認知無線電與主用戶的電磁兼容預測研究

李仙茂，鄒時禧，徐龍海，王啟峰

(1.海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢 430033;2.海軍裝備部，北京 100006;3.浙江寧波91428部隊，浙江 寧波 315456)

認知無線電(次用戶)是在現有的頻譜分配體制中，找那些已分配了頻率，但是在一定時間或一定空間中暫時未被主用戶用到的頻譜。認知無線電的工作頻段主要在404～960 MHz，1390～2483 MHz，2483～5900 MHz這3個頻段［1－3］。在以下的三種情況下認知無線電網絡與主用戶可能實現用頻重疊的電磁兼容:一是在一定區域內有主用戶用頻，但是從能量域上，認知無線電對主用戶不形成有效干擾，也可以用當前主用戶已用的頻率;二是主用戶與次用戶極化互相垂直;三是次用戶不在主用戶的視距范圍內等。

1 互擾預測算法

互擾預測算法被用于計算發射設備發射的電磁信號進入接收設備的功率大小。通過接收的功率和接收設備靈敏度對比來確定是否存在干擾。接收機處的有效功率Pj為［4－5］

式中:ft為發射設備發射信號的中心頻率;t為工作時間;d為設備間距離;p為對方設備相對我方波束中心的偏角;fr為接收設備的中心頻率;βt為發射信號的帶寬;βr為接收設備的帶寬;θp為收發設備線極化之間的角度差;Pt(ft)為發射設備發射功率(單位dBm);Gt(ft，t，p)為發射設備天線增益(單位dB);L(ft，d)為信號的空間傳播損耗(單位dB);Gr(ft，t，p)為在發射天線方向，對頻率ft接收天線增益(單位dB);Ls(Lts，Lrs)為收發設備的系統損耗(單位 dB);Lp(θp) 為極化匹配損耗(單位 dB); φ(ft，fr，βt，βr)為接收機與發射機信號帶寬及中心值匹配損耗。

式(1)中各參數的計算如下［6］:

Pt(ft)即發射設備主頻的發射功率。如果受擾設備接收的是發射設備的諧波頻率，則Pt對應為發射設備的諧波發射功率。設備向外輻射電磁波時會伴隨著帶外輻射。在帶外輻射中，諧波功率最大，也可能對系統中的敏感設備造成諧波干擾。如果是諧波造成的干擾，Pt(ft)用諧波功率PT(fNT)代替，即

式中:R(N)為諧波抑制度，N為諧波次數。

如果不知道R(N)，可用下式計算

式中:PT(fNT)為發射信號的N次諧波發射功率;PT(fOT)為主頻發射功率;A為諧波功率下降斜率，B為諧波功率下降修整常數，A和B隨工作頻段而不同，且存在偏差，服從正態分布，設方差為δ，偏差與諧波次數沒有關系，具體分布規律可參見文獻［7］。在本文中考慮到認知無線電的頻率范圍，可確定A，B的取值，則

其中，N為諧波次數。

2)Gt(ft，t，p) 和 Gr(ft，t，p)

考慮到電視發射臺、電視機和認知無線電3種設備的天線都接近全向天線，可認為

3)L(ft，d)(單位 dB)

按下式計算

Lr(ft，d)隨頻率和距離而不同，隨傳播距離的變化速率呈現先大后小的現象，且頻率越高衰減越大［6］，如圖1所示。

圖1 在大氣的衰減隨距離的變化曲線

大氣損耗La與電波傳輸的距離成正比。設電波傳播衰減系數為δ(dB/km)，則

具體的頻率隨大氣損耗參見文獻［8］。

4)Ls(Lts，Lrs)

Ls(Lts，Lrs)由發射設備的系統損耗Lts和接收設備的系統損耗Lrs組成，即Ls=Lts+Lrs。系統損耗由收發天線饋線、波束形狀、濾波器失配等因素造成，具體可參見文獻［9］，兩設備總的系統損耗約為10.68 dB。

5)Lp(θp)

