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基于净空技术的ISM频段可靠无线通信系统分析

范文

于彦峰乔利娟

摘要：本文简要介绍了净空技术、ISM频段等相关建模元素，提出了科学的建模方案。其间开展系统设计，涉及射频AD清零、误码率、射频开关设计;同时，开展了仿真试验，验证误码率、验证捕获、实测ISM无线通信系统，以此验证净空技术应用的可行性，减少频谱资源紧张问题。

关键词：误码率;射頻开关;无线通信系统

中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0039-03

Analysis of Reliable Wireless Communication System in ISM Frequency Band Based on Clear Space Technology

YU Yanfeng QIAO Lijuan

（Zhengzhou Railway Vocational & Technical College，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This paper briefly introduced related modeling elements such as clearance technology and ISM frequency band， and proposed a scientific modeling program. In the meantime， system design was carried out， involving RF AD clearing， bit error rate， and RF switch design; at the same time， a simulation experiment was carried out to verify the BER， verify the capture and actually test the ISM wireless communication system， so as to verify the feasibility of the application of clearance technology and reduce the problem of tight spectrum resources.

Keywords： BER;RF switch;wireless communication system

频谱资源是无线通信中较为关键的资源，此资源具有珍稀性与有限性。频谱资源由国家负责管理与分配，由无线通信系统予以应用。在无线设备与服务日益增长的背景下，有限的频谱资源以各种形式消耗着，原有的频谱分配方式已然难以有效满足通信网络建设与运行的需求。

1 建模

1.1 相关概念

ISM频段的命名组织为国际通信联盟无线电通信局，ISM频段无授权程序，具有通信功能，无线设备使用ISM频段，应符合发射功率、天线增益两个条件。ISM频段应用具有自由度优势，在无线网、蓝牙等领域中获得了广泛应用，促进了相关产品的高速发展，如无线局域网，相关运行单位获取了较为可观的经济效益。传统频段无线通信系统如空地、蜂窝等逐渐开展ISM频段应用与运行的可行性分析。现阶段，关于ISM频段设备的应用以室内为主，为其在星空、陆地、蜂窝等方向的通信发展提供有利条件。ISM频段运行所需的无线设备应遵循的算法为载波监听与冲突避免相结合的方式，以此达成ISM频段资源的贡献目标，随即引出的通信问题为：频谱资源供给稳定性[1]。

净空技术成为ISM频段占用资源的关键问题，直接影响其打开星空与蜂窝等通信途径，然而，现阶段尚未有学者解决此问题。针对ISM频段抗干扰能力的研究与信道占用帧等运行特点，应建模分析。在分析信道占用帧时，人们获得了自干扰问题相关运行理念，从系统复杂性、通信质量等方面予以权衡，提出了AD清零、基站盲发等理念。针对清零存在的系统影响，仿真试验应从误码率、捕获等方面逐一进行。

1.2 建模方案

将三种信号（净空信号、接收信号和ISM设备信号）的时序元素作为时序模型的建模元素。其中，净空信号的时序控制模块为发射模块，在[T1]时间范围内完成CTS帧的发送任务。[T2]时间范围内无信号发送任务。周期时间表示为[T=T1+T2]。接收信号与收发信机模块两者的时序具有对应性，原因在于专用信号在收发期间借助的频分模式为双工，在伪装信道位置完成链路工作的接收工作，为此，应仅考量信号接收问题。在[T1]时间范围内，信号接收设备完成了专用信号的接收工作，并接收着净空发射模块内部净空帧具有的自干扰问题。在[T2]时间范围内，信道资源处于可用状态，尚未接受净空帧的干扰影响。ISM设备在CSMA/CA算法规则中开展持续性信道净空信号的监听程序，并在适当时间予以回避[2]。

2 系统设计

2.1 射频AD清零

在信道占用稳定性获得保证的前提下，净空帧运行的发射功率应具有规范性与标准性，实际应用期间应尽量调整发射功率，使其符合相关规定的要求。ISM频段中，设备发射功率的最大值为1 W。然而，以星地通信为研究视角，地面接收机位置的入口信号，其电平最小值为-130 dBm，净空帧功率的最大值为30 dBm，两者相差160 dBm。若不计算净空帧自干扰的相关因素，在此信道环境中运行专用通信，就必然影响接收机获取的积分结果，无法保障捕获跟踪，造成系统误码率处于膨胀发展状态。所以，应在净空中发送间隙时开展专用通信的运行，以此防止[T1]时间范围内发生净空自干扰问题，完成终端与基站两个位置的时钟同步。星空等位置的远距离通信交流形成了握手与反馈程序，降低了信号传输的时效性，提升了系统运行的复杂性。

