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专利号: 2020114514580
申请人: 齐鲁工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:步骤1:基于OFDM无线通信系统框架生成ChannelEstNet和SignalDetNet所需的数据集。ChannelEstNet数据集的特征信息来自发送信号的导频处信道频域、接收信号的导频信息,根符号处的信道响应矩阵分配标签。SignalDetNet数据集特征信息来自ChannelEstNet输出的信道估计信息、接收信号信息,根据原发送符号分配标签。

步骤2:将步骤1所述的两个模型的数据集样本进行归一化处理,并且重新分为12000组训练集用于离线训练,3000组验证集用于验证模型的性能和2000组测试集用于网络性能的在线测试;

步骤3:基于步骤2中所述的训练样本数据,利用线性判别分析(LDA)算法对特征信息进行线性降维,将多种维度的特征信息作为ChannelEstNet和SignalDetNet网络模型的输入;

步骤4:将步骤3中所述数据中接收信号中的导频信息和发送端的导频信息输入到ChannelEstNet网络中进行自学习,接收信号信息以及ChannelEstNet估计的信道信息CSI输入到SignalDetNet中进行自学习,两者都是将深度学习网络与通信算法结合,以类似于常规通信系统的逐块信号处理方式构造,其中ChannelEstNet子网络DNN‑1的初始化由LMMSE和LS设置权重,SignalDetNet网络对LSTM待处理数据采用ZF预检测处理。

步骤5:ChannelEstNet采用接收导频和已知的发送导频输入MMSE预处理生成的导频处信道信息参数hMMSE进行DNN‑1训练生成初步估计的OFDM符号处信道频域状态信息,将该信道频域状态参数进行IDFT时域平滑去噪声,DFT转换至频域后进行DNN‑2训练得到最终的信道状态信息,接下来将信道估计信息和接收的数据符号进行ZF检测处理生成初步估计的已调信号XZF,结合估计信息和接收数据信号输入SignalDetNet子网络LSTM+DNN中进行信号检测模型训练。

步骤6:根据由步骤1、步骤2、步骤3、步骤4和步骤5所建立的模型替代OFDM系统的接收端信道估计和信号检测部分进行在线测试。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于:所述步骤2中对数据集的处理,先进行归一化处理,训练方式以复数形式数据输入神经网络,信道数据将实部虚部独立拆分存储。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于:所述的OFDM无线通信系统中导频的插入采用自适应导频分配方法如下:(1)K=1,选择第K帧数据采用导频占子载波最小比例传输;

(2)在接收端根据第K帧数据得到估计的信道参数确定要下一帧所采取的导频与数据占比MK;

(3)K=K+1,发送端根据导频与数据占比数MK,在第K帧数据插入导频;

(4)跳转至步骤(2)估计信道参数判断下一帧导频占比。

4.根据权利要求1所述的一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于:所述步骤3中线性判别分析(LDA)算法对特征信息进行线性降维包括以下步骤:步骤3.1:计算数据集中每个类别样本的均值向量μj以及总体均值向量μ。

步骤3.2:计算内散度矩阵Sw,全局散度矩阵St,然后得到类间散度矩阵Sb=St‑Sw。

步骤3.3:对矩阵 进行特征值分解,将特征值从大到小排列。4步骤3.4:将特征值从大到小排列前n个特征向量w1,w2,…,wn,通过以下映射把N维样本映射到n维:

5.根据权利要求1所述的一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于:所述步骤4中,信道估计模块:ChannelEstNet采用模型驱动型深度学习构建方法,由DNN网络结合基于DFT的MMSE估计器组合构成,其中子网络DNN‑1共5层,其中3层隐含层,每层神经元的数量为16,1024,1024,1024和128;子网络DNN‑2共3层,每层神经元的数量为128,1024,

128,激活函数均为Tanh。

6.根据权利要求1所述的一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于:所述步骤4中,信号检测模块:SignalDetNet通过型驱动型深度学习构建方法,由ZF检测器、LSTM网络和FC‑DNN网络组合构成,其中LSTM子网络有3层隐含层,时间步长设置为64,分别有30、20、16个隐含单元,状态激活函数是Relu函数;FC‑DNN子网络有3层分别有64、64和48个神经元,激活函数采用Sigmoid函数。

7.根据权利要求1所述的一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于:所述步骤5中,ChannelEstNet和SignalDetNet的训练过程包括以下步骤:步骤5.1:将12000组的样本数据输入ChannelEstNet训练,采用均方误差成本函数优化获得最佳权值和偏置值,训练2000个时期(Epochs),学习率被设置为阶梯函数,初始值设为为0.001,每1000个时期减少10倍学习率。

步骤5.2:固定ChannelEstNet模型来训练SignalDetNet,采用自适应矩估计优化器(Adam)获得最佳权值和偏置,训练5000个时期,学习率初始值设为为0.001,每2000个时期减少5倍。

步骤5.3:上述网络优化方法采用MSE损失函数以及Adam优化器。

步骤5.4:将3000组验证集特征信息对所建立网络模型性能进行验证。

8.根据权利要求7一种基于模型驱动深度学习的信号检测方法,其特征在于:所述ChannelEstNet训练的方法为:对ChannelEstNet模型子网络DNN‑1的初始化,通过线性最小均方误差(LMMSE)算法设置权重矩阵 其中