CN112511469A - 一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法,涉及水声通信技术领域。构建水声信道估计模型,搭建一个稀疏感知的深度神经网络,利用水声信道训练数据集对稀疏感知的深度神经网络的权重进行训练,使其能够准确学习所述水声信道稀疏特征;利用已训练的稀疏感知的深度神经网络,对待估计水声信道脉冲响应进行估计,得到水声信道脉冲响应估计值;选取水声信道脉冲响应估计值中具有最大幅值的K个元素对应的索引,得到水声信道稀疏支撑集;利用水声信道稀疏支撑集,得到水声信道脉冲响应精细化估计值。通过深度学习水声信道的稀疏特征,能够在通信条件恶劣的水声信道中,有效提高水声信道估计的精度和频谱效率,满足未来不断增长的水声通信需求。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域,尤其是涉及一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法。
背景技术
近几十年来,水声通信的应用领域日益广泛,主要包括海洋环境的监测,海洋资源的获取以及海洋军事的应用等,这促使了对水声通信的需求不断增长。然而,由于水声信道具有许多复杂的特性,包括严重的多径衰落,多普勒扩展和大的传输延迟等,所以水声信道估计一直是水声正交频分复用系统中的一个难题。
为了提高水声信道估计的精度,已有许多专利提出相关的水声信道估计方法。如中国专利公布号为CN102724147A的专利提出了一种水声正交频分复用的信道估计方法,中国专利公布号为CN109150772A的专利提出了一种基于正交匹配追踪的水声信道时延估计方法,中国专利公布号为CN109194596A的专利提出了一种基于稀疏贝叶斯学习的水声OFDM时变信道估计方法。但是,在环境噪声较强或导频测量数据不足等条件下,现有的水声信道估计方法的估计精度受限,较难以满足较高估计精度的要求。因此,需要设计一种能准确估计水声信道的方法以满足未来不断增长的水声通信需求。
为此,本发明提出基于深度学习的稀疏水声信道估计方法,该方法通过深度学习水声信道的稀疏特征,从而能够有效提高水声信道估计的精度和频谱效率。
发明内容
本发明的目的是提供利用搭建的稀疏感知的深度神经网络以深度学习水声信道的稀疏特征,并根据水声信道稀疏特征,能够在通信条件恶劣的水声信道中,有效提高水声信道估计的精度和频谱效率的一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法。
本发明包括以下步骤:
步骤1:在水声正交频分复用系统中,发射机发送长度为N的发送OFDM数据块X,经过信道脉冲响应为h的水声信道传输后,接收机接收到长度为N的接收OFDM数据块Y;在所述发送OFDM数据块X和所述接收OFDM数据块Y中,分别包括长度为Np的发送导频Xp和接收导频Yp;
步骤2:在发送OFDM数据块X和接收OFDM数据块Y中,通过提取出发送导频Xp和接收导频Yp,以构建水声信道估计模型;
步骤3:搭建一个稀疏感知的深度神经网络,利用水声信道训练数据集对所述稀疏感知的深度神经网络的权重进行训练,使其能够准确学习所述水声信道稀疏特征;
在步骤2中,所述发送导频由给出;所述接收导频由给出;所述水声信道估计模型由公式Yp=XpFph+N=Ah+N给出,其中Fp表示大小为Np×L的部分离散傅里叶变换矩阵,其第(n,k)项为h=[h1,h2,h3,…,hL]T为待估计水声信道脉冲响应,其稀疏度为K,L为待估计水声信道脉冲响应的最大时延扩展长度,N为频域加性噪声,由给出,A在稀疏恢复问题中称为测量矩阵,且A=XpFp。
在步骤3中,所述稀疏感知的深度神经网络包含若干个网络结构相同但权重不同的网络层;所述水声信道训练数据集由给出,D为训练数据的大小,其产生方式依据水声信道特性而随机产生;所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程采用逐层训练方式:当网络层数为t时,固定前t-1层的网络权重不变,初始化该层的可学习权重Bt=AT和λt=λt-1,使用反向传播算法和随机梯度下降算法联合优化Bt和λt以最小化损失函数Lt(Θ);若第t层的损失函数Lt(Θ)小于第t-1层的损失函数Lt-1(Θ),则增加网络层数t←t+1;重复所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程,直至第t层的损失函数Lt(Θ)大于第t-1层的损失函数Lt-1(Θ)时,所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程结束;得到最佳网络层数为T←t-1,最优网络权重为
在步骤4中,当利用所述已训练的稀疏感知的深度神经网络进行水声信道估计时,其输入包括所述最佳网络层数T、所述最优网络权重Θ和测试数据Ytest,通过所述已训练的稀疏感知的深度神经网络进行一次单向前馈运算,得到所述水声信道脉冲响应估计值
在步骤6中,所述水声信道脉冲响应精细化估计值的获取方法:利用所述水声信道稀疏支撑集Ω和最小二乘法求解,根据公式和得到所述水声信道脉冲响应精细化估计值其中AΩ为由所述测量矩阵A对应于所述水声信道稀疏支撑集Ω的K列构成的大小为Np×K的矩阵,为所述水声信道脉冲响应精细化估计值对应于所述水声信道稀疏支撑集Ω的部分,Ωc为所述水声信道稀疏支撑集Ω的补集,表示大小为Np×(L-K)的全0矩阵。
本发明提出一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法,搭建一个稀疏感知的深度神经网络,通过深度学习水声信道在时延域中的稀疏特征,并根据水声信道稀疏特征提高水声信道估计精度。本发明利用搭建的稀疏感知的深度神经网络以深度学习水声信道的稀疏特征,并根据水声信道稀疏特征,在通信条件恶劣的水声信道中,可有效提高水声信道估计的精度和频谱效率。
附图说明
