本發(fā)明涉及無線通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：近年來，無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，各種無線移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，無線信號面臨著相當(dāng)復(fù)雜的信道環(huán)境，無線信號的傳播不但受信號功率、地理環(huán)境等因素的影響，還面臨著信道中可能出現(xiàn)的人為干擾，因此必須研究并采取有效措施進(jìn)行防護(hù)。目前，擴(kuò)頻技術(shù)被認(rèn)為是一種在惡劣通信環(huán)境下能夠有效抵抗干擾的通信手段。通過擴(kuò)頻技術(shù)，無線信號功率被分布在很寬的頻帶上，功率譜幅值很低，常規(guī)偵察機(jī)很難檢測，因而可以降低截獲概率，保密性好；由于信號帶寬被展寬，信噪比極低，有用信號功率遠(yuǎn)低于干擾信號功率時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的通信，干擾難度大；另外，擴(kuò)頻信號在接收端解擴(kuò)時(shí)，將多個(gè)徑的信號分離出來并按一定規(guī)則合并以抵消多徑引發(fā)的衰弱，具有良好的抗多徑干擾性能。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要可分為直接序列擴(kuò)頻(DSSS)、調(diào)頻擴(kuò)頻(FHSS)、和跳時(shí)擴(kuò)頻(THSS)、脈沖調(diào)頻(chirp調(diào)制)及混合擴(kuò)頻等。傳統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)主要通過增加偽碼長度來提高處理增益，從而提高抗干擾能力，但這又受限于頻譜資源和接收機(jī)硬件資源等。接收端采用的RAKE接收、干擾抵消及多用戶檢測技術(shù)可在一定程度上提高抗干擾能力，但在干擾信號占據(jù)直擴(kuò)信號的大部分寬帶且功率超過直擴(kuò)信號時(shí)，上述措施均趨于失效。跳頻系統(tǒng)主要通過提高跳頻速率、增加跳頻帶寬等措施來提高抗干擾性能，但也受限于頻譜資源和軟硬件條件。自適應(yīng)跳頻技術(shù)通過躲避受干擾頻點(diǎn)以提高抗干擾能力，但隨著被干擾頻點(diǎn)數(shù)增加，有限帶寬內(nèi)可用頻點(diǎn)不斷減少，自適應(yīng)跳頻性能逐漸下降。差分跳頻技術(shù)在跳頻中結(jié)合了信息調(diào)制及地址編碼增強(qiáng)了跳頻通信的抗跟蹤干擾能力，但當(dāng)信干比較低時(shí)，其抵抗部分頻帶干擾的能力減弱。近年來還出現(xiàn)了寬間隔跳頻、變間隔跳頻等技術(shù)，提高了跳頻通信在窄帶阻塞干擾與梳狀阻塞干擾下的可靠性，但對抗寬帶阻塞干擾的能力比較有限。壓縮感知(CompressiveSensing,CS)技術(shù)作為一種信號處理理論，在現(xiàn)有無線通信
技術(shù)領(lǐng)域：
中主要作為信號采樣及其恢復(fù)技術(shù)使用，僅應(yīng)用于信道估計(jì)、信號測向等方面，目前還沒有將其作為一種主動(dòng)的抗干擾通信手段。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的之一至少在于，針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信方法及系統(tǒng)，能夠有效地恢復(fù)原始信號，具有良好的抗干擾性。本發(fā)明是首次將壓縮感知應(yīng)用于抗干擾通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，可以解決無線寬帶通信信號在受到寬帶阻塞干擾等嚴(yán)重干擾的情況下較好地恢復(fù)原始發(fā)送信息的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信方法，包括：對第一信號進(jìn)行稀疏序列映射，獲取第一稀疏矢量；根據(jù)稀疏變換矩陣和第一稀疏矢量，獲取第二信號；根據(jù)投影變換矩陣對第二信號進(jìn)行投影變換，獲取第一數(shù)據(jù)矢量；通過載波信號向接收端發(fā)送第一數(shù)據(jù)矢量；接收端根據(jù)載波選擇矩陣選擇接收未被干擾的載波信號，獲取第二數(shù)據(jù)矢量；根據(jù)觀測矩陣和稀疏變換矩陣獲取感知矩陣；根據(jù)第二數(shù)據(jù)矢量、感知矩陣、以及稀疏度，獲取第二信號的估計(jì)信號；根據(jù)稀疏序列和第二信號的估計(jì)信號，獲取第一信號的估計(jì)信號。