張 凱,劉 義,李運(yùn)宏,潘冠宇
(63891部隊(duì),河南 洛陽(yáng) 471003)
隨著電子器件的小型化和集成度持續(xù)提升,基于多傳感器分布式接收的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[1-4]受到廣泛關(guān)注,其能夠有效抑制環(huán)境噪聲和信道衰落效應(yīng)的影響,提升信號(hào)檢測(cè)的有效性和魯棒性,在軍用、民用等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用需求和研究?jī)r(jià)值。
傳統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)方法主要包括能量檢測(cè)[5-6]、最大特征值檢測(cè)[7]、匹配濾波檢測(cè)[8]、循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)[9]等。針對(duì)多傳感器分布式接收的具體應(yīng)用,文獻(xiàn)[10]研究了協(xié)作頻譜感知的門(mén)限選取策略。文獻(xiàn)[11-12]分別提出了利用多通道接收信號(hào)協(xié)方差矩陣和多通道接收信號(hào)波形作為網(wǎng)絡(luò)輸入的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Network,DNN)檢測(cè)方法。隨著軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和寬帶接收機(jī)的廣泛使用,頻譜檢測(cè)向著高瞬時(shí)帶寬的方向發(fā)展,接收頻帶通常包含多個(gè)目標(biāo)信號(hào),且信號(hào)數(shù)量及頻譜位置可能未知。傳統(tǒng)方法主要基于信道化處理策略[13],將接收頻段劃分為若干子帶,使用單信號(hào)檢測(cè)方法依次完成各子帶內(nèi)信號(hào)存在性的判別,搜索速度慢,處理效率低。對(duì)此,文獻(xiàn)[14]提出了基于噪聲估計(jì)的寬帶頻譜感知算法,在噪聲功率估計(jì)基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)各頻點(diǎn)功率測(cè)量實(shí)現(xiàn)多信號(hào)檢測(cè)。文獻(xiàn)[15]則在已知目標(biāo)信號(hào)數(shù)目上限條件下,研究了基于稀疏約束最小均方(Least Mean Squares, LMS)的寬帶信號(hào)檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[16]提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network,CNN)的頻譜感知方法,能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)LTE和WiFi信號(hào)的快速檢測(cè)識(shí)別,但需要利用大量先驗(yàn)已知信號(hào)樣本進(jìn)行訓(xùn)練。在多傳感器分布式接收?qǐng)鼍跋?,由于接收信?hào)信噪比較低、可用數(shù)據(jù)較短、先驗(yàn)信息(包括信號(hào)波形、頻譜位置、信號(hào)數(shù)目等)缺失等不利因素的影響,設(shè)計(jì)魯棒高效的檢測(cè)算法,對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行有效融合,實(shí)現(xiàn)寬頻帶多目標(biāo)信號(hào)的高效一體化檢測(cè),一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。文獻(xiàn)[17]提出了基于壓縮感知的授權(quán)用戶(hù)的位置、個(gè)數(shù)以及功率傳播圖估計(jì)和定位方法。文獻(xiàn)[18]則提出了基于軟信息合并的寫(xiě)作頻譜感知方法,提升頻譜檢測(cè)性能。
