面向MIMO系统的非合作通信侦察技术

张智锋 王艳温 任媛媛

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄 050081；2.西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在当今频谱资源日益短缺的整体趋势下，如何尽可能地提高频谱资源利用率以满足实际需求，已经成为当今无线通信领域最热门的研究方向之一。MIMO技术能够在相同带宽和功率条件下，提供更高的数据传输速率、更大的信道容量[1]和更高效的频率利用率；此外MIMO系统还可以通过在发射端使用分集技术或空时编码技术[2]，降低数据传输的误码率，提供更高的传输质量。MIMO技术的不断发展和成熟也使其在各种民用和军用无线通信系统中得到了越来越多的应用。MIMO技术在得到广泛应用的同时，也为非合作通信场景中的通信信号侦察与参数估计带来了新的技术难题。在非合作MIMO通信场景中，通信信号参数盲识别包括发射天线数目估计、空时码盲识别、盲信道估计、调制方式识别等技术难题。本文在构建非合作MIMO通信系统仿真平台的基础上，针对以上技术难题给出了相应的解决方法。

1 MIMO编码模式识别技术

现有的最大似然算法[4]无法区分具有相同分组长度和相同符号数的编码方式，而决策分类检测算法中时滞相关矩阵的计算复杂度随着采样长度成指数增加，限制了该类算法的应用，同时无法识别具有相同时滞相关矩阵的编码方式，高阶统计量识别会存在瑞利信道下识别率不高的缺陷。为了克服上述方法的缺点，提出了使用基于特征量预估计的时滞相关空时分组码盲识别[5]算法。具体的实现步骤如下：

1)步骤1：获取特征量集合；

3)步骤3：计算特征量函数值；

4)步骤4：预估计特征量，得到新空时码集合Ω′；

5)步骤5：计算接收信号的白化矩阵；

7)步骤7：计算解相关矩阵Y的时滞相关范数；

8)步骤8：计算新空时码集合Ω′中码型的时滞相关矩阵；

9)步骤9：提取判决码型。

2 MIMO盲信道估计技术

MIMO信道盲估计[6-7]的关键问题在于利用接收信号的统计信息来估计信道系数，而统计信息又分为二阶统计量和高阶统计量。基于二阶统计量[8]的子空间算法较高阶累积量算法具有更低的计算复杂度，但存在天线置换模糊的问题。本文提出了利用训练序列的时域正交性来消除天线置换模糊度的改进算法，同时由于子空间算法需要信道阶数的准确信息，又从随机矩阵的角度出发，提出了一种合适的信道阶数估计方案。实现流程图如图1所示。

图1 MIMO盲信道估计流程图

3 MIMO调制方式识别技术

MIMO调制方式识别[9-10]是在发射天线数目估计、盲同步、信道估计和模式识别等完成后，获得足够的先验信息时，对接收信号的调制方式类型进行识别。关键技术问题为提取待识别信号的特征参数，构造判决准则，将待识别信号的未知调制类型判决为已知的某种调制方式。

基于高阶累积量的识别算法[11]具有优良的抗高斯噪声性能，通过计算待识别信号的高阶累积量，通过门限判别进行调制方式识别。实现流程图如图2所示。

图2 调制方式识别实现流程图

4 测试分析

1)仿真环境构建

非合作MIMO通信系统模型包括发射机、接收机和侦听机，非合作MIMO通信场景示意图如图3所示。

图3 非合作MIMO通信场景示意图

为对侦听机接收到的通信信号进行分析，构造了如图4所示的非合作MIMO通信系统仿真平台[3]。

图4 非合作MIMO仿真平台示意图

通过对基带信号进行调制、空时编码等处理后发射出去，经过MIMO信道，由侦听机接收并进行采样及参数估计。仿真流程图如图5所示。

图5 非合作MIMO系统仿真流程图

2)对提出的MIMO空时码识别算法的性能进行了仿真分析。空时编码集{OSTBC8(1/2)，SM}，发射天线数目8，接收天线数目16。

由图6可以看出，当信噪比为5dB时即可实现90%以上的正确识别率，信噪比高于8dB时正确识别率即可收敛为1。

图6 空时码识别性能曲线

3)对提出的MIMO盲信道估计算法的性能进行了仿真分析，并给出了与真实信道参数的均方误差。

由图7可以看出，基于时域正交训练序列消除天线置换模糊度的子空间算法可以在较低的信噪比条件下实现准确的信道估计。

图7 盲信道估计性能曲线

4)对提出的MIMO调制方式识别算法的性能进行了仿真分析。调制方式集{BPSK,QPSK,8PSK,8QAM}，发射天线数目8，接收天线数目16。

由图8可以看出，对于BPSK调制方式，在大于3dB时正确识别率即大于90%；对于QPSK和8PSK两种调制方式，算法的识别性能基本一致，在大于9dB时即可达到90%正确率；8QAM则在信噪比8dB以上均能达到90%的正确识别率。

图8 调制方式识别性能曲线

5 结束语

针对MIMO系统的非合作通信侦察技术，提出了合理的技术方案，搭建软件仿真测试平台。对涉及的MIMO编码模式识别、盲信道估计、调制方式识别等关键技术进行了研究分析，给出了实现流程和仿真结果。本文的研究成果可用于战术无线通信系统安控，信息栅格网信息对抗，民用无线网络安全监控等。