畢曉君,邵然
(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)
正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技術(shù)由于具有頻譜利用率高、抗頻率選擇性衰落強(qiáng)等有優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代無(wú)線通信領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[1]。然而,由于頻譜資源緊缺與需求快速增長(zhǎng)之間的矛盾,多個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)頻帶,造成相互干擾的情況不可避免[2]。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,為了保證OFDM系統(tǒng)的可靠通信,需要抑制其他通信系統(tǒng)的干擾,這些干擾在OFDM系統(tǒng)帶寬內(nèi)通常表現(xiàn)為單個(gè)或多個(gè)窄帶干擾形式[3]。
目前窄帶干擾檢測(cè)技術(shù)主要分為時(shí)域檢測(cè)技術(shù)和頻域檢測(cè)技術(shù)2類,時(shí)域檢測(cè)技術(shù)以誤差預(yù)濾波技術(shù)為主[4],該方法假設(shè)窄帶干擾為自回歸模型,對(duì)單個(gè)窄帶干擾檢測(cè)較為準(zhǔn)確,但是對(duì)多個(gè)窄帶干擾檢測(cè)誤碼率較高,且時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不滿足通信實(shí)時(shí)性的要求?;陬l域檢測(cè)技術(shù)以FFT算法的陷波干擾抑制技術(shù)為主,但基于FFT算法的時(shí)頻變換需要對(duì)射頻干擾信號(hào)以奈奎斯特速率進(jìn)行采樣,因此需要極高的射頻采樣率,以至目前的射頻前端ADC技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)[5]。T.Tao 等提出的壓縮知理論[6-7]給出了一種降低信號(hào)前端采樣率的方法,證明了利用信號(hào)的稀疏性先驗(yàn)條件,通過(guò)一定的線性或非線性的解碼模型可以以很高的概率重構(gòu)原始信號(hào),文獻(xiàn)[8]成功地將壓縮感知理論應(yīng)用到OFDM系統(tǒng)窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題中,將OFDM系統(tǒng)的窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為壓縮感知理論中稀疏信號(hào)的重構(gòu)問(wèn)題,在低于奈奎斯特采樣率條件下,有效地實(shí)現(xiàn)了單個(gè)及多個(gè)窄帶干擾的檢測(cè),較傳統(tǒng)方法相比大大提高了窄帶干擾檢測(cè)的精度。然而文獻(xiàn)[9]所提算法在信號(hào)重構(gòu)過(guò)程中采用凸優(yōu)化方法[8],該方法通過(guò)增加約束項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重構(gòu),算法復(fù)雜度過(guò)高,運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng),不能滿足通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。2008年提出的自適應(yīng)匹配追蹤(adaptive matching pursuit,SAMP)算法[10]由于可以在未知稀疏度條件下,快速有效地完成信號(hào)重構(gòu),近年來(lái)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
本文將自適應(yīng)匹配追蹤算法應(yīng)用到壓縮感知理論的信號(hào)重構(gòu)過(guò)程中,在保證精度條件下,能夠快速地實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu),大大減少窄帶干擾的檢測(cè)時(shí)間,有效改善OFDM通信系統(tǒng)的性能。
