面向MIMO系統(tǒng)的非合作通信偵察技術(shù)

張智鋒 王艷溫 任媛媛

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊 050081；2.西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在當(dāng)今頻譜資源日益短缺的整體趨勢(shì)下，如何盡可能地提高頻譜資源利用率以滿足實(shí)際需求，已經(jīng)成為當(dāng)今無(wú)線通信領(lǐng)域最熱門(mén)的研究方向之一。MIMO技術(shù)能夠在相同帶寬和功率條件下，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更大的信道容量[1]和更高效的頻率利用率；此外MIMO系統(tǒng)還可以通過(guò)在發(fā)射端使用分集技術(shù)或空時(shí)編碼技術(shù)[2]，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提供更高的傳輸質(zhì)量。MIMO技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟也使其在各種民用和軍用無(wú)線通信系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。MIMO技術(shù)在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也為非合作通信場(chǎng)景中的通信信號(hào)偵察與參數(shù)估計(jì)帶來(lái)了新的技術(shù)難題。在非合作MIMO通信場(chǎng)景中，通信信號(hào)參數(shù)盲識(shí)別包括發(fā)射天線數(shù)目估計(jì)、空時(shí)碼盲識(shí)別、盲信道估計(jì)、調(diào)制方式識(shí)別等技術(shù)難題。本文在構(gòu)建非合作MIMO通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，針對(duì)以上技術(shù)難題給出了相應(yīng)的解決方法。

1 MIMO編碼模式識(shí)別技術(shù)

現(xiàn)有的最大似然算法[4]無(wú)法區(qū)分具有相同分組長(zhǎng)度和相同符號(hào)數(shù)的編碼方式，而決策分類檢測(cè)算法中時(shí)滯相關(guān)矩陣的計(jì)算復(fù)雜度隨著采樣長(zhǎng)度成指數(shù)增加，限制了該類算法的應(yīng)用，同時(shí)無(wú)法識(shí)別具有相同時(shí)滯相關(guān)矩陣的編碼方式，高階統(tǒng)計(jì)量識(shí)別會(huì)存在瑞利信道下識(shí)別率不高的缺陷。為了克服上述方法的缺點(diǎn)，提出了使用基于特征量預(yù)估計(jì)的時(shí)滯相關(guān)空時(shí)分組碼盲識(shí)別[5]算法。具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)步驟1：獲取特征量集合；

3)步驟3：計(jì)算特征量函數(shù)值；

4)步驟4：預(yù)估計(jì)特征量，得到新空時(shí)碼集合Ω′；

5)步驟5：計(jì)算接收信號(hào)的白化矩陣；

7)步驟7：計(jì)算解相關(guān)矩陣Y的時(shí)滯相關(guān)范數(shù)；

8)步驟8：計(jì)算新空時(shí)碼集合Ω′中碼型的時(shí)滯相關(guān)矩陣；

9)步驟9：提取判決碼型。

2 MIMO盲信道估計(jì)技術(shù)

MIMO信道盲估計(jì)[6-7]的關(guān)鍵問(wèn)題在于利用接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)估計(jì)信道系數(shù)，而統(tǒng)計(jì)信息又分為二階統(tǒng)計(jì)量和高階統(tǒng)計(jì)量?；诙A統(tǒng)計(jì)量[8]的子空間算法較高階累積量算法具有更低的計(jì)算復(fù)雜度，但存在天線置換模糊的問(wèn)題。本文提出了利用訓(xùn)練序列的時(shí)域正交性來(lái)消除天線置換模糊度的改進(jìn)算法，同時(shí)由于子空間算法需要信道階數(shù)的準(zhǔn)確信息，又從隨機(jī)矩陣的角度出發(fā)，提出了一種合適的信道階數(shù)估計(jì)方案。實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