本文提出了基于變分貝葉斯的分布式接收寬頻帶多目標(biāo)信號(hào)盲檢測(cè)迭代處理方法。所提方法特色及創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面:一是在對(duì)信號(hào)特性分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)構(gòu)造線(xiàn)性模型,在貝葉斯估計(jì)模型下,分析了各未知參數(shù)變分分布解析表達(dá)式,通過(guò)多傳感器信號(hào)、多參數(shù)的聯(lián)合估計(jì),有效提升了短數(shù)據(jù)下的算法處理效能;二是理論推導(dǎo)了信號(hào)檢測(cè)門(mén)限解析表達(dá)式,實(shí)現(xiàn)了特定虛警概率下未知多目標(biāo)信號(hào)盲檢測(cè),提升了算法靈活性和穩(wěn)健性。
考慮典型的多傳感器分布式接收系統(tǒng)模型,采用L個(gè)傳感器進(jìn)行分布式接收,離散接收信號(hào)可表示為:
式(1)中:K為接收頻段內(nèi)的信號(hào)數(shù)目;sl,k(n)=al,k(n)exp( j2πnfkTs)為第k個(gè)目標(biāo)信號(hào)在接收單元l處的分量,Ts為采樣間隔,al,k(n)和fk分別為對(duì)應(yīng)信號(hào)復(fù)包絡(luò)和載波頻率,不同信號(hào)頻率不重疊;為零均值加性復(fù)高斯白噪聲,同一支路噪聲的實(shí)部和虛部以及不同路噪聲間均相互獨(dú)立。在窄帶信號(hào)模型下,可認(rèn)為信號(hào)包絡(luò)al,k(n)在一定觀(guān)測(cè)時(shí)間內(nèi)近似保持不變,從而式(1)模型可簡(jiǎn)化為:
式(2)中,Al,k為al,k(n)在對(duì)應(yīng)觀(guān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的值。
令B為接收頻帶寬度,以γ=B(M-1)為間隔,對(duì)接收頻段進(jìn)行均勻劃分可以得到離散頻率集合為,其中,φ1和φM分別對(duì)應(yīng)接收頻段上、下邊界。進(jìn)一步,將觀(guān)測(cè)時(shí)間0 ~T內(nèi)離散信號(hào)序列xl(n) 均勻劃分為P段,每段信號(hào)長(zhǎng)度為N,即T=NPTs,則式(2)可表示為如下多維觀(guān)測(cè)矢量(Multiple Measurement Vector,MMV)的形式:
令θ表示所有未知參數(shù)的集合,基于式(3)信號(hào)模型,在給定觀(guān)測(cè)信號(hào)樣本X={X1,X2,…,XL}條件下,變分貝葉斯通過(guò)構(gòu)造簡(jiǎn)單可解的變分分布q(θ)來(lái)替代真實(shí)的后驗(yàn)分布p(θ|X)對(duì)θ進(jìn)行近似估計(jì),近似誤差用Kullback-Leibler (KL)散度來(lái)度量,如下式:
X為已知觀(guān)測(cè)量,lnp(X)為固定值,因此,為使式中KL散度最小,只需對(duì)?(q(θ)) 最大化即可。借助平均場(chǎng)理論對(duì)未知參數(shù)進(jìn)行分解基礎(chǔ)上,變分貝葉斯采用迭代處理方式對(duì)各參數(shù)變分分布進(jìn)行聯(lián)合求解[19],迭代估計(jì)式為:
式(5)中:θk∈θ為θ的子集;θ-θk為θ中去除θk以外元素的集合;C為歸一化因子。由貝葉斯準(zhǔn)則可知,式(5)右邊積分項(xiàng)中聯(lián)合概率分布p(X,θ)=p(X|θ)p(θ)為似然函數(shù)和先驗(yàn)分布的乘積,其中,p(X|θ) 為多維復(fù)高斯分布。
基于上述先驗(yàn)假設(shè),將p(X|θ)和p(|α)帶入式(5),即可求得hp
l變分分布為高斯分布:
同理可得,γm=的變分分布為Gamma分布:
從而可得αm變分后驗(yàn)均值為:
可以看出,αm的估計(jì)使用L路接收信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合估計(jì),相比于傳統(tǒng)使用單路信號(hào)的估計(jì)策略能夠獲得更優(yōu)的估計(jì)精度。同理,噪聲精度參數(shù)βl=變分分布也為Gamma分布,即:
