電子通信非線性突變頻率干擾檢測(cè)與仿真

李麗艷，胡鴻豪，王云興

(1. 江西工程學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江西 新余 338000； 2. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

1 引言

第三代移動(dòng)通信中的碼分多址技術(shù)為關(guān)鍵性技術(shù)，當(dāng)前對(duì)碼分多址技術(shù)的關(guān)注度也越來越高[1]。碼分多址技術(shù)屬于無線通信系統(tǒng)，其具有眾多優(yōu)點(diǎn)，包括可多址復(fù)用、抗干擾、安全性高等。由于擴(kuò)頻碼間存在相互性，導(dǎo)致碼分多址系統(tǒng)中容易出現(xiàn)突變非線性多頻干擾[2]。碼分多址系統(tǒng)的容量和性能會(huì)受到突變非線性多頻干擾，因此為了改善碼分多址系統(tǒng)的性能，增加系統(tǒng)容量，需要對(duì)多頻干擾檢測(cè)方法進(jìn)行分析和研究。

金瑋[3]選取信號(hào)閾值設(shè)計(jì)識(shí)別函數(shù)，利用識(shí)別函數(shù)定位目標(biāo)信號(hào)，檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)的波形，根據(jù)信號(hào)波形對(duì)其脈沖量進(jìn)行計(jì)算，通過信號(hào)脈沖量完成干擾檢測(cè)，該方法沒有對(duì)信號(hào)進(jìn)行聚類處理，導(dǎo)致方法的單次檢測(cè)概率和檢測(cè)概率較低，方法的檢測(cè)性能差。王德真[4]等人構(gòu)建通信模型，分析專用行波傳感器、輸電線路、CVT和組波器對(duì)干擾信號(hào)的傳變特性，通過Wigner-Ville分布方法獲取干擾信號(hào)的時(shí)頻特征，在時(shí)間聚類特性的基礎(chǔ)上獲取干擾信號(hào)的能量主頻帶以及其對(duì)應(yīng)的演變譜，以此為依據(jù)完成多頻干擾檢測(cè)，該方法檢測(cè)后的信號(hào)平均可靠傳輸時(shí)間短，干擾信號(hào)檢測(cè)效果差。

為了解決上述方法中存在的問題，提出電子通信突變非線性多頻干擾檢測(cè)方法。

2 電子通信信號(hào)聚類處理

電子通信突變非線性多頻干擾檢測(cè)方法采用K-means聚類算法[5，6]對(duì)電子通信信號(hào)完成聚類處理，具體過程如下：

1)對(duì)電子通信數(shù)據(jù)集X={x1，x2，…，xm}進(jìn)行掃描，確定聚類數(shù)k；

(1)

3)對(duì)屬性值之間存在的距離進(jìn)行計(jì)算。電子通信突變非線性多頻干擾檢測(cè)方法通過余弦相似性[7，8]對(duì)行向量之間存在的距離進(jìn)行計(jì)算，用σAi(vi，p，vi，q)表示第p個(gè)值與第q個(gè)值在屬性Ai中的距離，σAi(vi，p，vi，q)可通過下式計(jì)算得到

(2)

(3)

式中，vj，θ代表屬性Aj中存在的第θ個(gè)值；vi，γ代表屬性Ai中存在的第γ個(gè)值。

4)隨機(jī)將類標(biāo)號(hào)1，2，…，k分配給對(duì)象；

5)用ci表示第i類對(duì)應(yīng)的類中心，表示在該類中屬性中各屬性值所占的比例，可通過下式計(jì)算得到

…，(nm，1，c，nm，2，c，…，nm，pm，c)]

(4)

式中，nu，v，c代表第u個(gè)屬性中存在的第v個(gè)取值在Ci類中的數(shù)量。

6)通過下式對(duì)類中心與對(duì)象之間的距離重新進(jìn)行計(jì)算

(5)

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，將電子通信數(shù)據(jù)分配到最近距離的類別中，完成分配后，重新對(duì)類中心進(jìn)行計(jì)算。

7)如果等于或大于一類的對(duì)象成員為空，返回步驟4)中，如果相反，重復(fù)步驟6)，算法結(jié)束條件為達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)或類成員不發(fā)生變化。

