








摘 要:深入研究了全頻譜認(rèn)知與智能利用領(lǐng)域,強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)有認(rèn)知無線電理論和無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)在特定環(huán)境中的優(yōu)勢(shì),指出在面對(duì)寬帶、瞬變、未知、復(fù)雜的電磁環(huán)境時(shí)存在“認(rèn)不深” 的問題。為解決這一挑戰(zhàn),提出了多維度的深度頻譜認(rèn)知作為未來的發(fā)展方向,從信號(hào)多維特征與個(gè)體本征屬性雙重維度對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)認(rèn)知。通過探索輻射源目標(biāo)信號(hào)的多域特征,構(gòu)建輻射源完備表征數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)通信終端的本征屬性認(rèn)知,可以更全面地理解和利用頻譜資源。分析了調(diào)制域、協(xié)議域中信號(hào)的調(diào)制識(shí)別以及協(xié)議解析等研究現(xiàn)狀;高速目標(biāo)信號(hào)識(shí)別和空域定向認(rèn)知的發(fā)展瓶頸及主要研究方向。提供了較為全面的理論和方法,為未來多維度的電磁環(huán)境感知和頻譜利用奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:全頻譜深度認(rèn)知;信號(hào)識(shí)別;通信協(xié)議解析;空域定向認(rèn)知
中圖分類號(hào):TN927+. 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
文章編號(hào):1003-3106(2024)07-1589-13
0 引言
隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展與國(guó)家國(guó)際化戰(zhàn)略的推進(jìn),信息通信領(lǐng)域向著空天地海一體化方向不斷創(chuàng)新,對(duì)在該領(lǐng)域的創(chuàng)新研究提出了更高的需求。如今無線設(shè)備及其應(yīng)用呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),各種無線技術(shù)的出現(xiàn)使得電磁頻譜環(huán)境呈現(xiàn)環(huán)境多域、態(tài)勢(shì)多維、應(yīng)用多樣、行為多變、信號(hào)密集的復(fù)雜特性。現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中,電磁頻譜空間已逐步演化為第六維作戰(zhàn)空間,實(shí)現(xiàn)有效的頻譜資源管控從而取得電磁頻譜戰(zhàn)的制勝權(quán)顯得尤為重要[1]。
作為頻譜資源管控中的重要一環(huán),頻譜感知技術(shù)旨在更有效地利用和管理無線頻譜資源,使設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)地認(rèn)知和分析當(dāng)前的無線頻譜環(huán)境,智能地選擇最佳的頻率和頻段以避免干擾其他設(shè)備并優(yōu)化自己的性能。這種技術(shù)對(duì)于提高無線通信系統(tǒng)的效率、增強(qiáng)頻譜利用率以及促進(jìn)不同無線設(shè)備間的互操作性都非常重要。在如今的空天地海一體化發(fā)展中,無線環(huán)境監(jiān)測(cè)從地面擴(kuò)展到高空、近海乃至深海,對(duì)非本土、陌生的新無線頻譜環(huán)境的主動(dòng)快速感知和深度認(rèn)知是保證國(guó)家電磁頻譜安全、制電磁權(quán)以及通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。
基于頻譜感知技術(shù)對(duì)頻譜上電磁活動(dòng)的監(jiān)控,得以快速檢測(cè)出存在的電磁信號(hào)輻射源。為了更全面地管理電磁波的影響,更深入地了解輻射源的性質(zhì)和特征,對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別以及全面認(rèn)知對(duì)優(yōu)化頻譜利用、降低通信干擾影響、提高電磁環(huán)境管理效率等方面具有關(guān)鍵作用。輻射源目標(biāo)識(shí)別任務(wù)是基于接收輻射源發(fā)射的信號(hào)來完成的,輻射的信號(hào)主要受兩方面因素影響:一是輻射源個(gè)體本征屬性,二是輻射源目標(biāo)信號(hào)參數(shù)。
對(duì)于輻射源的個(gè)體本征屬性,其與信號(hào)參數(shù)內(nèi)容無關(guān),僅與輻射源個(gè)體相關(guān),可粗略分成四部分影響因素:電波傳播屬性,表征參量包含天線方向圖、極化方向;個(gè)體位置屬性,表征參量包含經(jīng)緯度、高度以及來波的方向等;運(yùn)動(dòng)速度屬性,表征參量包括相對(duì)速度、相對(duì)加速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡等;輻射源非線性屬性,是由輻射源各類組成器件合力產(chǎn)生的非線性作用,其表征方式是需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。其次,對(duì)于輻射源的信號(hào)多維特征,受工作模式、協(xié)議約束來設(shè)定,并受輻射源本征屬性影響,包括調(diào)制信息、編碼信息、工作模式信息、原始序列信息以及比特信息等。調(diào)制信息,表征參量包括調(diào)制進(jìn)制數(shù)、調(diào)制類型和星座圖(Constellation Diagram,CD);編碼信息,表征參量包括編碼類型和編碼參數(shù);模式信息,表征參量包括工作模式(如雷達(dá)、衛(wèi)星、移動(dòng)通信等),還包括所屬協(xié)議的協(xié)議級(jí)參數(shù)(如移動(dòng)通信系統(tǒng)中的位置區(qū)編碼(Location Area Code,LAC)、移動(dòng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)碼(Mobile Network Code,MNC)、小區(qū)ID 等),雷達(dá)系統(tǒng)中的脈寬、衛(wèi)星系統(tǒng)中的高低軌位信息等。原始信息,表征參量包括原始基帶序列、中頻序列以及出現(xiàn)的時(shí)長(zhǎng)和中心頻點(diǎn)等;比特信息,表征參量即為比特流序列。
綜上所述,立足于無線電頻譜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展面臨的復(fù)雜電磁頻譜感知與分析問題,本文首先介紹全頻譜認(rèn)知技術(shù)新的發(fā)展方向,并擴(kuò)展到對(duì)輻射源目標(biāo)的全面識(shí)別,將認(rèn)知維度深入到時(shí)-頻-空-變換-參數(shù)等多域,提出了從信號(hào)多維特征與個(gè)體本征屬性雙重維度對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)認(rèn)知的技術(shù)路線。然后介紹調(diào)制識(shí)別、信號(hào)協(xié)議解析和輻射源識(shí)別3 種信號(hào)識(shí)別方式。最后介紹空域定向認(rèn)知技術(shù),還對(duì)未來可能的研究方向做了展望。
1 全頻譜深度認(rèn)知概述