上述求解為迭代處理過(guò)程,算法依次完成未知信道參數(shù)和超參數(shù)的估計(jì)。在迭代的過(guò)程中,很多超參數(shù)αm取值趨近于0,傳統(tǒng)稀疏求解方法[20-21]采用固定門(mén)限的方式,當(dāng)αm值小于某一預(yù)設(shè)固定門(mén)限時(shí),將對(duì)應(yīng)元素值強(qiáng)制置為0,門(mén)限的選取與系統(tǒng)性能緊密相關(guān)。下一節(jié)將結(jié)合信號(hào)檢測(cè)的實(shí)際,給出新的門(mén)限選取策略。在每次迭代參數(shù)估計(jì)基礎(chǔ)上,利用接收信號(hào)及信道參數(shù)的統(tǒng)計(jì)量對(duì)檢測(cè)門(mén)限進(jìn)行更新,能夠?qū)崿F(xiàn)特定虛警概率下的多信號(hào)檢測(cè),以提升算法靈活性和穩(wěn)健性。
基于上文的分析,與頻率集φ對(duì)應(yīng)的任意一個(gè)頻率網(wǎng)格φm±γ2,m=1,2,…,M,信號(hào)檢測(cè)可歸結(jié)為如下二元假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題:
式(14)中:?0表示與φm對(duì)應(yīng)的頻率網(wǎng)格沒(méi)有信號(hào);?1表示該網(wǎng)格有信號(hào)存在。為衡量?0和?1這2 種假設(shè)的關(guān)系,定義如下對(duì)數(shù)似然函數(shù):
式(15)中:H={H1,H2,…,HL}和Z={Z1,Z2,…,ZL}分別為式(3)信號(hào)模型中未知信道系數(shù)和加性噪聲的集合,β={β1,β2,…,βL}。
顯然,?0和?1這2 種假設(shè)下,該似然函數(shù)的差異僅體現(xiàn)在等式右邊第1 項(xiàng),即?0假設(shè)下,刪除了與αm相關(guān)項(xiàng),從而忽略與觀(guān)測(cè)信號(hào)樣本無(wú)關(guān)項(xiàng)。利用變分貝葉斯每次迭代獲得的參數(shù)估計(jì)值α和β、?0和?1這2種假設(shè)的對(duì)數(shù)似然比可表示為:
量,可作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,即:
基于上述統(tǒng)計(jì)量,當(dāng)Z0(X)小于某一門(mén)限值λ時(shí),可判?0為真,即與φm對(duì)應(yīng)的第m個(gè)頻率網(wǎng)格沒(méi)有信號(hào),對(duì)應(yīng)虛警概率為:
反之,在給定的預(yù)設(shè)虛警概率下,可求得對(duì)應(yīng)信號(hào)檢測(cè)門(mén)限值為:
實(shí)際處理中,通過(guò)預(yù)設(shè)虛警概率,先利用式(20)計(jì)算得到信號(hào)檢測(cè)門(mén)限,在變分貝葉斯迭代過(guò)程中,利用每次迭代求得的參數(shù)估計(jì)結(jié)果,基于式(17)即可計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z0(X)。當(dāng)Z0(X)<λ時(shí),判定?0為真,即φm對(duì)應(yīng)頻率網(wǎng)格沒(méi)有信號(hào)存在,將αm強(qiáng)制置為0,可實(shí)現(xiàn)特定預(yù)設(shè)虛警概率下的未知多目標(biāo)信號(hào)的盲檢測(cè),后面通過(guò)仿真對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。
上述分布式接收多目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)算法采用多組參數(shù)變分分布軟信息交替計(jì)算的迭代處理方式進(jìn)行聯(lián)合求解,每次迭代,利用新求得的參數(shù)估計(jì)結(jié)果計(jì)算檢測(cè)門(mén)限值,將低于檢測(cè)門(mén)限的相關(guān)參數(shù)置0,同時(shí)刪除字典矩陣Φ中對(duì)應(yīng)的列矢量,具體流程如下。
步 驟1 初 始 化:令ρm=δm=al=cl=10-10、j=0、βl=1、αm=1/M;設(shè)定虛警概率Pfa,并計(jì)算檢測(cè)門(mén)限