優(yōu)選地，上述稀疏序列中大值項(xiàng)的項(xiàng)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總項(xiàng)數(shù)。優(yōu)選地，上述稀疏變換矩陣為傅氏變換、小波變換、或者離散余弦變換矩陣。優(yōu)選地，上述投影變換矩陣為Hadamard矩陣。優(yōu)選地，上述載波選擇矩陣為按列生成的采樣矩陣。優(yōu)選地，上方法中根據(jù)采樣矩陣，由投影變換矩陣的部分行矢量構(gòu)成所述觀測矩陣。優(yōu)選地，上述根據(jù)第二數(shù)據(jù)矢量、感知矩陣、以及稀疏度，獲取第二信號的估計(jì)信號包括：以第二數(shù)據(jù)矢量、感知矩陣、以及稀疏度，作為稀疏重構(gòu)算法的輸入?yún)?shù)，獲取信號稀疏表示估計(jì)系數(shù)；根據(jù)所述稀疏變換矩陣和信號稀疏表示估計(jì)系數(shù)，通過信號重構(gòu)獲取第二信號的估計(jì)信號。優(yōu)選地，上述根據(jù)稀疏序列和第二信號的估計(jì)信號，獲取第一信號的估計(jì)信號包括：通過對稀疏序列和第二信號的估計(jì)信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，獲取第一信號的估計(jì)信號。優(yōu)選地，上述相關(guān)運(yùn)算為解擴(kuò)運(yùn)算或者Viterbi運(yùn)算。一種基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信系統(tǒng)，包括第一通信裝置和第二通信裝置，其中：第一通信裝置包括：稀疏序列映射模塊，用于對第一信號進(jìn)行稀疏序列映射，獲取第一稀疏矢量；稀疏變換模塊，用于根據(jù)稀疏變換矩陣和第一稀疏矢量，獲取第二信號；投影變換模塊，用于根據(jù)投影變換矩陣對第二信號進(jìn)行投影變換，獲取第一數(shù)據(jù)矢量；以及，射頻發(fā)射器，用于通過載波信號向第二通信裝置發(fā)送第一數(shù)據(jù)矢量；第二通信裝置包括：射頻接收器，用于根據(jù)載波選擇矩陣選擇接收未被干擾的載波信號，獲取第二數(shù)據(jù)矢量；感知矩陣生成模塊，用于根據(jù)觀測矩陣和稀疏變換矩陣獲取感知矩陣；重構(gòu)運(yùn)算模塊，用于根據(jù)第二數(shù)據(jù)矢量、感知矩陣、以及稀疏度，獲取第二信號的估計(jì)信號；以及，相關(guān)運(yùn)算模塊，用于根據(jù)稀疏序列和第二信號的估計(jì)信號，獲取第一信號的估計(jì)信號。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下有益效果：通過投影變換矩陣對欲傳送的用戶數(shù)據(jù)信息矢量進(jìn)行預(yù)編碼，使得每個(gè)子載波上都能夠攜帶所有用戶的數(shù)據(jù)信息，具有良好的抗干擾性；通過靈活確定的采樣矩陣選擇接收未受干擾的載波信號，能夠?qū)崿F(xiàn)等效觀測矩陣的聯(lián)合構(gòu)造；在信號受到寬帶阻塞干擾等嚴(yán)重干擾的情況下，能夠有效地恢復(fù)原始信號，從而實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)信息的抗干擾傳輸；并且，有效利用了所傳輸信號本身的信息冗余，減小了信號傳輸?shù)膸捳加?。