基于自編碼器和直接序列擴(kuò)頻的端到端無線通信技術(shù)研究

陸 瑞，江 漢，任江飛

（陸軍工程大學(xué)，江蘇南京 210000）

0 引 言

深度學(xué)習(xí)作為人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的新領(lǐng)域，目的是讓機(jī)器能夠像人腦一樣學(xué)習(xí)從而更接近人工智能。隨著深度學(xué)習(xí)廣泛發(fā)展，無線通信領(lǐng)域的專家希望應(yīng)用深度學(xué)習(xí)在提高數(shù)據(jù)傳輸速率及傳輸可靠性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能通信[1]。基于深度學(xué)習(xí)的無線通信物理層技術(shù)研究正逐步開展并取得了較好成果，如將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于信號調(diào)制識別[2-3]、信道譯碼[4]、OFDM 信號處理[5-6]、MIMO 通信[7-8]、無線通信安全[9]等，但上述應(yīng)用多是將深度學(xué)習(xí)用于單獨優(yōu)化無線通信系統(tǒng)某一子模塊或聯(lián)合優(yōu)化部分子模塊，且各個子模塊的最佳性能通常是在某一指定環(huán)境或者理論條件下仿真得到，在實際應(yīng)用中并不符合真實信道情況，“模塊化”理念指導(dǎo)下的無線通信系統(tǒng)只是實現(xiàn)了“局部優(yōu)化”，并未在整體性能上實現(xiàn)“全局優(yōu)化”。

文獻(xiàn)[10]使用自編碼器替代傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)，并采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方式開展端到端訓(xùn)練、驗證、測試，仿真結(jié)果表明，其塊誤碼率性能優(yōu)于傳統(tǒng)BPSK 無線通信系統(tǒng)并具備一定的信道編碼增益，實現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)整體性能的“全局優(yōu)化”。此文獻(xiàn)為設(shè)計基于深度學(xué)習(xí)的端到端無線通信系統(tǒng)提供了思路，但也存在以下問題：如若輸入數(shù)據(jù)維度增加將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及訓(xùn)練量增加；系統(tǒng)如何應(yīng)用高階調(diào)制以提高無線傳輸有效性；系統(tǒng)如何提高無線傳輸可靠性并應(yīng)對未知信道下的干擾信號等。文獻(xiàn)[11]采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降低系統(tǒng)維度和訓(xùn)練量；文獻(xiàn)[12]利用差分編碼提高傳輸可靠性，但未針對干擾信號進(jìn)行研究。

擴(kuò)頻最初用于軍事通信抵抗擾碼或發(fā)送低功率信號進(jìn)行隱藏，使非目標(biāo)監(jiān)聽者難以檢測發(fā)送信號[13]，現(xiàn)也用于商業(yè)領(lǐng)域，如數(shù)字蜂窩通信、局間無線通信。擴(kuò)頻包括直接序列擴(kuò)頻、跳頻、寬帶線性調(diào)頻等方式，具有頻譜利用率高、抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、抗多徑干擾等優(yōu)點，在軍事通信、移動通信、衛(wèi)星通信、測距定位等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

受文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[12]和擴(kuò)頻啟發(fā)，本文基于自編碼器和直接序列擴(kuò)頻，設(shè)計實現(xiàn)了一種無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了較好的塊誤碼率性能和抗干擾性能。

1 無線擴(kuò)頻自編碼器

1.1 自編碼器與無線通信

自編碼器是一種基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行高效表示的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]，由編碼器（Encoder）和譯碼器（Decoder）組成，其通過訓(xùn)練可使重建數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)差異最小，常用于降維及特征檢測。