步驟2 分別利用式(8)(9)計(jì)算的變分后驗(yàn)均值和變分后驗(yàn)協(xié)方差矩陣。
步驟3 利用式(11)計(jì)算αm變分后驗(yàn)均值αˉm。
步驟4 利用式(12)計(jì)算βl的變分后驗(yàn)均值βˉl。
步驟5 對(duì)于m=1,2,…,M,若則令αm=0,同時(shí)刪除Φ中對(duì)應(yīng)的列矢量。
步驟6 令j=j+1。
步驟7 若前后2 次關(guān)于α的估計(jì)值誤差小于10-6或迭代次數(shù)大于20,則結(jié)束迭代;否則,重復(fù)步驟2~6。
步驟8 利用算法收斂后的α估計(jì)結(jié)果中非零元素的判定,即可實(shí)現(xiàn)未知多目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。
從上面流程可以看出,所提信號(hào)檢測(cè)方法主干為基于變分貝葉斯軟信息迭代的多參數(shù)聯(lián)合估計(jì),在每次迭代基礎(chǔ)上,利用虛警概率預(yù)設(shè)值計(jì)算信號(hào)檢測(cè)門(mén)限,將低于門(mén)限的相關(guān)參數(shù)及字典矩陣相關(guān)列置0,當(dāng)超參數(shù)α前后2 次的估計(jì)值誤差小于10-6或迭代次數(shù)大于20 時(shí)即可停止迭代。迭代次數(shù)的上限20 為經(jīng)驗(yàn)值,可根據(jù)具體實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)相關(guān)研究成果,在變分貝葉斯模型中,初始迭代時(shí),βl=1、αm=1/M即可滿(mǎn)足收斂性的要求[22],而ρm、δm、al和cl通常設(shè)定為接近于0的常數(shù),以防止人為錯(cuò)誤參數(shù)設(shè)置的影響。
表1 列出上述算法各步驟計(jì)算量。可以看出,算法運(yùn)算量主要來(lái)自于后驗(yàn)均值、后驗(yàn)協(xié)方差矩陣以及門(mén)限值的計(jì)算。實(shí)際處理過(guò)程中,隨著迭代的進(jìn)行,通過(guò)自動(dòng)置零操作,能夠大大降低矩陣運(yùn)算維度,對(duì)應(yīng)表中M值將大幅減小,運(yùn)算復(fù)雜度也將隨之降低。
表1 算法運(yùn)算量評(píng)估Tab.1 Algorithm computation evaluation
本節(jié)將通過(guò)仿真對(duì)所提分布式接收多目標(biāo)信號(hào)盲檢測(cè)算法性能進(jìn)行分析。仿真條件如下:目標(biāo)頻帶范圍為80~200 MHz,將目標(biāo)頻帶均勻劃分為120個(gè)網(wǎng)格,對(duì)應(yīng)網(wǎng)格寬度為1 MHz;假設(shè)5%的頻率網(wǎng)格有信號(hào)存在,均為QPSK調(diào)制信號(hào),碼元速率均為100 kBd,且在不同頻率網(wǎng)格隨機(jī)分布,每個(gè)網(wǎng)格至多有1 個(gè)信號(hào)存在;信號(hào)傳輸增益獨(dú)立生成,均服從零均值方差為1 的復(fù)高斯分布,各接收信號(hào)疊加等功率的獨(dú)立高斯白噪聲,不同支路接收的信號(hào)平均信噪比相同;以1 GHz 采樣率對(duì)各接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段,數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度N=256。
圖1為本文所提信號(hào)檢測(cè)算法在不同接收單元數(shù)目、不同信噪比下的收斂特性曲線(xiàn)。圖中,橫坐標(biāo)為算法迭代次數(shù),縱坐標(biāo)為信道系數(shù)矩陣H的歸一化均方根誤差。圖1中,a)和b)分別為2天線(xiàn)接收和4天線(xiàn)接收的仿真結(jié)果。信號(hào)帶內(nèi)平均信噪比分別為8、10和12 dB,觀(guān)測(cè)信號(hào)長(zhǎng)度為256。圖中歸一化均方根誤差曲線(xiàn)為200次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)平均。從圖中可以看出,所提算法通常在4~7次迭代后可實(shí)現(xiàn)收斂,且隨著信噪比的提升,收斂速度略有降低。而在信噪比SNR=8 dB 時(shí),算法僅需4 次迭代即可收斂;而當(dāng)信噪比提升至12 dB 時(shí),算法需要6~7 次迭代才能收斂。對(duì)比來(lái)看,相同信噪比,不同接收單元數(shù)目下,算法收斂速度基本相同。
