大數(shù)據(jù)背景的光纖通信流量異常辨識(shí)研究

徐學(xué)博 李 強(qiáng) 廖穆鋒

1.中國(guó)人民解放軍31401部隊(duì) 吉林 白城 137000；2.中國(guó)人民解放軍31401部隊(duì) 吉林 梅河口 135000

引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代背景下,社會(huì)逐漸全面邁入小康社會(huì),我國(guó)通訊行業(yè)迅猛發(fā)展,社會(huì)進(jìn)入信息化的時(shí)代。在此時(shí)的時(shí)代背景下,光纖通訊技術(shù)迅猛發(fā)展,大幅提高了通訊效率和通訊質(zhì)量,成為了如今得到最為運(yùn)用廣泛的現(xiàn)代通訊方式。其與傳統(tǒng)電信通信有較多優(yōu)勢(shì),因此備受人們關(guān)注。本文主要描述了我國(guó)光纖通信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀。

1 光纖和光纖通訊技術(shù)概念

所謂光纖就是,光導(dǎo)纖維的一種縮寫形式。光線的材料根據(jù)材料分為塑料光纖和玻璃光纖,其皆具備傳播光的特性。光的全反射原理是光纖通訊中最基本的原理,光脈通過發(fā)光二極管等裝置發(fā)射到光纖傍邊,另一側(cè)的光纖則通過光敏原件檢測(cè)脈沖來完成信息傳輸。光纖是一類特殊的波導(dǎo),其設(shè)計(jì)用于在低損耗下長(zhǎng)距離傳輸寬光譜的光輻射,從紫外到遠(yuǎn)紅外。光纖技術(shù)的發(fā)展,主要是由長(zhǎng)途電話運(yùn)營(yíng)商所希望的廉價(jià),低噪聲,高可靠性的傳輸系統(tǒng)。幸運(yùn)的是,許多其他領(lǐng)域,特別是激光血管成形術(shù),也受益。光纖通訊,就是利用光波信息載體,使用光纖原理信息傳輸?shù)默F(xiàn)代通信技術(shù)。隨著極低損耗光纖的發(fā)展及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,在過去的40年里發(fā)生了一場(chǎng)革命。2001,使用玻璃纖維作為傳輸介質(zhì)和光波作為載波,信息的速度超過1Tbit/s傳輸(這大約相當(dāng)于約1500萬(wàn)同時(shí)電話傳輸)通過一個(gè)細(xì)如發(fā)絲的光纖。演示實(shí)驗(yàn)的傳輸在14Tbit/s的速率超過160公里長(zhǎng)的單纖維被證明在2006,相當(dāng)于1S.最近記錄超過100Tbit/s傳輸超過165公里的單模光纖已發(fā)送140個(gè)數(shù)字高清電影。這些可以看作是極其重要的技術(shù)成果。在這一章中我們將討論具有特殊應(yīng)用的光纖通信系統(tǒng)光纖的傳輸特性也存在的一些非通信應(yīng)用如傳感。

2 光纖通信技術(shù)的基本特點(diǎn)

光纖通信技術(shù)在1966年7月由英籍華人高錕與英國(guó)人霍克曼·霍克哈姆首先提出,到1970年美國(guó)康寧玻璃工廠首次制造出光纖,1975年開始出現(xiàn)實(shí)用化的光纖通信。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,到今天已經(jīng)成為全球?qū)拵畔⒌闹饕獋鬏斴d體。光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)送機(jī)、光纖、光中繼器以及光接收機(jī)組成,由光發(fā)送機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào),再耦合到光纖線路中進(jìn)行傳輸。為了防止光信號(hào)被損耗或夾雜噪音,需要在光纖線路中設(shè)置光中繼器以補(bǔ)充損耗的幅度并對(duì)光波進(jìn)行整形。光纖線路末端連接光接收機(jī),將光信號(hào)重新轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),從而完成信息傳輸。光纖通信的主要優(yōu)勢(shì)在于光波的頻率極高,使得傳輸頻帶遠(yuǎn)大于電通信和無(wú)線通信,并且損耗率低,光纖信號(hào)傳輸15km 后才衰減為初始幅度的一半。光纖的質(zhì)量也比電纜輕得多,運(yùn)輸與鋪設(shè)較方便。光信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng),極少發(fā)生信息丟失和失真,也容易進(jìn)行保密處理。此外,光纖線路中使用的材料都是絕緣體,傳輸過程中不會(huì)形成電流,光波也不易發(fā)生泄漏,從而避免了不同線路之間互相干擾的問題。相對(duì)于電纜線路來說,光纖線路使用的二氧化硅材料不但價(jià)格低廉,而且污染較小,抗腐蝕性也較強(qiáng),系統(tǒng)壽命也長(zhǎng),因此各方面的成本都能夠大大降低。不過,光纖通信也存在一些缺點(diǎn),例如光纖的切斷與連接都需要通過專業(yè)工具才能完成,技術(shù)門檻較高,光纖分路與耦合器件的制造成本也比較昂貴。怎樣克服這些缺點(diǎn),是未來光纖技術(shù)發(fā)展的重要難題。

