基于時(shí)隙IQ信號(hào)的瑞利衰落信道的調(diào)制信號(hào)識(shí)別

馬運(yùn)壯 賀英 鄭鑫

摘要：針對(duì)瑞利信道調(diào)制信號(hào)存在的識(shí)別困難問(wèn)題，本文提出一種基于時(shí)隙IQ信號(hào)的輕量級(jí)調(diào)制信號(hào)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)。將輸入的IQ信號(hào)分不同的時(shí)隙，依次經(jīng)過(guò)改進(jìn)的GhostNet網(wǎng)絡(luò)，提取信號(hào)的空間特征，并將多路時(shí)隙特征并行送入雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（bi-directional long short-term memory network，BiLSTM），提取信號(hào)的時(shí)域特征，最后由全連接網(wǎng)絡(luò)（deep neural network，DNN）完成分類(lèi)。同時(shí)，對(duì)仿真得到的多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（multiple phase shift keying，MPSK）、多進(jìn)制正交幅度調(diào)制（multiple quadrature amplitude Modulation，MQAM）等8種調(diào)制信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)慢衰落和快衰落信道在0 dB時(shí)，其識(shí)別準(zhǔn)確率均能達(dá)到90%以上，說(shuō)明GLDN模型具有良好的抗噪聲和抗衰落性能，該模型對(duì)8種調(diào)制方式識(shí)別的F1-Score均在0.93以上，有效提升了高階調(diào)制方式的識(shí)別性能，而且通過(guò)合理劃分時(shí)隙長(zhǎng)度，模型在更少的參數(shù)量下取得了較高的精度。該研究在非合作通信系統(tǒng)中具有重要意義。

關(guān)鍵詞：調(diào)制識(shí)別； 瑞利信道； 時(shí)隙IQ信號(hào)； GhostNet； 雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.3； TP183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-9798（2023）02-0060-08； DOI：10.13306/j.1006-9798.2023.02.009

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61701271）

作者簡(jiǎn)介：馬運(yùn)壯（1997-），男，碩士，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)。

通信作者：賀英，女，博士，助理教授，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等。Email：yinghe@qdu.edu.cn

