基于独特码符号距离的TDMA突发检测算法

彭 源, 孙超超, 张 挺, 李红娇

(上海电力大学 计算机科学与技术学院, 上海 200090)

时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)技术是一种信道复用技术,具有通信容量大、频率利用率高等特点,被广泛应用于各类网络中,如移动通信网络、卫星通信网络、输电线路热点部件探测传感网[1-2]等。它将时间分割成周期性的、互不重叠的帧,每个帧再分割成若干时隙用于发送信号。在满足定时和同步的条件下,接收端可以分别在时隙中接收到各个不同发送端的信号而互不干扰,在频谱资源日益紧张的状况下,该技术实现了信道复用,提高了信道的利用率。信道中进行的一次信号传输称为一个突发,具有突发性、短暂性等特点。对突发信号的检测能帮助使用者了解目前信道的被占用情况,有助于更好地利用空闲时隙,以及在某些系统中为攻击和干扰信道提供信息。

经典的突发检测算法主要包括匹配滤波检测(Matched Filter Detector,MFD)[3]、基于能量的检测(Energy Detector,ED)[4]和循环平稳检测(Cyclo-stationary Detector,CSD)[5-7]等。MFD算法具有较好的检测性能,但需要了解有关信号的先验知识,如其波形模板、调制方式等;ED算法计算和实现简单,但受噪声影响大,低信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)时效果不理想,但在信号发送设备日益小型化及各种因素影响的状况下,信号的SNR通常不会很高;CSD算法要求信号具有循环平稳特征,且计算复杂度高。

近年来,许多相关的检测算法被不断提出。文献[8]主要采用延时共轭相乘的方式来检测突发信号,具有一定的检测性能,但缺点在于需要模板先验,且计算复杂度较高;文献[9]针对宽带信号提出了一种基于压缩感知的检测方法,但研究重点在于整体信号,而非单个突发;文献[10] 提出了一种基于双通道和相位旋转相关计算的信号检测算法,不需要模板先验,在低SNR环境下也有较好的检测计算性,但计算复杂度较高;文献[11]提出了一种基于相位差的海事卫星TDMA突发信号检测算法,具有较好的抗频偏性能。

本文提出的算法针对具有特定独特码结构的海事卫星TDMA突发信号,利用了独特码在星座图中所展示出的特点,设计出一种基于距离度量的统计量,能够有效地区分出信号和噪声,根据仿真实验模拟概率分布以确定统计量的划分阈值。与文献[11]相比,本算法提出的统计量计算复杂度更低。

1 具有独特码结构的TDMA突发信号

TDMA突发信号通常由前导码、独特码和数据3个部分构成。其中独特码是一种不易在其他部分随机出现的、独特的位串序列,可作为突发的事件基准和帧同步依据[10]。

图1为正变相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)调制星座图及独特码符号位置。根据海事卫星宽带系统标准,在其QPSK调制星座图(横轴I路代表复数的实部,纵轴Q路代表复数的虚部)中,信号对应着图中的4个点,而独特码符号仅对应着其中的2个点[11],且位于直线I-Q=0上,如图1中点1和点4所示。

图1 QPSK调制星座图及独特码符号位置

受信道噪声和滤波器等因素的影响,接收端的星座图中,独特码符号的采样点会以较大的概率分布在点1和点4的连线上,而非独特码符号的采样点则会随机分布在任意两点连线的附近。

2 基于符号距离的检测算法

考虑基带复信号,且假设信道的噪声与干扰模型为最常见的加性高斯白噪声情形。设发送信号为s(t),信道上的高斯白噪声为w(t),则接收到的x(t)为

x(t)=s(t)+w(t)

(1)

接收端对一个信号采样得到的r个样点,经接收滤波器滤波后,x(t)信号对应的样点序列为{I,Q|i=1,2,3,…,r},其中Ii和Qi分别为x(t)信号的第i个采样点的I路数据和Q路数据。

在星座图中,本文定义接收到的符号到达直线I=Q的欧式距离为符号距离,直觉上独特码的符号距离要小于其他非独特码的符号距离。由于在具体的系统中,独特码长度是固定值,因此本文提出一种基于符号距离的独特码检测方法,简称符号距离检测法,引入新的统计量

(2)

式中:v——搜索的位置;

L——独特码长度;

r——一个独特码对应的复信号样本个数。

v可以通过式(3)估算得到

(3)

根据如下两个条件来判断是否为一个带有独特码的突发信号:

只有当这两个条件同时满足时,才能判定出现了具有独特码的突发信号。

3 仿真实验

3.1 实验设置

信号为基带复信号、采用QPSK调制;不失一般性,设置独特码的起始位置为8(0～7为前导码)、独特码序列固定、序列长为20位(40位),对应于接收到的20×18(40×18)个复信号样本(1个独特码对应着18个复样本)。对于没有独特码的突发信号,设置长度与有独特码的信号相同,同样采用QPSK调制,每个符号在4个位置中随机选取。图2为接收端收到的、加载了10 dB随机高斯白噪声的独特码和非独特码(长20个符号)的星座图。

图2 独特码和非独特码的星座图

由图2可知,独特码中采样点贴近QPSK星座点1和点4连线的位置,而非独特码则呈现出随机分布在各对星座点连线周围的趋势。

关于合理区间R,根据经验设置为正确位置(位置9)前后两个符号为合理范围,即符号位置7和11之间。

3.2 阈值计算

图3 符号距离统计量在不同SNR下的概率分布

用于检测的统计量阈值设置为图中两个分布曲线交点处的值。

3.3 检测性能

对不同的SNR,分别生成1 000个有独特码的突发信号和1 000个没有独特码的突发信号,然后计算他们的符号距离统计量,根据阈值决定是否为有独特码的突发信号。图4分别给出了检测率、虚警率与SNR的关系。另外实验也测试了独特码长度为40的情形。

图4 检测率、虚警率与SNR的关系

由图4(a)可知,算法整体具有较好的检测率,且随SNR的增加而提高;SNR相同时,检测率随独特码长度增长而增高。由图4(b)可知,SNR越大,虚警率越低;SNR相同时,增加独特码长度可以降低虚警率。

4 结 语

针对具有独特码结构的海事卫星TDMA突发信号,本文设计了一种基于符号距离的统计量和检测算法。仿真实验结果表明,该方法能有效进行突发检测,且信噪比越高、独特码越长,越有利于提高检测的性能。