電子通信網(wǎng)絡(luò)雙頻突變信號抗干擾預(yù)測方法

鮮 娟，張宗琪，諶 麗，陳俊霖*

(1. 重慶移通學(xué)院通信與信息工程學(xué)院，重慶 401520；2. 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

1 引言

現(xiàn)階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和移動通信大范圍應(yīng)用，用戶規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)信息量隨之不斷增大。為滿足用戶日益增長的使用需求，需要不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)儲存容量，在此背景下，通信網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)漏洞，抵抗外界干擾能力變?nèi)酢４罅吭肼暭案哳l信號等干擾項嚴重影響通信質(zhì)量，還會使信號頻發(fā)突變，降低信息傳輸及存儲效率，出現(xiàn)鏈路斷連現(xiàn)象，打破原有的信號頻譜平衡。基于此，需要模擬預(yù)測通信網(wǎng)絡(luò)中的雙頻突變信號，預(yù)先捕捉到發(fā)生突變的節(jié)點位置，采取相應(yīng)處理措施，抑制突變信號波動，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

文獻[1]提出一種基于帶外雙頻干擾突變信號預(yù)測模型，利用信號的數(shù)據(jù)收發(fā)機制，捕捉突變信號在每個收發(fā)時刻下的特征表現(xiàn)，分析特征間的線性關(guān)系，得出基準(zhǔn)特征閾值，將其作為判定依據(jù)，完成下一時刻突變信號的預(yù)測。該方法不能實現(xiàn)干擾項的有效阻斷，缺乏持續(xù)性和完成性；文獻[2]提出基于EO SAR雙頻動態(tài)目標(biāo)突變信號預(yù)測方法。通過雙頻道信號的離散特征，對信號間的歐式距離進行校正分析，得出動態(tài)判定閾值，實現(xiàn)預(yù)測。該方法不具有實時性和穩(wěn)定性，忽略了干擾項的影響，整體算法預(yù)測精準(zhǔn)度不高。

綜合上述問題，本文綜合考慮強干擾環(huán)境特征，預(yù)先對發(fā)生突變的雙頻信號進行捕捉分析，得出干擾項對其的影響及信號的預(yù)后狀態(tài)，減少后續(xù)過程的誤測率，提高準(zhǔn)確性。通過突變信號實測距離及突變幅值作為參考基準(zhǔn)，建立預(yù)測模型，根據(jù)信號的狀態(tài)矢量分析結(jié)果實現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測。該模型能夠有效識別出突變信號的特征閾值，具有極強的抗干擾性及穩(wěn)定性，計算過程直觀簡單，適用范圍較為廣泛。

2 雙頻突變信號實時特性分析

對強干擾環(huán)境下的歷史雙頻突變信號進行捕捉分析，研究其信號強度、頻譜及信道狀態(tài)特征，方便后續(xù)預(yù)測減少誤差、提高效率。本文采用的GNSS(Global Navigation Satellite System全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))中的定位技術(shù)，對L1C/L2C通信信道[3]中，雙頻突變信號進行正交轉(zhuǎn)換時形成的輔助量大小進行計算，具體表達公式為

(1)

式中，f1和f2均表示不同信道雙頻接收機制的信號值；當(dāng)發(fā)生正常雙頻信號發(fā)生突變時，形成的雙信道中心相位頻率分別為φ1和φ2，此時，輸出的載波相位[4]可用以下形式表示

Δφ1=φs1＿m+φ1res+φion1+φr＿m1+φother1

(2)

Δφ2=φs2＿m+φ2res+φion2+φr＿m2+φother2

(3)

式中，Δφ1、Δφ2表示雙信道對應(yīng)的雙頻道相位頻率；φs1＿m、φs2＿m表示雙信道對應(yīng)雙頻道引起的多普勒運動[5]；φ1res、φ2res表示雙頻道引起的相位載波變化；φion1、φion2表示雙頻道引起信號抖動的數(shù)值；φr＿m1、φr＿m2表示雙頻道引起的熱燥聲[6]；φother1、φother2表示雙頻道引起的頻率變化。

經(jīng)過上述關(guān)鍵參數(shù)的計算及描述，可得到以下關(guān)系

(4)

(5)

(6)

將式(6)代入到式(4)和(5)中經(jīng)過計算可得

(7)

(8)

3 強干擾下電子通信網(wǎng)絡(luò)雙頻突變信號預(yù)測模型

對于一般的電子通信網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)受到高強度的外界干擾時，噪聲信號會通過網(wǎng)絡(luò)漏洞進入到內(nèi)部環(huán)境中，逐漸侵入信道及鏈路，造成阻塞傳輸現(xiàn)象。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)的接收機制處于截止、飽和或斷連等特殊狀態(tài)時，干擾信號就會從線性信號轉(zhuǎn)換為非線性信號。對于雙頻信號來說，此時的線性轉(zhuǎn)變會影響雙頻譜[9]的正常波動，變?yōu)橥蛔冃盘枴８鶕?jù)上述突變過程的解釋，建立預(yù)測模型如下。