輻射源目標(biāo)本征屬性和信號(hào)特征與其表征參量如圖1 所示,說明了影響輻射源目標(biāo)信號(hào)的兩大類內(nèi)容及其表征參量。現(xiàn)有的認(rèn)知無線電理論和無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)方法對(duì)已知特定環(huán)境的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)具有較好的基礎(chǔ),目前已有很多科研團(tuán)隊(duì)對(duì)頻譜感知與輻射源目標(biāo)識(shí)別進(jìn)行了創(chuàng)新型研究。文獻(xiàn)[3]提出了基于頻譜壓縮感知的稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)算法,具有更高的檢測(cè)精度與更小的重構(gòu)誤差。文獻(xiàn)[4]針對(duì)多頻、寬帶電磁輻射源的識(shí)別困難,提出了一種基于盲源分離(Blind Signal Separation,BSS)和深度特征學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)(Deep Feature Learning Network,DFLN)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Network,DNN)模型,提升了輻射源識(shí)別準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于軸積分雙譜特征與深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)(DeepResidual Shrinkage Network,DRSN)相結(jié)合的特定輻射源特征提取與識(shí)別方法,有效提高了低信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)下的分類準(zhǔn)確率。這些研究不斷提高著頻譜感知與輻射源目標(biāo)識(shí)別的精度與速度,不斷向著“測(cè)得快”“測(cè)得準(zhǔn)”“測(cè)得寬”發(fā)展。
近年來,基于機(jī)器學(xué)習(xí)的頻譜智能感知技術(shù)研究取得了顯著進(jìn)展。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠利用大量數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型,使得感知系統(tǒng)在不斷學(xué)習(xí)的過程中提高準(zhǔn)確性,更精確地對(duì)信號(hào)源進(jìn)行識(shí)別和分類。這種方法還可以識(shí)別復(fù)雜信號(hào)模式和特征,提供更智能、更自適應(yīng)的感知能力。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的協(xié)同頻譜感知算法,減少了網(wǎng)絡(luò)流量以及協(xié)作用戶的數(shù)量,為協(xié)同頻譜感知減少了資源的消耗并具有更強(qiáng)魯棒性。文獻(xiàn)[7]提出了一種電磁頻譜空間機(jī)器學(xué)習(xí)新范式———認(rèn)知學(xué)習(xí),設(shè)計(jì)了一種面向干擾識(shí)別的認(rèn)知學(xué)習(xí)方案,能適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境和任務(wù),通過自學(xué)習(xí)提升性能并緩解錯(cuò)誤標(biāo)記樣本的影響,對(duì)電磁頻譜空間機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展具有啟發(fā)式意義。文獻(xiàn)[8]利用不同深度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)通用軟件無線電設(shè)備(Universal SoftwareRadio Peripheral,USRP)和LabVIEW 采集到的不同輻射源的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和結(jié)構(gòu),達(dá)到了更高的識(shí)別率。
雖然目前的頻譜感知技術(shù)已經(jīng)取得了較大突破,在識(shí)別速率、識(shí)別準(zhǔn)確率等方面已經(jīng)有了較大提升,但面對(duì)寬帶、瞬變、未知、復(fù)雜的電磁環(huán)境仍存在“認(rèn)不深”的問題[2]。現(xiàn)代頻譜感知與輻射源目標(biāo)識(shí)別需要更深入、更全面地表征信號(hào)的各種特征和屬性,對(duì)無線電監(jiān)測(cè)與管理提出了新的要求和挑戰(zhàn),研發(fā)具有對(duì)多變無線環(huán)境的主動(dòng)快速感知和深度認(rèn)知能力的理論和關(guān)鍵技術(shù)具有重大意義。
多維度的深度頻譜認(rèn)知被認(rèn)為是頻譜感知技術(shù)發(fā)展的新方向。探索輻射源信號(hào)的多域特征,并基于這些特征構(gòu)建泛用信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫以實(shí)現(xiàn)通信終端的本征屬性認(rèn)知,可以更快、更精、更深地理解和利用電磁資源。在多維度的深度頻譜認(rèn)知中,將格外關(guān)注信號(hào)的多域?qū)傩裕瑥母鱾€(gè)維度對(duì)輻射源目標(biāo)信號(hào)建立完備的表征數(shù)據(jù)庫。輻射源完備表征數(shù)據(jù)庫如圖2 所示,這些多域?qū)傩园ǖ幌抻跁r(shí)域、頻域、空域、變換域與參數(shù)域等。
為了解決基于信號(hào)特征的輻射源識(shí)別方法無法適配軟件無線電技術(shù)發(fā)展帶來的參數(shù)靈活變化問題,可從信號(hào)多維特征與個(gè)體本征屬性雙重維度對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)認(rèn)知。該方案可以劃分為三方面的內(nèi)容,如圖3 所示。首先,大量獲取各類輻射源個(gè)體輻射數(shù)據(jù),對(duì)輻射源目標(biāo)本征屬性與多維信號(hào)原始參數(shù)集合以及其表征參量進(jìn)行梳理,并重點(diǎn)研究基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的輻射源個(gè)體非線性表征方法;其次,研究并構(gòu)建時(shí)-頻-空-參數(shù)-變換5 域輻射源目標(biāo)完備表征范式,實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射源目標(biāo)信號(hào)特征與個(gè)體本征屬性雙維度完備表征,構(gòu)建起泛用輻射源目標(biāo)時(shí)-頻-空-參數(shù)-變換5 域表征數(shù)據(jù)庫;最后,設(shè)計(jì)面向5 域表征范式的多枝神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器,針對(duì)輻射源目標(biāo)多域維度之間的關(guān)聯(lián)性與差異性進(jìn)行分析,完成對(duì)輻射源目標(biāo)5 域表征特征的動(dòng)態(tài)排序、高效選擇以及分類決策任務(wù)。
2 調(diào)制識(shí)別
信號(hào)調(diào)制是無線通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要過程。調(diào)制識(shí)別任務(wù)通常用于信號(hào)檢測(cè)和解調(diào)。只有信號(hào)接收器正確解調(diào)信號(hào),信號(hào)傳輸才能順利進(jìn)行。然而,隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和更加高端的需求,無線通信系統(tǒng)中使用的調(diào)制方法和參數(shù)的數(shù)量正在迅速增加。如何準(zhǔn)確識(shí)別調(diào)制方式的問題因此變得更具挑戰(zhàn)性。