自動(dòng)信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別是信號(hào)檢測(cè)與解調(diào)的中間步驟。自動(dòng)調(diào)制識(shí)別在自適應(yīng)調(diào)制、通信監(jiān)視與頻譜管理、電子戰(zhàn)與情報(bào)偵察等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)調(diào)制信號(hào)識(shí)別研究是針對(duì)高斯信道，而實(shí)際通信時(shí)還會(huì)受到衰落、時(shí)延等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別困難。在非合作通信中，如何實(shí)現(xiàn)瑞利衰落信道下自動(dòng)調(diào)制識(shí)別具有重要的研究意義。在調(diào)制信號(hào)識(shí)別研究中主要有兩種方法：一種是基于似然的決策理論方法［1］，另一種是特征提取的模式識(shí)別方法［2］。決策理論方法采用概率論和假設(shè)檢驗(yàn)理論進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別，K.KIM 等人［3］采用平均似然比的方法成功識(shí)別出二進(jìn)制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK）和四進(jìn)制正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）；O.A.DOBRE等人［4］在瑞利衰落和萊斯衰落條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用混合似然比檢驗(yàn)方法，對(duì)6種常見(jiàn)的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。由于決策理論方法需要依賴(lài)信道環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)，因此這種方法的實(shí)用性不高。基于特征提取的模式識(shí)別方法分兩步，第1步是提取原始信號(hào)的特征，包括瞬時(shí)特征［6］、循環(huán)譜［7］、小波變換特征［8］等；第2步是將提取到的特征進(jìn)行分類(lèi)，采用支持向量機(jī) ［9］（support vector machine，SVM）和決策樹(shù)［10］等傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法作為分類(lèi)器。針對(duì)高斯白噪聲（additive white gaussian noise，AWGN）信道，S.HASSANPOUR等人［9］提取信號(hào)的時(shí)域、頻域、小波域的特征集合，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的SVM作為分類(lèi)器，能夠?qū)ASK、BFSK、BPSK、4ASK、4FSK、QPSK、16QAM七種低進(jìn)制調(diào)制方式準(zhǔn)確識(shí)別，當(dāng)信噪比為-10 dB時(shí)，算法可以達(dá)到98%的識(shí)別精度。對(duì)于瑞利信道的調(diào)制信號(hào)識(shí)別，ZHU H等人［10］使用信號(hào)的四階累積量和六階累積量的組合作為輸入特征，采用決策樹(shù)實(shí)現(xiàn)了較好的調(diào)制信號(hào)分類(lèi)效果，當(dāng)信噪比大于4 dB時(shí)，7種調(diào)制信號(hào)準(zhǔn)確率可達(dá)90% 以上，但在0 dB以下，識(shí)別性能下降明顯。傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)的缺點(diǎn)是特征提取需要依賴(lài)人工完成，并且擬合能力有限，不適用于對(duì)復(fù)雜環(huán)境下大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)迅速發(fā)展，許多學(xué)者將其運(yùn)用到調(diào)制信號(hào)識(shí)別領(lǐng)域，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)調(diào)制信號(hào)自動(dòng)提取特征?；谏疃葘W(xué)習(xí)的調(diào)制信號(hào)識(shí)別方法主要有基于原始同相正交（in-phase-quadrature，IQ）信號(hào)的方法和基于圖像的方法。基于IQ信號(hào)的識(shí)別是將原始IQ信號(hào)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入并進(jìn)行分類(lèi)。T.J.OSHEA等人［11］對(duì)比了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與基于專(zhuān)家特征的方法，實(shí)驗(yàn)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［12］對(duì)IQ信號(hào)提取特征，識(shí)別精度優(yōu)于基于專(zhuān)家特征方法；翁建新等人［13］設(shè)計(jì)了卷積和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［14］并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，提取到了IQ信號(hào)更豐富的特征，對(duì)7種調(diào)制信號(hào)在低信噪比下具有較好的識(shí)別精度?；趫D像的信號(hào)識(shí)別［15］是借助深度學(xué)習(xí)在圖像分類(lèi)方面的優(yōu)勢(shì)，將調(diào)制信號(hào)識(shí)別任務(wù)轉(zhuǎn)化成圖像分類(lèi)任務(wù)。 S.L.PENG等人［16］不再以信號(hào)的二值星座圖作為特征輸入，而是轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)的三通道星座圖，采用改進(jìn)的GoogLeNet［17］模型實(shí)現(xiàn)調(diào)制分類(lèi)，與傳統(tǒng)的特征提取方法相比，獲得了更高的精度；Y ZHOU等人［18］提出了一種時(shí)隙星座圖的方案，針對(duì)瑞利衰落信道下傳統(tǒng)星座圖的混疊現(xiàn)象明顯的問(wèn)題，將原始信號(hào)分時(shí)隙，在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)繪制星座圖，利用并行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取時(shí)隙星座圖特征，然后利用BiLSTM進(jìn)一步提取時(shí)序特征，在0～23 dB信噪比范圍內(nèi)，取得了良好的分類(lèi)效果。盡管時(shí)隙星座圖一定程度上解決了瑞利信道下星座圖的混疊問(wèn)題，但是星座圖的分辨率有限，仍損失了原始IQ信號(hào)的部分信息?；诖耍疚囊匀鹄诺罏檠芯繉?duì)象，采用基于深度學(xué)習(xí)的方法，在文獻(xiàn)［18］的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于時(shí)隙IQ信號(hào)的調(diào)制信號(hào)識(shí)別模型GLDN。通過(guò)改進(jìn)的GhostNet網(wǎng)絡(luò)，提取IQ信號(hào)的空間特征，利用BiLSTM提取時(shí)域特征，經(jīng)DNN進(jìn)行分類(lèi)。仿真結(jié)果表明，對(duì)不同的衰落環(huán)境，GLDN模型具有良好的抗噪聲和抗衰落性能，并且模型的復(fù)雜度顯著低于傳統(tǒng)模型。該研究具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

1 基于時(shí)隙IQ信號(hào)的調(diào)制識(shí)別方法

1.1 調(diào)制信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)模型

給出一個(gè)典型的調(diào)制信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，調(diào)制信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)流程圖如圖1所示。圖1中，假設(shè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)完美同步，原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)流映射成發(fā)送端基帶的調(diào)制信號(hào)x［n］，上變頻后經(jīng)過(guò)瑞利信道傳輸?shù)浇邮斩?，最后?jīng)下變頻和采樣后得到接收端的IQ信號(hào)y［n］。

