一種基于擾動(dòng)特征分解和前饋調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)抑制算法

1、基金項(xiàng)目：河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿研究項(xiàng)目(112300410129)作者簡介：陳衛(wèi)軍(1971)，男（漢族），河南安陽人，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。一種基于擾動(dòng)特征分解和前饋調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)抑制算法陳衛(wèi)軍，李敏安陽師范學(xué)院，軟件學(xué)院，河南，安陽455000摘要：數(shù)據(jù)通信中，會(huì)產(chǎn)生一種時(shí)頻跳變諧振信號(hào)，為提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，需要對(duì)這種網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)進(jìn)行抑制。提出一種基于擾動(dòng)特征分解和前饋調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)抑制

2、算法，在希爾伯特空間上對(duì)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)進(jìn)行擾動(dòng)特征分解。創(chuàng)建前饋調(diào)制濾波器以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)波跳變信號(hào)的前饋調(diào)制抑制。仿真結(jié)果表明，該算法數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好能有效抑制網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變中的諧振信號(hào)，信息損失小，對(duì)于解決大規(guī)?；旌辖M網(wǎng)中啟動(dòng)滯后、服務(wù)器負(fù)載、顫抖等問題有明顯作用。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：諧振信號(hào)，擾動(dòng)特征分解；前饋調(diào)制中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言引言當(dāng)今，網(wǎng)絡(luò)用戶終端不再是傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)用戶，還包括了

3、車載、艦載、機(jī)載終端和手持機(jī)等網(wǎng)絡(luò)用戶，這些用戶共同構(gòu)成一個(gè)混合組合網(wǎng)絡(luò)。混合組合網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)分布和設(shè)計(jì)的趨勢，組合網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)之間的相群特征有差異，在網(wǎng)絡(luò)切換和數(shù)據(jù)通信中，會(huì)產(chǎn)生一種網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變諧振信號(hào)，這種諧振信號(hào)以噪聲的形式存在于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，表現(xiàn)為一種跳變脈沖，帶來網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)和信號(hào)不穩(wěn)定，出現(xiàn)啟動(dòng)滯后、服務(wù)器負(fù)載、顫抖等現(xiàn)象。隨著網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性發(fā)展和應(yīng)用需求擴(kuò)大，研究對(duì)轉(zhuǎn)網(wǎng)過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)的抑制算法，對(duì)提供

4、信息通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性具有重要意義。傳統(tǒng)方法中，對(duì)混合組合網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)跳變諧振信號(hào)的抑制主要是采用分?jǐn)?shù)間隔均衡調(diào)制算法和包絡(luò)瞬時(shí)值統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行信號(hào)抑制。采用統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理方法，通過信號(hào)檢測理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的聚焦，抑制諧波振蕩信號(hào)[12]。算法在理論和實(shí)踐中都取得了一定的成果，其中，文獻(xiàn)[3]提出了一種基于包絡(luò)瞬時(shí)值預(yù)估和混合蛙跳波特間隔均衡調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)諧振信號(hào)抑制算法，采用包括包絡(luò)檢波調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)的檢測和估計(jì)，提

5、取有用信息特征，實(shí)現(xiàn)消波抑制的目的。然而算法需要實(shí)現(xiàn)能量檢測預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]提出一種基于跟蹤微分時(shí)延誤差補(bǔ)償?shù)氖Х€(wěn)網(wǎng)絡(luò)入侵波動(dòng)后的穩(wěn)定與鎮(zhèn)定方法，通過時(shí)延誤差補(bǔ)償控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切換中的失穩(wěn)信號(hào)的抑制，算法沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)入侵后的噪聲影響，精度不高。對(duì)此文獻(xiàn)[5]進(jìn)行算法改進(jìn)，提出一種基于能量管理和波特間隔的前置均衡設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)切換波動(dòng)控制算法，但存在網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)間短，數(shù)據(jù)包傳輸中斷率高的問題；文獻(xiàn)[6]提出一種基于非平

