认知无线电与主用户的电磁兼容预测研究

李仙茂，邹时禧，徐龙海，王启峰

(1.海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033;2.海军装备部，北京 100006;3.浙江宁波91428部队，浙江 宁波 315456)

认知无线电(次用户)是在现有的频谱分配体制中，找那些已分配了频率，但是在一定时间或一定空间中暂时未被主用户用到的频谱。认知无线电的工作频段主要在404～960 MHz，1390～2483 MHz，2483～5900 MHz这3个频段［1－3］。在以下的三种情况下认知无线电网络与主用户可能实现用频重叠的电磁兼容:一是在一定区域内有主用户用频，但是从能量域上，认知无线电对主用户不形成有效干扰，也可以用当前主用户已用的频率;二是主用户与次用户极化互相垂直;三是次用户不在主用户的视距范围内等。

1 互扰预测算法

互扰预测算法被用于计算发射设备发射的电磁信号进入接收设备的功率大小。通过接收的功率和接收设备灵敏度对比来确定是否存在干扰。接收机处的有效功率Pj为［4－5］

式中:ft为发射设备发射信号的中心频率;t为工作时间;d为设备间距离;p为对方设备相对我方波束中心的偏角;fr为接收设备的中心频率;βt为发射信号的带宽;βr为接收设备的带宽;θp为收发设备线极化之间的角度差;Pt(ft)为发射设备发射功率(单位dBm);Gt(ft，t，p)为发射设备天线增益(单位dB);L(ft，d)为信号的空间传播损耗(单位dB);Gr(ft，t，p)为在发射天线方向，对频率ft接收天线增益(单位dB);Ls(Lts，Lrs)为收发设备的系统损耗(单位 dB);Lp(θp) 为极化匹配损耗(单位 dB); φ(ft，fr，βt，βr)为接收机与发射机信号带宽及中心值匹配损耗。

式(1)中各参数的计算如下［6］:

Pt(ft)即发射设备主频的发射功率。如果受扰设备接收的是发射设备的谐波频率，则Pt对应为发射设备的谐波发射功率。设备向外辐射电磁波时会伴随着带外辐射。在带外辐射中，谐波功率最大，也可能对系统中的敏感设备造成谐波干扰。如果是谐波造成的干扰，Pt(ft)用谐波功率PT(fNT)代替，即

式中:R(N)为谐波抑制度，N为谐波次数。

如果不知道R(N)，可用下式计算

式中:PT(fNT)为发射信号的N次谐波发射功率;PT(fOT)为主频发射功率;A为谐波功率下降斜率，B为谐波功率下降修整常数，A和B随工作频段而不同，且存在偏差，服从正态分布，设方差为δ，偏差与谐波次数没有关系，具体分布规律可参见文献［7］。在本文中考虑到认知无线电的频率范围，可确定A，B的取值，则

其中，N为谐波次数。

2)Gt(ft，t，p) 和 Gr(ft，t，p)

考虑到电视发射台、电视机和认知无线电3种设备的天线都接近全向天线，可认为

3)L(ft，d)(单位 dB)

按下式计算

Lr(ft，d)随频率和距离而不同，随传播距离的变化速率呈现先大后小的现象，且频率越高衰减越大［6］，如图1所示。

图1 在大气的衰减随距离的变化曲线

大气损耗La与电波传输的距离成正比。设电波传播衰减系数为δ(dB/km)，则

具体的频率随大气损耗参见文献［8］。

4)Ls(Lts，Lrs)

Ls(Lts，Lrs)由发射设备的系统损耗Lts和接收设备的系统损耗Lrs组成，即Ls=Lts+Lrs。系统损耗由收发天线馈线、波束形状、滤波器失配等因素造成，具体可参见文献［9］，两设备总的系统损耗约为10.68 dB。

5)Lp(θp)