式中：x為原始數(shù)據(jù)；x*為重建數(shù)據(jù)；L為損失函數(shù)期望。L越小，則數(shù)據(jù)重建越準(zhǔn)確。

無線通信系統(tǒng)的主要任務(wù)是盡可能準(zhǔn)確地恢復(fù)發(fā)送信號，這與自編碼器功能高度一致，如圖1、圖2 所示，可把無線通信系統(tǒng)替換為一個自編碼器，通過端到端訓(xùn)練聯(lián)合學(xué)習(xí)信道編碼、星座映射、信號調(diào)制等傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)子模塊功能，實現(xiàn)傳輸信息有效還原。

圖1 傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)

圖2 基于自編碼器的新型無線通信系統(tǒng)

1.2 直接序列擴(kuò)頻

擴(kuò)頻常用直接序列擴(kuò)頻，即在發(fā)送端使用PN 碼將攜帶信息的基帶信號擴(kuò)展成寬帶信號以便在信道中傳輸，在接收端將接收信號與PN 碼的同步復(fù)本信號相乘得到解擴(kuò)的窄帶信號，同時展寬干擾信號帶寬。根據(jù)香農(nóng)信息論公式，可將干擾信號功率降低s倍（s為擴(kuò)頻因子）。PN 碼自相關(guān)性強(qiáng)、互相關(guān)性弱，通常包括m 序列、gold 序列、walsh 序列，擴(kuò)頻信號通常使用BPSK、QPSK 調(diào)制方式。

1.3 系統(tǒng)模型

基于自編碼器和直接序列擴(kuò)頻設(shè)計實現(xiàn)的端到端無線通信系統(tǒng)，即無線擴(kuò)頻自編碼器，如圖3 所示，其由Transmitter（發(fā)射機(jī)，對應(yīng)Encoder）、Channel、Receiver（接收機(jī)，對應(yīng)Decoder）組成，并用AEDS()n,k,s,f表示，源于自編碼器（Autoencoder）和直接序列擴(kuò)頻（DSSS）。其中：n為Transmitter 發(fā)射信號所用實數(shù)信道規(guī)模；k為系統(tǒng)輸入符號所含比特數(shù)；s為擴(kuò)頻因子；f表示擴(kuò)頻時IQ 通道是否使用相同m 序列。

圖3 AEDS 系統(tǒng)模型

Transmitter 基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)并實現(xiàn)傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)信道編碼、星座映射、擴(kuò)頻等功能，步驟如下：

1）將k個比特映射為符號S（S∈{1,2,…,M}，M= 2k），并經(jīng)One-Hot 編碼后作為系統(tǒng)輸入；

2）經(jīng)全連接層（Fully Connected Layer）、上采樣層（Upsamples Layer）、擴(kuò)頻層（Spread Layer），將One-Hot編碼序列轉(zhuǎn)換為長度為n的實數(shù)擴(kuò)頻信號；

3）將實數(shù)擴(kuò)頻信號經(jīng)歸一化層（Normalization Layer）約束并轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)基帶信號xc。在直接序列擴(kuò)頻時，第二個全連接層輸出數(shù)據(jù)經(jīng)上采樣層后數(shù)據(jù)維度由n s變?yōu)閚，后經(jīng)擴(kuò)頻層處理，即將上采樣層輸出數(shù)據(jù)與m 序列相乘、IQ 交織，以實現(xiàn)符號速率提高、頻譜擴(kuò)展，實現(xiàn)過程如圖4 所示。

圖4 上采樣層與擴(kuò)頻層實現(xiàn)過程

從信道編碼角度來看，Transmitter 將包含k個比特的符號S編碼為長度為n的實數(shù)信道數(shù)據(jù)，故可將R=k n定義為系統(tǒng)編碼速率。從信號調(diào)制角度來看，n個實數(shù)信道數(shù)據(jù)以IQ 交織方式組成復(fù)數(shù)基帶信號xc，則xc包含n2 個基帶信號符號，每個符號包含2 bit，可認(rèn)為是QPSK 調(diào)制。

