频谱共生系统中的同频干扰抑制关键技术

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近年来,爆炸式增长的无线通信业务与日益短缺的电磁波频谱资源之间的矛盾日益突出,导致军事和民用领域中存在着迫切的频谱共生需求。例如,军事指挥车中电台发射信号对同车电台造成干扰,导致话音变差,通信距离缩短等。又如,全双工通信时近端发射信号对接收通道产生的自干扰,导致系统吞吐量下降。频谱共生时产生的互干扰降低了军事装备、民用设备的目标达成度,这些是目前现实社会迫切需要解决的问题。本文聚焦于频谱共生系统中的同频干扰抑制关键技术研究,力图在现实环境的约束之下,让频谱共生成为可能。具体贡献包括:第一,分析了共生干扰重建误差及抑制性能。首先,针对频谱共生无线通信环境特性,分析了信道时变特性、多径效应、相位噪声等非理想工程因素对共生干扰重建误差的影响,进而对抑制效果的影响,推导了共生干扰抑制性能的闭合表达式。其次,考虑时频同步和信道估计达到其克拉美罗界,分析了共生干扰抑制上界以及系统容量损失下界。第二,提出了一种频谱共生干扰的时幅相三维联合抑制算法。首先,针对共生干扰抑制,考虑不完美时间同步和信道估计,推导了升余弦成型下的授权节点处残余接收功率的闭合表达式。其次,以最小化残余接收功率为目标,提出了一种频谱共生干扰的时幅相三维联合抑制算法,理论分析和仿真结果表明该算法具有较低的空间复杂度和时间复杂度。第三,提出了一种最优共生功率分配方案。首先,针对基于共生干扰保护的物理层安全通信系统,考虑由不完美时频同步在授权节点处引入的残余干扰,提出了一种使系统保密容量最大化的共生功率分配方案,并推导了最优功率分配因子的闭合表达式。其次,针对不完美共生干扰抑制场景,分析了最优干扰功率与授权信道、非授权信道之间的相对关系。第四,搭建了频谱共生实验验证平台。首先,以一个点对点通信系统为例,研究了物理层安全典型场景下的共生干扰抑制架构。然后,搭建了基于现场可编程门阵列的可重构实验平台。最后,对所提共生干扰抑制架构进行了实验验证。实验结果表明:在100MHz载频、100k Hz共生干扰带宽、50k Hz期望信号带宽、20d Bm总发射功率预算以及-95d Bm/Hz噪声功率谱密度的条件下,所提架构可以提供51d B共生干扰抑制能力。本文的研究成果可以广泛应用于物理层安全通信、全双工通信、环境散射通信、卫星通信、中继转发以及电子对抗等无线通信系统中,以提升频谱效率、改善电磁兼容,适应信息化设备的时代需求。
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