接收端在[T1]时间范围内完成AD芯片的射频数据消除。基于[T1]的时间跨度，伪码周期与信息时长均较小，系统误码率的影响因素为填充电平、[T1]时间范围内接收机在本地运行的伪码特征。在大量仿真试验中，考量系统运行的简便性，最终确定AD清零与基站盲发应对方案。基站盲发具体指基站在全程序的通信中，专用信号具有持续性发送能力，并未加以考量净空帧存在的发展间隙。AD清零具体指的是净空自干扰，此干扰问题来自时间信息系统自发性存在的干扰能力，接收机以射频AD芯片为运行对象，研究其在[T1]时间范围内的数据清零问题，其间[T2]时间范围内保持数据不变。

2.2 误码率

[T1]时间范围内开展AD芯片的数据清零程序，接收信号设备规避了[T1]时间范围内存在的净空帧自干扰问题，在此基础上，除去[T1]时间内有益信号发生损失与一部分热噪声资源，有益信号功率发生削弱的因子计算方式为：

[deg（singal）=（1-Bdc）2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Bdc]为清零数据与总数据量两者之间的比值，其可以用式（2）表示。

[Bdc=T1/T=T1/（T1+T2）]? ? ? ? ? ? ? ? （2）

热噪声发生功率削弱，其衰减因子计算方式为：

[deg（thermalnoise）=（1-Bdc）2]? ? ? ? ? ? （3）

AD清零完成时，计算其等效载波发生的噪声比，其计算方式为：

[C/N1=[C×（1-Bdc）2]/[N0×（1-Bdc）2] ? ? =（C/N0）×（1-Bdc）]? ? ? ? （4）

式中，[C]为有益信号对应的载波功率;[N1]为噪声密度;[N0]为热噪声内在的功率谱密度。

式（4）可以转化为对数表达形式，即

[[C/N1]dB=[C/N0]dB+10lg（1-Bdc）]? ? ? ? ? （5）

式中，AD清零引起了干扰变化，产生了载噪比损失[10lg（1-Bdc）]。

AD清零方案引起了载噪比损失，其影响因素为清零数据量与总数据量的占比。此占比数值越小，说明信噪比发生的损失相对减少。CTS帧在控制帧中的持续周期较短，在一定程度上减少了损失[3]。与此同时，基于信噪比与误码率存在关联性，由清零数据占比推算误码率。

假设专用信号规则为CDMA，选择BPSK的调制方法，专用信号计算关系用公式可以表示为：

[s（t）=A×x（t-T）×D（t-T）×sin（2π（f+fd）（t-T）+θ）]? （6）

式中，[A]为信号振动幅度;[t]为信号;[x（t）]、[D（t）]分别为扩频对应码、数据码，[x（t）]与[D（t）]的取值范围均为[-1，+1];[f]为载波频率;[fd]为普勒频移;[T]为传播发生延时;[θ]为初相位。

假设双极性码的基础系统运行时，关键性信号变化范围为[A]，信道噪声表现为高斯白类型，在低性能滤波器作用下，形成高斯带线噪声[n（t）]，此时产生的瞬时参数为[V]。在[V]时刻，一维概率密度的计算方式为：

[f（V）=1/[（2π）-1σn]e-V2/2σn]? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中，[σ]为AD清零区域的信号。

系统误码率总数的计算定义为：

[Pe=P（0）P（1/0）+P（1）P（0/1）]? ? ? ? ? ? ? （8）

式中，[P（0/1）]为发送1时发生0错判的概率;[P（1/0）]为发送0时发生1错判的概率;[P（0）]为发送0时的对应概率;[P（1）]为发送1的对应概率。

假设[Vd]作为判决限制值，当[dPe/dVd]=0且存在[P（0）=P（1）=1/2]时，将其代入式（8），结果为：

[Pe=1/2erfc（A/[（2π）-1σn]）]? ? ? ? ? ? ? （9）

在连续时段[Tb]周期内，[A]载波变化区间内的调制信号产生的比特能量[Eb=1/2A2Tb]，其误码率计算方式为：

[Pe=1/2erfc（A/（Eb/N0）-1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

由此計算AD清零产生的载噪比损失[ΔC/N0]，单位为dB，计算公式为：

[[ΔC/N0]dB=10lg（1-Bdc）]? ? ? ? ? （11）

AD清零时，BPSK误码率计算公式为：

[Pe=1/2erfc（[（Eb/N0）（1-Bdc）]-1）]? ? ? ?（12）

3 仿真试验

3.1 验证误码率

下面验证射频AD清零方案是否具有可行性，应采取的仿真试验验证方式为：开展误码率的仿真试验。其仿真参数设计为：信息速率=400 Rb/bps;扩频码速率=2.048 Rcp/bps;编解码形式设定为Golay（24，12，8）;净空帧时效为150 Tf/μs;信道消耗时长为10.28 Tc/ms。