自適應(yīng)調(diào)制識(shí)別(Automatic Modulation Classifi-cation,AMC)技術(shù)可以根據(jù)通信的具體要求和信道狀態(tài),識(shí)別信號(hào)類別并選擇合適的調(diào)制和解調(diào)方式,實(shí)現(xiàn)傳輸可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率最優(yōu)化,同時(shí)提高頻譜的利用率。可以理解為信號(hào)調(diào)制樣式的識(shí)別本質(zhì)上是一個(gè)多分類模式識(shí)別問題,根據(jù)識(shí)別過程和分類方法的不同,分為基于決策理論的識(shí)別方法、基于特征提取的識(shí)別方法和基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別方法。
2. 1 基于決策理論的識(shí)別方法
基于決策理論的方法首先需要為通信信道建立通信信號(hào)的數(shù)學(xué)模型,然后采用概率論和假設(shè)檢驗(yàn)理論推導(dǎo)出相關(guān)的分類決策規(guī)則[9]。但在實(shí)際物理場(chǎng)景中,基于決策理論的識(shí)別方法存在計(jì)算復(fù)雜度高、精度低等問題,且對(duì)信道先驗(yàn)知識(shí)儲(chǔ)備要求較高。
文獻(xiàn)[10]提出了一種使用準(zhǔn)對(duì)數(shù)似然比規(guī)則的分類器,實(shí)驗(yàn)分析表明,在低SNR 條件下,該分類器對(duì)BPSK / QPSK 信號(hào)的識(shí)別性能明顯優(yōu)于其他識(shí)別方法。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于廣義似然比檢驗(yàn)和平均似然比檢驗(yàn)混合的分類器,可以針對(duì)不同進(jìn)制的PSK 信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要信號(hào)幅度和噪聲方差等先驗(yàn)知識(shí),且當(dāng)觀察數(shù)據(jù)序列邊長(zhǎng)時(shí),分類精度也會(huì)增加,而算法復(fù)雜度成線性增加。
2. 2 基于特征提取的識(shí)別方法
基于特征提取的識(shí)別方法,從經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)中提取專家特征,這些特征需要人工根據(jù)信道條件以及被識(shí)別信號(hào)的調(diào)制樣式來確定。根據(jù)提取出的特征選擇合適的分類器并確定分類準(zhǔn)則,通常采用機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)算法作為分類方法輸出識(shí)別結(jié)果[12]。常用的專家特征包括瞬時(shí)幅度、高階累積量、循環(huán)譜和CD 等。
在衛(wèi)星通信領(lǐng)域,文獻(xiàn)[13]將信號(hào)CD 形狀作為判決標(biāo)志,對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行信道盲均衡,然后采用聚類算法逐步減少聚類簇進(jìn)而判斷調(diào)制樣式階數(shù),最終采用最大似然法選擇合適的調(diào)制樣式。該方法在SNR 大于14 dB 時(shí)對(duì)所有調(diào)制樣式的識(shí)別率達(dá)到90% 以上,但其可識(shí)別的調(diào)制樣式維數(shù)局限在32以內(nèi),此外對(duì)SNR 要求也比較高。文獻(xiàn)[9]利用信號(hào)的CD 和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Net-work,CNN)相結(jié)合對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,在SNR 大于5 dB 時(shí)識(shí)別率達(dá)到97. 99% 。文獻(xiàn)[14]使用CD 與二值化DNN 對(duì)信號(hào)調(diào)制樣式進(jìn)行識(shí)別,SNR 在-6 ~ 6 dB 噪聲條件下的綜合識(shí)別率達(dá)到96. 1% 。
基于特征提取的識(shí)別方法核心在于提取能夠有效表征信號(hào)調(diào)制樣式的特征,但在不同通信情況下很難確定哪種特征具有最優(yōu)分類效果,對(duì)專家特征庫的要求極高,需要專業(yè)人員耗費(fèi)大量時(shí)間精力對(duì)通信場(chǎng)景、基礎(chǔ)信號(hào)以及分類器等進(jìn)行大量細(xì)致的分析研究,缺少一個(gè)系統(tǒng)的解決方案。
2. 3 基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別方法
基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別方法,使用CNN、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-Term Memory,LSTM)或其他類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接從原始信號(hào)提取特征并實(shí)現(xiàn)分類識(shí)別,能夠?qū)π盘?hào)調(diào)制樣式進(jìn)行端到端的識(shí)別。
DNN 在視頻、語音和圖像處理的研究領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。同樣可以將CNN 應(yīng)用于無線電調(diào)制識(shí)別任務(wù),進(jìn)而將深度學(xué)習(xí)的理念引入通信領(lǐng)域。已經(jīng)有很多深度學(xué)習(xí)模型成功應(yīng)用于AMC 任務(wù)[15]。文獻(xiàn)[16]采用LSTM 對(duì)10 種調(diào)制樣式信號(hào)記性識(shí)別,在SNR 大于5 dB 時(shí),平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到95% 。文獻(xiàn)[17]利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RecurrentNeural Network,RNN)對(duì)4 種衛(wèi)星幅相信號(hào)調(diào)制識(shí)別,在SNR 為6 dB 時(shí),信號(hào)識(shí)別率接近98% 。文獻(xiàn)[18]利用CNN 與LSTM 結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)多種調(diào)制樣式信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別,利用了2 種網(wǎng)絡(luò)在建模能力上的互補(bǔ)性。
大多數(shù)AMC 方法假設(shè)信道模型是加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)模型或時(shí)不變模型。然而,在實(shí)際的通信系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的物理信道總是變化的,信道通常是時(shí)變的。
文獻(xiàn)[19]在衛(wèi)星通信場(chǎng)景下提出一種新的特征提取方案,稱為時(shí)隙CD,將采樣時(shí)間窗口劃分為連續(xù)的時(shí)隙,并將采樣的IQ 信號(hào)轉(zhuǎn)換為二維灰度圖像,可以通過捕獲每個(gè)時(shí)隙內(nèi)CD 的旋轉(zhuǎn)和縮放軌跡以及連續(xù)圖像之間的演變來實(shí)現(xiàn)更好的分類,在慢衰落和快衰落信道中均實(shí)現(xiàn)了較高的分類準(zhǔn)確率,在一定程度上解決了衛(wèi)星通信信道衰落以及SNR 波動(dòng)大的難題。