瑞利信道下，發(fā)送端的基帶調(diào)制信號(hào)x［n］與接收端的信號(hào)y［n］之間的關(guān)系，可以用離散時(shí)間基帶等效模型表示，即

式中，w［n］為信道干擾，一般視為均值為零的加性高斯白噪聲；h［n］表示n時(shí)刻的信道系數(shù)，是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程；*表示卷積運(yùn)算。調(diào)制識(shí)別可以視為僅通過(guò)接收信號(hào)的y［n］來(lái)識(shí)別調(diào)制信號(hào)x［n］的格式過(guò)程。

1.2 GLDN總體結(jié)構(gòu)

GLDN模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先將輸入長(zhǎng)度為L(zhǎng)的IQ信號(hào)序列劃分為 N個(gè)時(shí)隙，然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)每個(gè)時(shí)隙的IQ信號(hào)提取信號(hào)的空間特征。

在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分，與文獻(xiàn)［18］提出的并行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，GLDN模型僅利用一個(gè)改進(jìn)的GhostNet［18］網(wǎng)絡(luò)卷積層作為特征提取器，依次對(duì)各個(gè)時(shí)隙的IQ信號(hào)進(jìn)行特征提取，特征提取過(guò)程可為

式中，xi為第i個(gè)時(shí)隙的輸入；oi為經(jīng)GhostNet特征提取后的輸出特征；wn為卷積層的權(quán)重參數(shù)。

由于來(lái)自各個(gè)時(shí)隙的輸入共享同一組權(quán)重，當(dāng)劃分的時(shí)隙個(gè)數(shù)變化時(shí)，卷積層的參數(shù)量不變。經(jīng)GhostNet提取特征后，將每個(gè)時(shí)隙IQ信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出并行送入BiLSTM網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提取時(shí)域特征。BiLSTM由2個(gè)LSTM組成，分別從2個(gè)方向提取時(shí)序特征，最后將2部分輸出特征進(jìn)行相加融合。BiLSTM的時(shí)間步長(zhǎng)個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)時(shí)隙的個(gè)數(shù)N，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)輸出向量的維度都是32，最后將N個(gè)維度為32的向量拼接展平后，送3層DNN完成分類(lèi)，DNN神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別為32，16，8。

GLDN模型的訓(xùn)練分2個(gè)階段，第1階段是在輸入信號(hào)長(zhǎng)度為單個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度的IQ信號(hào)數(shù)據(jù)集上預(yù)訓(xùn)練GhostNet，將訓(xùn)練好的GhostNet卷積層嵌入GLDN模型，提取不同時(shí)隙IQ信號(hào)的空間特征；第2階段訓(xùn)練GLDN整體模型，包括DNN層的訓(xùn)練和對(duì)GhostNet的卷積層進(jìn)行微調(diào)。對(duì)于長(zhǎng)度為36 000個(gè)采樣點(diǎn)的輸入信號(hào)，模型最終以選擇1 200個(gè)采樣點(diǎn)作為單個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度，以更少的參數(shù)量獲得較高的精度，并在實(shí)驗(yàn)部分對(duì)時(shí)隙劃分的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 GhostNet特征提取層

長(zhǎng)度為L(zhǎng)的IQ信號(hào)維度為2×L，考慮到IQ信號(hào)的I分量和Q分量之間的相關(guān)性，首先使用卷積核大小為2×3的卷積操作融合兩路信號(hào)，得到X∈R1×l×c，即輸出特征圖的寬度為1，長(zhǎng)度為l，通道數(shù)為c。GhostNet［19］是華為提出的輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，GhostNet模型提出了一種新穎的Ghost module，以更少的參數(shù)量和計(jì)算量得到更多的特征圖，并基于Ghost module設(shè)計(jì)了類(lèi)似殘差的Ghost bottleneck（G-bneck）結(jié)構(gòu)。由于Ghost module是專(zhuān)門(mén)為圖像識(shí)別所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，不適于直接對(duì)X∈R1×l×c這種形狀的特征圖進(jìn)行卷積。因此，在 Ghost module內(nèi)部采用卷積核大小為1×d的深度卷積，適用于IQ信號(hào)的GhostNet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3a可知，Ghost module首先使用點(diǎn)卷積生成m個(gè)特征圖{yi}mi=1，然后將生成的特征圖利用深度卷積再生成對(duì)應(yīng)的m個(gè)特征圖，最后將兩部分特征圖進(jìn)行拼接輸出2 m個(gè)特征圖。與傳統(tǒng)的卷積相比，Ghost module擁有更少的參數(shù)量。給定輸入X∈R1×l×c，輸出Y∈R1×l′×n，n為輸出特征圖的通道數(shù)，l′為輸出特征圖的長(zhǎng)度，使用卷積核大小為1×d的普通卷積對(duì)應(yīng)的參數(shù)量為n×c×d，然而Ghost module對(duì)應(yīng)的參數(shù)量為cn+nd/2。理論上，相對(duì)于普通卷積的參數(shù)量，改進(jìn)的Ghost module的壓縮比rs為