图1为本发明实施例的稀疏感知的深度神经网络结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容,特举以下实施例详细说明。
依照本发明实施例的稀疏感知的深度神经网络结构如图1所示,利用该稀疏感知的深度神经网络能够有效提高水声信道估计精度。一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法包括以下步骤:
步骤1:在水声正交频分复用系统中,发射机发送长度为1024的发送OFDM数据块X,经过信道脉冲响应为h的水声信道传输后,接收机接收到长度为1024的接收OFDM数据块Y;在所述发送OFDM数据块X和所述接收OFDM数据块Y中,分别包括长度为64的发送导频Xp和接收导频Yp。所述发送导频Xp的导频位置由导频位置集合给出,其中任意一个导频位置为dn∈[0,1023],随机分布在1024个OFDM子载波上。
步骤2:在所述发送OFDM数据块X和所述接收OFDM数据块Y中,通过提取出所述发送导频Xp和所述接收导频Yp,以构建水声信道估计模型。所述发送导频由Xp=[X1,X2,X3,…,X64]T给出;所述接收导频由Yp=[Y1,Y2,Y3,…,Y64]T给出;所述水声信道估计模型由公式Yp=XpFph+N=Ah+N给出,其中Fp表示大小为64×256的部分离散傅里叶变换矩阵,其第(n,k)项为h=[h1,h2,h3,…,h256]T为所述待估计水声信道脉冲响应,其最大时延扩展长度L为256且稀疏度K为8,N为频域加性噪声,由N=[N1,N2,N3,…,N64]T给出,A在稀疏恢复问题中称为测量矩阵,且A=XpFp。
步骤3:搭建一个如图1所示的稀疏感知的深度神经网络,利用水声信道训练数据集对所述稀疏感知的深度神经网络的权重进行训练,使其能够准确学习所述水声信道稀疏特征。
首先,搭建一个如图1所示的稀疏感知的深度神经网络,其包含若干个网络结构相同但权重不同的网络层,其中第t层网络包括以下运算: 其中,vt为所述第t层网络的残余测量误差,btvt-1为所述第t层网络的Onsager矫正,σt为所述vt的标准差的估计值,M=64,Bt为所述第t层网络的可学习线性变换矩阵权重,为所述第t层网络的估计结果,η(·)=sgn(rt,i)max(|rt,i|-λtσt,0)为软阈值收缩函数,rt,i为所述rt的第i个元素,λt为第t层网络的可学习收缩参数权重。
其次,利用所述水声信道训练数据集对所述稀疏感知的深度神经网络的权重进行训练,使其能够准确学习所述水声信道稀疏特征。所述水声信道训练数据集由给出,训练数据的大小D为2000,其产生方式依据水声信道特性而随机产生;采用逐层训练方式对附图1中所述稀疏感知的深度神经网络进行训练:当网络层数为t时,固定前t-1层的网络权重不变,初始化该层的可学习权重Bt=AT和λt=λt-1,使用反向传播算法和随机梯度下降算法联合优化Bt和λt以最小化损失函数Lt(Θ);若第t层的损失函数Lt(Θ)小于第t-1层的损失函数Lt-1(Θ),则增加网络层数t←t+1;重复所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程,直至第t层的损失函数Lt(Θ)大于第t-1层的损失函数Lt-1(Θ)时,所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程结束;得到最佳网络层数为T=3,最优网络权重为所述稀疏感知的深度神经网络学习率设置为0.001。所述第t层的损失函数由公式给出,其中hd为第d个训练数据的水声信道脉冲响应真实值,为第d个训练数据的水声信道脉冲响应估计值,为第d个训练数据的接收导频。
步骤4:利用已训练的稀疏感知的深度神经网络,对待估计水声信道脉冲响应h进行估计。输入所述最佳网络层数T=3、所述最优网络权重Θ和测试数据Ytest,通过所述已训练的稀疏感知的深度神经网络进行一次单向前馈运算,得到所述水声信道脉冲响应估计值记作
Claims (8)
1.一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:在水声正交频分复用系统中,发射机发送长度为N的发送OFDM数据块X,经过信道脉冲响应为h的水声信道传输后,接收机接收到长度为N的接收OFDM数据块Y;在所述发送OFDM数据块X和所述接收OFDM数据块Y中,分别包括了长度为Np的发送导频Xp和接收导频Yp;
步骤2:在所述发送OFDM数据块X和所述接收OFDM数据块Y中,通过提取出所述发送导频Xp和所述接收导频Yp,以构建水声信道估计模型;
步骤3:搭建一个稀疏感知的深度神经网络,利用水声信道训练数据集对所述稀疏感知的深度神经网络的权重进行训练,使其能够准确学习所述水声信道稀疏特征;
4.如权利要求1中所述一种基于深度学习的稀疏水声信道估计方法,其特征在于在步骤3中,所述稀疏感知的深度神经网络包含若干个网络结构相同但权重不同的网络层;所述水声信道训练数据集由给出,D为训练数据的大小,其产生方式依据水声信道特性而随机产生;所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程采用逐层训练方式:当网络层数为t时,固定前t-1层的网络权重不变,初始化该层的可学习权重Bt=AT和λt=λt-1,使用反向传播算法和随机梯度下降算法联合优化Bt和λt以最小化损失函数Lt(Θ);若第t层的损失函数Lt(Θ)小于第t-1层的损失函数Lt-1(Θ),则增加网络层数t←t+1;重复所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程,直至第t层的损失函数Lt(Θ)大于第t-1层的损失函数Lt-1(Θ)时,所述稀疏感知的深度神经网络的训练过程结束;得到最佳网络层数为T←t-1,最优网络权重为
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