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交叉熵迭代辅助的跳时图案估计与多跳相干合并算法

苗夏箐 吴睿 岳平越 张瑞 王帅 潘高峰

苗夏箐, 吴睿, 岳平越, 张瑞, 王帅, 潘高峰. 交叉熵迭代辅助的跳时图案估计与多跳相干合并算法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240677
引用本文: 苗夏箐, 吴睿, 岳平越, 张瑞, 王帅, 潘高峰. 交叉熵迭代辅助的跳时图案估计与多跳相干合并算法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240677
MIAO Xiaqing, WU Rui, YUE Pingyue, ZHANG Rui, WANG Shuai, PAN Gaofeng. Cross-Entropy Iteration Aided Time-Hopping Pattern Estimation and Multi-hop Coherent Combining Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240677
Citation: MIAO Xiaqing, WU Rui, YUE Pingyue, ZHANG Rui, WANG Shuai, PAN Gaofeng. Cross-Entropy Iteration Aided Time-Hopping Pattern Estimation and Multi-hop Coherent Combining Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240677

交叉熵迭代辅助的跳时图案估计与多跳相干合并算法

doi: 10.11999/JEIT240677
详细信息
    作者简介:

    苗夏箐:男,博士,研究方向为卫星通信、安全通信

    吴睿:男,硕士生,研究方向为卫星通信

    岳平越:男,博士后,研究方向为卫星通信

    张瑞:女,博士,研究方向为空天隐蔽通信、卫星通信、太赫兹通信、纳米传感器网络

    王帅:男,教授,研究方向为卫星通信、抗干扰通信、抗侦测通信、飞行器协同数据链、卫星载荷专用测试技术、数据链专用测试技术

    潘高峰:男,博士,研究方向为面向空天信息网络的信号处理、性能建模与优化、安全传输策略设计

    通讯作者:

    张瑞 rui.zhang@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TN92

Cross-Entropy Iteration Aided Time-Hopping Pattern Estimation and Multi-hop Coherent Combining Algorithm

  • 摘要: 作为全球化通信网络的重要组成部分,卫星通信因其能够实现全球无缝覆盖和构建天地一体化信息网络而备受关注。跳时(TH)作为一种常用的卫星通信方式,具备强大的抗干扰能力、灵活的频谱利用和高安全性。该文提出一种适用于卫星通信的TH图案随机变化系统,以进一步增强数据传输过程的安全性。针对发射功率受限的问题,该文提出多跳信号相干合并策略,并进一步在该策略指导下,面对接收信号信噪比(SNR)低的约束,提出了交叉熵(CE)迭代辅助的跳时图案与多跳载波相位联合估计算法,以合并信噪比损失为目标函数,自适应调整待估参数的概率分布,从而快速收敛至最优解附近。仿真实验证明了该算法在迭代收敛速度、参数估计误差以及合并解调误码率等方面的优异性能。与传统算法相比,所提算法在保持较低复杂度的同时,误码率(BER)性能接近理论最优,有效提高了卫星TH通信系统在复杂环境下的稳定性和可靠性。
  • 图  1  跳时通信时隙结构示意图

    图  2  交叉熵迭代辅助的跳时图案估计与相干合并算法框图

    图  3  $ {N_{\rm e}}/{N_{\rm c}} $对合并信噪比损失收敛性能的影响

    图  4  跳时码的估计正确率

    图  5  载波相位估计RMSE

    图  6  不同相位量化位数的解调误码率

    图  7  所提算法与网格遍历法的误码率对比

    图  8  不同跳时码变化范围的合并信噪比损失

    图  9  不同跳数合并的误码率性能

    1  交叉熵迭代辅助的跳时图案估计与相干合并算法

     输入:载波初相和跳时码的量化候选组数$ {N_{\rm c}} $,优选组数$ {N_{\rm e}} $,平滑系数$ \alpha $,最大迭代次数$ {I_{\max}} $,$ {N_{\rm f}} $帧数据,载波初相量化比特位数$ {D_1} $,
     跳时码量化比特位数$ {D_2} $;
     初始化:$ {N_{\rm f}} $帧信号的载波初相和跳时码量化比特生成概率$ {\hat {\boldsymbol{p}}^1} = 0.5 \times {{\bf{1}}_{1 \times {N_{\rm f}}({D_1} + {D_2})}} $,$ {\hat {\boldsymbol{p}}^i} $元素为0或1的个数$ M = 0 $,迭代次数$ i = 1 $;
     while $ M \lt {N_{\rm f}}({D_1} + {D_2}) $ && $ 1 \le i \le {I_{\max}} $ do
     (1) 根据概率$ {\hat {\boldsymbol{p}}^i} $生成$ {N_{\rm c}} $组候选组参数向量;
     (2) 根据每组参数向量对$ {N_{\rm f}} $帧数据分别进行时隙选择与载波初相补偿,并进行多跳信号的相干合并;
     (3) 对每组参数向量得到的合并信号进行合并信噪比损失估计,将共$ {N_{\rm c}} $组估计结果按照从小到大排序;
     (4) 取合并信噪比损失最小的前$ {N_{\rm e}} $组作为优选组,计算优选组量化比特为1的概率$ {{\boldsymbol{p}}^{i + 1}} $,更新概率向量$ {\hat {\boldsymbol{p}}^{i + 1}} $;
     (5) 将合并信噪比损失最小的一组参数向量记为$ {\boldsymbol{q}}_{{\mathrm{tmp}}}^i $,其损失记为$ \gamma _{{\mathrm{tmp}}}^i $;
       if $ i = = 1 $ then
         $ {{\boldsymbol{q}}_{{\mathrm{opt}}}} = {\boldsymbol{q}}_{{\mathrm{tmp}}}^i $; $ {\gamma _{\min }} = \gamma _{{\mathrm{tmp}}}^i $;
       else if $\gamma _{{\mathrm{tmp}}}^i \lt {\gamma _{\min }}$ then
         $ {{\boldsymbol{q}}_{{\mathrm{opt}}}} = {\boldsymbol{q}}_{{\mathrm{tmp}}}^i $; $ {\gamma _{\min }} = \gamma _{{\mathrm{tmp}}}^i $;
     end if
     (6) 更新$ {\hat {\boldsymbol{p}}^{i + 1}} $元素为0或1的个数$ M $,$ i = i + 1 $;
     end while
     输出:$ {N_{\rm f}} $帧载波初相和跳时码的最优组合$ {{\boldsymbol{q}}_{{\mathrm{opt}}}} $
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    表  1  仿真参数

    参数名称 参数设置
    调制方式 BPSK
    信道类型 AWGN
    跳数 2, 4, 8
    每时帧的时隙数 4, 16, 32, 64
    每跳的符号数 1 000
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    表  2  不同跳时码变化范围的搜索次数

    跳时码量化位数456
    候选组数60012002100
    迭代次数303851
    所提算法搜索次数(相位5 bit量化)18 00045 600107 100
    遍历法搜索次数(相位3 bit量化)256264272
    遍历法搜索次数(相位4 bit量化)264272280
    遍历法搜索次数(相位5 bit量化)272280288
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-31
  • 修回日期:  2024-12-17
  • 网络出版日期:  2024-12-20

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