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例二提供的基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，以使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實(shí)施例一如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例一公開的基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信方法包括以下步驟：步驟101：對第一信號進(jìn)行稀疏序列映射，獲取第一稀疏矢量具體地，發(fā)送端向接收端發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)信息可以表示為第一信號，即欲發(fā)送的原始信號，可以將原始信號映射成不同的稀疏序列來獲取第一稀疏矢量；在優(yōu)選的實(shí)施例中，稀疏序列中大值項(xiàng)(例如，其中的非0項(xiàng))的項(xiàng)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總項(xiàng)數(shù)。步驟102：根據(jù)稀疏變換矩陣和第一稀疏矢量，獲取第二信號例如，稀疏變換矩陣可以為傅氏變換、小波變換、或者離散余弦變換矩陣等變換矩陣。步驟103：根據(jù)投影變換矩陣對第二信號進(jìn)行投影變換，獲取第一數(shù)據(jù)矢量在優(yōu)選的實(shí)施例中，投影變換矩陣可以為Hadamard矩陣。步驟104：通過載波信號向接收端發(fā)送第一數(shù)據(jù)矢量具體地，發(fā)送端可以將第一數(shù)據(jù)矢量調(diào)制在多個(gè)載波上，通過信號發(fā)送裝置發(fā)送給接收端。步驟105：接收端根據(jù)載波選擇矩陣選擇接收未被干擾的載波信號，獲取第二數(shù)據(jù)矢量由于載波在信道中會(huì)受到各種干擾，因此，載波選擇矩陣可以為按列生成的采樣矩陣，接收端可以根據(jù)采樣矩陣選擇接收未被干擾的載波信號，從而獲取第二數(shù)據(jù)矢量，即觀測信號。優(yōu)選地，所選擇未受到干擾的載波數(shù)遠(yuǎn)小于總載波數(shù)。步驟106：根據(jù)觀測矩陣和稀疏變換矩陣獲取感知矩陣?yán)?，可以先根?jù)采樣矩陣，由投影變換矩陣的部分行矢量構(gòu)成觀測矩陣，再根據(jù)壓縮感知模型，通過觀測矩陣和稀疏變換矩陣獲取感知矩陣。步驟107：根據(jù)第二數(shù)據(jù)矢量、感知矩陣、以及稀疏度，獲取第二信號的估計(jì)信號具體地，先以第二數(shù)據(jù)矢量、感知矩陣、以及稀疏度，作為稀疏重構(gòu)算法(例如，正交匹配追蹤(OrthogonalMatchingPursuit，OMP))的輸入?yún)?shù)，獲取信號稀疏表示估計(jì)系數(shù)；再根據(jù)稀疏變換矩陣和所獲取的信號稀疏表示估計(jì)系數(shù)，通過信號重構(gòu)獲取第二信號的估計(jì)信號。步驟108：根據(jù)稀疏序列和第二信號的估計(jì)信號，獲取第一信號的估計(jì)信號優(yōu)選地，可以通過對稀疏序列和第二信號的估計(jì)信號進(jìn)行解擴(kuò)運(yùn)算或者Viterbi運(yùn)算等相關(guān)運(yùn)算，獲取第一信號的估計(jì)信號，即原始信號的估計(jì)信號。上述實(shí)施例中，基于無線信號的壓縮感知原理，將在某個(gè)變換域上具有稀疏特性的原始信號加權(quán)混合并分散到多個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制發(fā)送，在信道存在有較大頻率范圍的干擾情況下，通過發(fā)射端信號的加權(quán)混合處理和接收端的載波選擇過程，形成等效觀測矩陣并獲取感知矩陣，再通過觀測信號和感知矩陣恢復(fù)原始信號。因此，當(dāng)干擾信號阻塞了有用信號的一部分帶寬時(shí)，原始信號依然可以高質(zhì)量地傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了無線信號的抗干擾傳輸。實(shí)施例二如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例二公開的基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信系統(tǒng)包括第一通信裝置和第二通信裝置，其中：第一通信裝置包括：稀疏序列映射模塊，用于對第一信號進(jìn)行稀疏序列映射，獲取第一稀疏矢量；稀疏變換模塊，用于根據(jù)稀疏變換矩陣和第一稀疏矢量，獲取第二信號；投影變換模塊，用于根據(jù)投影變換矩陣對第二信號進(jìn)行投影變換，獲取第一數(shù)據(jù)矢量；以及，射頻發(fā)射器，用于通過載波信號向第二通信裝置發(fā)送第一數(shù)據(jù)矢量；第二通信裝置包括：射頻接收器，用于根據(jù)載波選擇矩陣選擇接收未被干擾的載波信號，獲取第二數(shù)據(jù)矢量；感知矩陣生成模塊，用于根據(jù)觀測矩陣和稀疏變換矩陣獲取感知矩陣；重構(gòu)運(yùn)算模塊，用于根據(jù)第二數(shù)據(jù)矢量、感知矩陣、以及稀疏度，獲取第二信號的估計(jì)信號；以及，相關(guān)運(yùn)算模塊，用于根據(jù)稀疏序列和第二信號的估計(jì)信號，獲取第一信號的估計(jì)信號。