文獻(xiàn)[20]提出一種先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)模型———MCBLDN,由多個(gè)CNN、一個(gè)雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Bidirectional Long Short-Term Memory,BLSTM)和一個(gè)DNN 結(jié)構(gòu)組成,是一種針對(duì)時(shí)變通道中AMC 任務(wù)的高級(jí)深度學(xué)習(xí)模型。在MCBLDN 中的時(shí)隙CD方案,將接收信號(hào)采樣序列分為L 個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙生成一個(gè)CD。最后,L 個(gè)時(shí)隙CD 被轉(zhuǎn)換為一系列灰度子圖像作為MCBLDN 的輸入。時(shí)隙CD 方案的優(yōu)點(diǎn)是MCBLDN 由于信道變化而獲得了CD 的時(shí)間演化特征。盡管MCBLDN 算法取得了良好的分類性能,但在實(shí)際應(yīng)用中卻存在以下2 個(gè)缺點(diǎn):
① L 個(gè)時(shí)隙CD 生成的L 個(gè)灰度子圖像是MCBLDN 的輸入,并由L 個(gè)不同的CNN 使用“for”循環(huán)進(jìn)行串行處理。具體來說,每個(gè)循環(huán)都會(huì)重建一個(gè)CNN,并使用該CNN 來處理灰度子圖像。因此,MCBLDN 由于多CNN 結(jié)構(gòu)而被過度參數(shù)化,并且由于串行數(shù)據(jù)處理而耗時(shí)。
② 時(shí)變通道引入的頻率偏移和相位偏移引起CD 旋轉(zhuǎn),這在MCBLDN 中被忽略。然而,CD 旋轉(zhuǎn)會(huì)影響分類性能并降低MCBLDN 的魯棒性。
為了克服以上問題,文獻(xiàn)[20]提出了一種名為SLCBDN 的輕量級(jí)MCBLDN 版本,它將多個(gè)CNN修剪為一個(gè)輕量級(jí)CNN,并利用空間變換網(wǎng)絡(luò)(Spatial Transformer Network,STN)來減少頻率偏移和相位偏移的影響,其訓(xùn)練過程如圖4 所示,主要改進(jìn)有以下3 個(gè)方面:
① 輕量級(jí)CNN。將多個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的CNN縮減為一個(gè)。
② 數(shù)據(jù)重排。對(duì)多CNN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裁剪后,對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列,然后使用輕量級(jí)CNN 對(duì)輸入數(shù)據(jù)實(shí)行并行處理。SLCBDN 中的計(jì)算復(fù)雜度不會(huì)因數(shù)據(jù)重新排列而改變,而SLCBDN 的計(jì)算速度明顯快于MCBLDN。
③ STN。引入STN 來糾正CD 旋轉(zhuǎn),以提高分類精度。
STN 是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)模型,允許神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)如何對(duì)輸入圖像進(jìn)行空間變換,例如縮放、平移、旋轉(zhuǎn)和裁剪,可以增強(qiáng)模型的幾何不變性。因此,文獻(xiàn)[20]利用STN 來校正有頻率偏移和相位偏移引起的CD 旋轉(zhuǎn)。
在非合作通信系統(tǒng)中,由于接收方事先不知道發(fā)送方的信號(hào)參數(shù)以及調(diào)制參數(shù)等,接收方無法直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)從而獲取信息,所以識(shí)別信號(hào)調(diào)制樣式仍然是未來研究方向的重難點(diǎn)。本文梳理了目前對(duì)信號(hào)識(shí)別和分類的一些方法,并重點(diǎn)關(guān)注基于深度學(xué)習(xí)識(shí)別方法的研究進(jìn)展,總結(jié)各類方法的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)以及存在問題。
3 通信協(xié)議解析
隨著全頻譜多維屬性深度認(rèn)知領(lǐng)域的不斷發(fā)展,信號(hào)的協(xié)議解析作為提高輻射源目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率與效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其重要性日益凸顯。協(xié)議解析是不依賴先驗(yàn)知識(shí)為條件,以分析系統(tǒng)行為、數(shù)據(jù)片段特點(diǎn)為方法對(duì)捕獲的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,獲取協(xié)議字段邊界與語義的過程,以識(shí)別和理解其中的協(xié)議信息[21]。這包括識(shí)別信號(hào)的調(diào)制類型、編碼方式、工作模式及其他相關(guān)參數(shù),如頻率、波特率和幀結(jié)構(gòu)等。協(xié)議解析能夠?yàn)樾盘?hào)分析、輻射源識(shí)別、優(yōu)化頻譜管理、提升通信效率以及確保通信安全提供重要信息。
常見的協(xié)議解析技術(shù)包括基于協(xié)議執(zhí)行過程的協(xié)議解析以及基于數(shù)據(jù)內(nèi)容的協(xié)議解析。基于協(xié)議執(zhí)行過程的協(xié)議解析方法通過協(xié)議執(zhí)行中涉及的相關(guān)信息推斷協(xié)議格式。基于數(shù)據(jù)內(nèi)容的協(xié)議解析方法通過分析協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)容、協(xié)議數(shù)據(jù)特點(diǎn),采用協(xié)議字段分割、字段聚合和字段語義挖掘的步驟獲取協(xié)議格式。該方法擺脫了硬件環(huán)境的限制,解析方式更加靈活[22]。由于只依賴數(shù)據(jù)自身特點(diǎn),基于數(shù)據(jù)的協(xié)議解析方法使用范圍廣。當(dāng)前研究主要采用字段挖掘的方式,通過字段頻率、設(shè)備行為和字段關(guān)系等方式推斷協(xié)議的字段語義。文獻(xiàn)[23]挖掘協(xié)議數(shù)據(jù)間的信息熵構(gòu)建屬性距離,通過屬性距離判斷協(xié)議數(shù)據(jù)是否為同一屬性,將屬性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)應(yīng),從而獲取協(xié)議格式,該方法只適用于屬性信息種類較少的協(xié)議。文獻(xiàn)[24]提出了多級(jí)協(xié)議處理方案,解析完畢后采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)的方式修正不足。該方法將解析與驗(yàn)證分離,采用了多級(jí)協(xié)作的解析方法。文獻(xiàn)[25]針對(duì)協(xié)議解析精度低的問題提出了基于字段狀態(tài)的多級(jí)協(xié)議解析算法,使用字段特點(diǎn)將字段分為特殊和非特殊狀態(tài),采用統(tǒng)計(jì)方法推測(cè)特殊狀態(tài)的字段語義,通過改變統(tǒng)計(jì)規(guī)則將非特殊字段分為狀態(tài)變化字段和狀態(tài)不變字段。采取挖掘方法判斷狀態(tài)變化字段的語義,提出邊界探索方法實(shí)現(xiàn)狀態(tài)不變字段的邊界劃分與語義推斷,采用校驗(yàn)算法修正字段語義。該算法利用字段狀態(tài)整合多種解析方法,提高了協(xié)議解析精度。