仿真条件设计为：净空帧未发生自干扰事件;[T1]时间范围内射频AD清零完成;产生净空帧干扰事件，幅值规格为[N]。

仿真试验分析如下：[T1]时间范围内，AD信号清零方案有效获取的误码率数值较低，当[Eb/N0]=6 dB时，误码率在较为理想状态下发生10-4的数量级偏差。系统内部净空帧的功率与专用信号功率相比，前者较大，因此设计期间难以排除净空帧产生的自干扰问题。AD清零理论对应仿真试验与实际运行存在吻合性，证实此方案具有可行性。

3.2 验证捕获

捕获程序的验证方法主要借助PMF-FFT算法，仿真参数为：信噪比[SNR]=-25 dB，滤波器长度[X]=26，滤波器个数[P]=1 024，FFT点数[N]=1 024，捕获目标频点[fd]相位为10 340 Hz/1 chip，采样率[fs]=20.48 MHz。仿真分析如下：在仿真试验中，捕获的二維结果均具有峰值较小的特点，干扰频率与码位具有较大的基底噪声，引起目标频点与码相位发生覆盖与淹没事件。净空帧干扰特征表现为时间信息的自发性[4]。为此，FPGA控制单位采取的信号捕获方式要保证选择性与有效性。针对净空帧在[T2]时间范围内发送间隙得到的捕获结果，依据仿真参数计算得知，多普勒频率步进量参数[Δf=fs/XP=769.23 Hz]，捕获结果中峰值坐标为（14，1）。由此计算，对应频率为10 000 Hz、干扰码相差为1 chip，此数值与目标设置数值具有一致性。

捕获检测概率的计算公式为：

[Pd=1-k=1N[1-Q（2X×P×SNRin）|G（fd，k）|，t0]] （13）

式中，[G（fd，k）]为滤波器输出时[N]点FFT在[k]点获得的幅度响应;[t0]为归一化计算结果;[SNRin]为信噪比;[Q]为路积分相关值，表示捕获点位的信号干扰情况。

假设虚警率[Pfa]=10-5，代入式（13）获得[Pd]=1。由此，PMF-FFT对应的捕获时间计算公式为：

[T=[2+（2-Pd）（q-1）（1+k×Pfa）]/2PdTd]? ? ? （14）

式中，[q]为搜索码片数量;[Td]为延迟事件。

借助滤波器计算，可得[T]=6.5 ms，符合时间码（TC）运行的时间规范。

3.3 实测ISM无线通信系统

系统总体测试程序总有三种测试结果。一是在ISM设备未运行时开展专用通信的测试工作，测试方法为：在相对较远的基站完成专用信号的发送工作;在一体化终端接收设备中开辟新的通道，保障上位机设备高效获取专用信号帧[5]。二是在ISM设备周围运行的专用通道予以测试，测试方法为：在相对较远的基站完成专用信号的发送工作;在一体化终端接收设备中开辟新的通道;开启路由器静待专用通道自启;将路由器连接在计算机终端，完成文件发送，此时计算机终端信号发送速度的计量单位为Mb/s，然而上位机难以有效接收专用信号帧。三是针对净空信号发射完成获取的专用通信进行测试：在相对较远的基站完成专用信号的发送工作;在一体化终端接收设备中开辟新的通道;开启路由器静待专用通道自启;将路由器连接在计算机终端，完成文件发送;开启净空发射板块。此时，计算机终端信号发送速度的计量单位为Mb/s，发送速度逐渐削弱至0，上位机可重新成功获取专用信号帧。

这三种实测方式验证了ISM频段开启一体化专用通信终端的设计方案具有运行可行性。针对未添加ISM设备的运行系统，工作处于理想状态，开启净空发射模块，会引起专用通信系统内部的信噪比恶化，相比实际产生的信噪比，前者高出4 dB。此信噪比变化在通信链路设计中处于余量范围内，证实系统运行具备较高的实用性。

4 结论

ISM频段以净空技术为基础，借助可靠的无线通信系统，完成通信技术软硬件方案。此方案可以保证共享频段在星空等地的通信专用性，降低通信专用型建设的时间与经济成本。

参考文献：

[1]吉行健，梁广，孙思月，等.基于净空技术的ISM频段可靠无线通信系统[J].中国科学院大学学报，2020（4）：498-506.

[2]邓丽莉，骆骁.1 800 MHz频段行业专网无线通信系统间干扰共存研究[J].山西科技，2020（2）：49-52.

[3]侯琪.高频段无线通信系统中的预编码优化设计[D].南京：东南大学，2018：11-12.

[4]肖雄.基于MMR的无线通信系统多频段滤波器的小型化研究[D].重庆：重庆邮电大学，2018：22-23.

[5]宋昊.高性能非授权频段无线通信系统关键技术研究[D].成都：西南交通大学，2018：18-19.

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