基于獨(dú)特碼符號(hào)距離的TDMA突發(fā)檢測(cè)算法

彭 源, 孫超超, 張 挺, 李紅嬌

(上海電力大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 200090)

時(shí)分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)技術(shù)是一種信道復(fù)用技術(shù),具有通信容量大、頻率利用率高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各類網(wǎng)絡(luò)中,如移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、輸電線路熱點(diǎn)部件探測(cè)傳感網(wǎng)[1-2]等。它將時(shí)間分割成周期性的、互不重疊的幀,每個(gè)幀再分割成若干時(shí)隙用于發(fā)送信號(hào)。在滿足定時(shí)和同步的條件下,接收端可以分別在時(shí)隙中接收到各個(gè)不同發(fā)送端的信號(hào)而互不干擾,在頻譜資源日益緊張的狀況下,該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信道復(fù)用,提高了信道的利用率。信道中進(jìn)行的一次信號(hào)傳輸稱為一個(gè)突發(fā),具有突發(fā)性、短暫性等特點(diǎn)。對(duì)突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)能幫助使用者了解目前信道的被占用情況,有助于更好地利用空閑時(shí)隙,以及在某些系統(tǒng)中為攻擊和干擾信道提供信息。

經(jīng)典的突發(fā)檢測(cè)算法主要包括匹配濾波檢測(cè)(Matched Filter Detector,MFD)[3]、基于能量的檢測(cè)(Energy Detector,ED)[4]和循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)(Cyclo-stationary Detector,CSD)[5-7]等。MFD算法具有較好的檢測(cè)性能,但需要了解有關(guān)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí),如其波形模板、調(diào)制方式等;ED算法計(jì)算和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但受噪聲影響大,低信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)時(shí)效果不理想,但在信號(hào)發(fā)送設(shè)備日益小型化及各種因素影響的狀況下,信號(hào)的SNR通常不會(huì)很高;CSD算法要求信號(hào)具有循環(huán)平穩(wěn)特征,且計(jì)算復(fù)雜度高。

近年來(lái),許多相關(guān)的檢測(cè)算法被不斷提出。文獻(xiàn)[8]主要采用延時(shí)共軛相乘的方式來(lái)檢測(cè)突發(fā)信號(hào),具有一定的檢測(cè)性能,但缺點(diǎn)在于需要模板先驗(yàn),且計(jì)算復(fù)雜度較高;文獻(xiàn)[9]針對(duì)寬帶信號(hào)提出了一種基于壓縮感知的檢測(cè)方法,但研究重點(diǎn)在于整體信號(hào),而非單個(gè)突發(fā);文獻(xiàn)[10] 提出了一種基于雙通道和相位旋轉(zhuǎn)相關(guān)計(jì)算的信號(hào)檢測(cè)算法,不需要模板先驗(yàn),在低SNR環(huán)境下也有較好的檢測(cè)計(jì)算性,但計(jì)算復(fù)雜度較高;文獻(xiàn)[11]提出了一種基于相位差的海事衛(wèi)星TDMA突發(fā)信號(hào)檢測(cè)算法,具有較好的抗頻偏性能。

本文提出的算法針對(duì)具有特定獨(dú)特碼結(jié)構(gòu)的海事衛(wèi)星TDMA突發(fā)信號(hào),利用了獨(dú)特碼在星座圖中所展示出的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出一種基于距離度量的統(tǒng)計(jì)量,能夠有效地區(qū)分出信號(hào)和噪聲,根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M概率分布以確定統(tǒng)計(jì)量的劃分閾值。與文獻(xiàn)[11]相比,本算法提出的統(tǒng)計(jì)量計(jì)算復(fù)雜度更低。

1 具有獨(dú)特碼結(jié)構(gòu)的TDMA突發(fā)信號(hào)

TDMA突發(fā)信號(hào)通常由前導(dǎo)碼、獨(dú)特碼和數(shù)據(jù)3個(gè)部分構(gòu)成。其中獨(dú)特碼是一種不易在其他部分隨機(jī)出現(xiàn)的、獨(dú)特的位串序列,可作為突發(fā)的事件基準(zhǔn)和幀同步依據(jù)[10]。

圖1為正變相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)調(diào)制星座圖及獨(dú)特碼符號(hào)位置。根據(jù)海事衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),在其QPSK調(diào)制星座圖(橫軸I路代表復(fù)數(shù)的實(shí)部,縱軸Q路代表復(fù)數(shù)的虛部)中,信號(hào)對(duì)應(yīng)著圖中的4個(gè)點(diǎn),而獨(dú)特碼符號(hào)僅對(duì)應(yīng)著其中的2個(gè)點(diǎn)[11],且位于直線I-Q=0上,如圖1中點(diǎn)1和點(diǎn)4所示。

圖1 QPSK調(diào)制星座圖及獨(dú)特碼符號(hào)位置

受信道噪聲和濾波器等因素的影響,接收端的星座圖中,獨(dú)特碼符號(hào)的采樣點(diǎn)會(huì)以較大的概率分布在點(diǎn)1和點(diǎn)4的連線上,而非獨(dú)特碼符號(hào)的采樣點(diǎn)則會(huì)隨機(jī)分布在任意兩點(diǎn)連線的附近。