假設(shè)，正常信號值為us=Uscosωst；突變信號值為ui=Uicosωit，由于電子通信網(wǎng)絡(luò)中各個信號值的幅值增益[10]不同，當(dāng)觸發(fā)到網(wǎng)絡(luò)敏感機制時，二者信號可表示為

u(t)=AsUscosωst+AiUicosωit

(9)

公式中，u(t)為正常信號和突變信號的統(tǒng)一狀態(tài)表示；As和Ai分別表示正常和突變信號的實時波頻；Us和Ui分別表示正常和突變信號的幅值；t表示參考時間，采用矢量標(biāo)記法[11]將上述信號值進行繪制描述，如圖1所示。

圖1 正常信號和突變信號之間的疊加關(guān)系

根據(jù)圖1可知，ωd(t)=ωs(t)-ωi(t)中，ωs(t)表示正常信號增益；ωi(t)表示突變信號增益；ωd(t)表示增益和。由于突變信號間的調(diào)頻距離較近，ωd(t)與ωs(t)、ωi(t)之間相差三個單位的數(shù)量等級。一般情況下，突變信號的波動幅值要大于正常信號的波動幅值，根據(jù)該特點，可將u(t)表示為以下形式

u(t)=R(t)cos(ωit+θ)

(10)

式中，R(t)表示信號的時刻集合，具體表達公式為

R(t)[(AsUssinωst+AiUisinωit)2+

(AsUscosωst+AiUisosωit)2]

(11)

(12)

式中，θn表示理想型狀態(tài)，通信信道中波頻及幅值等參數(shù)的變化關(guān)系。如果通信網(wǎng)絡(luò)接收機制的幅值上限為Um；實時增益[12]為K，那么當(dāng)AsUs+AiUiUm時，上述理想狀態(tài)下信號的輸出幅值就為KR(t)；當(dāng)AsUs+AiUi≥Um時，信號的輸出幅值就為上限值Um，此時，通信信道的最終輸出信號值就為

(13)

利用傅里葉函數(shù)進行展開計算可得

(14)

公式中，Jf表示通信網(wǎng)絡(luò)中的第f階段處的傅里葉函數(shù)，由于網(wǎng)絡(luò)中信號接收機制具有一定的選擇性及過濾性，只有正常的雙頻信號才能進入通道。所以，利用該特點，令階級數(shù)f為1，此時信道中的信號分量就可表示為：

(15)

此時，正常信號的分量Km數(shù)值就為：

(16)

基于此，可得正常信號實時增益、與其自身上限幅值Um及突變信號的上限幅值Ui存在一定關(guān)聯(lián)。當(dāng)突變信號的幅值慢慢增大時，正常信號的實時增益就會逐漸趨近于0，就可認為雙頻信號出現(xiàn)干擾影響，會發(fā)生突變，造成信道阻塞。同理，當(dāng)兩個干擾因素同時作用于正常信號時，按照文中給出的矢量法分析法進行增益疊加，如圖2所示。

圖2 干擾因素之間的疊加關(guān)系

從圖2中可以看出，與正常信號和突變信號之間的疊加關(guān)系同理，推導(dǎo)出干擾因素U′1和U′2，會使正常的雙頻信號發(fā)生突變，當(dāng)這兩個因素同時作用于正常信號時，可得：

(17)

公式中，表示干擾效應(yīng)系數(shù)，當(dāng)檢測到通信網(wǎng)絡(luò)中，該系數(shù)S≥1時，就表示信道中的正常雙頻信號處于臨近突變狀態(tài)；當(dāng)S<1時，表示已經(jīng)發(fā)生了突變現(xiàn)象。

4 實驗研究

4.1 實驗背景

本文將以河南省某市區(qū)內(nèi)的校園局域網(wǎng)絡(luò)作為背景進行突變信號強度預(yù)測實驗。為保證實驗數(shù)據(jù)的可參考性及合理性，將預(yù)先在校園外部設(shè)置大量專業(yè)干擾器械，計算雙頻信號發(fā)生突變的平均干擾距離，并確定通信網(wǎng)絡(luò)可接收到干擾信號的最大范圍。本文采用的干擾設(shè)備是目前最為先進的N99912A電磁波射頻儀器，通過電磁輻射干擾電網(wǎng)中正常信號的運行波頻，導(dǎo)致信號發(fā)生突變現(xiàn)象。

為提高實驗結(jié)果優(yōu)異程度的對比性，針對干擾值設(shè)置干擾屏蔽器，分別預(yù)測屏蔽前后校園網(wǎng)雙頻突變信號的強度變化，與帶外雙頻干擾預(yù)測法、動態(tài)目標(biāo)預(yù)測法進行對比分析。以屏蔽前后突變信號的實測強度作為理論依據(jù)，可直觀反映三種算法的優(yōu)異性。