文獻(xiàn)[26]設(shè)計(jì)了一套移動(dòng)通信系統(tǒng)評(píng)估系統(tǒng)用于解析下行數(shù)據(jù)中的協(xié)議級(jí)指標(biāo)與業(yè)務(wù)級(jí)指標(biāo)。系統(tǒng)協(xié)議解析與業(yè)務(wù)評(píng)估架構(gòu)如圖5 所示。
下行數(shù)據(jù)進(jìn)入該評(píng)估系統(tǒng)后,先對(duì)其進(jìn)行配置搜索,如果該數(shù)據(jù)屬于上一個(gè)曾經(jīng)解析過的小區(qū),那么在配置信息庫中應(yīng)該保存了其配置信息,只需要從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取配置信息進(jìn)行應(yīng)用即可。如果這是一個(gè)全新的數(shù)據(jù),從庫中找不到任何數(shù)據(jù)與之匹配,那么需要重新進(jìn)行解析。
在文獻(xiàn)[26]中,下行數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)同步模塊、信號(hào)解調(diào)模塊、協(xié)議解析模塊、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)跟蹤模塊以及業(yè)務(wù)評(píng)估模塊完成協(xié)議級(jí)指標(biāo)與業(yè)務(wù)級(jí)指標(biāo)的提取。本文基于此解析流程,并針對(duì)具有不同物理層幀結(jié)構(gòu)的2G、3G、4G 系統(tǒng),完成了對(duì)GSM、WCDMA、LTE 系統(tǒng)的協(xié)議棧解析。其中針對(duì)LTE系統(tǒng)的協(xié)議棧解析流程如圖6 所示。基帶采樣信號(hào)經(jīng)過小區(qū)搜索、PBCH 解析、PCFICH 解析以及公用PDCCH 解析等過程獲取協(xié)議級(jí)指標(biāo)參數(shù)。
文獻(xiàn)[27]針對(duì)現(xiàn)有的電磁環(huán)境認(rèn)知技術(shù)無法在非合作的條件下區(qū)分信號(hào)內(nèi)用戶、評(píng)估5G 小區(qū)用戶承載情況的問題,提出一種基于5G 系統(tǒng)協(xié)議棧解析的小區(qū)用戶數(shù)估計(jì)方法,如圖7 所示。該方法將對(duì)整個(gè)小區(qū)的分析拆分為對(duì)空間中波束的分析,對(duì)于監(jiān)測(cè)設(shè)備所在空間位置的波束,在完成小區(qū)搜索與公共系統(tǒng)參數(shù)獲取后,基于非合作條件下的PDCCH 解碼算法,獲取波束內(nèi)所有用戶的無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)與下行控制信息(Downlink Control Infor-mation,DCI),以此統(tǒng)計(jì)波束內(nèi)用戶數(shù),從而推算小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)。除此之外,基于DCI 解析結(jié)果以及共享信道解調(diào)參考信號(hào)(Demodulation ReferenceSignal,DMRS)映射位置,計(jì)算目標(biāo)用戶共享信道數(shù)據(jù)塊中承載著業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的資源元素?cái)?shù)量,結(jié)合其調(diào)制編碼方案計(jì)算傳輸塊大小,估計(jì)用戶用頻時(shí)長(zhǎng)以及物理層上下行吞吐率,進(jìn)而推測(cè)用戶用頻意圖、感知用戶用頻行為。對(duì)用頻行為異常的用戶進(jìn)一步獲取上行業(yè)務(wù)的物理層比特流。
隨著深度學(xué)習(xí)的廣泛應(yīng)用,基于深度學(xué)習(xí)的協(xié)議解析方案不斷推出。文獻(xiàn)[28 -30]利用CNN 對(duì)協(xié)議進(jìn)行識(shí)別與解析。文獻(xiàn)[28-29]將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻譜圖的形式,提出了一種將CNN 與頻譜圖相結(jié)合的圖形方案,并在文獻(xiàn)[29]中進(jìn)一步開發(fā)基于擠壓和激勵(lì)機(jī)制的介質(zhì)訪問控制(Medium AccessContral,MAC)協(xié)議解析方法,該方法將信道關(guān)注機(jī)制插入到了經(jīng)典CNN 中以提高精度。文獻(xiàn)[30]開發(fā)了一種基于多維CNN 的信號(hào)級(jí)協(xié)議特征提取方法,引入了一種用于變長(zhǎng)協(xié)議識(shí)別的空間池CNN。文獻(xiàn)[31-32]在未知通信協(xié)議的非合作式條件下,監(jiān)測(cè)獲取用戶物理層用頻行為數(shù)據(jù),使用改進(jìn)的DenseNet 模型[31]以及改進(jìn)的Lenet 模型[32]識(shí)別短波電臺(tái)的通信行為。此類方法具有在復(fù)雜環(huán)境中識(shí)別與特征提取能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)稀缺和先驗(yàn)知識(shí)不足的問題,但要以大規(guī)模的訓(xùn)練樣本為代價(jià),且在應(yīng)用中存在知識(shí)、數(shù)據(jù)條件與模型復(fù)雜度之間的匹配問題[27]。
隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展,特別是5G 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及,信號(hào)的類型和復(fù)雜度不斷增加,協(xié)議解析面臨的挑戰(zhàn)包括處理信號(hào)的復(fù)雜性、解決通信加密帶來的問題、適應(yīng)不斷出現(xiàn)的新協(xié)議以及滿足實(shí)時(shí)處理的需求。信號(hào)的協(xié)議解析是全頻譜多維屬性深度認(rèn)知的環(huán)節(jié),未來研究將側(cè)重于開發(fā)更加高效、準(zhǔn)確的協(xié)議解析技術(shù),特別是利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,以適應(yīng)日益復(fù)雜的通信環(huán)境。
4 輻射源識(shí)別
隨著軟件無線電與集成電路技術(shù)的發(fā)展,輻射源的種類和復(fù)雜性急劇增加,其參數(shù)配置也展現(xiàn)出前所未有的靈活性。然而,對(duì)輻射源目標(biāo)的認(rèn)知和識(shí)別仍面臨多重挑戰(zhàn)。一方面,輻射源目標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)并不完善,尤其是海上輻射源目標(biāo)數(shù)據(jù)庫建設(shè)相對(duì)滯后,導(dǎo)致先驗(yàn)信息的嚴(yán)重缺乏;另一方面,現(xiàn)有的研究成果雖多聚焦于輻射源信號(hào)的特征提取,但對(duì)于目標(biāo)本征屬性及其關(guān)鍵表征參量的理解仍顯不足,這限制了對(duì)未知輻射源的精準(zhǔn)識(shí)別能力。