表2 為不同虛警概率預(yù)設(shè)值下,分別采用2 天線(xiàn)、4天線(xiàn)和8天線(xiàn)接收,本文信號(hào)檢測(cè)算法真實(shí)虛警概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表中首列為虛警概率預(yù)設(shè)值,第2~4 列分別為不同接收天線(xiàn)數(shù)目下,算法收斂后的虛警概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果,均為真實(shí)值。仿真信號(hào)帶內(nèi)平均信噪比為5 dB,觀(guān)測(cè)信號(hào)長(zhǎng)度為256。從結(jié)果可以看出,在不同虛警概率預(yù)設(shè)值下,信號(hào)檢測(cè)算法收斂后真實(shí)虛警概率均同預(yù)設(shè)值相吻合,佐證了本文2.2 節(jié)信號(hào)檢測(cè)門(mén)限理論推導(dǎo)的正確性。
表2 不同條件下虛警概率預(yù)設(shè)值與真實(shí)值對(duì)照表Tab.2 Comparison table of default value and true value of false alarm pobability under dfferent conditions
圖2 進(jìn)一步給出了不同接收單元數(shù)目下,本文所提信號(hào)檢測(cè)算法檢測(cè)概率隨虛警概率變化曲線(xiàn)(ROC曲線(xiàn)),仿真條件與表2 仿真條件相同??梢钥闯?,不同接收單元數(shù)目下,信號(hào)檢測(cè)概率均隨著虛警概率的增加而增加,且在虛警概率一定的條件下,增加接收單元數(shù)目,信號(hào)檢測(cè)概率可以獲得明顯提升,說(shuō)明所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)接收信號(hào)信息的有效融合,提升信號(hào)檢測(cè)性能。
圖2 不同接收單元數(shù)目下的ROC曲線(xiàn)Fig.2 ROC curve under different number of receiving units
圖3、4 分別為虛警概率預(yù)設(shè)值為0.05 和0.1 條件下,本文信號(hào)檢測(cè)算法收斂后穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)性能隨信噪比變化曲線(xiàn),圖 a)、b)分別為對(duì)應(yīng)的檢測(cè)概率和虛警概率的變化曲線(xiàn)。信號(hào)長(zhǎng)度分別設(shè)置為256和512,接收天線(xiàn)數(shù)目分別為2和4。從結(jié)果可以看出,不同接收單元數(shù)目、不同信號(hào)長(zhǎng)度、不同信噪比下,所提算法虛警概率均能夠與預(yù)設(shè)值保持高度吻合。并且在其他條件相同情形下,通過(guò)增加接收單元數(shù)目或增加信號(hào)長(zhǎng)度,算法檢測(cè)概率均明顯提升,且在低信噪比下,該性能提升體現(xiàn)得更加明顯。對(duì)比4 天線(xiàn)接收(NP=256)和2 天線(xiàn)接收(NP=512),可以看出,在其他條件相同的情況下,將接收單元數(shù)目增加1 倍或?qū)⑿盘?hào)長(zhǎng)度增加1倍,算法檢測(cè)概率曲線(xiàn)基本重合,證明所提算法可以通過(guò)增加接收單元數(shù)目,在保證檢測(cè)性能的前提下,減小對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的要求,有效提升實(shí)際短時(shí)、突發(fā)信號(hào)的處理效能。
圖3 不同條件下算法檢測(cè)性能隨信噪比變化曲線(xiàn)(預(yù)設(shè)值Pfa=0.05)Fig.3 Curve of algorithm detection performance changing with signal-to-noise ratio under different conditions (preset Pfa=0.05)