由于輸入特征圖通道c的取值通常遠(yuǎn)大于卷積核的大小d，因此理論上，Ghost module的參數(shù)量大約比傳統(tǒng)的卷積壓縮了2d倍。在最終模型中，卷積核大小選擇d=3，此時(shí)Ghost module 的參數(shù)量大約是普通卷積的1/6倍。

由圖3b可知，利用Ghost module模塊輕量級(jí)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了S=2的G-bneck，其由2個(gè)堆疊的Ghost module構(gòu)成。第1個(gè)Ghost module為輸出32個(gè)特征圖的通道擴(kuò)展層，第2個(gè)Ghost module輸出16個(gè)特征圖，用于減少輸出層的通道數(shù)量。

由圖3c可知，將shortcut連接到圖3b中2個(gè)Ghost module的輸入和輸出之間，并在內(nèi)部使用BN和ReLU激活函數(shù)，同時(shí)利用7個(gè)改進(jìn)的G-bneck模塊和3層DNN，搭建適用于IQ信號(hào)特征提取的GhostNet網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步證明GLDN結(jié)構(gòu)的有效性，在實(shí)驗(yàn)部分，將GhostNet直接對(duì)IQ信號(hào)序列建模的結(jié)果與GLDN進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)具體細(xì)節(jié)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由Matlab仿真生成，信道模型為瑞利衰落信道，慢衰落信道最大多普勒頻移為10～30 Hz，快衰落信道最大多普勒頻移為150～300 Hz，噪聲環(huán)境為0～23 dB。調(diào)制方式包括BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM和256QAM共8種類(lèi)型。調(diào)制信號(hào)仿真參數(shù)如表1所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是基于Python3.6和keras 2.2.4框架實(shí)現(xiàn)，模型訓(xùn)練和測(cè)試環(huán)境為Amax服務(wù)器，處理器為Intel i9-10940X CPU，3.30 GHz，內(nèi)存為64 GB，GPU為Nvidia GeForce GTX 2080Ti （11 GB）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化器均選擇Adam優(yōu)化器，損失函數(shù)選擇交叉熵?fù)p失。為防止過(guò)擬合，訓(xùn)練時(shí)設(shè)置了earlystop，如果連續(xù)20個(gè)epoch模型的精度沒(méi)有提升，則提前停止訓(xùn)練。

2.2 不同信噪比環(huán)境下多模型準(zhǔn)確率對(duì)比

MCBLDN是基于時(shí)隙星座圖構(gòu)建的多輸入網(wǎng)絡(luò)，時(shí)隙星座圖的分辨率選擇64×64。文獻(xiàn)［20］提出了基于IQ信號(hào)的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ResNet。實(shí)驗(yàn)1對(duì)比了GLDN和GhostNet及這2個(gè)模型在0～23 dB時(shí)的識(shí)別準(zhǔn)確率，不同模型準(zhǔn)確率隨信噪比變化曲線如圖4所示。

由圖4a可以看出，GLDN模型利用時(shí)隙IQ信號(hào)作為輸入，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取IQ信號(hào)的空間特征和時(shí)域特征，模型具有良好的抗噪聲性能，信噪比為0 dB時(shí)，準(zhǔn)確率達(dá)90%，隨著信噪比的增高，準(zhǔn)確率不斷提升，在高信噪比時(shí)，準(zhǔn)確率可以達(dá)到100%。由于GhostNet僅使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)IQ信號(hào)特征提取，對(duì)時(shí)域特征的提取能力有限，模型在0～23 dB與GLDN有著明顯的差距，在0 dB時(shí)低于GLDN模型近10%。MCBLDN以時(shí)隙星座圖作為輸入，在0 dB時(shí)與GLDN有15%的差距，說(shuō)明時(shí)隙IQ信號(hào)比時(shí)隙星座圖具有更好的特征表達(dá)能力。ResNet同樣使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取信號(hào)的時(shí)域特征，其準(zhǔn)確率遠(yuǎn)低于GhostNet，說(shuō)明GhostNet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)IQ信號(hào)特征提取能力更強(qiáng)。