在輻射源目標(biāo)信號(hào)特征提取方面,研究者們已經(jīng)開展了大量工作。文獻(xiàn)[33]對(duì)機(jī)場(chǎng)WiMax 信號(hào)進(jìn)行大量采集并分析研究,通過提取穩(wěn)態(tài)信號(hào)的瞬時(shí)幅度、相位以及頻率等特征,結(jié)合統(tǒng)計(jì)量計(jì)算,如二階量均值、方差以及三階量峰度等,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同WiMax 設(shè)備的有效辨識(shí)。文獻(xiàn)[34]基于時(shí)-頻能量分布特征,結(jié)合希爾伯特-黃變換等方法,進(jìn)一步增強(qiáng)了不同GSM 發(fā)射機(jī)個(gè)體間的特征差異性,從而提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[35]針對(duì)802. 16e WiMax暫態(tài)信號(hào),采用離散Gabor 變換來提取不同個(gè)體的變換域特征差異,在-3 dB SNR 條件下達(dá)到了90%的識(shí)別準(zhǔn)確率。但需要指出的是,變換域特征提取過程中存在對(duì)變換基函數(shù)選擇的主觀性,這可能對(duì)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生較大影響,因此在實(shí)際應(yīng)用中需謹(jǐn)慎選擇。
除了信號(hào)特征提取外,輻射源目標(biāo)識(shí)別還涉及來波方向角、信源位置等空域特征以及由輻射源個(gè)數(shù)、調(diào)制方式、協(xié)議類型和天線極化參數(shù)等構(gòu)成的參數(shù)域特征。這些特征的獲取和處理對(duì)于提高識(shí)別性能具有重要意義。例如,空域特征可以通過天線陣列和分布式多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合獲取的方法來實(shí)現(xiàn),其中MUSIC 算法[36]和旋轉(zhuǎn)矢量不變法[37]等經(jīng)典算法在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的適用性。然而,對(duì)于海洋輻射源目標(biāo)而言,由于其參數(shù)可靈活調(diào)整的特點(diǎn),參數(shù)域方法往往只能提供必要但非充分的識(shí)別條件。因此,在未來的研究中,需要更加深入地探索和理解目標(biāo)本征屬性及其關(guān)鍵表征參量,以便為未知輻射源的精準(zhǔn)識(shí)別提供更加有效的支持。
上述基于統(tǒng)計(jì)特征判決的方法,大多假設(shè)環(huán)境、噪聲信息穩(wěn)定,對(duì)如海洋這類復(fù)雜多變場(chǎng)景魯棒性不佳。因此,國(guó)內(nèi)外研究者結(jié)合強(qiáng)表征能力的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,開展了信號(hào)特征結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的輻射源識(shí)別研究。基于對(duì)上述信號(hào)特征的梳理以及對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入理解,將信號(hào)特征歸為3 類:圖形特征(如CD、頻譜圖等)、數(shù)據(jù)流特征(如I / Q 數(shù)據(jù))以及集合特征(包括二階矩、高階矩等統(tǒng)計(jì)特征和調(diào)制、極化、協(xié)議參數(shù))。在圖特征方面,文獻(xiàn)[38]基于輻射源穩(wěn)態(tài)信號(hào)提取的雙譜特征,結(jié)合CNN 實(shí)現(xiàn)對(duì)10 個(gè)不同輻射源的個(gè)體識(shí)別任務(wù),在20 dB SNR 情況下,可達(dá)到92% 的識(shí)別準(zhǔn)確率。在流特征方面,文獻(xiàn)[39]對(duì)7 層CNN、7 層殘差網(wǎng)絡(luò)、7 層DenseNet網(wǎng)絡(luò)和卷積長(zhǎng)短期深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ConvolutionalLong Short-Term Memory Fully Connected Deep NeuralNetwork,CLDNN)在同一個(gè)數(shù)據(jù)集內(nèi)進(jìn)行了評(píng)估,發(fā)現(xiàn)CLDNN 是處理I / Q 格式的最合適的框架。文獻(xiàn)[40]針對(duì)2. 4 GHz 商用ZigBee 輻射源,單獨(dú)使用I 路與Q 路數(shù)據(jù)流,結(jié)合CNN 實(shí)現(xiàn)7 個(gè)輻射源個(gè)體識(shí)別,可達(dá)到92. 29% 識(shí)別準(zhǔn)確率。在集合特征方面,文獻(xiàn)[41]提出結(jié)合循環(huán)熵譜與長(zhǎng)-短期記憶密集連接網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法,表現(xiàn)出了對(duì)噪聲的魯棒性。然而,現(xiàn)有方法大多針對(duì)單一類型特征進(jìn)行分類器設(shè)計(jì),忽略了不同類型特征之間的互補(bǔ)性。考慮到某些場(chǎng)景中如海上環(huán)境的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性,將圖形特征、數(shù)據(jù)流特征和集合特征進(jìn)行融合的分類器設(shè)計(jì)是一種可行的技術(shù)思路,可以利用不同類型特征的聯(lián)合優(yōu)勢(shì),提高輻射源識(shí)別的準(zhǔn)確性和魯棒性。
此外,現(xiàn)有方法對(duì)輻射源本征屬性表征方面,尤其是本征非線性差異的表征仍顯不足,且多數(shù)研究?jī)H局限于對(duì)輻射源單個(gè)器件的建模分析。在功放建模方面,受非線性預(yù)失真技術(shù)發(fā)展的影響,已有多種模型被提出,如Saleh 模型、Volterra 級(jí)數(shù)模型、無記憶多項(xiàng)式模型、Wiener 模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其各種變種模型等[42]。文獻(xiàn)[43]基于晶振鎖相環(huán)輸出的自相關(guān)函數(shù)樣本的包絡(luò)分布對(duì)輻射源晶振進(jìn)行了行為建模。整體上看,現(xiàn)有研究仍聚焦于單一器件的非線性表征與識(shí)別方法的設(shè)計(jì),對(duì)輻射源整體的刻畫仍有缺陷。為了更全面地描述輻射源的非線性特性并提高其識(shí)別性能,在未來的研究中,可以從發(fā)射機(jī)的整體本征非線性角度出發(fā),結(jié)合多維信號(hào)表征特征來探索新的方法。同時(shí),考慮到海洋環(huán)境的復(fù)雜性和未知性,使用具有強(qiáng)泛化能力的集成學(xué)習(xí)分類器是實(shí)現(xiàn)未知輻射源目標(biāo)識(shí)別的可行解決方案之一。
5 空域定向認(rèn)知
傳統(tǒng)的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)景,使用基于能量檢測(cè)的遍歷和迭代窄波束搜索,如圖8 所示。基站等首先使用覆蓋范圍較大的波束,粗略尋找用戶的位置,然后逐漸減小波束的覆蓋范圍,使用更密集的波束更精確地確定用戶位置。然而,這種模式存在遍歷搜索慢、邊緣對(duì)準(zhǔn)難和對(duì)準(zhǔn)非最優(yōu)等缺點(diǎn)。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星和地面目標(biāo)之間相對(duì)高速移動(dòng),窄波束難以實(shí)現(xiàn)快速、方向性對(duì)準(zhǔn),所以如何實(shí)現(xiàn)空域定向認(rèn)知成為一個(gè)問題。一方面使用波束賦形技術(shù)控制波束的方向和形狀;另一方面研究波束追蹤算法,減小搜索開銷,提高追蹤效果。