圖4 不同條件下算法檢測(cè)性能隨信噪比變化曲線(xiàn)(預(yù)設(shè)值Pfa=0.1)Fig.4 Curve of algorithm detection performance changing with signal-to-noise ratio under different conditions (preset Pfa=0.1)
圖5 為本文算法同基于多傳感器融合的稀疏LMS 檢測(cè)方法[15,23](標(biāo)注為L(zhǎng)MS&VF 方法)的性能對(duì)比。LMS&VF方法需要預(yù)先設(shè)定目標(biāo)頻帶信號(hào)數(shù)目,仿真中,將該值設(shè)置為信號(hào)數(shù)目真實(shí)值(實(shí)際盲信號(hào)檢測(cè)該值無(wú)法提前獲知)。本文檢測(cè)方法虛警概率預(yù)設(shè)值為0.05,2 種方法所用信號(hào)長(zhǎng)度均為256,接收天線(xiàn)數(shù)目分別設(shè)置為2和4。
圖5 本文方法與LMS&VF方法的性能對(duì)比Fig.5 Performance comparison between the proposed method and LMS&VF method
從結(jié)果可以看出,隨著接收單元數(shù)目的增加,2 種方法檢測(cè)性能均能獲得提升,但本文方法性能明顯優(yōu)于LMS&VF方法,且該性能優(yōu)勢(shì)在接收單元數(shù)目較多(4 天線(xiàn)接收相比于2 天線(xiàn)接收)和信噪比較低時(shí)體現(xiàn)得更加明顯。在LMS&VF方法中,各接收單元使用稀疏LMS[15]獨(dú)立進(jìn)行參數(shù)估計(jì),而本文方法在變分貝葉斯框架下使用多個(gè)接收信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合參數(shù)估計(jì),隨著接收單元數(shù)目的增加,多天線(xiàn)聯(lián)合處理體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。由圖中可以看出,在較低信噪比區(qū)間(5~7 dB),增加接收單元數(shù)目,LMS&VF 方法難以進(jìn)行有效融合,而所提算法受此影響較小。需要說(shuō)明的是,LMS&VF方法需要預(yù)設(shè)信號(hào)數(shù)目上限,在實(shí)際沒(méi)有先驗(yàn)信息條件下其性能容易受到影響,而本文算法通過(guò)自動(dòng)置零操作,能夠?qū)崿F(xiàn)特定虛警概率下的未知多目標(biāo)信號(hào)盲檢測(cè),實(shí)際使用更具靈活性和穩(wěn)健性。
本文針對(duì)分布式接收中的寬頻帶多目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題,提出了1種新的多信號(hào)盲檢測(cè)迭代處理方法,其主干為基于變分貝葉斯軟信息迭代的多參數(shù)聯(lián)合估計(jì),在每次迭代基礎(chǔ)上,利用虛警概率預(yù)設(shè)值計(jì)算信號(hào)檢測(cè)門(mén)限,實(shí)現(xiàn)多個(gè)未知信號(hào)的盲檢測(cè)。理論分析及仿真結(jié)果均表明,所提方法在無(wú)須預(yù)先知道目標(biāo)頻帶信號(hào)數(shù)目及信號(hào)頻譜位置的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)虛警概率下多信號(hào)盲檢測(cè),與現(xiàn)有方法相比,在接收單元數(shù)目較多以及信噪比較低時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。文中所提方法主要針對(duì)獨(dú)立分布窄帶信號(hào),對(duì)于寬帶信號(hào)模型或信號(hào)間不完全獨(dú)立的情形,則不能直接適用,下一步將對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步深入研究。