壓縮感知理論是Donoho于2007年提出的一種在已知信號(hào)稀疏性的前提下獲取或重構(gòu)信號(hào)的技術(shù),它針對(duì)觀察信號(hào)的一組線性測(cè)量值,通過(guò)重構(gòu)算法恢復(fù)出稀疏信號(hào)[11]。
通常情況下,信號(hào)x∈RN可以表示為
式中:ψi為正交基ψ的列向量,si為N×1維系數(shù)向量s中的元素,si=。如果系數(shù)向量s中僅有K個(gè)非零元素,則稱x是K階稀疏信號(hào)或信號(hào)x的稀疏度為K。壓縮感知理論證明,對(duì)于K稀疏的信號(hào)x,可以通過(guò)測(cè)量矩陣從信號(hào)x中選取M(M?N)個(gè)采樣值,利用這M個(gè)采樣值就能夠以很大概率重建信號(hào),其中M必須滿足下式的要求:
式中:c為很小的常數(shù)。M個(gè)采樣值可表示為
式中:y為M×1的向量,它的元素表示抽取的M個(gè)樣值,Φ為M×N的測(cè)量矩陣。當(dāng)測(cè)量矩陣Φ與正交基ψ的乘積滿足有限等距條件時(shí),通過(guò)選擇不同的重構(gòu)算法則可以恢復(fù)原始信號(hào)x[12]。
文獻(xiàn)[9]將壓縮感知理論成功應(yīng)用到OFDM通信系統(tǒng)窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題,提出了一種全新的窄帶干擾檢測(cè)方法,本文針對(duì)其運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn),有效減少了窄帶干擾檢測(cè)時(shí)間。
文獻(xiàn)[9]假設(shè)發(fā)送端和接收端具有精確的同步特性,那么時(shí)域的接收信號(hào)可以表示為
式中:H和HJ分別表示發(fā)送信號(hào)和窄帶干擾對(duì)應(yīng)的多徑信道增益矩陣;X為時(shí)域發(fā)送的OFDM信號(hào);z為白噪聲,滿足均值為零、方差為N0的復(fù)高斯分布;j為時(shí)域的窄帶干擾信號(hào);Λf0為窄帶干擾的頻率補(bǔ)償矩陣。保護(hù)間隔采用目前無(wú)線通信中廣泛使用的補(bǔ)零法[13]對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼,預(yù)編碼矩陣FzP可以表示為
式中:N表示OFDM子載波長(zhǎng)度,v表示保護(hù)間隔長(zhǎng)度,P=N+v為一個(gè)OFDM信號(hào)的總長(zhǎng)度;FN為N階單位對(duì)角陣。
假設(shè)在一個(gè)OFDM符號(hào)幀內(nèi),信道滿足準(zhǔn)靜止條件,那么H為一個(gè)下三角托普利茨矩陣,在信號(hào)加入補(bǔ)零保護(hù)間隔后,則可以用一個(gè)循環(huán)矩陣代替下三角托普利茨矩陣,在保證輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性前提下,減小了計(jì)算的復(fù)雜度。該循環(huán)矩陣的第一列即為補(bǔ)零后的信道沖擊響應(yīng)系數(shù)向量,如下
式中:hk為第k個(gè)復(fù)信道沖擊響應(yīng)系數(shù),L為多徑信道的抽頭數(shù)且滿足L≤v+1。
同理,我們假設(shè)窄帶干擾信號(hào)所經(jīng)過(guò)的信道也滿足準(zhǔn)靜止條件,那么HJ可以表示為窄帶干擾信道沖擊響應(yīng)系數(shù)所構(gòu)成的下三角托普利茨矩陣,該矩陣的第一列如下
根據(jù)窄帶干擾的頻域稀疏特性,文獻(xiàn)[9]從頻域角度對(duì)窄帶干擾進(jìn)行了建模。窄帶干擾頻域模型表示為
式中:Ji為第i個(gè)子載波上的窄帶干擾信號(hào),di為窄帶干擾信號(hào)的幅值,f和t分別為窄帶干擾影響的子載波位置,由此可知,窄帶干擾的寬度r如下
文獻(xiàn)[9]的窄帶干擾檢測(cè)方法是建立在窄帶干擾頻域的稀疏特性基礎(chǔ)上的,然而矩陣HJ的非循環(huán)結(jié)構(gòu)以及發(fā)送信號(hào)與窄帶干擾之間的頻率偏移對(duì)窄帶干擾的頻域稀疏性造成破壞性的影響,因此文獻(xiàn)[9]對(duì)接收端信號(hào)的頻域信息進(jìn)行加窗處理,減小矩陣結(jié)構(gòu)和頻偏對(duì)窄帶干擾稀疏性的影響。對(duì)接收端信號(hào)加窗處理可以表示為
式中,ΛW=diag(ω(0),ω(1),…,ω(P-1)),為加窗矩陣,ω(n)為窗函數(shù)的n個(gè)采樣值。由于H為循環(huán)矩陣,因此可以表示為
