電子通信網絡雙頻突變信號抗干擾預測方法

鮮 娟，張宗琪，諶 麗，陳俊霖*

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

1 引言

現(xiàn)階段，隨著互聯(lián)網技術的不斷發(fā)展和移動通信大范圍應用，用戶規(guī)模及網絡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)化網絡儲存容量，在此背景下，通信網絡會出現(xiàn)漏洞，抵抗外界干擾能力變弱。大量噪聲及高頻信號等干擾項嚴重影響通信質量，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，需要模擬預測通信網絡中的雙頻突變信號，預先捕捉到發(fā)生突變的節(jié)點位置，采取相應處理措施，抑制突變信號波動，保證網絡安全。

文獻[1]提出一種基于帶外雙頻干擾突變信號預測模型，利用信號的數(shù)據收發(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系，得出基準特征閾值，將其作為判定依據，完成下一時刻突變信號的預測。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)目標突變信號預測方法。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，整體算法預測精準度不高。

綜合上述問題，本文綜合考慮強干擾環(huán)境特征，預先對發(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后狀態(tài)，減少后續(xù)過程的誤測率，提高準確性。通過突變信號實測距離及突變幅值作為參考基準，建立預測模型，根據信號的狀態(tài)矢量分析結果實現(xiàn)精準預測。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)預測減少誤差、提高效率。本文采用的GNSS(Global Navigation Satellite System全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))中的定位技術，對L1C/L2C通信信道[3]中，雙頻突變信號進行正交轉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表示雙信道對應的雙頻道相位頻率；φs1＿m、φs2＿m表示雙信道對應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。

經過上述關鍵參數(shù)的計算及描述，可得到以下關系

(4)

(5)

(6)

將式(6)代入到式(4)和(5)中經過計算可得

(7)

(8)

3 強干擾下電子通信網絡雙頻突變信號預測模型

對于一般的電子通信網絡來說，當受到高強度的外界干擾時，噪聲信號會通過網絡漏洞進入到內部環(huán)境中，逐漸侵入信道及鏈路，造成阻塞傳輸現(xiàn)象。當通信網絡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換為非線性信號。對于雙頻信號來說，此時的線性轉變會影響雙頻譜[9]的正常波動，變?yōu)橥蛔冃盘?。根據上述突變過程的解釋，建立預測模型如下。

假設，正常信號值為us=Uscosωst；突變信號值為ui=Uicosωit，由于電子通信網絡中各個信號值的幅值增益[10]不同，當觸發(fā)到網絡敏感機制時，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系

根據圖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)的變化關系。如果通信網絡接收機制的幅值上限為Um；實時增益[12]為K，那么當AsUs+AiUiUm時，上述理想狀態(tài)下信號的輸出幅值就為KR(t)；當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表示通信網絡中的第f階段處的傅里葉函數(shù)，由于網絡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存在一定關聯(lián)。當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系同理，推導出干擾因素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，表示干擾效應系數(shù)，當檢測到通信網絡中，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S<1時，表示已經發(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)內的校園局域網絡作為背景進行突變信號強度預測實驗。為保證實驗數(shù)據的可參考性及合理性，將預先在校園外部設置大量專業(yè)干擾器械，計算雙頻信號發(fā)生突變的平均干擾距離，并確定通信網絡可接收到干擾信號的最大范圍。本文采用的干擾設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中正常信號的運行波頻，導致信號發(fā)生突變現(xiàn)象。

為提高實驗結果優(yōu)異程度的對比性，針對干擾值設置干擾屏蔽器，分別預測屏蔽前后校園網雙頻突變信號的強度變化，與帶外雙頻干擾預測法、動態(tài)目標預測法進行對比分析。以屏蔽前后突變信號的實測強度作為理論依據，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置步驟為：在校園外的最大干擾范圍內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)點的當下信號值，作為實測值。在預測過程中，為了提高實驗數(shù)據的精準性，會選擇在晴天進行，避免暴雨、刮風等自然現(xiàn)象影響網絡信號強度變化。

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

表1 干擾設置所需關鍵參數(shù)

4.2 時域有限差預測結果對比

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

圖3 屏蔽前三種方法預測結果比對

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絡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。根據對比實驗結果可知，本文方法符合這一變化，預測曲線與實測曲線分布一致，信號峰值變化位置基本相同。另外兩種方法的預測結果顯然與實測結果不相符，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)準確預測，主要原因就是忽略了信號突變時相位載波及頻率等關鍵參數(shù)的變化，再進行預測沒有代入計算，導致預測誤差較大，影響預測精度。

圖4 屏蔽后三種方法預測結果比對

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弱，相比屏蔽前下降了45～55dB，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。另外兩種方法的預測結果與屏蔽前相比，下降幅度不明顯且與實測值曲線貼合度較低。實驗結果說明算法存在一定誤差，使得預測質量降低。

4.3 預測誤差對比

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

圖5 預測誤差對比

根據圖5可知，無論是不足預測還是過度預測結果對比，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)結果都較差，預測精度不夠理想。實驗表明本文方法的預測精度較高，這主要是因為：本文在預測前預先分析了通信網絡雙頻信號發(fā)生突變時產生的誤差及參數(shù)影響，減少后續(xù)預測的誤檢率，降低差值干擾。

6 結論

為解決因通信網絡受到外界干擾而出現(xiàn)的雙頻信號突變問題，本文從網絡信號工作機理出發(fā)，分析突變時可能出現(xiàn)的過熱反應、頻譜不一等效應影響參數(shù)，降低預測范圍、提高準確率。在此基礎，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系，推導預測模型。仿真結果證明，本文方法能夠準確判定通信網絡的實時狀態(tài)，預測誤差較低，具有較強的適用性。