【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及一種基于空時濾波的突發(fā)干擾抑制方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)今社會，通信技術(shù)日新月異，而無線通信也日益得到越來越廣泛的應(yīng)用。集傳播環(huán)境開放、接收信號的地理環(huán)境多樣、通信用戶隨機移動三大特點于一身的無線通信信道極其復(fù)雜，這樣無線通信系統(tǒng)的各種應(yīng)用場景不能再用傳統(tǒng)的awgn模型一并論之。無線通信系統(tǒng)的電磁傳輸有視距(los)傳播和非視距(nlos)傳播兩種方式。nlos傳播是指發(fā)射端和接收端之間不存在直達(dá)徑，發(fā)射信號經(jīng)過障礙物的反射、折射、衍射、散射、繞射等作用由多條路徑到達(dá)接收端的一種傳播方式。nlos傳播使接收信號遭受嚴(yán)重的頻率選擇性衰落，對寬帶無線傳輸速率和質(zhì)量的提高影響很大。在nlos傳播環(huán)境下，研究對抗多徑衰落和利用多徑信號的技術(shù)，不但能提高傳輸性能，而且能提高無線覆蓋范圍，降低對無線設(shè)備安裝的要求。因此，研究nlos傳播問題以及相關(guān)技術(shù)有著重要的意義。

在傳統(tǒng)的los環(huán)境中，收發(fā)端之間存在一條“看得見”的通路——直達(dá)徑，接收端在處理環(huán)境噪聲以及外界干擾時，只需在空間一個維度上進(jìn)行濾波處理即可。然而，在nlos環(huán)境中，接收端需在時域和空域兩個維度入手來改善系統(tǒng)性能。

在nlos環(huán)境中，無線信道可以建模為服從瑞利衰落的多徑延時信道，且來波方向存在角度擴展，具有多徑干擾?？諘r二維處理可以有效抵抗系統(tǒng)本身的多徑干擾，難能可貴的是其對外來的窄帶干擾和寬帶干擾也具有一定的抵抗能力。然而，在實際的無線通信傳輸環(huán)境中，突發(fā)干擾也比較常見，且突發(fā)干擾到來的時間和強度具有不確定性，此時如何保障通信系統(tǒng)的性能無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)，因此研究對抗突發(fā)干擾的技術(shù)可以有效改善nlos通信系統(tǒng)的性能。

抗干擾歷來是無線通信領(lǐng)域的重要研究課題。在無線信道中，除了存在各式各樣的環(huán)境噪聲外，還存在大量的無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，如鄰道干擾、共道干擾和互調(diào)干擾等，甚至還存在一些人為的惡意干擾。傳統(tǒng)的對抗突發(fā)干擾的手段是交織和信道編碼技術(shù)相結(jié)合，交織技術(shù)將成串出錯的比特分散成長度較短或單個錯誤比特，再利用信道編碼技術(shù)進(jìn)行糾正。然而，這種比特級的方式糾錯能力十分有限，而且還帶來了較大的時延，增加了相關(guān)通信設(shè)備的復(fù)雜性。

在持續(xù)性干擾下，前置導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)會同時遭受干擾，故導(dǎo)頻中攜帶干擾信息，因此采用傳統(tǒng)的集中式導(dǎo)頻加數(shù)據(jù)的信號幀結(jié)構(gòu)能夠有效的對抗這種干擾。然而，當(dāng)突發(fā)干擾到來時，這種傳統(tǒng)信號幀結(jié)構(gòu)的前置導(dǎo)頻很可能不攜帶突發(fā)干擾的信息，這樣的通信系統(tǒng)在nlos環(huán)境中隨時都會有癱瘓的風(fēng)險，如圖2所示。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種基于空時濾波的突發(fā)干擾抑制方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種基于空時濾波的突發(fā)干擾抑制方法，包括下述步驟：

1)重構(gòu)幀結(jié)構(gòu)：在無線通信過程中，發(fā)射端對信號幀幀頭的集中式導(dǎo)頻塊進(jìn)行重構(gòu)，將末端部分導(dǎo)頻打散并均勻鑲嵌于信號幀的數(shù)據(jù)塊中；