式中:Λ、ΛJ為對(duì)角陣,對(duì)角元素分別為矩陣H、HJ第一列元素的P點(diǎn)快速傅里葉變換。將式(3)代入式(2)中,并令=HWΛV,Jeqv=HeqvΛJJ,可以得出
式中:Jeqv為窄帶干擾信號(hào)J的等效矩陣。
由于ΛJ為對(duì)角陣,并不影響窄帶干擾J的稀疏性,因此,Jeqv仍為稀疏矩陣,且與J具有相同的稀疏性。
式(4)中,Jeqv為等效的窄帶干擾信號(hào),其余項(xiàng)視為噪聲數(shù)據(jù),為了減小噪聲數(shù)據(jù)對(duì)窄帶干擾檢測(cè)的干擾,文獻(xiàn)[9]令W=0 ,其中W為的子空間的投影矩陣,如下
將式(5)代入式(4),可得
式中,將W和Jeqv分別視為測(cè)量矩陣和原始信號(hào),則窄帶干擾的檢測(cè)問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為如式(1)所示的壓縮感知理論中稀疏信號(hào)重構(gòu)問(wèn)題,然后通過(guò)一定的重構(gòu)算法即可恢復(fù)窄帶干擾信號(hào),由此可實(shí)現(xiàn)窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題。
文獻(xiàn)[9]有效實(shí)現(xiàn)了基于壓縮感知的單個(gè)及多個(gè)窄帶干擾檢測(cè),大大提高了檢測(cè)精度,但是該算法在完成稀疏信號(hào)重構(gòu)時(shí),由于采用凸優(yōu)化算法,造成算法復(fù)雜度高、運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn),不能較好滿足通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。為此本文將目前解決稀疏信號(hào)重構(gòu)問(wèn)題效果較好的SAMP算法應(yīng)用到信號(hào)的重構(gòu)過(guò)程中,在未知窄帶干擾稀疏度條件下,利用較短時(shí)間完成窄帶干擾的準(zhǔn)確檢測(cè)。
SAMP算法的特點(diǎn)是可以在稀疏度K未知的情況下,通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整迭代步長(zhǎng)來(lái)逐步逼近信號(hào)的真實(shí)稀疏度,并引入了回溯的思想,將新選出來(lái)的原子與先前迭代得到的支撐集進(jìn)行合并,進(jìn)而得到一個(gè)候選集,然后再?gòu)暮蜻x集中篩選原子得到最終的支撐集。這種將自適應(yīng)和回溯思想結(jié)合在一起的算法能夠很好的兼顧重構(gòu)的性能和復(fù)雜度,因此非常適宜解決窄帶干擾檢測(cè)這類實(shí)時(shí)性問(wèn)題。
在式(6)的基礎(chǔ)上,基于SAMP重構(gòu)算法基本過(guò)程如下:
輸入:將式(6)中的W作為測(cè)量矩陣,為觀測(cè)矩陣,為了更好地考慮算法的性能和復(fù)雜度,稀疏度的自適應(yīng)步長(zhǎng)按下式求解:
式中:M和N需滿足式(2)的要求。閾值ε為噪聲的平均功率;
初始化:0 ,殘差r0,非零元素位置支撐集T0=?,第1階段稀疏度k=s,迭代次數(shù)i=1,階段次數(shù)j=1;
循環(huán)體:
2)候選集Ci=Ti-1∪Si;
SAMP算法是基于貪婪追蹤思想而來(lái)的,正如步驟1)所示,在算法迭代的每一步中,每次都選擇與殘差向量?jī)?nèi)積最大的項(xiàng),因此,算法能夠快速的收斂,適宜解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題[14]。特別是在步驟5)所中,SAMP算法在每次迭代中通過(guò)與給定閾值地比較來(lái)判斷是否停止迭代,并通過(guò)調(diào)整步長(zhǎng)逐步逼近真實(shí)稀疏度,使得該算法既能在未知信號(hào)稀疏度條件下快速重構(gòu)信號(hào),又保證了信號(hào)重構(gòu)的精度。