3 多頻干擾檢測(cè)

干擾刪除中存在多種類型，包括混合干擾刪除、部分干擾刪除、串行干擾刪除和部分并行干擾刪除等[9，10]，其中部分并行干擾刪除方法的用戶數(shù)與復(fù)雜度之間成正比，該類干擾刪除算法的性能最佳。初始符號(hào)估計(jì)的精準(zhǔn)度與干擾刪除算法的性能之間存在關(guān)聯(lián)，MAI重構(gòu)精度與干擾監(jiān)測(cè)值精度之間成正比。在串行干擾刪除思想的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際中低復(fù)雜度要求和頻率選擇性衰落要求進(jìn)行考慮，電子通信突變非線性多頻干擾檢測(cè)方法采用MMSE-EOPPIC檢測(cè)算法完成多頻干擾檢測(cè)，檢測(cè)過程主要分為以下兩個(gè)步驟。

1)為了消除信號(hào)中存在的多徑效應(yīng)，電子通信突變非線性多頻干擾檢測(cè)方法在重疊剪切法的基礎(chǔ)上通過頻域均衡算法[11，12]對(duì)電子通信信號(hào)進(jìn)行處理，獲取初始電子通信信號(hào)的估計(jì)值，主要流程如下：

①采用重疊剪切方法在頻域均衡原理(如圖1所示)的基礎(chǔ)上處理多徑接收信號(hào)r，獲得長度為Nc的NB個(gè)電子通信數(shù)據(jù)塊，電子通信數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾蓚€(gè)前綴長度和后綴長度均為Ng的數(shù)據(jù)塊，第nb個(gè)重疊剪切數(shù)據(jù)塊rnb在時(shí)域中的表達(dá)式如下

rnb={r[(Nc-2Ng)(nb-1)]，r[(Nc-2Ng)(nb-1)+1]

，…，r[(Nc-2Ng)(nb-1)+Nc-1]}T

(6)

②每個(gè)時(shí)域中存在的重疊剪切數(shù)據(jù)塊rnb按照順序根據(jù)Nc點(diǎn)對(duì)應(yīng)的FFT變換到頻域中，具體過程可通過下式進(jìn)行描述

Rnb=FFT(rnb)

(7)

式中，F(xiàn)FT表示Matlab符號(hào)。

③在頻域中均衡處理所有重疊剪切數(shù)據(jù)塊[13，14]，均衡處理后的頻域輸出信號(hào)為

(8)

式中，E=diag{E(0)，E(1)，…，E(Nc-1)}表示均衡系數(shù)矩陣，存在于頻域中。頻域的均衡處理是在MMSE準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上完成的，此時(shí)存在下式

(9)

④利用Nc點(diǎn)的IFFT變換將重疊剪切的電子通信數(shù)據(jù)塊從時(shí)域中轉(zhuǎn)變到頻域中，并通過下式描述上述轉(zhuǎn)變過程

(10)

(11)

式中，sgn(·)表示正負(fù)號(hào)函數(shù)；Re(·)代表取復(fù)數(shù)實(shí)部的操作；k為幅度估計(jì)。

此種建設(shè)模式常見于智慧城市發(fā)展初期，尤其是政府直接投資，各委辦局根據(jù)自身信息化發(fā)展需求上報(bào)相應(yīng)模塊，最終組合成一個(gè)智慧城市建設(shè)方案。建設(shè)過程中雖有統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，但往往在實(shí)際操作過程各自為政、獨(dú)立建設(shè)運(yùn)營，形成新的信息化煙囪群。

2)根據(jù)步驟1)獲取的電子通信信息，重構(gòu)多址干擾MAI，能量最強(qiáng)的信號(hào)用1表示，能量次強(qiáng)的信號(hào)用2表示，以此類推，能量最弱的信號(hào)用K表示。

(12)

針對(duì)電子通信信號(hào)中存在的干擾，將能量的大小作為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行刪除操作。對(duì)電子通信信號(hào)k中存在的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可通過下式表示第j級(jí)中電子通信信號(hào)對(duì)應(yīng)的多址干擾MAI