2)自適應(yīng)權(quán)值計算：發(fā)送信號到達(dá)接收端并經(jīng)過定時同步預(yù)處理后，對接收導(dǎo)頻進(jìn)行一系列延時抽取構(gòu)成導(dǎo)頻擴展矩陣，而后依據(jù)其中蘊含的功率信息和理想導(dǎo)頻自適應(yīng)地計算用于抑制突發(fā)干擾的權(quán)值；接收導(dǎo)頻為與導(dǎo)頻符號相應(yīng)的接收信號；

3)空時處理：求得自適應(yīng)權(quán)值后，接收端利用此權(quán)值對每根天線上的接收數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時間濾波，然后再對各個天線上時間濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

步驟1)發(fā)射端對信號幀幀頭的集中式導(dǎo)頻塊進(jìn)行重構(gòu)的具體方法如下：

信號幀包括集中式導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)兩部分，導(dǎo)頻部分由用于進(jìn)行時間和頻率同步的導(dǎo)頻1和用于計算自適應(yīng)權(quán)值的導(dǎo)頻2構(gòu)成；在信號幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)頻2打散并使其均勻分布在信號幀的數(shù)據(jù)部分，形成新的信號幀結(jié)構(gòu)；重構(gòu)后的信號幀由集中式導(dǎo)頻1和含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成，重構(gòu)前后信號幀的導(dǎo)頻符號數(shù)及總幀長保持不變。

步驟2)計算自適應(yīng)權(quán)值的具體方法如下：

2-1)接收端對每根天線上不同延遲時刻開始的接收導(dǎo)頻進(jìn)行提取，時間分集權(quán)系數(shù)的個數(shù)由時間濾波器的長度tf決定，tf≥1，即對第m根天線上的接收導(dǎo)頻xm依次延時一位進(jìn)行提取，形成如下tf×np維時間擴展矩陣：

其中，為第m根天線上延遲k位得到的1×np維提取信號；m為接收端天線個數(shù)，為經(jīng)信道彌散后的接收導(dǎo)頻長度，np為提取后的每路接收導(dǎo)頻的長度，且有tf＝1時無時間分集，對應(yīng)傳統(tǒng)的空間分集；

將不同天線上的時間擴展矩陣按行疊放，得到如下mtf×np維導(dǎo)頻擴展矩陣yp：

2-2)接收端根據(jù)所得導(dǎo)頻擴展矩陣yp和理想導(dǎo)頻d計算出自適應(yīng)權(quán)值；自適應(yīng)權(quán)值求解為：

其中，d為1×np維理想導(dǎo)頻信號，di為d的第i個元素，np為所提取接收導(dǎo)頻的符號長度，為測試mtf×1維空時自適應(yīng)權(quán)矢量，是最小化上面表達(dá)式的最優(yōu)自適應(yīng)權(quán)矢量；ψ為np×np的對角矩陣，為對角陣ψ中主對角線上的元素，ai為的第i個元素；上標(biāo)h為共軛轉(zhuǎn)置操作；

利用接收導(dǎo)頻中對應(yīng)部分導(dǎo)頻1和分散式導(dǎo)頻2的功率值確定對角陣ψ的主對角線元素，分散式導(dǎo)頻2中含有受到突發(fā)干擾污染的數(shù)據(jù)部分的信息；此時，最優(yōu)自適應(yīng)權(quán)值表示為：

其中，p＝y(tǒng)pψd^h，為第m根天線上的tf×1維時間濾波權(quán)值。

信號幀中部分導(dǎo)頻1和分散式導(dǎo)頻2的功率值求解，具體如下：

yp為由部分接收導(dǎo)頻按時間濾波器長度依次延遲一個時刻開始滑動的抽取值所組成，因而求取yp中每列元素的功率均值作為對角陣ψ中主對角線元素的值。

步驟3)接收端進(jìn)行空時處理的具體方法如下：

空時處理包括時間濾波和空間合并兩個步驟；

時間濾波：接收端對m根天線上接收到的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行截取，得到如下m×nd維數(shù)據(jù)擴展矩陣yd：

其中，是第m根天線上的1×nd維接收數(shù)據(jù)行矢量，m＝0,1,…,m；

利用各個天線對應(yīng)的自適應(yīng)權(quán)矢量分別進(jìn)行時間濾波處理，即：

其中，為各天線分別進(jìn)行時間濾波后的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)信號，為各天線時間濾波后的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)信號的符號長度，是第m根天線上的tf個時間濾波權(quán)值，是的翻轉(zhuǎn)，為線性卷積操作；

