无线通信系统中的抗干扰技术

陈 君

（电子科技大学航空航天学院，四川 成都611731）

0 引 言

随着科学技术的进步，有线通信技术和无线通信技术都得到了飞速的发展。其中，无线通信技术更是日新月异。但是，无线通信中的干扰问题十分严重，在一定程度上限制了无线通信的应用。无线通信之所以干扰严重，主要有几个方面原因：第一，无线通信的传播环境是所有人共处的公共环境，它的传播环境相当复杂，在传播中可能遇到各种障碍物，从而造成无线电磁信号的非直线传播，包括绕射、折射、反射等，这就会导致无线电磁信号的畸变，使有用信号的信噪比大大下降。第二，由于无线电磁信号处于空气中，人们的生活随时可能对它造成干扰，比如汽车发动机点火。同时，各个有用信号之间也会互相干扰，如果信号之间频率太接近，干扰更厉害。因此，如何减少无线信道中的各种干扰，提高信号的信噪比，便成为无线通信研究领域十分重要的课题。

1 几种主要的干扰

1．1 同频干扰

同频干扰是指由于无线电磁波处于复杂的环境中，有用信号和其他干扰信号的载频可能相同，从而导致接收机受到该同频干扰信号的影响［1］。

功率控制是减少同频干扰最有效的一个方法。它是现在最流行的3G系统的一项关键技术。应用功率控制技术计算出每个移动台到基站的最小发射功率，通过限制用户使用的移动设备的发射功率，使移动台发射的功率“恰好”合适。这样便可以大大减少移动台之间的相互干扰。同时，由于移动台发射功率较小，相邻的同频基站接收到非本小区的移动台发射的同频无线信号的功率极低，从而减小了同频干扰。而且，由于移动设备多采用可充电电池，其存电量有限。当减小其发射功率时，会增加移动设备一次电量的使用时间。如今的智能手机耗电量极快，这种功率控制的方法可以在一定程度上降低耗电速度。

1．2 邻频干扰

它指干扰信号的载频和有用信号相近，从而它的功率落入接收机接受有用信号的频谱的频带内，对接收机造成干扰。

同频干扰和邻频干扰问题比较突出的是频分复用蜂窝小区，蜂窝小区如图1所示。这种小区把总的频带划分成多个子带，然后每个小区分别使用一个子带，设一个基站，多个小区再形成一个区群，也称作“簇”。每一个“簇”完全利用整个频带。这样就用很多小功率的小基站代替一个大基站，由于把有限的频带资源在各个“簇”之间重复利用，大大提高了系统容量。当然，由于每隔一定距离频率会重复出现，所以也就出现了同频小区之间的互相干扰。同理，在同一个“簇”内，小区和小区距离很近，如果它们的频率相近，也就产生了邻频干扰。

图1 蜂窝小区

1．3 互调干扰

互调干扰通常也叫做交调干扰。它是由于两种或多种不同频率的有用信号经过同一个非线性电路时，有用信号之间在互相调制，从而导致新的频率成分的信号出现。但是这并不意味着新的频率成分出现一定会导致干扰，如果新的频率在接收机接受的频带范围之内，才会造成干扰。如，f1和f2两种频率信号的互调干扰产生的新频率可能为f1－f2以及f1＋f2。信号数量越多，则新的频率成分就越复杂。

2 抗干扰技术

为了对付各种干扰，研究人员开发出许多新的抗干扰技术，在一定程度上减少了无线信号的受干扰程度。下面介绍几种有效的抗干扰技术。

2．1 MIMO技术

MIMO技术即多输入多输出技术，是利用天线在发射端发射多个信号，在接收端接受这些信号，并对其进行一定的叠加，从而恢复出完整的有用信号。众所周知，系统容量是通信系统的一个重要指标，MIMO技术的实质是基于系统容量公式而来的，对于常见的瑞丽衰落信道而言，C可以大致表示成：

式中，B代表信号带宽，ρ代表接受信噪比，min函数表示取几个数中的较小者，M和N分别表示接收天线数目和发射天线数目。

显然，从系统容量公式可以看出，带宽和功率一定的情况下，如果同时增加接受天线和发射天线的数目，可以提升无线信道的系统容量。从理论上讲，如果无限提升天线数目，便可以无限增加系统容量。又根据香农公式，如果信道容量增加，有用信号的信噪比也会增加，也就从本质上改善了无线信道的抗干扰性能。所以，MIMO技术可以大大提升无线信道的抗干扰能力和容量。

