認(rèn)知無(wú)線電與主用戶的電磁兼容預(yù)測(cè)研究

李仙茂，鄒時(shí)禧，徐龍海，王啟峰

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

認(rèn)知無(wú)線電(次用戶)是在現(xiàn)有的頻譜分配體制中，找那些已分配了頻率，但是在一定時(shí)間或一定空間中暫時(shí)未被主用戶用到的頻譜。認(rèn)知無(wú)線電的工作頻段主要在404～960 MHz，1390～2483 MHz，2483～5900 MHz這3個(gè)頻段［1－3］。在以下的三種情況下認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)與主用戶可能實(shí)現(xiàn)用頻重疊的電磁兼容:一是在一定區(qū)域內(nèi)有主用戶用頻，但是從能量域上，認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主用戶不形成有效干擾，也可以用當(dāng)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(nèi)等。

1 互擾預(yù)測(cè)算法

互擾預(yù)測(cè)算法被用于計(jì)算發(fā)射設(shè)備發(fā)射的電磁信號(hào)進(jìn)入接收設(shè)備的功率大小。通過(guò)接收的功率和接收設(shè)備靈敏度對(duì)比來(lái)確定是否存在干擾。接收機(jī)處的有效功率Pj為［4－5］

式中:ft為發(fā)射設(shè)備發(fā)射信號(hào)的中心頻率;t為工作時(shí)間;d為設(shè)備間距離;p為對(duì)方設(shè)備相對(duì)我方波束中心的偏角;fr為接收設(shè)備的中心頻率;βt為發(fā)射信號(hào)的帶寬;βr為接收設(shè)備的帶寬;θp為收發(fā)設(shè)備線極化之間的角度差;Pt(ft)為發(fā)射設(shè)備發(fā)射功率(單位dBm);Gt(ft，t，p)為發(fā)射設(shè)備天線增益(單位dB);L(ft，d)為信號(hào)的空間傳播損耗(單位dB);Gr(ft，t，p)為在發(fā)射天線方向，對(duì)頻率ft接收天線增益(單位dB);Ls(Lts，Lrs)為收發(fā)設(shè)備的系統(tǒng)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(jī)與發(fā)射機(jī)信號(hào)帶寬及中心值匹配損耗。

式(1)中各參數(shù)的計(jì)算如下［6］:

Pt(ft)即發(fā)射設(shè)備主頻的發(fā)射功率。如果受擾設(shè)備接收的是發(fā)射設(shè)備的諧波頻率，則Pt對(duì)應(yīng)為發(fā)射設(shè)備的諧波發(fā)射功率。設(shè)備向外輻射電磁波時(shí)會(huì)伴隨著帶外輻射。在帶外輻射中，諧波功率最大，也可能對(duì)系統(tǒng)中的敏感設(shè)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(shù)。

如果不知道R(N)，可用下式計(jì)算

式中:PT(fNT)為發(fā)射信號(hào)的N次諧波發(fā)射功率;PT(fOT)為主頻發(fā)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(shù)，A和B隨工作頻段而不同，且存在偏差，服從正態(tài)分布，設(shè)方差為δ，偏差與諧波次數(shù)沒(méi)有關(guān)系，具體分布規(guī)律可參見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。在本文中考慮到認(rèn)知無(wú)線電的頻率范圍，可確定A，B的取值，則

其中，N為諧波次數(shù)。

2)Gt(ft，t，p) 和 Gr(ft，t，p)

考慮到電視發(fā)射臺(tái)、電視機(jī)和認(rèn)知無(wú)線電3種設(shè)備的天線都接近全向天線，可認(rèn)為

3)L(ft，d)(單位 dB)

按下式計(jì)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(xiàn)先大后小的現(xiàn)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?shù)木嚯x成正比。設(shè)電波傳播衰減系數(shù)為δ(dB/km)，則

具體的頻率隨大氣損耗參見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。

4)Ls(Lts，Lrs)

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

5)Lp(θp)

Lp(θp)是由于收發(fā)兩設(shè)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(jiàn)文獻(xiàn)［4］。如果兩個(gè)線極化之間存在一個(gè)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(fā)射信號(hào)的頻率范圍不在接收信號(hào)的頻率最大、最小值范圍之內(nèi)，使得部分發(fā)射信號(hào)的能量不能進(jìn)入接收機(jī)而造成的能量損失，如圖2所示。如果兩設(shè)備的重疊帶寬為βAB，干擾設(shè)備A工作帶寬為βA，設(shè)備A對(duì)設(shè)備B干擾時(shí)的帶寬匹配損耗為