圖1 MIMO盲信道估計(jì)流程圖

3 MIMO調(diào)制方式識(shí)別技術(shù)

MIMO調(diào)制方式識(shí)別[9-10]是在發(fā)射天線數(shù)目估計(jì)、盲同步、信道估計(jì)和模式識(shí)別等完成后，獲得足夠的先驗(yàn)信息時(shí)，對(duì)接收信號(hào)的調(diào)制方式類型進(jìn)行識(shí)別。關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題為提取待識(shí)別信號(hào)的特征參數(shù)，構(gòu)造判決準(zhǔn)則，將待識(shí)別信號(hào)的未知調(diào)制類型判決為已知的某種調(diào)制方式。

基于高階累積量的識(shí)別算法[11]具有優(yōu)良的抗高斯噪聲性能，通過(guò)計(jì)算待識(shí)別信號(hào)的高階累積量，通過(guò)門(mén)限判別進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別。實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2所示。

圖2 調(diào)制方式識(shí)別實(shí)現(xiàn)流程圖

4 測(cè)試分析

1)仿真環(huán)境構(gòu)建

非合作MIMO通信系統(tǒng)模型包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和偵聽(tīng)機(jī)，非合作MIMO通信場(chǎng)景示意圖如圖3所示。

圖3 非合作MIMO通信場(chǎng)景示意圖

為對(duì)偵聽(tīng)機(jī)接收到的通信信號(hào)進(jìn)行分析，構(gòu)造了如圖4所示的非合作MIMO通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)[3]。

圖4 非合作MIMO仿真平臺(tái)示意圖

通過(guò)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、空時(shí)編碼等處理后發(fā)射出去，經(jīng)過(guò)MIMO信道，由偵聽(tīng)機(jī)接收并進(jìn)行采樣及參數(shù)估計(jì)。仿真流程圖如圖5所示。

圖5 非合作MIMO系統(tǒng)仿真流程圖

2)對(duì)提出的MIMO空時(shí)碼識(shí)別算法的性能進(jìn)行了仿真分析。空時(shí)編碼集{OSTBC8(1/2)，SM}，發(fā)射天線數(shù)目8，接收天線數(shù)目16。

由圖6可以看出，當(dāng)信噪比為5dB時(shí)即可實(shí)現(xiàn)90%以上的正確識(shí)別率，信噪比高于8dB時(shí)正確識(shí)別率即可收斂為1。

圖6 空時(shí)碼識(shí)別性能曲線

3)對(duì)提出的MIMO盲信道估計(jì)算法的性能進(jìn)行了仿真分析，并給出了與真實(shí)信道參數(shù)的均方誤差。

由圖7可以看出，基于時(shí)域正交訓(xùn)練序列消除天線置換模糊度的子空間算法可以在較低的信噪比條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信道估計(jì)。

圖7 盲信道估計(jì)性能曲線

4)對(duì)提出的MIMO調(diào)制方式識(shí)別算法的性能進(jìn)行了仿真分析。調(diào)制方式集{BPSK,QPSK,8PSK,8QAM}，發(fā)射天線數(shù)目8，接收天線數(shù)目16。

由圖8可以看出，對(duì)于BPSK調(diào)制方式，在大于3dB時(shí)正確識(shí)別率即大于90%；對(duì)于QPSK和8PSK兩種調(diào)制方式，算法的識(shí)別性能基本一致，在大于9dB時(shí)即可達(dá)到90%正確率；8QAM則在信噪比8dB以上均能達(dá)到90%的正確識(shí)別率。

圖8 調(diào)制方式識(shí)別性能曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)MIMO系統(tǒng)的非合作通信偵察技術(shù)，提出了合理的技術(shù)方案，搭建軟件仿真測(cè)試平臺(tái)。對(duì)涉及的MIMO編碼模式識(shí)別、盲信道估計(jì)、調(diào)制方式識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究分析，給出了實(shí)現(xiàn)流程和仿真結(jié)果。本文的研究成果可用于戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)安控，信息柵格網(wǎng)信息對(duì)抗，民用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控等。