2．2 FHSS技术

FHSS技术即跳频扩频技术，它是利用载波频率在多个频率点上做伪随机跳变的方式，大大减少了人为或者自然在某一频段上的干扰。跳频技术的关键是如何产生伪随机码序列，同时，如何保证接收方做出和发射方一样的伪随机跳变以接收电磁信号也是关键之处。根据香浓公式，最大传输速率C＝Blog2（1＋S／N），其中，B代表码元速率，S／N代表信噪比。当B增加时，可以不需要较高的信噪比就能保持和以前相同的传输速率［2］。FHSS技术如图2所示。

图2 FHSS技术

2．3 智能天线技术

近年来，数字信号处理技术的发展为在无线通信中利用智能天线提供了可能。智能天线之所以能够提高频谱利用率和增强抗干扰能力，是因为它只朝着某个特定的方向发送无线电信号，它的主波束直接对准接收端，从而使信号传输更为有效［3］。智能天线可以扩充系统容量而不导致系统复杂度的增加，因为它不仅可以利用时间、频率、扩频码，还可以利用空间域。从智能天线发展而来的自适应天线阵列可以增加系统抗干扰的能力，它如同给移动用户相关联一样，跟踪目标接收端的实时坐标，时刻直接对准目标接收端发射无线电磁信号，在使目标接收端的信号强度最大的同时对其他用户的干扰最小。智能天线如图3所示。

图3 智能天线

2．4 认知无线电技术

在无线通信中，频谱资源极其宝贵，这也是信号之间产生干扰的原因之一。由于认知无线电（Cognitive Radio）可以主动分析当前的频谱环境，当其发现某些频段暂时没被其他信号占用时，便立刻使自身用户利用此频带，大大提高了系统容量和通信有效率［4］。同时，认知无线电还具有对自身频谱环境的认知、学习功能，可以汲取过去的错误经验对当前环境进行分析，也可以主动退让正在使用的频段给主用户，具有很好的智能性。当频谱能更好利用时，信号之间的干扰自然也就得到了很好的控制。在认知无线电技术中，最关键的技术是对于自身所处环境的频谱检测和分析判决，这也是目前认知无线电研究的重点之一。认知无线电技术如图4所示。

图4 认知无线电技术

2．5 混合抗干扰技术

由于无线信道中各种干扰互存，通过对实际系统的分析，针对不同的无线通信系统，结合使用多种抗干扰技术，从而达到最好的抗干扰性能。例如，为了达到最大扩频比例，可以同时使用时间跳变技术和频率跳变技术；或者MIMO技术与扩频技术相结合使用。但是，这样的混合技术往往会使系统的复杂性提高，不易维护。

3 抗干扰技术的未来

由于无线通信的方便、快捷、高效等特性，它必将是21世纪的主流通信方式。随着无线通信技术的发展，无线通信中的抗干扰技术也在迅猛发展。无线通信中的抗干扰技术模式很多，方法也很多，效果也都不错。可以大致总结出抗干扰技术的发展趋势：（1）抗干扰技术呈现出多种技术综合使用的趋势，这是由于无线通信信道复制性所决定的；（2）抗干扰技术出现网络化过程，利用计算机网络抗干扰正在日益崛起；（3）为了满足未来的通信前景，各种新的抗干扰技术正在不断诞生和发展［5］。总之，抗干扰技术向着复杂化、综合化、新型化的方向持续发展是不容置疑的。

［1］ 刘 刚．同频干扰产生机理分析及解决方法［J］．舰船电子对抗，2011，（3）：17－19．

［2］ 曾一凡，李 晖．扩频通信原理［M］．北京：机械工业出版社，2005．

［3］ 张 平，陶小峰，王卫东，等．空时码［J］．电子学报，2000，28（11A）：110－113．

［4］ 罗 晖．通信系统中抗干扰技术的研究［J］．科技广场，2005，（05）：51－52．

［5］ 殷云志．无线通信抗干扰技术及发展趋势［J］．无线电工程，2008，（10）：50－52．