线环境，利用软算法有效地提高了UWB 系统的抗干扰性能。图6 AWGN信道下多窄带干扰误码率性能比较图7 AWGN信道下单窄带干扰误码率性能比较5 结束语将CR 技术和UWB 相结合的认知超宽带无线电（CUWB ）技术，能针对功率、距离和所要求的数据率进行频谱优化，有效地抑制各种干扰，并进一步提高UWB 的传输速率或传输距离。本文基于对周围无线环境的感知交互作用自动改变发送端脉冲参数，以抑制窄带干扰。另外，由于FCC 频谱限制极大地降低了UWB 脉冲发射功率，导致UWB 仅适用于短距离无线通信。本文提出的算法只抑制窄带系统频段附近的UWB

27、脉冲功率谱，在其它频段可高于FCC 划定的上界，从而提高UWB 系统的发射功率，突破UWB 系统的短距离限制，为拓宽UWB 技术的应用领域提供了一种灵活易行的方案。·140· 通 信 学 报 第 29 卷 power requirements for ultra-wideband transmission CommunicationsA. 2003. ICC '03C. 2003.738-742. 参考文献： 1 MITOLA J, MAGUIRE G J. Cognitive radio: making software radios more personalJ

28、. IEEE Personal Communications Magazine, 1999, 6(6: 13-18. 2 SAEED R A, KHATUN S, Al B M. Ultra-wideband interference mitigation using cross-layer cognitive radioA. Wireless and Optical Communications NetworksC. 2006 IFIP International Conference 2006.1-5. 3 周小飞，张宏纲. 认知无线电原理及应用M，北京：北京人民邮 电出版社，2007.

29、ZHOU X F, ZHANG H G. Principles and Applications of Cognitive RadioM. Beijing: Peoples Posts & Telecommunications Publishing House, 2007. 4 IACOBYCCI M S, DIBENEDETTO M G. Radio frequency interference issues in impulse radio multiple access communication systemsA. Ultra Wideband Systems and Tech

30、nologiesC. 2002. 293-296. 5 KOHNO R, ZHANG H, NAGASAKA H. Ultra Wideband Impulse Radio Using Free-Verse Pulse Waveform Shaping, Soft-Spectrum Adaptation, and Local Sine Template ReceivingR. IEEE P802. 15-03/097r1, 2003. 6 FCC Report and Order, In the Matter of Revision of Part 15 of the Commissions

31、Rules Regarding Ultra-wideband Transmission SystemsR. FCC 02-48, 2002. 7 PARR B, CHO B, WALLACE K. A novel ultra-wideband pulse design algorithm J. IEEE Communications Letters, 2003, 7(5:219- 221. 8 LUO Z D, GAO H, LIU Y A, A new UWB pulse design method for narrowband interference suppressionA. Glob

32、al Telecommunications ConferenceC. 2004. 3488-3492。 9 MICHAEL L B. Multiple pulse generator for ultra-wideband communication using Hermite polynomial based orthogonal pulsesA. Proceedings of IEEE Conference on UWB Systems and TechnologiesC. Baltimore, MD, USA, 2002. 47-51. 10 WIN M Z. Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communicationsJ. IEEE Trans Commun, 2000,48: 679-689. 11 PROAKIS J G. Digital Communications 4edM. Beijing: Publishing