為了驗(yàn)證所提出算法的有效性與先進(jìn)性,本文進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),并與文獻(xiàn)[9]所提方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比,評(píng)價(jià)指標(biāo)選取通信系統(tǒng)通用的誤碼率及干擾檢測(cè)時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)主要分為單個(gè)窄帶干擾和多個(gè)窄帶干擾的檢測(cè)性能兩大部分。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的硬件配置為:Intel(R)Pentium(R)CPU G620@2.60 GHz、4 G 內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,開(kāi)發(fā)環(huán)境為MATLAB2012。
仿真實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)設(shè)置如下:OFDM子載波數(shù)N=320,保護(hù)間隔G=N/4=80,采用16QAM調(diào)制,發(fā)送信號(hào)和窄帶干擾都經(jīng)過(guò)4徑瑞利衰落的無(wú)線信道,采用海寧窗對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行加窗處理。
實(shí)際通信環(huán)境中,如果異系統(tǒng)對(duì)OFDM通信頻段的某一個(gè)頻率點(diǎn)造成干擾,則干擾的表現(xiàn)形式為單個(gè)窄帶干擾,因此,這里進(jìn)行了單個(gè)窄帶干擾檢測(cè)性能的仿真實(shí)驗(yàn),并與目前效果最好的文獻(xiàn)[9]算法進(jìn)行比較,為了進(jìn)一步說(shuō)明2種算法均能以較高精度檢測(cè)窄帶干擾,本文給出了存在窄帶干擾和無(wú)窄帶干擾2種情況下的系統(tǒng)誤碼率曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
圖1 2種算法單個(gè)窄帶干擾檢測(cè)對(duì)比Fig.1 The comparison of the two algorithms with single narrow band interference detection
從圖1可以看出,當(dāng)系統(tǒng)存在單個(gè)窄帶干擾時(shí),系統(tǒng)誤碼率出現(xiàn)平層現(xiàn)象,嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能,然而經(jīng)過(guò)本文算法對(duì)單個(gè)窄帶干擾的檢測(cè)和消除后,系統(tǒng)的誤碼率曲線呈下降趨勢(shì),并且與文獻(xiàn)[9]的系統(tǒng)誤碼率曲線重合,說(shuō)明對(duì)于單個(gè)窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題,本文算法與文獻(xiàn)[9]算法具有相同的檢測(cè)精度。
通過(guò)與理想的無(wú)窄帶干擾誤碼率曲線比較,可以看出,當(dāng)信噪比小于5 dB時(shí),本文算法、文獻(xiàn)[9]算法以及無(wú)窄帶干擾的系統(tǒng)誤碼率曲線基本重合,當(dāng)信噪比大于15 dB時(shí),本文算法與文獻(xiàn)[9]算法的誤碼率曲線也基本重合,但較無(wú)窄帶干擾情況略高,由此說(shuō)明,本文算法能夠以較高精度檢測(cè)窄帶干擾,基本上完全檢測(cè)并消除了單個(gè)窄帶干擾,符合系統(tǒng)誤碼率的要求,綜上,對(duì)于存在單個(gè)窄帶干擾的OFDM通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),本文算法與文獻(xiàn)[9]相同,能夠有效地實(shí)現(xiàn)干擾的檢測(cè)和消除。
在算法運(yùn)行時(shí)間方面,本文算法平均耗時(shí)1.60 s,而文獻(xiàn)[9]算法平均耗時(shí) 9.91 s,說(shuō)明本文算法可以使單個(gè)窄帶干擾的檢測(cè)速度更快、效率更高,能夠快速的為單個(gè)窄帶干擾檢測(cè)提供準(zhǔn)確結(jié)果。
實(shí)際通信環(huán)境中,如果異系統(tǒng)對(duì)OFDM通信頻段的多個(gè)頻率點(diǎn)造成干擾,則干擾的表現(xiàn)形式為多個(gè)窄帶干擾,多個(gè)窄帶干擾將造成系統(tǒng)性能的急劇下降,并增大了干擾檢測(cè)的難度。因此,這里進(jìn)行了多個(gè)窄帶干擾檢測(cè)性能的仿真實(shí)驗(yàn),并與文獻(xiàn)[9]所提算法進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 2種算法多個(gè)窄帶干擾檢測(cè)對(duì)比Fig.2 The comparison of the two algorithms with multiple narrow band interference detection