由圖4b可以看出，通過(guò)對(duì)快衰落信道下的模型性能進(jìn)行比較，當(dāng)移動(dòng)端快速移動(dòng)時(shí)，信道沖激響應(yīng)在符號(hào)周期內(nèi)變化很快，通信環(huán)境變差，信道變?yōu)榭焖ヂ湫诺?。?dāng)瑞利信道的最大多普勒頻移增大到150～300 Hz時(shí)，本文的GLDN模型仍然能保持90%以上的準(zhǔn)確率，在0～23 dB時(shí)明顯優(yōu)于其他3個(gè)模型，MCBLDN、GhostNet、ResNet模型的準(zhǔn)確率隨信噪比變化的曲線變得更平緩，模型對(duì)噪聲的敏感度降低，但是模型在高信噪比的表現(xiàn)急劇下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GLDN在不同的信道環(huán)境下具有良好的魯棒性。

2.3 具體調(diào)制方式的識(shí)別性能對(duì)比

實(shí)驗(yàn)2采用F1-score，評(píng)估不同模型具體調(diào)制方式的分類(lèi)性能，不同調(diào)制方式下的F1-Score識(shí)別對(duì)比結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，對(duì)于低階的PSK調(diào)制信號(hào)，以上4種模型均能達(dá)到較高的識(shí)別精度，而隨著調(diào)制信號(hào)階數(shù)的提高，模型的識(shí)別性能逐漸變差，尤其是對(duì)64QAM和256QAM這兩種高階QAM調(diào)制方式的識(shí)別最困難，原因是這兩種調(diào)制信號(hào)的分布相似，容易混淆。在慢衰落信道下，GLDN模型僅在64QAM和256QAM兩種調(diào)制方式上不能達(dá)到100%的精度，而其它3個(gè)模型對(duì)后4種QAM調(diào)制方式識(shí)別效果普遍較差。當(dāng)信道環(huán)境改成快衰落信道，ResNet的F1-score下降最為明顯，在 64QAM和256QAM下降20%以上，MCBLDN在64QAM降低6%，256QAM降低5%，GhostNet在64QAM降低6%，256QAM降低13%，而GLDN的精度僅在后4種高階調(diào)制方式降低了1%左右。

以上分析可知，GLDN在快衰落和慢衰落信道下，都能準(zhǔn)確識(shí)別8種調(diào)制方式，尤其能夠顯著提升快衰落信道下高階QAM的識(shí)別效果。

2.4 時(shí)隙長(zhǎng)度對(duì)精度的影響

實(shí)驗(yàn)3研究了單個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度Nst對(duì)模型準(zhǔn)確率的影響，模型精度隨Nst變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，無(wú)論是慢衰落還是快衰落信道，GLDN和MCBLDN 2種模型的準(zhǔn)確率都隨單個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度的增大而下降，基于時(shí)隙IQ信號(hào)的GLDN模型，相對(duì)于基于時(shí)隙星座圖的MCBLDN模型，在不同的Nst都有顯著提高，尤其在快衰落信道下，提升更明顯。而在快衰落信道下，模型精度對(duì)Nst的變化更敏感，當(dāng)Nst從400變化到9 000時(shí)，在慢衰落信道，GLDN的準(zhǔn)確率下降3.2%，而在快衰落信道，GLDN的準(zhǔn)確率下降4.1%。在MCBLDN上，同樣的現(xiàn)象更顯著，當(dāng)Nst從400變化到9 000時(shí)，在慢衰落信道，模型準(zhǔn)確率下降4.3%，而在快衰落信道，模型準(zhǔn)確率下降6.2%，MCBLDN需要更短的Nst才能實(shí)現(xiàn)較高的精度，對(duì)時(shí)隙劃分的方式依賴(lài)較高。