圖2 帶寬匹配損耗

2 地球曲率對(duì)微波傳播距離的影響［10］

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

圖3 地球曲率對(duì)直視距離的影響

由于大氣層的介電常數(shù)隨高度增加而下降，因而電磁波在大氣層中將產(chǎn)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(lái)表示，地球半徑R為6370 km，而典型參數(shù)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(jié)果分析

設(shè)電視發(fā)射臺(tái)、電視機(jī)和認(rèn)知無(wú)線電同時(shí)工作，相互間存在一定的距離，如圖4所示。各設(shè)備的天線收發(fā)增益為0 dB，其主要性能參數(shù)如表1所示。

圖4 主用戶與次用戶的空間位置關(guān)系

表1 各電子設(shè)備主要參數(shù)表

由表1可知，1號(hào)設(shè)備可能會(huì)干擾到3號(hào)、4號(hào)設(shè)備，3號(hào)、4號(hào)設(shè)備可能會(huì)干擾到2號(hào)設(shè)備。但是當(dāng)2號(hào)與3號(hào)、4號(hào)設(shè)備間大于一定距離后就不會(huì)有有效的干擾。當(dāng)1號(hào)設(shè)備與3號(hào)、4號(hào)設(shè)備間大于一定距離后就不會(huì)有有效的干擾。這就相當(dāng)于在空域管理情況下，達(dá)到同頻設(shè)備的電磁兼容。

1號(hào)與3號(hào)、4號(hào)設(shè)備間距離與干擾強(qiáng)度的關(guān)系仿真結(jié)果如圖5所示。3號(hào)、4號(hào)對(duì)1號(hào)設(shè)備間距離與干擾強(qiáng)度的關(guān)系仿真結(jié)果如圖6所示。設(shè)備認(rèn)知無(wú)線電的天線高度固定為1.5 m，在干擾臨界距離時(shí)達(dá)到通視對(duì)主用戶發(fā)射天線高度要求，由圖7可得。

通過(guò)上述實(shí)例可知，當(dāng)滿足主用戶發(fā)射設(shè)備距認(rèn)知無(wú)線電間的距離大于2 km，6 km或18 km時(shí)，主用戶不對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾。同理，當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備距離主用戶的接收設(shè)備(如電視機(jī))的距離大于1 km時(shí)認(rèn)知無(wú)線電不對(duì)主用戶網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，因?yàn)殡娨暀C(jī)的接收帶寬遠(yuǎn)大于認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)射帶寬，所以發(fā)射帶寬的改變對(duì)電視機(jī)的受擾情況沒(méi)有影響。考慮功率條件時(shí)，最遠(yuǎn)的干擾距離為18 km，而根據(jù)圖7，此時(shí)要求電視發(fā)射塔的天線大于10 m，所以通視條件總能滿足?？傊?dāng)以上兩個(gè)距離條件滿足時(shí)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電磁兼容，可同時(shí)工作。

Prmin，Pitype和Psat分別表示接收機(jī)的靈敏度、正常工作時(shí)接收信號(hào)的典型強(qiáng)度和飽和功率。干擾程度與這三者之間存在如下關(guān)系:

1)當(dāng)Prmin≤Pj＜Pitype時(shí)，干擾信號(hào)會(huì)對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾，但設(shè)備仍能工作。

2)當(dāng)Pitype≤Pj＜Psat，干擾信號(hào)會(huì)對(duì)敏感設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，收到的干擾信號(hào)很強(qiáng)，設(shè)備無(wú)法正常工作。

3)當(dāng)Pj≥Psat，受干擾的設(shè)備出現(xiàn)飽和干擾，甚至可能燒毀受干擾設(shè)備。

4 小結(jié)

本文通過(guò)研究認(rèn)知無(wú)線電與主用戶之間的干擾強(qiáng)度，來(lái)尋找通過(guò)空域、能量域的調(diào)節(jié)可能解決沖突的途徑，以提高頻譜的利用率。仿真表明，在實(shí)際例子中，超過(guò)十幾千米，就可以在功率或視距上使主用戶和認(rèn)知用戶兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)能量或物理的隔離，達(dá)到電磁兼容。所以，此方法對(duì)于更有效地利用頻譜資源具有重要的意義。

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