毫米波通信憑借其超寬(30 ~ 300 GHz)頻譜資源,已成為5G 蜂窩系統(tǒng)部署的關(guān)鍵技術(shù)之一,可提供數(shù)Gbit / s 的數(shù)據(jù)速率并提高頻譜效率。然而,由于其高衰減和弱穿透性,需要大規(guī)模多輸入多輸出(Multi Input Multi Output,MIMO)來實(shí)現(xiàn)高增益定向波束成形。通過波束賦形可以獲得更大的天線增益,以減輕傳播損耗并實(shí)現(xiàn)足夠的鏈路余量。波束寬度隨著天線數(shù)量的增加而減小,用戶之間的干擾也隨之減小。因此,波束賦形是毫米波與大規(guī)模MIMO 結(jié)合的關(guān)鍵。
最優(yōu)波束成形的前提是獲得完整的信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI),因此有必要進(jìn)行毫米波信道估計(jì),特別是在大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)中。用于毫米波通信的CSI 估計(jì)方法包括最小二乘法(Least Square,LS)、線性最小均方誤差(Linear Minimum Mean Square Error,LMMSE)、壓縮感知(Compressed Sensing,CS)和新興的基于深度學(xué)習(xí)的信道估計(jì)方法等。LS 的優(yōu)點(diǎn)在于復(fù)雜度低,但估計(jì)誤差較大。LMMSE 具有較高的估計(jì)精度,但需要信道統(tǒng)計(jì)和噪聲方差作為先驗(yàn)信息,限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。在毫米波頻段角域的稀疏假設(shè)下,人們提出了大量基于CS 的方法[44-45]。為了緩解基于CS 的方法中量化角度網(wǎng)格的網(wǎng)格失配現(xiàn)象,文獻(xiàn)[44]提出了一種高復(fù)雜度的超高分辨率估計(jì)算法。針對(duì)頻分雙工(Frequency Duplexing Division,FDD)系統(tǒng),文獻(xiàn)[45]提出了一種非正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案,并使用分布式稀疏度自適應(yīng)匹配追蹤算法(Sparsity AdaptiveMatching Pursuit,SAMP)來聯(lián)合估計(jì)多個(gè)子載波,但該方案需要反饋,增加了訓(xùn)練開銷和估計(jì)延遲。
隨著衛(wèi)星等高移動(dòng)通信領(lǐng)域的快速發(fā)展,移動(dòng)條件下信道估計(jì)算法的需求逐漸增加。文獻(xiàn)[46]提出了一種新穎的傳輸幀結(jié)構(gòu),將時(shí)變信道的估計(jì)分為2 個(gè)階段。通過自適應(yīng)算法來估計(jì)角度,作為塊稀疏恢復(fù)問題,然而CS 固有的量化誤差仍然存在,并且訓(xùn)練開銷也很大。深度學(xué)習(xí)因其自學(xué)習(xí)能力和硬件計(jì)算能力的增強(qiáng)而受到廣泛關(guān)注。在此基礎(chǔ)上,深度學(xué)習(xí)滲透到無線通信領(lǐng)域,如信道編解碼、信道信息反饋、波束搜索、波束成形、調(diào)制識(shí)別和信道估計(jì)等[47-49]。文獻(xiàn)[47]針對(duì)高動(dòng)態(tài)車輛場(chǎng)景,利用DNN 對(duì)空時(shí)分組碼進(jìn)行k 步信道預(yù)測(cè),然后提出面向決策的信道估計(jì)算法,而無需進(jìn)行信道多普勒頻移估計(jì)。文獻(xiàn)[48]提出了2 種不同的信道估計(jì)方案:一種是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的端到端信道估計(jì)器;另一種是結(jié)合通信知識(shí)和少量訓(xùn)練參數(shù)的模型驅(qū)動(dòng)的信道估計(jì)器。針對(duì)瑞利衰落信道的特點(diǎn),文獻(xiàn)[49]提出了一種將RNN 結(jié)構(gòu)與滑動(dòng)窗口相結(jié)合的估計(jì)器———SBGRU。然而,這2 種方案需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù),導(dǎo)致額外的訓(xùn)練成本。值得注意的是,文獻(xiàn)[49]中的毫米波信道模型僅可以獲得沒有到達(dá)角(Angle of Arrival,AoA)/ 離去角(Angle of Depar-ture,AoD)估計(jì)和信道增益的信道矩陣。
此外,通過去噪來優(yōu)化信號(hào)也是提高估計(jì)精度的有效方法。殘差學(xué)習(xí)在圖像分類和識(shí)別領(lǐng)域被廣泛采用。與一般CNN 不同的是,殘差網(wǎng)絡(luò)只需要通過“捷徑”結(jié)構(gòu)直接學(xué)習(xí)輸入和輸出之間的差異,保持了輸入信息的完整性,降低了模型學(xué)習(xí)的難度。此外,它還緩解了CNN 深度增加導(dǎo)致的梯度消失。對(duì)于圖像恢復(fù),文獻(xiàn)[50]設(shè)計(jì)了一種前饋去噪CNN(Denoising Convolutional Neural Network,DnCNN),其中利用殘差學(xué)習(xí)和批量歸一化來提高去噪性能。隨著CNN 的發(fā)展,殘差學(xué)習(xí)在文本和語音處理中也表現(xiàn)出了類似的表現(xiàn)。
MIMO 雷達(dá)可以全天候、全天時(shí)、長(zhǎng)距離檢測(cè)和定位目標(biāo)。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)(Phased ArrayRadar,PAR)相比,MIMO 雷達(dá)通過空間中并行多通道獲取信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的參數(shù)估計(jì)。由于接收機(jī)的移動(dòng)性,信道的狀態(tài)在時(shí)域上不斷變化。在這種情況下,MIMO 雷達(dá)的快速檢測(cè)特性可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),占用的開銷更少。通過分集處理增加了天線孔徑和空間分集增益,從而提高了參數(shù)估計(jì)精度。對(duì)于MIMO 雷達(dá),存在多種DoA 估計(jì)方法,例如Capon、MUSIC、ESPRIT、稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)等。上述工作中的陣列模型是在陣列單元被精確校準(zhǔn)的假設(shè)下進(jìn)行的。然而,實(shí)際中存在各種陣列缺陷,例如互耦、增益和相位誤差以及位置誤差,導(dǎo)致估計(jì)性能下降。
為了解決上述問題,文獻(xiàn)[51]提出了一種使用深度學(xué)習(xí)的MIMO 雷達(dá)輔助信道估計(jì)方案,用于上行鏈路毫米波多用戶MIMO 通信。為了合理分配導(dǎo)頻資源,設(shè)計(jì)了聯(lián)合雷達(dá)模塊和通信模塊的傳輸幀結(jié)構(gòu),將估計(jì)方案分為2 個(gè)階段,即AoA / AoD 估計(jì)階段和增益估計(jì)階段。針對(duì)實(shí)際陣元的缺陷,提出一種在AoA / AoD 估計(jì)階段基于子空間重構(gòu)的AoA /AoD 估計(jì)算法,即2 步角度估計(jì)(Two-Step Angle Estimation,TSAE)算法。在增益估計(jì)階段,設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的信道增益估計(jì)器。提出了一種結(jié)合殘差結(jié)構(gòu)的自動(dòng)編碼器,稱為殘差去噪自動(dòng)編碼器(Residual Denoising Autoencoder,RDAE)來消除無線信號(hào)上的噪聲,并將其傳遞到LS 估計(jì)模塊以獲得增益。仿真結(jié)果表明,MIMO 雷達(dá)輔助和基于深度學(xué)習(xí)的信道估計(jì)器能夠以更少的訓(xùn)練資源提供高移動(dòng)毫米波信道的高效估計(jì)性能。