干擾器及屏蔽器的具體設(shè)置步驟為：在校園外的最大干擾范圍內(nèi)取任意一點放置干擾器，初始的射頻帶寬為970～980MHz，在距離干擾器100m～300m處放置屏蔽器，初始信號射頻帶寬為1250～1350MHz。在屏蔽器開啟前后分別檢測50個節(jié)點的當(dāng)下信號值，作為實測值。在預(yù)測過程中，為了提高實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，會選擇在晴天進行，避免暴雨、刮風(fēng)等自然現(xiàn)象影響網(wǎng)絡(luò)信號強度變化。

干擾器的工作原理為通過外界的材質(zhì)來引起磁場變化進而改變通信網(wǎng)絡(luò)的信號波頻，干擾所需的材質(zhì)及關(guān)鍵參數(shù)如下表1所示。

表1 干擾設(shè)置所需關(guān)鍵參數(shù)

4.2 時域有限差預(yù)測結(jié)果對比

將三種方法的實驗結(jié)果及屏蔽前后的實測數(shù)值以曲線的形式分布在網(wǎng)格圖像中，通過對比方式得出各類方法預(yù)測的優(yōu)異程度，實驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 屏蔽前三種方法預(yù)測結(jié)果比對

從圖3中可以看出，干擾器屏蔽前，校園周圍每個測試點的通信網(wǎng)絡(luò)雙頻突變信號強度均發(fā)生了變化，整體波動幅度較大，存在一定的不穩(wěn)定性，上下限峰值差距過大。根據(jù)對比實驗結(jié)果可知，本文方法符合這一變化，預(yù)測曲線與實測曲線分布一致，信號峰值變化位置基本相同。另外兩種方法的預(yù)測結(jié)果顯然與實測結(jié)果不相符，曲線整體走勢平穩(wěn)與實測曲線吻合度較低，沒有出現(xiàn)明顯峰值。說明這兩種算法沒有實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測，主要原因就是忽略了信號突變時相位載波及頻率等關(guān)鍵參數(shù)的變化，再進行預(yù)測沒有代入計算，導(dǎo)致預(yù)測誤差較大，影響預(yù)測精度。

圖4 屏蔽后三種方法預(yù)測結(jié)果比對

從圖4中可以看出，不受干擾器的影響時，突變信號強度值明顯變?nèi)酰啾绕帘吻跋陆盗?5～55dB，曲線整體的波動也相對穩(wěn)定一些，相鄰測試點間波峰差值較小。對比三種方法與實測曲線的差距，本文方法是其中統(tǒng)一度最高的，曲線波動情況基本一致，信號強度也同樣下降了45～55dB。另外兩種方法的預(yù)測結(jié)果與屏蔽前相比，下降幅度不明顯且與實測值曲線貼合度較低。實驗結(jié)果說明算法存在一定誤差，使得預(yù)測質(zhì)量降低。

4.3 預(yù)測誤差對比

預(yù)測誤差作為對比實驗結(jié)果質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，分為不足預(yù)測及過度預(yù)測，其中，過度預(yù)測是指預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)了超出實際范圍的現(xiàn)象；不足預(yù)測是指沒有發(fā)生符合預(yù)測現(xiàn)象的實際移動。根據(jù)這兩種對比指標(biāo)，對三種方法進行對比分析，預(yù)測總次數(shù)為10000次。實驗結(jié)果如下圖5所示。

圖5 預(yù)測誤差對比

根據(jù)圖5可知，無論是不足預(yù)測還是過度預(yù)測結(jié)果對比，本文方法均表現(xiàn)較優(yōu)。而另外兩種文獻方法，無論是過度及不足的表現(xiàn)結(jié)果都較差，預(yù)測精度不夠理想。實驗表明本文方法的預(yù)測精度較高，這主要是因為：本文在預(yù)測前預(yù)先分析了通信網(wǎng)絡(luò)雙頻信號發(fā)生突變時產(chǎn)生的誤差及參數(shù)影響，減少后續(xù)預(yù)測的誤檢率，降低差值干擾。

6 結(jié)論

為解決因通信網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾而出現(xiàn)的雙頻信號突變問題，本文從網(wǎng)絡(luò)信號工作機理出發(fā)，分析突變時可能出現(xiàn)的過熱反應(yīng)、頻譜不一等效應(yīng)影響參數(shù)，降低預(yù)測范圍、提高準(zhǔn)確率。在此基礎(chǔ)，采用增益分析法具體計算正常信號和干擾信號之間的增益關(guān)系，推導(dǎo)預(yù)測模型。仿真結(jié)果證明，本文方法能夠準(zhǔn)確判定通信網(wǎng)絡(luò)的實時狀態(tài)，預(yù)測誤差較低，具有較強的適用性。