6、穩(wěn)時(shí)變信號(hào)分析的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)抑制算法，抑制信號(hào)跳頻的交叉項(xiàng)，提高噪聲和波動(dòng)干擾信號(hào)的抑制，但算法需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分解和相空間重排，計(jì)算量大。另外，文獻(xiàn)[7]提出了基于Gab小波變換的網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)跳變信號(hào)抑制算法；文獻(xiàn)[8]采用一種基于分?jǐn)?shù)階Fourier變換的跳變信號(hào)防波動(dòng)檢測算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)的抑制和降噪處理。但綜合分析傳統(tǒng)算法，都無法有效地實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)抑制，特別是對(duì)大規(guī)?；旌辖M合網(wǎng)絡(luò)的切網(wǎng)產(chǎn)生的波動(dòng)跳變諧振

7、信號(hào)的處理能力欠佳，魯棒性和實(shí)時(shí)性不好[910]。針對(duì)上述問題，本文提出一種基于擾動(dòng)特征分解和前饋調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)抑制算法，提高對(duì)大規(guī)?；旌辖M合網(wǎng)絡(luò)的跳變信號(hào)抑制性能，通過信號(hào)模型構(gòu)建，基于擾動(dòng)特征分解和調(diào)制處理實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的改進(jìn)，提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)諧振和跳變的消波抑制能力，網(wǎng)絡(luò)通信的均衡性提高，丟包率降低，保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高魯棒性。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性和可行性。2網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)諧振數(shù)學(xué)模型和信號(hào)分析網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)諧振數(shù)

8、學(xué)模型和信號(hào)分析2.1問題描述與網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)諧振數(shù)學(xué)模型問題描述與網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)諧振數(shù)學(xué)模型本文研究大規(guī)模復(fù)雜組合網(wǎng)絡(luò)的切換和數(shù)據(jù)通信中的波動(dòng)跳變諧振信號(hào)的抑制算法，首先給出網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的諧振數(shù)學(xué)模型。為信號(hào)的生成提供模型基礎(chǔ)。大規(guī)模組合網(wǎng)絡(luò)通常依據(jù)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議差異性變化，由于在網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)過程中的這種差異性特征產(chǎn)生信號(hào)波動(dòng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信傳輸信道不穩(wěn)定，甚至給網(wǎng)絡(luò)攻擊者留下漏洞和

9、后門，影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。因此需要對(duì)波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行消波抑制，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)諧振信號(hào)模型表達(dá)式為：(1)()()()()()()()[()]suztstjsthtstjdutustjHst?????????????網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性改善效果不佳，且造成了大量的通信信道冗余和信息損失，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的丟包率，因此需要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。3算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1信號(hào)擾動(dòng)特征分解算法提出信號(hào)擾動(dòng)特征分解算法提出針對(duì)傳統(tǒng)方法的弊端進(jìn)

10、行算法改進(jìn)，為了有效大規(guī)模復(fù)雜組合網(wǎng)絡(luò)在切換和數(shù)據(jù)通信中的波動(dòng)跳變諧振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)降噪和提純，提出一種基于信號(hào)擾動(dòng)特征分解和前饋調(diào)制的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)抑制算法。給出信號(hào)擾動(dòng)特征分解算法的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)如下。在上節(jié)給出的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)諧振模型中，網(wǎng)絡(luò)跳變信號(hào)輻射圓環(huán)面積：(13)22()SrMB???設(shè)單位面積為，則第個(gè)圓環(huán)有貢獻(xiàn)的散射S?i體個(gè)數(shù)為。網(wǎng)絡(luò)跳變單頻脈沖信號(hào)混響[]NSS??瞬時(shí)值服從高斯分布，它的概率密度函數(shù)為：(14)