Lp(θp)是由于收發兩設備間的極化不一致引起的接收損耗。極化匹配則損耗為0 dB，完全正交則損耗一般為25 dB左右，其他更多的情況可參見文獻［4］。如果兩個線極化之間存在一個固定的夾角為θp，則極化匹配則損耗為

6) φ(ft，fr，βt，βr)

φ(ft，fr，βt，βr) 是由于發射信號的頻率范圍不在接收信號的頻率最大、最小值范圍之內，使得部分發射信號的能量不能進入接收機而造成的能量損失，如圖2所示。如果兩設備的重疊帶寬為βAB，干擾設備A工作帶寬為βA，設備A對設備B干擾時的帶寬匹配損耗為

圖2 帶寬匹配損耗

2 地球曲率對微波傳播距離的影響［10］

電子設備發射的微波頻段信號是近似直線傳播的，而地球表面是彎曲的，故接收設備與發射設備之間的直視距離受到限制，如圖3所示。

圖3 地球曲率對直視距離的影響

由于大氣層的介電常數隨高度增加而下降，因而電磁波在大氣層中將產生折射而向地面傾斜，折射的作用是增加了直視距離。通常情況下折射的作用可用等效的、增大的地球半徑Re來表示，地球半徑R為6370 km，而典型參數下地球等效半徑Re=8500 km，顯然Re＞R。因此在考慮大氣折射的影響下，傳播的直視距離為

式中:Rs以km為單位;H1和H2以m為單位。

3 仿真及結果分析

設電視發射臺、電視機和認知無線電同時工作，相互間存在一定的距離，如圖4所示。各設備的天線收發增益為0 dB，其主要性能參數如表1所示。

圖4 主用戶與次用戶的空間位置關系

表1 各電子設備主要參數表

由表1可知，1號設備可能會干擾到3號、4號設備，3號、4號設備可能會干擾到2號設備。但是當2號與3號、4號設備間大于一定距離后就不會有有效的干擾。當1號設備與3號、4號設備間大于一定距離后就不會有有效的干擾。這就相當于在空域管理情況下，達到同頻設備的電磁兼容。

1號與3號、4號設備間距離與干擾強度的關系仿真結果如圖5所示。3號、4號對1號設備間距離與干擾強度的關系仿真結果如圖6所示。設備認知無線電的天線高度固定為1.5 m，在干擾臨界距離時達到通視對主用戶發射天線高度要求，由圖7可得。

通過上述實例可知，當滿足主用戶發射設備距認知無線電間的距離大于2 km，6 km或18 km時，主用戶不對認知無線電網絡產生干擾。同理，當認知無線電設備距離主用戶的接收設備(如電視機)的距離大于1 km時認知無線電不對主用戶網絡產生干擾，因為電視機的接收帶寬遠大于認知無線電的發射帶寬，所以發射帶寬的改變對電視機的受擾情況沒有影響。考慮功率條件時，最遠的干擾距離為18 km，而根據圖7，此時要求電視發射塔的天線大于10 m，所以通視條件總能滿足。總之，當以上兩個距離條件滿足時，兩個網絡實現電磁兼容，可同時工作。

Prmin，Pitype和Psat分別表示接收機的靈敏度、正常工作時接收信號的典型強度和飽和功率。干擾程度與這三者之間存在如下關系:

1)當Prmin≤Pj＜Pitype時，干擾信號會對敏感設備產生干擾，但設備仍能工作。

2)當Pitype≤Pj＜Psat，干擾信號會對敏感設備造成嚴重干擾，收到的干擾信號很強，設備無法正常工作。

3)當Pj≥Psat，受干擾的設備出現飽和干擾，甚至可能燒毀受干擾設備。

4 小結

本文通過研究認知無線電與主用戶之間的干擾強度，來尋找通過空域、能量域的調節可能解決沖突的途徑，以提高頻譜的利用率。仿真表明，在實際例子中，超過十幾千米，就可以在功率或視距上使主用戶和認知用戶兩個網絡之間實現能量或物理的隔離，達到電磁兼容。所以，此方法對于更有效地利用頻譜資源具有重要的意義。

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