基于深度學(xué)習(xí)的無線通信干擾信號識別與處理

練東海

（中國人民解放軍78167部隊，四川 成都 610500）

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多大型無線通信網(wǎng)絡(luò)正在加快建設(shè)，無線通信面臨更嚴(yán)重的電磁干擾，其穩(wěn)定性受到威脅。有效的抗干擾技術(shù)必須能夠快速準(zhǔn)確地識別出干擾信號，從而采取針對性的技術(shù)手段消除干擾，確保通信正常[1]。干擾抑制是確保信號可靠的另一個重要手段，通常用于時域、頻域以及空域中，但是通信抗干擾技術(shù)涉及很多因素，往往同時多種干擾信號并存，而單一干擾抑制算法的適用范圍較小，難以有效應(yīng)對各種干擾信號。由于接收機(jī)的復(fù)雜性，很難同時采取所有抗干擾措施，另外在對干擾信號進(jìn)行抑制的同時也會影響正常通信[2]?；诖?，找到可以快速精準(zhǔn)識別干擾信號的方法，以最小可能的損害有效抑制干擾信號對于提高無線通信方銳抗干擾性能非常重要。

1 基于深度學(xué)習(xí)的無線通信干擾信號識別框架

基于深度學(xué)習(xí)的無線通信干擾信號識別框架如圖1所示，主要包括獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征處理以及分類3個步驟。

圖1 基于深度學(xué)習(xí)的無線通信干擾信號識別架構(gòu)

首先獲取所選頻率范圍和區(qū)域的源數(shù)據(jù)。其次對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再通過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）提取信號數(shù)據(jù)的特征，預(yù)處理后的輸入數(shù)據(jù)格式主要有Fre/Fim、快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）后的實部和虛部I/Q、星座圖、幅度和相位A/Φ以及周期頻譜特性[3]。最后通過深度學(xué)習(xí)算法識別目標(biāo)信號，以便進(jìn)行后續(xù)的信號處理。

2 基于深度學(xué)習(xí)的干擾信號識別

根據(jù)上文給出的干擾識別框架設(shè)計無線通信干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包含時域和頻域兩種輸入數(shù)據(jù)格式。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對復(fù)雜的基帶信號x(n)執(zhí)行功率歸一化操作，以防止干擾信號影響分類特性，同時可以提高干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度，具體為：

式中，N表示信號采樣點數(shù)，為了減少頻譜能量損失，需用窗函數(shù)對時域信號加窗。本次研究選用具有高旁瓣衰減的漢寧窗，接收到的干擾信號經(jīng)過預(yù)處理以兩種格式輸入信號數(shù)據(jù)[4]。一是時域數(shù)據(jù)，包括干擾信號I通道和Q通道的數(shù)據(jù)，其維度為N×2；二是頻域數(shù)據(jù)，包括FFT的實部和虛部，其維度為N×2。另外采用獨熱編碼（One-Hot）作為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽[5]。

2.2 基于CNN的干擾信號識別

干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN的基本元素，這是一種常見且相對簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常用作構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)[6]。如圖2所示，實際的CNN和構(gòu)建在復(fù)雜CNN之上的干擾檢測網(wǎng)絡(luò)具有相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實數(shù)/復(fù)數(shù)卷積單元（Real/Complex Conv Unit）包括批量歸一化層、激活函數(shù)層以及卷積層，如圖3所示。

圖2 基于CNN的干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)

圖3 實數(shù)/復(fù)數(shù)卷積單元

輸入數(shù)據(jù)尺寸為N×2，其中N表示采樣點個數(shù)，2表示特征通道個數(shù)，經(jīng)Reshape（矩陣變換）將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為干擾識別網(wǎng)絡(luò)適合處理的三維尺寸N×1×2。通過由實數(shù)/復(fù)數(shù)卷積單元、池化層構(gòu)成的卷積網(wǎng)絡(luò)，在確保準(zhǔn)確表達(dá)數(shù)據(jù)特征的前提下避免網(wǎng)絡(luò)過擬合。池化為層平均池化，窗口大小為3×1，步長為2，對特征圖進(jìn)行采樣，再通過全連接層，最后通過softmax函數(shù)分類[7]。實數(shù)CNN中激活函數(shù)選用修正線性單元（Rectified Linear Unit，ReLU），該函數(shù)收斂較快，可以緩解梯度消失問題，復(fù)數(shù)CNN中激活函數(shù)選用級聯(lián)整流線性單元（Concatenated Rectified Linear Units，CReLU），該函數(shù)基于相位信息進(jìn)行識別，可以保留更多信息。

2.3 基于ResNet的干擾信號識別

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度與網(wǎng)絡(luò)深度成反比，為提高網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度，可以通過殘差網(wǎng)絡(luò)（Residual Network，ResNet）基于ID索引加快網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度。本次提出的基于殘差網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于ResNet的干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)