2 基于符號(hào)距離的檢測(cè)算法

考慮基帶復(fù)信號(hào),且假設(shè)信道的噪聲與干擾模型為最常見(jiàn)的加性高斯白噪聲情形。設(shè)發(fā)送信號(hào)為s(t),信道上的高斯白噪聲為w(t),則接收到的x(t)為

x(t)=s(t)+w(t)

(1)

接收端對(duì)一個(gè)信號(hào)采樣得到的r個(gè)樣點(diǎn),經(jīng)接收濾波器濾波后,x(t)信號(hào)對(duì)應(yīng)的樣點(diǎn)序列為{I,Q|i=1,2,3,…,r},其中Ii和Qi分別為x(t)信號(hào)的第i個(gè)采樣點(diǎn)的I路數(shù)據(jù)和Q路數(shù)據(jù)。

在星座圖中,本文定義接收到的符號(hào)到達(dá)直線I=Q的歐式距離為符號(hào)距離,直覺(jué)上獨(dú)特碼的符號(hào)距離要小于其他非獨(dú)特碼的符號(hào)距離。由于在具體的系統(tǒng)中,獨(dú)特碼長(zhǎng)度是固定值,因此本文提出一種基于符號(hào)距離的獨(dú)特碼檢測(cè)方法,簡(jiǎn)稱符號(hào)距離檢測(cè)法,引入新的統(tǒng)計(jì)量

(2)

式中:v——搜索的位置;

L——獨(dú)特碼長(zhǎng)度;

r——一個(gè)獨(dú)特碼對(duì)應(yīng)的復(fù)信號(hào)樣本個(gè)數(shù)。

v可以通過(guò)式(3)估算得到

(3)

根據(jù)如下兩個(gè)條件來(lái)判斷是否為一個(gè)帶有獨(dú)特碼的突發(fā)信號(hào):

只有當(dāng)這兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí),才能判定出現(xiàn)了具有獨(dú)特碼的突發(fā)信號(hào)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

信號(hào)為基帶復(fù)信號(hào)、采用QPSK調(diào)制;不失一般性,設(shè)置獨(dú)特碼的起始位置為8(0～7為前導(dǎo)碼)、獨(dú)特碼序列固定、序列長(zhǎng)為20位(40位),對(duì)應(yīng)于接收到的20×18(40×18)個(gè)復(fù)信號(hào)樣本(1個(gè)獨(dú)特碼對(duì)應(yīng)著18個(gè)復(fù)樣本)。對(duì)于沒(méi)有獨(dú)特碼的突發(fā)信號(hào),設(shè)置長(zhǎng)度與有獨(dú)特碼的信號(hào)相同,同樣采用QPSK調(diào)制,每個(gè)符號(hào)在4個(gè)位置中隨機(jī)選取。圖2為接收端收到的、加載了10 dB隨機(jī)高斯白噪聲的獨(dú)特碼和非獨(dú)特碼(長(zhǎng)20個(gè)符號(hào))的星座圖。

圖2 獨(dú)特碼和非獨(dú)特碼的星座圖

由圖2可知,獨(dú)特碼中采樣點(diǎn)貼近QPSK星座點(diǎn)1和點(diǎn)4連線的位置,而非獨(dú)特碼則呈現(xiàn)出隨機(jī)分布在各對(duì)星座點(diǎn)連線周圍的趨勢(shì)。

關(guān)于合理區(qū)間R,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為正確位置(位置9)前后兩個(gè)符號(hào)為合理范圍,即符號(hào)位置7和11之間。

3.2 閾值計(jì)算

圖3 符號(hào)距離統(tǒng)計(jì)量在不同SNR下的概率分布

用于檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)量閾值設(shè)置為圖中兩個(gè)分布曲線交點(diǎn)處的值。

3.3 檢測(cè)性能

對(duì)不同的SNR,分別生成1 000個(gè)有獨(dú)特碼的突發(fā)信號(hào)和1 000個(gè)沒(méi)有獨(dú)特碼的突發(fā)信號(hào),然后計(jì)算他們的符號(hào)距離統(tǒng)計(jì)量,根據(jù)閾值決定是否為有獨(dú)特碼的突發(fā)信號(hào)。圖4分別給出了檢測(cè)率、虛警率與SNR的關(guān)系。另外實(shí)驗(yàn)也測(cè)試了獨(dú)特碼長(zhǎng)度為40的情形。

圖4 檢測(cè)率、虛警率與SNR的關(guān)系

由圖4(a)可知,算法整體具有較好的檢測(cè)率,且隨SNR的增加而提高;SNR相同時(shí),檢測(cè)率隨獨(dú)特碼長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增高。由圖4(b)可知,SNR越大,虛警率越低;SNR相同時(shí),增加獨(dú)特碼長(zhǎng)度可以降低虛警率。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)具有獨(dú)特碼結(jié)構(gòu)的海事衛(wèi)星TDMA突發(fā)信號(hào),本文設(shè)計(jì)了一種基于符號(hào)距離的統(tǒng)計(jì)量和檢測(cè)算法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能有效進(jìn)行突發(fā)檢測(cè),且信噪比越高、獨(dú)特碼越長(zhǎng),越有利于提高檢測(cè)的性能。