3 大數(shù)據(jù)背景的光纖通信流量異常辨識(shí)研究方法

基于上小節(jié)獲取的光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量,采用小波變換對(duì)光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)行去噪。將挖掘到的光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)用z(t)描述,由于外界因素的影響,光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)會(huì)遭到相應(yīng)的噪聲c(t)所干擾。z(t)能夠表達(dá)成:

式中,有用的光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量用u(t)來描述；噪聲程度用θ描述。基于具備噪聲的光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量z(t),使用小波變換對(duì)其進(jìn)行多尺度變換,獲取不相等的小波系數(shù)。選取一個(gè)較為合適的閾值過濾最小的小波系數(shù),獲取有用的光纖通信網(wǎng)絡(luò)流量。閾值數(shù)的選取方法是:

大數(shù)據(jù)背景的光纖通信流量的去噪流程圖用圖1來描述:

4 性能分析

為進(jìn)一步分析本文方法的性能,采用本文方法與空時(shí)網(wǎng)格碼方法、載荷定位與檢測(cè)方法進(jìn)行各方面性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。(1)魯棒性分析。統(tǒng)計(jì)三種方法的魯棒性,本文方法的魯棒性走勢(shì)始終位于空時(shí)網(wǎng)格碼方法和載荷定位與檢測(cè)方法的上方,本文方法的魯棒性始終高于95%,其中最大值高達(dá)99.99%,最低值為99.56%；空時(shí)網(wǎng)格碼方法的魯棒性最大值為78.67%,最小值為73.21%；載荷定位與檢測(cè)方法的魯棒性最大值為66.56%,最小值為55.45%。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知,本文方法的魯棒性最高。(2)準(zhǔn)確率分析。分別對(duì)5種不同時(shí)間窗口進(jìn)行異常流量辨識(shí),實(shí)驗(yàn)次數(shù)為7次,統(tǒng)計(jì)三種方法對(duì)大數(shù)據(jù)背景的光纖通信流量異常辨識(shí)準(zhǔn)確率數(shù)據(jù),用表1描述。分析表1數(shù)據(jù)可知,在對(duì)5種不同時(shí)間窗口進(jìn)行7次異常流量辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)中,本文方法對(duì)大數(shù)據(jù)背景的光纖通信流量異常的辨識(shí)準(zhǔn)確率均值為99%以上,與空時(shí)網(wǎng)格碼方法對(duì)比后,比空時(shí)網(wǎng)格碼方法高約16%；同理與載荷定位與檢測(cè)方法比較后,比載荷定位與檢測(cè)方法高約24%。說明本文方法的辨識(shí)準(zhǔn)確率最高。

結(jié)束語(yǔ)

光纖通信網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)成為信息傳輸?shù)闹饕緩?對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到極為重要的作用。由于以往采用空時(shí)網(wǎng)格編碼方法辨識(shí)大數(shù)據(jù)背景的光纖通信異常流量時(shí),大數(shù)據(jù)背景中存在各類噪聲干擾,導(dǎo)致異常流量的辨識(shí)結(jié)果精度較低。所以,本文研究大數(shù)據(jù)背景的光纖通信流量異常辨識(shí)方法,通過大數(shù)據(jù)背景的光纖通信流量挖掘模型挖掘光纖通信流量,由于大數(shù)據(jù)環(huán)境中存在各種各樣的噪聲會(huì)影響辨識(shí)準(zhǔn)確率,所以本文采用小波變換對(duì)光纖通信流量進(jìn)行去噪處理,以此提升辨識(shí)準(zhǔn)確率,最后通過相對(duì)熵辨識(shí)光纖通信流量異常。