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，pj代表權(quán)重因子，權(quán)重因子pj與迭代級(jí)數(shù)成正比，通過上述分析可知，檢測(cè)可靠性隨著迭代級(jí)數(shù)的增加而增加。

(18)

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證所提方法的整體有效性，在Matlab中進(jìn)行相關(guān)仿真。仿真過程中設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

通過窄帶高斯噪聲調(diào)幅掃頻信號(hào)方法在測(cè)試過程中生成多頻干擾信號(hào)，設(shè)置窄帶高斯噪聲Gauss(n)的帶寬為50kHz，利用噪聲Gauss(n)計(jì)算調(diào)幅掃頻信號(hào)Jchirp(n)，并以此為依據(jù)獲得電子通信信號(hào)的最終干擾信號(hào)JG-chirp(n)，其計(jì)算公式如下

JG-chirp(n)=Gauss(n)×Jchirp(n)+no(n)

(19)

式中，no(n)代表干噪比在區(qū)間-15～6dB區(qū)間取值的高斯白噪聲，存在于信道環(huán)境中。

當(dāng)虛警概率PFA不發(fā)生變化時(shí)，對(duì)比電子通信突變非線性多頻干擾檢測(cè)方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的檢測(cè)概率，單次檢測(cè)概率PD可通過下式計(jì)算得到

PD=PD2，m-1×PD1，m-1×PD2，m+1

(20)

式中，PD2代表真實(shí)情況沒有干擾，且檢測(cè)正確的概率，PD1代表真實(shí)情況存在干擾，且檢測(cè)正確的概率。

不同方法的單次檢測(cè)概率如圖2所示。

分析圖2中的數(shù)據(jù)可知，隨著干噪比的增加，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的單次檢測(cè)概率不斷增加，由此可見，干噪比與單次檢測(cè)概率之間成正比關(guān)系。進(jìn)一步對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用所提方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，當(dāng)干噪比為-2dB時(shí)，獲得的單次檢測(cè)概率已經(jīng)接近于1，采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，獲得的單次檢測(cè)概率最高在0.8附近波動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)的最后也未能達(dá)到1，通過上述分析可知，與文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法相比，所提方法的單次檢測(cè)概率高。

在上述測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法在干燥比為-5dB，虛警概率為10-3條件下的檢測(cè)概率，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的檢測(cè)概率隨著門限值的增加而減小，在相同門限值條件下，所提方法獲得的檢測(cè)概率均高于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法獲得的檢測(cè)概率，且檢測(cè)概率均在0.8以上，表明所提方法具有良好的檢測(cè)性能。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的有效性，采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行干擾檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比檢測(cè)后的信號(hào)平均可靠傳輸時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

信號(hào)平均可靠傳輸時(shí)間越長，表明方法的干擾檢測(cè)效果越好，相反，信號(hào)平均可靠傳輸時(shí)間越短，表明方法的干擾檢測(cè)效果越差。對(duì)圖4進(jìn)行分析可知，隨著迭代次數(shù)的增加，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的信號(hào)平均可靠傳輸時(shí)間均有所增加，但所提方法在相同條件下的信號(hào)平均可靠傳輸時(shí)間高于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法，因?yàn)樗岱椒z測(cè)突變非線性多頻干擾之前，對(duì)電子通信信號(hào)完成了聚類處理，優(yōu)化檢測(cè)質(zhì)量，進(jìn)而提高了所提方法的干擾檢測(cè)效果。

5 結(jié)束語

影響電子通信有效性和可靠性主要因素之一是突變非線性多頻干擾，突變非線性多頻干擾具有干擾效率高、干擾帶寬大和產(chǎn)生簡單等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約著電子通信技術(shù)的發(fā)展。提出電子通信突變非線性多頻干擾檢測(cè)方法，首先對(duì)電子通信信號(hào)進(jìn)行聚類處理，其次實(shí)現(xiàn)突變非線性多頻干擾的檢測(cè)，解決了目前方法中存在的問題，提高了方法的檢測(cè)性能和檢測(cè)效果，進(jìn)而提高了電子通信的有效性和可靠性。