深度学习在物理层信号处理中的应用研究(1)

bigbing

作者：Murph

摘要：目前针对5G通信高可靠和超高容量无线通信的需求已经引起了广泛关注与研究。然而，当前的通信系统依然受制于传统的通信理论而限制了网络性能的突破性提升。作为一项广受关注和应用的新兴技术，深度学习已经被证实有潜力处理复杂通信系统中通信问题并提高通信性能。本文主要介绍基于深度学习的物理层应用，并提出一种基于深度Q网络（DQN）的MIMO系统位置信息验证方案，接收者在多变未知的信道环境下利用深度Q网络不断更新信号检测阈值，提高信号检测的准确度，实现对发送者位置信息的确认。

关键词：深度学习，信号检测、MIMO

1 引言

随着移动流量呈现的爆发式增长、高可靠性和低时延的通信场景给当前网络带来了更大的复杂性和计算挑战。据IBM报道，移动数据量到2020年将超过40万亿Gbits，比2009年增加44倍，连接总设备量将达到500亿。为了满足这一需求，需要新的通信理论和创新技术来满足5G系统的需求。近些年深度学习范式的发展使引起了学术界和工业界对基于深度学习的无线通信技术的研究，研究结果证实了深度学习技术可以提高无线通信系统的性能，并有潜力应用在物理层进行干扰调整、信道估计和信号检测、信号处理等方面。

2 深度学习范式

深度学习的概念源于人工神经网络（ANN）的研究，由Hinton等人于2006年提出。如图1所示，深度学习通过建立具有阶层结构的ANN，往往包含一个输入层、多个隐藏层和一个输出层。每个层之间采用不同的权重与邻层之间进行连接，通过对输入信息进行逐层提取和筛选，可以实现端到端的监督学习和非监督学习 。深度神经网络包括前馈神经网络（FNN）、循环神经网络（RNN）、卷积神经网络（CNN）、对抗生成网络（GAN）和深度信念网络等。其中基于门控的RNN，例如长短期记忆（LSTM）网络对于输入有一定的记忆功能，因此常被用于物理层信号处理和信道状态信息估计等。此外，深度学习也可参与构建强化学习（RL）系统，形成深度强化学习，例如深度Q网络（DQN）[1]，可以用于对物理层信号处理策略制定的优化。

（1）长短期记忆网络

作为RNN的一个变体，长短期记忆网络可以有效解决简单循环神经网络的梯度爆炸或消失问题。RNN通过隐状态来存储历史信息。在简单的RNN中，隐状态的每个时刻都会被重写，因此可以看作是一种短期记忆。而在LSTM网络中，记忆单元保存关键信息的时间要长于短期记忆。LSTM网络引入门机制来控制信息传递的路径。门机制取值在0到1之间，来控制信息通过的比例。LSTM网络主要包括了3个门，其中遗忘门控制上一个时刻的内部状态需要遗忘多少信息；输入门控制当前时刻的候选状态保存多少信息；输出门控制当前时刻的内部状态有多少信息需要输出给外部状态。