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(shí)現(xiàn)智能通信[1]?；谏疃葘W(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(hào)調(diào)制識(shí)別[2-3]、信道譯碼[4]、OFDM 信號(hào)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(dú)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(gè)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(shí)際應(yīng)用中并不符合真實(shí)信道情況，“模塊化”理念指導(dǎo)下的無線通信系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)了“局部?jī)?yōu)化”，并未在整體性能上實(shí)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(dòng)方式開展端到端訓(xùn)練、驗(yàn)證、測(cè)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(shí)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(jì)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(duì)未知信道下的干擾信號(hào)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(duì)干擾信號(hào)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(hào)進(jìn)行隱藏，使非目標(biāo)監(jiān)聽者難以檢測(cè)發(fā)送信號(hào)[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(diǎn)，在軍事通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、測(cè)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(jì)實(shí)現(xiàn)了一種無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，實(shí)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(cè)。

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(hào)，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(gè)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(hào)調(diào)制等傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)子模塊功能，實(shí)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(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)以便在信道中傳輸，在接收端將接收信號(hào)與PN 碼的同步復(fù)本信號(hào)相乘得到解擴(kuò)的窄帶信號(hào)，同時(shí)展寬干擾信號(hào)帶寬。根據(jù)香農(nóng)信息論公式，可將干擾信號(hào)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(hào)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(jì)實(shí)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(duì)應(yīng)Encoder）、Channel、Receiver（接收機(jī)，對(duì)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(hào)所用實(shí)數(shù)信道規(guī)模；k為系統(tǒng)輸入符號(hào)所含比特?cái)?shù)；s為擴(kuò)頻因子；f表示擴(kuò)頻時(shí)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(shí)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(gè)比特映射為符號(hào)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(zhǎng)度為n的實(shí)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)；

3）將實(shí)數(shù)擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)歸一化層（Normalization Layer）約束并轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)基帶信號(hào)xc。在直接序列擴(kuò)頻時(shí)，第二個(gè)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(shí)現(xiàn)符號(hào)速率提高、頻譜擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)過程如圖4 所示。

圖4 上采樣層與擴(kuò)頻層實(shí)現(xiàn)過程

從信道編碼角度來看，Transmitter 將包含k個(gè)比特的符號(hào)S編碼為長(zhǎng)度為n的實(shí)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(hào)調(diào)制角度來看，n個(gè)實(shí)數(shù)信道數(shù)據(jù)以IQ 交織方式組成復(fù)數(shù)基帶信號(hào)xc，則xc包含n2 個(gè)基帶信號(hào)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)包含2 bit，可認(rèn)為是QPSK 調(diào)制。

Channel 在AWGN 上增加干擾信號(hào)，用于損害發(fā)射信號(hào)xc，損害后的信號(hào)用yc表示。干擾信號(hào)根據(jù)其目的、行為可分為主動(dòng)式干擾信號(hào)和被動(dòng)式干擾信號(hào)。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(hào)、雷達(dá)信號(hào)、噪聲等。上述干擾信號(hào)都可對(duì)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(hào)常用調(diào)制方式，干擾信號(hào)也可是QPSK 調(diào)制信號(hào)，但其信號(hào)參數(shù)可與AEDS 中的擴(kuò)頻信號(hào)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(gè)概率型序列并還原發(fā)送符號(hào)。

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(cè)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)信號(hào)的線性操作，以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在信號(hào)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(duì)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(cè)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(shí)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(hào)特征能力越強(qiáng)，還原發(fā)送符號(hào)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(duì)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(cè)試為例，并對(duì)比兩個(gè)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(cè)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(hào)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(duì)由低至高變化的訓(xùn)練信噪比時(shí)，未能調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以致訓(xùn)練進(jìn)入“鞍點(diǎn)”，此情況在文獻(xiàn)[10]中也可得到印證。

2.5 m 序列對(duì)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(cè)試為例，仿真結(jié)果如圖10 所示。

其中AEDS（n，k，7，0）基帶信號(hào)IQ 通道均使用多項(xiàng)式為x3+x2+ 1 的m 序列，AEDS（n，k，7，1）基帶信號(hào)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(duì)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(hào)對(duì)AEDS 性能的影響

基于擴(kuò)頻抗干擾、抗衰落等優(yōu)點(diǎn)，本節(jié)對(duì)AEDS 抗干擾能力進(jìn)行仿真。仿真時(shí)使用AEDS（42，4，7，0）、AEU（42，4，7）（相對(duì)AEDS 無擴(kuò)頻解擴(kuò)層，U表示Upsamples），以后者Transmitter 輸出基帶信號(hào)（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(jì)4 種在現(xiàn)實(shí)無線電環(huán)境中普遍存在的QPSK 干擾信號(hào)，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(hào)分別通過帶有上述干擾信號(hào)的AWGN 信道，并由兩者Receiver 接收、還原符號(hào)。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(hào)信道下測(cè)試為例，結(jié)果如圖11 所示，圖11a）～圖11d）分別為4 種干擾信號(hào)下的仿真結(jié)果。隨著干擾信號(hào)幅度增加，AEDS、AEU 塊誤碼率性能均下降，但在相同干擾信號(hào)幅度下，AEDS 塊誤碼率性能優(yōu)于AEU 兩個(gè)10-1量級(jí)以上，可見AEDS 相對(duì)AEU 具有一定的抗干擾能力，這得益于擴(kuò)頻抗干擾優(yōu)點(diǎn)。

圖11 干擾信號(hào)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(jì)實(shí)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(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。