2.5 模型參數(shù)量對(duì)比

在實(shí)際通信環(huán)境中，尤其是硬件限制的條件下，模型的復(fù)雜度起決定性作用。實(shí)驗(yàn)4通過(guò)模型的參數(shù)量衡量了不同模型復(fù)雜度，不同模型的參數(shù)量對(duì)比結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，本文的GLDN模型參數(shù)量顯著低于其它模型，擁有更高的實(shí)用價(jià)值。對(duì)于MCLDN，Nst越長(zhǎng)，模型的參數(shù)量越少，因?yàn)閷?duì)于任意的Nst，時(shí)隙星座圖都是固定的分辨率，而時(shí)隙的個(gè)數(shù)隨著Nst的增大而減少，從而減少了模型整體的復(fù)雜度。由于GLDN的輸入為原始IQ信號(hào)，越大的Nst意味著單個(gè)時(shí)隙IQ信號(hào)越長(zhǎng)，從而對(duì)應(yīng)GhostNet輸出的特征維度越長(zhǎng)，由于輸入信號(hào)的總長(zhǎng)度固定，因此對(duì)應(yīng)時(shí)隙的個(gè)數(shù)越少，模型的參數(shù)量和Nst呈非線性關(guān)系，導(dǎo)致參數(shù)量在一定范圍內(nèi)隨Nst增大而減小，當(dāng)Nst超過(guò)一定范圍后，模型的參數(shù)量則逐漸增大，在1 200時(shí)，參數(shù)量最小。結(jié)合圖5，當(dāng)Nst=1 200時(shí)，與Nst=400時(shí)相比，在不同的信道，GLDN模型的準(zhǔn)確率幾乎沒(méi)有下降，而模型的參數(shù)量減少了40%，因此最后選擇1 200作為單個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度，有效平衡了模型的復(fù)雜度和精度。根據(jù)文獻(xiàn)［12］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在慢衰落信道下，MCBLDN選擇Nst=4 000，在快衰落信道下，MCBLDN選擇Nst=1 200。在慢衰落信道下，GLDN參數(shù)量比MCBLDN減少54%，而快衰落時(shí)減少65%。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于深度學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建了一種以時(shí)隙IQ信號(hào)作為輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GLDN。首先將IQ信號(hào)分時(shí)隙輸入改進(jìn)的GhostNet提取信號(hào)的空間特征，然后利用BiLSTM進(jìn)一步提取時(shí)域特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在瑞利慢衰落和快衰落信道下，GLDN模型明顯優(yōu)于基于時(shí)隙星座圖的MCBLDN模型，GLDN模型以更少的參數(shù)量取得了更高的精度。模型對(duì)仿真得到的8種調(diào)制方式的識(shí)別都能達(dá)到較高的識(shí)別準(zhǔn)確率，尤其是能夠顯著提升快衰落下高階QAM的識(shí)別精度。模型的準(zhǔn)確率隨著時(shí)隙長(zhǎng)度的增大而下降，而模型的復(fù)雜度與時(shí)隙長(zhǎng)度呈非線性關(guān)系，選擇1 200個(gè)采樣點(diǎn)作為單個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度，使GLDN擁有較高的精度和更少的參數(shù)量。本文僅針對(duì)單徑瑞利衰落信道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，未來(lái)可以考慮將模型應(yīng)用到更復(fù)雜的環(huán)境。

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Abstract：Automatic modulation recognition technology of wireless signal has important research significance in non-cooperative communication system. For the problem that it is difficult to identify modulated signals on the Rayleigh channel，a lightweight modulation signal recognition network named as GLDN is proposed，which is based on slot IQ signal. Firstly，the input IQ signals are divided into different time slots. The IQ signals of each time slot are sequentially processed by the improved GhostNet network，and the spatial features of IQ signals are extracted in the convolution layer. Then，the multi-path time slot features are parallelly input into the Bi-directional Long Short-Term Memory Network （ BiLSTM ） to extract the sequence features. Finally，the type of modulation mode is output by the deep neural network（DNN）. The eight modulation signals of MPSK （multiple phase shift keying） and MQAM （Multiple Quadrature Amplitude Modulation） are obtained by simulation. The experimental results show that GLDN model has better anti-noise performance and anti-fading performance，and can achieve more than 90% recognition accuracy at 0dB in slow fading and fast fading channels. The F1-Score of all eight modulated signals is above 0. 93，which effectively improves the recognition performance of higher-order modulation modes. By properly dividing the length of the time slot，the model can achieve higher accuracy with fewer parameters.

Key words：modulation classification； Rayleigh channel； time slot IQ signal； ghostNet； BiLSTM