電子通信非線性突變頻率干擾檢測與仿真

李麗艷，胡鴻豪，王云興

(1. 江西工程學院電子信息工程學院，江西 新余 338000； 2. 景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403)

1 引言

第三代移動通信中的碼分多址技術為關鍵性技術，當前對碼分多址技術的關注度也越來越高[1]。碼分多址技術屬于無線通信系統，其具有眾多優點，包括可多址復用、抗干擾、安全性高等。由于擴頻碼間存在相互性，導致碼分多址系統中容易出現突變非線性多頻干擾[2]。碼分多址系統的容量和性能會受到突變非線性多頻干擾，因此為了改善碼分多址系統的性能，增加系統容量，需要對多頻干擾檢測方法進行分析和研究。

金瑋[3]選取信號閾值設計識別函數，利用識別函數定位目標信號，檢測目標信號的波形，根據信號波形對其脈沖量進行計算，通過信號脈沖量完成干擾檢測，該方法沒有對信號進行聚類處理，導致方法的單次檢測概率和檢測概率較低，方法的檢測性能差。王德真[4]等人構建通信模型，分析專用行波傳感器、輸電線路、CVT和組波器對干擾信號的傳變特性，通過Wigner-Ville分布方法獲取干擾信號的時頻特征，在時間聚類特性的基礎上獲取干擾信號的能量主頻帶以及其對應的演變譜，以此為依據完成多頻干擾檢測，該方法檢測后的信號平均可靠傳輸時間短，干擾信號檢測效果差。

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方法。

2 電子通信信號聚類處理

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

1)對電子通信數據集X={x1，x2，…，xm}進行掃描，確定聚類數k；

(1)

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

(2)

(3)

式中，vj，θ代表屬性Aj中存在的第θ個值；vi，γ代表屬性Ai中存在的第γ個值。

4)隨機將類標號1，2，…，k分配給對象；

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

…，(nm，1，c，nm，2，c，…，nm，pm，c)]

(4)

式中，nu，v，c代表第u個屬性中存在的第v個取值在Ci類中的數量。

6)通過下式對類中心與對象之間的距離重新進行計算

(5)

根據上式計算結果，將電子通信數據分配到最近距離的類別中，完成分配后，重新對類中心進行計算。

7)如果等于或大于一類的對象成員為空，返回步驟4)中，如果相反，重復步驟6)，算法結束條件為達到設定的迭代次數或類成員不發生變化。

3 多頻干擾檢測

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與復雜度之間成正比，該類干擾刪除算法的性能最佳。初始符號估計的精準度與干擾刪除算法的性能之間存在關聯，MAI重構精度與干擾監測值精度之間成正比。在串行干擾刪除思想的基礎上，對實際中低復雜度要求和頻率選擇性衰落要求進行考慮，電子通信突變非線性多頻干擾檢測方法采用MMSE-EOPPIC檢測算法完成多頻干擾檢測，檢測過程主要分為以下兩個步驟。

1)為了消除信號中存在的多徑效應，電子通信突變非線性多頻干擾檢測方法在重疊剪切法的基礎上通過頻域均衡算法[11，12]對電子通信信號進行處理，獲取初始電子通信信號的估計值，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)的基礎上處理多徑接收信號r，獲得長度為Nc的NB個電子通信數據塊，電子通信數據經過處理后轉變為若干個前綴長度和后綴長度均為Ng的數據塊，第nb個重疊剪切數據塊rnb在時域中的表達式如下

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

，…，r[(Nc-2Ng)(nb-1)+Nc-1]}T

(6)

②每個時域中存在的重疊剪切數據塊rnb按照順序根據Nc點對應的FFT變換到頻域中，具體過程可通過下式進行描述

Rnb=FFT(rnb)

(7)

式中，FFT表示Matlab符號。

③在頻域中均衡處理所有重疊剪切數據塊[13，14]，均衡處理后的頻域輸出信號為

(8)