11、221()exp()22VVVfV?????其中：是瞬時(shí)值的方差。對(duì)輸入的不穩(wěn)V?V定網(wǎng)絡(luò)跳變單頻脈沖信號(hào)，大量的諧波信號(hào)含有擾動(dòng)特征，本文采用普勒頻移算法提取擾動(dòng)特征，利用混響的慢變包絡(luò)切片把波動(dòng)跳變信號(hào)的能量聚集在擾動(dòng)方向，令擾動(dòng)特征的多普勒頻移記做，d?為信號(hào)泰作勒級(jí)數(shù)展開，得到：s222(1)(1())12()cvvvvvvscvccccc??????????????(15)在希爾伯特空間上進(jìn)行擾動(dòng)特征分解，對(duì)于高斯噪聲中的隨機(jī)

12、信號(hào)，采用最大似然自相關(guān)估計(jì)算法，對(duì)信號(hào)，在希爾伯特空間上的上的群的sHG不可約表示，若存在某個(gè)，使得：UHg?(16)???)()(2xdgxUg?那么得到希爾伯特空間上的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)的擾動(dòng)特征分解結(jié)果為：(17))()()()(12xxSxxSxxSxxSGGGnT??????其中表示仿射群上的群卷積，這一過程類似G于相干函數(shù)經(jīng)過隨機(jī)介質(zhì)的傳輸?shù)那樾?，通過上述處理，可以將網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)跳變信號(hào)的諧振特征和獨(dú)立散射擾動(dòng)特征準(zhǔn)確地映射到希

13、爾伯空間上，避免了傳統(tǒng)算法出現(xiàn)的信息損失的問題，在傅立葉域上進(jìn)行后置能量聚集，增大信號(hào)的特征累積。3.2特征前饋調(diào)制與信號(hào)抑制算法實(shí)現(xiàn)特征前饋調(diào)制與信號(hào)抑制算法實(shí)現(xiàn)以上述提取信號(hào)擾動(dòng)特征分解結(jié)果為輸入變量，設(shè)計(jì)前饋調(diào)制濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)波跳變信號(hào)的前饋調(diào)制抑制?；谇梆仦V波的信號(hào)抑制處理原理框圖如圖1所示。圖1基于前饋濾波的信號(hào)抑制處理原理結(jié)合圖1所示，以上述計(jì)算得到的信號(hào)擾動(dòng)特征分解結(jié)果為信號(hào)輸入，利用自適應(yīng)濾波器的方法來確定信號(hào)頻率

14、，考慮一種簡單的濾波器形式：(18)()()()NzHzDz?上式中，是分子多項(xiàng)式，它的零點(diǎn)在()Nz處，為分母多項(xiàng)式，由濾波器的頻率0jze???()Dz參數(shù)和帶寬參數(shù)確定幅頻響應(yīng)，基于前饋調(diào)制ar方法對(duì)濾波器的抽頭系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，得到前饋濾波器的頻率為：(19)0cos(2)arca???在希爾伯特空間中，由于跳變信號(hào)噪聲的增強(qiáng)會(huì)使前饋調(diào)制濾波器無法實(shí)現(xiàn)均衡增益，因此本文采用深度零點(diǎn)信道補(bǔ)償頻率響應(yīng)估計(jì)算法，對(duì)濾波器抽頭系數(shù)進(jìn)行

15、自適應(yīng)調(diào)整，得到的前饋濾波器具有高增益的頻率響應(yīng)，為：0000022122122sinsin(1sin)()1sin(1sin)sinjjjjjjeeeVeee????????????????????(20)由此得到設(shè)計(jì)的前饋調(diào)制濾波器的傳遞函數(shù)為：(21)??()1()1()()2jjHzVzVee??????選取不同的陷波器頻率參數(shù)和帶寬參數(shù)，1?2?求得前饋調(diào)制帶寬，設(shè)計(jì)前饋調(diào)制濾波器具有高增益的頻率響應(yīng)，時(shí)寬帶寬積滿足約束條件為