空間合并：接收端將m個接收天線上時間濾波后的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后再將數(shù)據(jù)中的分散式導(dǎo)頻2進(jìn)行剔除得到數(shù)據(jù)矢量從中恢復(fù)出發(fā)送數(shù)據(jù)信號；

其中，為空間合并后的純數(shù)據(jù)信號的符號長度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明利用空時二維處理的思想對抗無線通信環(huán)境(特別是nlos環(huán)境)下可能出現(xiàn)的突發(fā)干擾。空時二維處理充分利用了時間和空間兩個方向上的自由度，在時間上通過提取在不同延遲開始的接收導(dǎo)頻符號，使得接收端在處理數(shù)據(jù)時所利用的接收導(dǎo)頻攜帶有多徑干擾的信息，進(jìn)而對每根天線分別進(jìn)行時間濾波；在空間上通過對各個天線進(jìn)行合并，可以有效對抗nols環(huán)境中的噪聲和系統(tǒng)本身的多徑干擾，并具有一定對抗外來的連續(xù)性窄帶干擾和寬帶干擾的能力?？紤]具有一定持續(xù)期的突發(fā)干擾，且假定突發(fā)干擾主要污染含有分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)部分，本發(fā)明提出了一種利用空時二維濾波進(jìn)行突發(fā)干擾抑制的自適應(yīng)方法，例如可以利用接收導(dǎo)頻中相應(yīng)分散式導(dǎo)頻2的功率值來自適應(yīng)地調(diào)整空時濾波的權(quán)值。功率這一指標(biāo)就包含了突發(fā)干擾與多徑干擾的信息，相當(dāng)于對受到突發(fā)干擾污染的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的增強加權(quán)，從而有效抑制突發(fā)干擾的影響。這種方法可以對信號幀中數(shù)據(jù)部分上任意位置出現(xiàn)的連續(xù)突發(fā)干擾進(jìn)行抑制，而不必預(yù)先判斷遭受突發(fā)干擾的數(shù)據(jù)位置。此外，傳統(tǒng)的交織、信道編碼技術(shù)是在比特級進(jìn)行處理，而本發(fā)明則從符號級入手對抗突發(fā)干擾。經(jīng)仿真驗證，本發(fā)明提出的方法在無線通信系統(tǒng)，特別是在非視距環(huán)境中具有一定的對抗突發(fā)干擾的能力，且實現(xiàn)難度和成本較低。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明采用的系統(tǒng)模型框圖；

圖2為本發(fā)明采用的重構(gòu)信號幀結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)信號幀結(jié)構(gòu)及其受到突發(fā)干擾污染時的對比示意圖；

圖3為本發(fā)明采用的空時二維處理結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明同對比方案的ber性能示意圖；

圖5為本發(fā)明在sir＝0db及sir＝-5db的ber性能示意圖。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1-5，本發(fā)明適用的系統(tǒng)模型參見圖1。在本發(fā)明的nlos系統(tǒng)模型中，發(fā)射端采用單天線，接收端是由m根天線組成的天線陣列(可以是均勻線陣(ula)或均勻弧陣(uca)等，后續(xù)仿真結(jié)果是基于均勻線陣進(jìn)行的)。無線信道模型是服從瑞利衰落的多徑延時信道，用戶在接收端被p＞＞1個本地散射體所環(huán)繞，發(fā)射端與接收端之間的信道矩陣為

其中，由p個多徑信道疊加而成。表示入射信號在第l個信道延時處的第p條子徑上的復(fù)增益，并且彼此之間都是獨立同分布的。導(dǎo)向向量具有形式：這里d是陣元間距，λ是信號波長，θl,p表示在第l個信道延時處的第p個入射信號的doa中心角度。另外，每個用戶的入射信號會被約束在角度擴展θas之內(nèi)。

圖2為本發(fā)明采用的重構(gòu)信號幀結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)信號幀結(jié)構(gòu)及其受到突發(fā)干擾污染時的對比示意圖。傳統(tǒng)信號幀由導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)兩部分組成，導(dǎo)頻又細(xì)分為導(dǎo)頻1(主要用于時間和頻率同步)和導(dǎo)頻2(主要用于數(shù)據(jù)恢復(fù))兩塊。為抵抗針對信號幀數(shù)據(jù)部分的外界突發(fā)干擾，在保證重構(gòu)信號幀同傳統(tǒng)信號幀的總幀長和導(dǎo)頻符號總數(shù)保持不變的前提下，將導(dǎo)頻2打散后均勻嵌入數(shù)據(jù)部分，重構(gòu)后的信號幀包括導(dǎo)頻1和含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)兩部分。分布在數(shù)據(jù)塊中的分散式導(dǎo)頻2在受到突發(fā)干擾污染時，會攜有突發(fā)干擾的信息，利用該信息可以對抗外界突發(fā)干擾。后續(xù)仿真過程中，導(dǎo)頻部分采用bpsk調(diào)制，數(shù)據(jù)部分采用qpsk調(diào)制。