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

(9)

④利用Nc點的IFFT變換將重疊剪切的電子通信數據塊從時域中轉變到頻域中，并通過下式描述上述轉變過程

(10)

(11)

式中，sgn(·)表示正負號函數；Re(·)代表取復數實部的操作；k為幅度估計。

此種建設模式常見于智慧城市發展初期，尤其是政府直接投資，各委辦局根據自身信息化發展需求上報相應模塊，最終組合成一個智慧城市建設方案。建設過程中雖有統一協調機構，但往往在實際操作過程各自為政、獨立建設運營，形成新的信息化煙囪群。

2)根據步驟1)獲取的電子通信信息，重構多址干擾MAI，能量最強的信號用1表示，能量次強的信號用2表示，以此類推，能量最弱的信號用K表示。

(12)

針對電子通信信號中存在的干擾，將能量的大小作為依據，對其進行刪除操作。對電子通信信號k中存在的數據信息進行檢測時，可通過下式表示第j級中電子通信信號對應的多址干擾MAI

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，pj代表權重因子，權重因子pj與迭代級數成正比，通過上述分析可知，檢測可靠性隨著迭代級數的增加而增加。

(18)

4 實驗與分析

為了驗證所提方法的整體有效性，在Matlab中進行相關仿真。仿真過程中設定的實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

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

JG-chirp(n)=Gauss(n)×Jchirp(n)+no(n)

(19)

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

當虛警概率PFA不發生變化時，對比電子通信突變非線性多頻干擾檢測方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的檢測概率，單次檢測概率PD可通過下式計算得到

PD=PD2，m-1×PD1，m-1×PD2，m+1

(20)

式中，PD2代表真實情況沒有干擾，且檢測正確的概率，PD1代表真實情況存在干擾，且檢測正確的概率。

不同方法的單次檢測概率如圖2所示。

分析圖2中的數據可知，隨著干噪比的增加，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的單次檢測概率不斷增加，由此可見，干噪比與單次檢測概率之間成正比關系。進一步對比分析發現，采用所提方法進行測試時，當干噪比為-2dB時，獲得的單次檢測概率已經接近于1，采用文獻[3]方法和文獻[4]方法進行測試時，獲得的單次檢測概率最高在0.8附近波動，在實驗的最后也未能達到1，通過上述分析可知，與文獻[3]方法和文獻[4]方法相比，所提方法的單次檢測概率高。

在上述測試結果的基礎上，對比所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法在干燥比為-5dB，虛警概率為10-3條件下的檢測概率，測試結果如圖3所示。

根據圖3可知，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的檢測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概率均高于文獻[3]方法和文獻[4]方法獲得的檢測概率，且檢測概率均在0.8以上，表明所提方法具有良好的檢測性能。

為了進一步驗證方法的有效性，采用所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法進行干擾檢測實驗，對比檢測后的信號平均可靠傳輸時間，測試結果如圖4所示。

信號平均可靠傳輸時間越長，表明方法的干擾檢測效果越好，相反，信號平均可靠傳輸時間越短，表明方法的干擾檢測效果越差。對圖4進行分析可知，隨著迭代次數的增加，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的信號平均可靠傳輸時間均有所增加，但所提方法在相同條件下的信號平均可靠傳輸時間高于文獻[3]方法和文獻[4]方法，因為所提方法檢測突變非線性多頻干擾之前，對電子通信信號完成了聚類處理，優化檢測質量，進而提高了所提方法的干擾檢測效果。

5 結束語

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、干擾帶寬大和產生簡單等特點，嚴重制約著電子通信技術的發展。提出電子通信突變非線性多頻干擾檢測方法，首先對電子通信信號進行聚類處理，其次實現突變非線性多頻干擾的檢測，解決了目前方法中存在的問題，提高了方法的檢測性能和檢測效果，進而提高了電子通信的有效性和可靠性。