毫米波鏈路建立和維護(hù)的主要困難是如何在移動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)快速、魯棒的波束跟蹤[52]。特別是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的高度動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中,需要魯棒可靠的波束跟蹤算法來保證穩(wěn)定的毫米波通信鏈路連接。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),迫切需要快速、準(zhǔn)確地基于預(yù)測(cè)的波束跟蹤算法來維持傳輸穩(wěn)定性。
波束跟蹤算法在無人駕駛和車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中得到了較為深入的研究。在毫米波支持的V2I 通信場(chǎng)景中,已經(jīng)提出了幾種基于位置的波束跟蹤算法。文獻(xiàn)[53]說明,基于位置的波束搜索算法在失準(zhǔn)概率和訓(xùn)練開銷方面比其他方法表現(xiàn)更好。此外,還提出了一些基于位置的離線波束訓(xùn)練算法,以一些給定的輸入數(shù)據(jù)為先決條件。文獻(xiàn)[54]深度CNN 經(jīng)過離線訓(xùn)練,以實(shí)現(xiàn)基于激光雷達(dá)和位置信息的波束選擇策略。
與離線解決方案相比,在線波束跟蹤最近引起了更多關(guān)注,這對(duì)于提高波束跟蹤的魯棒性和效率以及即使在未經(jīng)訓(xùn)練的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(Connected-Automated Vehicle,CAV)環(huán)境中也保證通信鏈路的穩(wěn)定連接至關(guān)重要,無需訓(xùn)練成本即可更新觀察集。為了減少波束搜索開銷,文獻(xiàn)[55 -56]提出了一種多頻段聚合方法,利用專用短程通信的加權(quán)空間信息來輔助毫米波波束對(duì)準(zhǔn),其中分析了毫米波和Sub6 GHz 頻段之間的空間一致性。在文獻(xiàn)[56]中,與僅使用帶內(nèi)信息的方法相比,加權(quán)稀疏恢復(fù)方法使用帶外信息顯著減少了波束訓(xùn)練開銷。文獻(xiàn)[57]提出了基于智能加權(quán)網(wǎng)格搜索的快速波束對(duì)準(zhǔn)和波束跟蹤算法,并通過開發(fā)的硬件測(cè)試臺(tái)在28 GHz 頻段進(jìn)行了評(píng)估。然而,波束角度變化過程被假設(shè)為具有恒定方差的平穩(wěn)隨機(jī)過程。此外,波束角變化過程僅限于方位角方向,基于理想假設(shè),沒有考慮車輛的高度差異。因此,上述工作無法解決毫米波CAV 場(chǎng)景中快速準(zhǔn)確的波束跟蹤問題。此外,文獻(xiàn)[58]提出了一種基于不準(zhǔn)確位置的波束對(duì)準(zhǔn)算法,通過使用附近接收器的位置信息來最大化平均吞吐量。
文獻(xiàn)[59]提出了一種在線波束跟蹤算法來維持CAV 穩(wěn)定的毫米波V2V 連接。提出的基于車輛行為認(rèn)知粒子濾波器(Vehicle Behavior Cognitivre-Particle Filter,VBC-PF)的波束跟蹤算法考慮車輛的移動(dòng)性和車輛通信的信道模型,基于CAV 中車輛行為認(rèn)知的波束變化率和位置偏航信息來預(yù)測(cè)波束空間子集,有效地減少了波束搜索開銷。在所提出的VBC-PF 算法中,基于最優(yōu)車輛行為認(rèn)知來設(shè)計(jì)粒子權(quán)重更新方案,以避免粒子發(fā)散和誤差累積。仿真和硬件測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提出的VBC-PF 算法的準(zhǔn)確性和效率優(yōu)于傳統(tǒng)粒子濾波器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法。
使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行信道估計(jì),提高波束賦形精度;設(shè)計(jì)波束追蹤算法,提升波束搜索和跟蹤能力,是空域定向認(rèn)知的發(fā)展方向。
6 結(jié)束語
本文通過對(duì)近年來相關(guān)研究的綜合分析和對(duì)比,總結(jié)了全頻譜多維屬性深度認(rèn)知的概念、預(yù)期目標(biāo)和主要方法。從頻譜感知出發(fā),介紹了頻譜感知技術(shù)的重要性,然后拓展到對(duì)輻射源目標(biāo)全面識(shí)別范疇,構(gòu)建了輻射源目標(biāo)多維完備表征數(shù)據(jù)庫,提出了從信號(hào)多維特征與個(gè)體本征屬性雙重維度對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)認(rèn)知的技術(shù)路線。基于信號(hào)的多維屬性,本文分析了調(diào)制域、協(xié)議域中信號(hào)的調(diào)制識(shí)別以及協(xié)議解析等研究現(xiàn)狀,然后以衛(wèi)星信號(hào)識(shí)別和無人駕駛汽車空域定位為例,講解了高速移動(dòng)目標(biāo)信號(hào)識(shí)別和空域定向認(rèn)知的研究現(xiàn)狀和主要研究方向。在未來研究中,結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸和短板,研究例如將AMC 與大規(guī)模MIMO 結(jié)合,使用可解釋性人工智能(Explainable Artificial Intelligence,XAI)技術(shù)來克服深度學(xué)習(xí)的黑盒特性和可解釋性方面的問題,從而讓全頻譜認(rèn)知達(dá)到“測(cè)得快”“測(cè)得準(zhǔn)”“測(cè)得寬”的目標(biāo)。
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作者簡(jiǎn)介
黃 賽 男,(1989—),博士,副教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能信號(hào)處理、通用無線信號(hào)快速檢測(cè)與深度識(shí)別。
馮志勇 女,(1971—),博士,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、通信-感知-計(jì)算一體化技術(shù)。
王文遠(yuǎn) 男,(2000—),碩士研究生。主要研究方向:語義通信、圖像壓縮、深度學(xué)習(xí)。
路長(zhǎng)鑫 男,(1997—),碩士研究生。主要研究方向:4G / 5G 協(xié)議解析、通信系統(tǒng)優(yōu)化、語義通信算法。
許霽松 男,(2000—),碩士研究生。主要研究方向:圖像語義通信、無蜂窩大規(guī)模MIMO、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)。
王朝煒 男,(1982—),博士,副教授。主要研究方向:下一代移動(dòng)通信技術(shù)、無線傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。
郭冬倩 女,(1998—),碩士,工程師。主要研究方向:4G / 5G 協(xié)議解析、無線信號(hào)處理、通信專網(wǎng)設(shè)計(jì)、射頻測(cè)試。
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(62171045)