Channel 在AWGN 上增加干擾信號，用于損害發(fā)射信號xc，損害后的信號用yc表示。干擾信號根據(jù)其目的、行為可分為主動式干擾信號和被動式干擾信號。前者是以破壞或擾亂敵方通信系統(tǒng)信息傳輸過程為目的；后者可以是其他用戶的通信信號、雷達(dá)信號、噪聲等。上述干擾信號都可對AEDS 通信質(zhì)量造成一定影響。結(jié)合系統(tǒng)模型、擴(kuò)頻信號常用調(diào)制方式，干擾信號也可是QPSK 調(diào)制信號，但其信號參數(shù)可與AEDS 中的擴(kuò)頻信號不同。

Receiver 逆向?qū)崿F(xiàn)Transmitter 部分功能，最終由Softmax Layer、Classification Layer 重建一個概率型序列并還原發(fā)送符號。

2 性能分析

2.1 AEDS 塊誤碼率性能

以AEDS（42，4，7，0）在訓(xùn)練信噪比11 dB 下訓(xùn)練并在AWGN信道下測試為例，結(jié)果如圖5所示。

圖5 AEDS（42，4，7，0）塊誤碼率

參考Uncoded QPSK（6，6）和Uncoded QPSK（42，42）無線通信系統(tǒng)，在相同塊誤碼率（BLER）下，AEDS（42，4，7，0）對信噪比的要求優(yōu)于前者1 dB 并遠(yuǎn)優(yōu)于后者。若將AEDS（42，4，7，0）視作“黑盒”，在相同k值下，其BLER遠(yuǎn)小于Uncoded 16PSK、Uncoded 16QAM，這得益于AEDS對系統(tǒng)性能的“整體優(yōu)化”。AEDS（42，4，7，0）學(xué)習(xí)得到的發(fā)射信號星座如圖6 所示，共包含16 種。

圖6 AEDS（42，4，7，0）學(xué)習(xí)得到的星座圖

2.2 信道規(guī)模對AEDS 性能的影響

以AEDS（14，2，7，0）、AEDS（28，4，7，0）、AEDS（56，8，7，0），在R= 1 7、訓(xùn)練信噪比11 dB 下訓(xùn)練并在AWGN信道下測試為例，仿真結(jié)果如圖7 所示。在相同BLER下，AEDS（14，2，7，0）接近Uncoded QPSK（2，2）無線通信系統(tǒng)，前者對信噪比的要求不超過0.5 dB，此與文獻(xiàn)[10]中未經(jīng)擴(kuò)頻的無線自編碼器性能仿真結(jié)果相近，且前者性能遠(yuǎn)優(yōu)于Uncoded QPSK（14，14）無線通信系統(tǒng)，可知AEDS 塊誤碼率性能未因擴(kuò)頻致信道規(guī)模增加而降低。AEDS（28，4，7，0）、AEDS（56，8，7，0）性能均優(yōu)于各自等同擴(kuò)頻前/后信道規(guī)模的Uncoded QPSK 無線通信系統(tǒng)，這得益于上采樣層、擴(kuò)頻層對信號的線性操作，以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在信號特征獲取、系統(tǒng)性能“整體優(yōu)化”上的作用。

2.3 編碼速率對AEDS 性能的影響

以AEDS（28，4，7，0）、AEDS（42，4，7，0）、AEDS（56，4，7，0）在訓(xùn)練信噪比11 dB、k= 4 下訓(xùn)練并在AWGN 信道下測試為例，仿真結(jié)果如圖8所示。AEDS塊誤碼率性能優(yōu)于等同擴(kuò)頻前/后信道規(guī)模的Uncoded QPSK 無線通信系統(tǒng)，同時隨著編碼速率降低（三者分別為4/28、4/42、4/56），BLER 也逐步降低，可知信道規(guī)模越大、編碼速率越小，AEDS 感知信道狀態(tài)與提取信號特征能力越強(qiáng)，還原發(fā)送符號的準(zhǔn)確率越高。