從圖2可以看出,當(dāng)系統(tǒng)存在多個(gè)窄帶干擾時(shí),誤碼率曲線出現(xiàn)嚴(yán)重的誤碼平層現(xiàn)象,然而經(jīng)過(guò)本文算法對(duì)多個(gè)窄帶干擾的檢測(cè)和消除后,系統(tǒng)的誤碼率曲線呈下降趨勢(shì),并且與文獻(xiàn)[9]的系統(tǒng)誤碼率曲線重合,說(shuō)明對(duì)于多個(gè)窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題,本文算法與文獻(xiàn)[9]算法具有相同的檢測(cè)精度。通過(guò)與理想的無(wú)窄帶干擾情況比較,可以看出,在信噪比小于8 dB時(shí),3條曲線基本重合,但是當(dāng)信噪比大于8 dB時(shí),本文算法與文獻(xiàn)[9]所提算法的誤碼率比無(wú)窄帶干擾時(shí)誤碼率略高,但是仍滿足系統(tǒng)誤碼率要求,由此說(shuō)明,本文所提算法與文獻(xiàn)[9]相同,能夠有效地實(shí)現(xiàn)多個(gè)窄帶干擾的檢測(cè)和消除。
對(duì)2種算法的干擾檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
由表1可以看出,隨著窄帶干擾個(gè)數(shù)的增加,2種算法的平均耗時(shí)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)OFDM系統(tǒng)存在多個(gè)窄帶干擾情況時(shí),文獻(xiàn)[9]算法的平均耗時(shí)約為10 s,而本文算法的平均耗時(shí)約為2 s,然而在實(shí)際的OFDM通信系統(tǒng)中,隨著發(fā)送信號(hào)的數(shù)據(jù)量增大,OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)將成倍增加,因此,本文算法在時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)將表現(xiàn)得更為明顯。
表1 2種算法運(yùn)行時(shí)間對(duì)比Table 1 Running time comparison of the two algorithms s
綜上所述,在OFDM通信系統(tǒng)窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題中,本文提出的算法較文獻(xiàn)[9]算法在保證檢測(cè)精度的情況下,在時(shí)間上具有明顯優(yōu)勢(shì),無(wú)論是單個(gè)還是多個(gè)窄帶干擾均能在保證窄帶干擾檢測(cè)精度的情況下,快速地實(shí)現(xiàn)窄帶干擾的檢測(cè),具有較好的實(shí)時(shí)性。
本文提出了一種基于SAMP的OFDM系統(tǒng)窄帶干擾檢測(cè)方法,實(shí)驗(yàn)仿真證明,該方法與目前在OFDM窄帶干擾檢測(cè)問(wèn)題中效果最好的文獻(xiàn)[9]算法相比,在保證較高檢測(cè)精度的情況下,對(duì)單個(gè)窄帶干擾和多個(gè)窄帶干擾都能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確檢測(cè),具有更快的運(yùn)行速度,具有更高的實(shí)時(shí)性,在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的推廣價(jià)值。窄帶干擾存在于很多采用OFDM的多天線無(wú)線通信系統(tǒng)中,并且對(duì)其性能造成嚴(yán)重影響。在目前已被證明的廣泛應(yīng)用在WLAN、WI-MAX、4G 以及 Wi-Fi中的 MIMO-OFDM系統(tǒng)中,窄帶干擾的存在也會(huì)對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響。因此,在未來(lái)的研究中,可以從保證MIMO-OFDM系統(tǒng)的通信可靠性上,著手研究窄帶干擾的消除。
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