Lp(θp)是由于收发两设备间的极化不一致引起的接收损耗。极化匹配则损耗为0 dB，完全正交则损耗一般为25 dB左右，其他更多的情况可参见文献［4］。如果两个线极化之间存在一个固定的夹角为θp，则极化匹配则损耗为

6) φ(ft，fr，βt，βr)

φ(ft，fr，βt，βr) 是由于发射信号的频率范围不在接收信号的频率最大、最小值范围之内，使得部分发射信号的能量不能进入接收机而造成的能量损失，如图2所示。如果两设备的重叠带宽为βAB，干扰设备A工作带宽为βA，设备A对设备B干扰时的带宽匹配损耗为

图2 带宽匹配损耗

2 地球曲率对微波传播距离的影响［10］

电子设备发射的微波频段信号是近似直线传播的，而地球表面是弯曲的，故接收设备与发射设备之间的直视距离受到限制，如图3所示。

图3 地球曲率对直视距离的影响

由于大气层的介电常数随高度增加而下降，因而电磁波在大气层中将产生折射而向地面倾斜，折射的作用是增加了直视距离。通常情况下折射的作用可用等效的、增大的地球半径Re来表示，地球半径R为6370 km，而典型参数下地球等效半径Re=8500 km，显然Re＞R。因此在考虑大气折射的影响下，传播的直视距离为

式中:Rs以km为单位;H1和H2以m为单位。

3 仿真及结果分析

设电视发射台、电视机和认知无线电同时工作，相互间存在一定的距离，如图4所示。各设备的天线收发增益为0 dB，其主要性能参数如表1所示。

图4 主用户与次用户的空间位置关系

表1 各电子设备主要参数表

由表1可知，1号设备可能会干扰到3号、4号设备，3号、4号设备可能会干扰到2号设备。但是当2号与3号、4号设备间大于一定距离后就不会有有效的干扰。当1号设备与3号、4号设备间大于一定距离后就不会有有效的干扰。这就相当于在空域管理情况下，达到同频设备的电磁兼容。

1号与3号、4号设备间距离与干扰强度的关系仿真结果如图5所示。3号、4号对1号设备间距离与干扰强度的关系仿真结果如图6所示。设备认知无线电的天线高度固定为1.5 m，在干扰临界距离时达到通视对主用户发射天线高度要求，由图7可得。

通过上述实例可知，当满足主用户发射设备距认知无线电间的距离大于2 km，6 km或18 km时，主用户不对认知无线电网络产生干扰。同理，当认知无线电设备距离主用户的接收设备(如电视机)的距离大于1 km时认知无线电不对主用户网络产生干扰，因为电视机的接收带宽远大于认知无线电的发射带宽，所以发射带宽的改变对电视机的受扰情况没有影响。考虑功率条件时，最远的干扰距离为18 km，而根据图7，此时要求电视发射塔的天线大于10 m，所以通视条件总能满足。总之，当以上两个距离条件满足时，两个网络实现电磁兼容，可同时工作。

Prmin，Pitype和Psat分别表示接收机的灵敏度、正常工作时接收信号的典型强度和饱和功率。干扰程度与这三者之间存在如下关系:

1)当Prmin≤Pj＜Pitype时，干扰信号会对敏感设备产生干扰，但设备仍能工作。

2)当Pitype≤Pj＜Psat，干扰信号会对敏感设备造成严重干扰，收到的干扰信号很强，设备无法正常工作。

3)当Pj≥Psat，受干扰的设备出现饱和干扰，甚至可能烧毁受干扰设备。

4 小结

本文通过研究认知无线电与主用户之间的干扰强度，来寻找通过空域、能量域的调节可能解决冲突的途径，以提高频谱的利用率。仿真表明，在实际例子中，超过十几千米，就可以在功率或视距上使主用户和认知用户两个网络之间实现能量或物理的隔离，达到电磁兼容。所以，此方法对于更有效地利用频谱资源具有重要的意义。

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