圖8 編碼速率與AEDS 塊誤碼率

2.4 訓(xùn)練信噪比對AEDS 性能的影響

以AEDS（42，4，7，0）在訓(xùn)練信噪比3～17 dB 下訓(xùn)練并在AWGN 信道下測試為例，并對比兩個Uncoded QPSK 無線通信系統(tǒng)BLER 性能，仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 訓(xùn)練信噪比與AEDS 塊誤碼率

在相同測試信噪比下，隨著訓(xùn)練信噪比提高，BLER呈現(xiàn)“下降-增加-穩(wěn)定”，下降是因訓(xùn)練信噪比提高致AEDS 還原發(fā)送符號能力增強(qiáng)導(dǎo)致；BLER 在訓(xùn)練信噪比13 dB 后增加并最終穩(wěn)定，是因具有相同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與超參數(shù)的AEDS 在面對由低至高變化的訓(xùn)練信噪比時，未能調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以致訓(xùn)練進(jìn)入“鞍點”，此情況在文獻(xiàn)[10]中也可得到印證。

2.5 m 序列對AEDS 性能的影響

以AEDS（n，k，7，1）、AEDS（n，k，7，0）在訓(xùn)練信噪比11 dB、R= 1 7、s= 7 下訓(xùn)練并在AWGN 信道下測試為例，仿真結(jié)果如圖10 所示。

其中AEDS（n，k，7，0）基帶信號IQ 通道均使用多項式為x3+x2+ 1 的m 序列，AEDS（n，k，7，1）基帶信號I 通道使用x3+x2+ 1，Q 通道使用x4+x2+x+ 1。在k、n、s相同的情況下，6 類AEDS 塊誤碼率類內(nèi)各自接近但類外相互分離，可見IQ 通道所用m 序列是否相同對系統(tǒng)性能無較大影響，此由m序列具有偽隨機(jī)正交特性所致。

2.6 干擾信號對AEDS 性能的影響

基于擴(kuò)頻抗干擾、抗衰落等優(yōu)點，本節(jié)對AEDS 抗干擾能力進(jìn)行仿真。仿真時使用AEDS（42，4，7，0）、AEU（42，4，7）（相對AEDS 無擴(kuò)頻解擴(kuò)層，U表示Upsamples），以后者Transmitter 輸出基帶信號（假設(shè)采樣率為21 kHz，碼元速率為3 kBd，QPSK 調(diào)制）為參考樣本，設(shè)計4 種在現(xiàn)實無線電環(huán)境中普遍存在的QPSK 干擾信號，即同頻同規(guī)格干擾（參數(shù)同樣本）、異頻同規(guī)格干擾（頻偏1 kHz）、同頻異規(guī)格干擾（碼元速率2.1 kBd）、異頻異規(guī)格干擾（頻偏1 kHz，碼元速率2.1 kBd）。將AEDS、AEU 各自Transmitter 輸出信號分別通過帶有上述干擾信號的AWGN 信道，并由兩者Receiver 接收、還原符號。以AEDS（42，4，7，0）、AEU（42，4，7）在訓(xùn)練信噪比11 dB 下訓(xùn)練并在AWGN、干擾信號信道下測試為例，結(jié)果如圖11 所示，圖11a）～圖11d）分別為4 種干擾信號下的仿真結(jié)果。隨著干擾信號幅度增加，AEDS、AEU 塊誤碼率性能均下降，但在相同干擾信號幅度下，AEDS 塊誤碼率性能優(yōu)于AEU 兩個10-1量級以上，可見AEDS 相對AEU 具有一定的抗干擾能力，這得益于擴(kuò)頻抗干擾優(yōu)點。

圖11 干擾信號與AEDS 塊誤碼率

3 結(jié) 語

本文基于自編碼器和直接序列擴(kuò)頻設(shè)計實現(xiàn)了一種無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)面向多種超參數(shù)具有較好的塊誤碼率性能，且基于直接序列擴(kuò)頻，面向多種規(guī)格干擾信號具有較強(qiáng)的抗干擾能力。