上述第一通信裝置和第二通信裝置可以分別應(yīng)用于寬帶無線接入網(wǎng)(RadioAccessNetwork，RAN)中的無線終端和接入設(shè)備，或者LTE-A系統(tǒng)中的移動(dòng)終端和基站，或者衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的地面站和通信衛(wèi)星。實(shí)施例三下文結(jié)合圖1和圖2對本發(fā)明實(shí)施例三提供的基于壓縮感知的寬帶抗干擾通信方法應(yīng)用于包括移動(dòng)終端和基站的寬帶多載波無線通信系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。所述各步驟雖以移動(dòng)終端向基站發(fā)送數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明，但同樣可以應(yīng)用于基站向移動(dòng)終端、或者其他網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。并且，這些步驟可以按照預(yù)定的順序執(zhí)行，也可以由不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照不同的順序分別執(zhí)行。步驟一：對原始信號x0進(jìn)行稀疏序列映射，獲取稀疏矢量β移動(dòng)終端向基站發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)信息可以表示為原始信號x0＝[x1x2…xNum]，例如，原始信號為包括二進(jìn)制0和1的序列，比特位數(shù)Num＝3500。對原始信號x0進(jìn)行稀疏序列映射，稀疏度為K，例如，將原始信號序列中的0映射成稀疏序列sequence0＝[00…01…1]'N*1，將原始信號序列中的1映射成稀疏序列sequence1＝[11…10…0]'N*1，獲取稀疏矢量β，其中，稀疏序列sequence0和sequence1中非0項(xiàng)的項(xiàng)數(shù)K(即含有K個(gè)1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總項(xiàng)數(shù)N；所獲取的稀疏矢量β為映射后的N×Num維稀疏矢量。步驟二：根據(jù)稀疏變換矩陣Ψ和稀疏矢量β，獲取稀疏表示的原始信號x即x＝Ψ·β，其中，稀疏變換矩陣為傅氏變換、小波變換、或離散余弦變換等變換矩陣。以傅里葉變換矩陣為例，N＝64，則Ψ為N×N維，欲發(fā)送的稀疏表示的原始信號x為64×3500維的矢量。步驟三：根據(jù)投影變換矩陣Σ對稀疏表示的原始信號x進(jìn)行投影變換，獲取數(shù)據(jù)矢量S例如，投影變換矩陣為64階Hadamard矩陣，將稀疏表示的原始信號x與Hadamard矩陣相乘，實(shí)現(xiàn)64路信號的相互混疊，得到數(shù)據(jù)矢量S，該過程可以表示為：S=1s11s2...1sNum2s12s2...2sNum............Ns1Ns2...NsNum=111...1-11-1...-1-1-1-1...-1...............1-1-1...11x11x2...1xNum2x12x2...2xNum............Nx1Nx2...NxNum=Σ·x]]>其中，投影變換矩陣Σ為64×64的Hadamard矩陣。利用投影變換矩陣Σ對稀疏表示的原始信號x進(jìn)行預(yù)編碼，使每個(gè)子載波上都能夠攜帶經(jīng)過預(yù)編碼混合在一起的所有稀疏表示的原始信號x的數(shù)據(jù)信息。