其中實數(shù)/復(fù)數(shù)殘差單元包括卷積層、批量歸一化層以及激活函數(shù)層，具體如圖5所示。

圖5 實數(shù)/復(fù)數(shù)殘差單位

基于ResNet的干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)尺寸、輸入數(shù)據(jù)矩陣變換操作與基于CNN的干擾信號識別網(wǎng)絡(luò)相同，輸入數(shù)據(jù)尺寸為N×2，其中N表示采樣點個數(shù)，2表示特征通道個數(shù)，經(jīng)Reshape（矩陣變換）將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為干擾識別網(wǎng)絡(luò)適合處理的三維尺寸N×1×2，通過卷積層、批歸一化層以及激活函數(shù)層構(gòu)成的特征提取層提取數(shù)據(jù)特征。其中實數(shù)卷積層通道數(shù)是32、卷積步長是2、卷積核大小為3×1。復(fù)數(shù)卷積層的卷積核大小是3x1，通道數(shù)為32，卷積步長為2。然后數(shù)據(jù)通過由6個實數(shù)殘差單元和平均池化層構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)以及實數(shù)/復(fù)數(shù)全連接層，最后，數(shù)據(jù)通過一個實數(shù)全連接層和softmax函數(shù)進(jìn)行歸一化，激活函數(shù)分別使用線性整流單元ReLU和CRelu。

3 基于深度學(xué)習(xí)的無線通信干擾信號抑制算法

3.1 基本算法步驟

基于不同時域干擾信號和頻域干擾信號的特性差異，抑制算法分可分為時域干擾信號抑制算法和頻域干擾信號抑制算法。相較于頻域干擾信號抑制算法，時域干擾抑制算法更簡單，將時域IQ信號直接輸入時域干擾信號抑制網(wǎng)絡(luò)可以抑制干擾信號。而頻域干擾信號抑制算法單次只能處理一定時間內(nèi)的干擾信號，會導(dǎo)致頻譜泄露，影響系統(tǒng)性能。因此，在執(zhí)行離散傅立葉變換之前需要給信號加窗，目的是減少頻譜損失，但這樣會使信號失真，增加信噪比[8]。為了解決這個問題可以采取疊加窗的方式，如1/2疊加漢明窗的方式可以有效減少頻譜損耗，盡量降低信噪比損失。該算法的基本步驟是將接收信號分成雙通道，其中一個通道延遲N/2個采樣點，然后將這兩個信號通道加窗，通過快速傅里葉變換后再執(zhí)行反向快速傅里葉變換（Invert Fast Fourier Transformation，IFFT）生成時域信號，將兩個信號通道的數(shù)據(jù)疊加作為干擾信號抑制網(wǎng)絡(luò)的輸出信號。頻域干擾抑制算法的處理流程如圖6所示。

圖6 頻域干擾信號抑制算法基本步驟

3.2 基于語義分割網(wǎng)絡(luò)U-Net的干擾信號抑制網(wǎng)絡(luò)

基于不同時域干擾信號和頻域干擾信號的特性差異，選擇合適的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，基于語義分割網(wǎng)絡(luò)U-Net網(wǎng)絡(luò)建立干擾信號抑制網(wǎng)絡(luò)，利用復(fù)數(shù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取數(shù)據(jù)特征[9]。語義分割網(wǎng)絡(luò)U-Net被廣泛用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，是一種包括下采樣和上采樣在內(nèi)的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，之所以稱為U-Net，是因為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)呈U形[8]。網(wǎng)絡(luò)下采樣通過減小池化層特征空間維度，增加感受野（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層輸出特征圖上的一個點對應(yīng)的輸入圖區(qū)域），可以逐漸顯示有關(guān)周圍環(huán)境的信息。上采樣將每層信息的下采樣與輸入信息相結(jié)合可以恢復(fù)詳細(xì)信息，從而逐漸還原圖像。通過組合編碼器和解碼器的結(jié)構(gòu)和功能將目標(biāo)信號從接收信號中還原出來，圖7為基于復(fù)數(shù)U-Net的干擾信號抑制網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。

圖7 基于U-Net的干擾信號抑制網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

當(dāng)前無線通信系統(tǒng)處在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境中，容易受到干擾信號的影響，快速準(zhǔn)確識別干擾信號并有效抑制干擾信號是確保無線通信質(zhì)量的關(guān)鍵。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)的不斷和應(yīng)用，其強(qiáng)大的非線性關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)表示能力得到展現(xiàn)?；诖?，將深度學(xué)習(xí)用于無線通信干擾識別和處理領(lǐng)域可以有效提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能。