突發(fā)干擾的生成方式和數(shù)據(jù)相同，基帶突發(fā)干擾符號也采用qpsk調(diào)制，受到突發(fā)干擾污染的數(shù)據(jù)部分的位置隨機發(fā)生變化，每個信號幀只受到單次且具有一定持續(xù)期的突發(fā)干擾的污染，即突發(fā)干擾基帶符號之間保持連續(xù)。

由圖易知，傳統(tǒng)信號幀的數(shù)據(jù)部分在遭受突發(fā)干擾污染時，集中式導(dǎo)頻完全沒有攜帶突發(fā)干擾的信息；而重構(gòu)信號幀在遭受突發(fā)干擾污染時，相應(yīng)位置嵌入的分散式導(dǎo)頻2攜有突發(fā)干擾的信息。

圖3為本發(fā)明采用的空時二維處理結(jié)構(gòu)圖?？諘r處理包括時間濾波和空間合并兩個步驟。

時間濾波：接收端對m根天線上接收到的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行截取，得到如下m×nd維數(shù)據(jù)擴展矩陣yd：

其中，是第m根天線上的1×nd維接收數(shù)據(jù)行矢量。

利用各個天線對應(yīng)的自適應(yīng)權(quán)矢量分別進(jìn)行時間濾波處理，即：

其中，為各天線分別進(jìn)行時間濾波后的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)信號，為各天線時間濾波后的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)信號的符號長度，是第m根天線上的tf個時間濾波權(quán)值，是的翻轉(zhuǎn)，為線性卷積操作。

空間合并：接收端將m個接收天線時間濾波后的含分散式導(dǎo)頻2的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后再將數(shù)據(jù)中的分散式導(dǎo)頻2進(jìn)行剔除得到數(shù)據(jù)矢量從中恢復(fù)出發(fā)送數(shù)據(jù)信號。

空時二維處理充分利用了時間和空間兩個方向上的自由度，可以有效應(yīng)對信號幀數(shù)據(jù)部分遭受的突發(fā)干擾，并具有一定對抗nlos環(huán)境中系統(tǒng)本身的多徑干擾的能力。

圖4為本發(fā)明同對比方案的ber性能示意圖。參數(shù)設(shè)置為：接收端的天線數(shù)m＝4，時間濾波器的長度tf＝20，本地散射體個數(shù)p＝100，基帶等效信道長度l＝10，信號和突發(fā)干擾的來波中心方向分別是θs＝90°和θi＝60°，角度擴展均為θas＝80°，sir＝0db。對比方案采用導(dǎo)頻集中式的信號幀結(jié)構(gòu)，即傳統(tǒng)信號幀結(jié)構(gòu)。本方案在無突發(fā)干擾時的ber性能和對比方案基本一致。當(dāng)信號幀的數(shù)據(jù)部分受到具有不同持續(xù)期的突發(fā)干擾的污染時，對比方案的ber性能顯著下降，對突發(fā)干擾幾乎沒有抵抗能力，原因是導(dǎo)頻沒有包含突發(fā)干擾的信息。本方案對信號幀中數(shù)據(jù)部分遭受的突發(fā)干擾具有一定程度的抵抗能力，在突發(fā)干擾持續(xù)時間較短時ber性能明顯優(yōu)于對比方案，原因是嵌入數(shù)據(jù)部分的分散式導(dǎo)頻2攜帶的突發(fā)干擾信息可以自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值，以抑制突發(fā)干擾的影響。

圖5為本發(fā)明在sir＝0db及sir＝-5db的ber性能示意圖。參數(shù)設(shè)置與圖3基本相同，本方案在sir＝-5db下的ber性能很接近sir＝0db的情況，對信號幀中數(shù)據(jù)部分遭受的突發(fā)干擾具有一定程度的抵抗能力。仿真表明，本方案在應(yīng)對突發(fā)干擾的過程中具有較強的魯棒性。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。