步驟四：移動(dòng)終端通過載波向基站發(fā)送數(shù)據(jù)矢量S例如，移動(dòng)終端將數(shù)據(jù)矢量S調(diào)制到N個(gè)載波(例如，N＝64)，射頻發(fā)射器通過載波信號將數(shù)據(jù)矢量S發(fā)送給基站，其中，載波傳輸信道會(huì)受到諸如自然環(huán)境、建筑物阻擋、以及人為因素等原因造成的隨機(jī)信道干擾。步驟五：根據(jù)載波選擇矩陣B選擇接收未受干擾的載波信號，獲取數(shù)據(jù)矢量y基站根據(jù)載波選擇矩陣BM×N選擇接收M個(gè)未被干擾的載波信號，其中，所選擇未受到干擾的載波數(shù)M遠(yuǎn)小于總載波數(shù)N，可以根據(jù)未受干擾的載波信號獲取數(shù)據(jù)矢量y＝[y1y2…yM]T，其可以表示為：其中，載波選擇矩陣BM×N可以是按列生成的(N-M)×N維采樣矩陣Bi(i＝1，2，...，Num)，例如，載波選擇矩陣BM×N中每一個(gè)行矢量為一個(gè)N維的單位矢量，其每一個(gè)行矢量元素中只有一個(gè)元素為1，其余元素為0，因此，y為按列采樣所得的(N-M)×1維矢量。進(jìn)一步地，由載波選擇矩陣BM×N和投影變換矩陣Σ可以獲取觀測矩陣ΦM×N；其中，觀測矩陣ΦM×N由投影變換矩陣Σ的部分行矢量構(gòu)成，其可表示為：步驟六：根據(jù)觀測矩陣ΦM×N和稀疏變換矩陣Ψ獲取感知矩陣Θ對于根據(jù)原始信號x0進(jìn)行K稀疏序列映射獲取的N×1維稀疏矢量β，以及根據(jù)采樣所獲取的(N-M)×1維矢量y，其壓縮感知模型為：y＝BM×N·S＝BM×N·ΣN×N·x＝ΦM×Nx＝ΦM×NΨ·β因此，可以根據(jù)觀測矩陣ΦM×N和稀疏變換矩陣Ψ獲取感知矩陣Θ：Θ＝ΦM×NΨ＝BM×N·ΣN×NΨ步驟七：獲取稀疏表示的原始信號x的估計(jì)信號基站以獲取的數(shù)據(jù)矢量y、感知矩陣Θ、以及稀疏度K，作為OMP重構(gòu)算法的輸入?yún)?shù)，獲取信號稀疏表示估計(jì)系數(shù)進(jìn)一步地，根據(jù)稀疏變換矩陣Ψ和所獲取的信號稀疏表示估計(jì)系數(shù)通過信號重構(gòu)獲取稀疏表示的原始信號x的估計(jì)信號x^=Ψθ^]]>步驟八：獲取原始信號x0的估計(jì)信號通過對稀疏表示的原始信號x的估計(jì)信號與sequence0、sequence1進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算(例如，解擴(kuò)運(yùn)算、Viterbi運(yùn)算等)，獲取移動(dòng)終端欲向基站發(fā)送的原始信號x0的估計(jì)信號從而實(shí)現(xiàn)受干擾信號的有效恢復(fù)。上述方法中，原始信號x0經(jīng)過序列映射后得到稀疏信號β＝[β1β2…βNum]，其稀疏度為K＝6，序列維度N＝64，再經(jīng)過稀疏反變換之后可以得到稀疏表示的原始信號x，采用Hadamard矩陣(64×64)對其進(jìn)行投影變換處理，接收端按列采用如OMP重構(gòu)算法的稀疏重構(gòu)算法對按列采樣得到的M(M＜＜N)路信號進(jìn)行恢復(fù)重建，得到估計(jì)信號將其與sequence0、sequence1做相關(guān)運(yùn)算得到移動(dòng)終端發(fā)送原始信號的估計(jì)信號通過投影變換矩陣對欲傳送的用戶數(shù)據(jù)信息矢量進(jìn)行預(yù)編碼，使得每個(gè)子載波上都能夠攜帶所有用戶的數(shù)據(jù)信息，具有良好的抗截獲性；通過靈活確定的采樣矩陣選擇接收未受干擾的載波信號，能夠?qū)崿F(xiàn)等效觀測矩陣的聯(lián)合構(gòu)造；在信號受到寬帶阻塞干擾等嚴(yán)重干擾的情況下，能夠有效地恢復(fù)原始信號，從而實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)信息的抗干擾傳輸；并且，有效利用了所傳輸信號本身的信息冗余，減小了信號傳輸?shù)膸捳加?。以上?shí)施方式僅用于說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例，而非對本發(fā)明的限制。相關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原則和范圍的情況下，做出的各種替換、變型以及改進(jìn)均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3