對(duì)流層散射下MPLS重路由信號(hào)去噪研究

賀紹桐，薛倫生，2，劉贊

（1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051；2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072）

對(duì)流層散射下MPLS重路由信號(hào)去噪研究

賀紹桐1，薛倫生1，2，劉贊1

（1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051；2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072）

針對(duì)對(duì)流層散射信道MPLS重路由信號(hào)數(shù)據(jù)含有噪聲的問(wèn)題，分析了Facility重路由原理和MPLS標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，引入小波閾值去噪算法對(duì)含噪聲標(biāo)簽信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用一種隨分解層數(shù)變化的閾值和折中閾值函數(shù)規(guī)則，來(lái)解決傳統(tǒng)算法中的閾值確定和閾值函數(shù)選取存在的問(wèn)題，針對(duì)折中閾值函數(shù)規(guī)則中參數(shù)a的確定問(wèn)題，利用模擬數(shù)據(jù)，以信噪比（SNR）為目標(biāo)函數(shù)，采用定步長(zhǎng)變a形式，從而得到去噪效果最好時(shí)對(duì)應(yīng)的a值，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法在信噪比上有1.5 dB～3.4 dB的提高，均方差（RMSE）下降約0.01～0.03，為路由修復(fù)信號(hào)的去噪提供一種可行的方案。

對(duì)流層散射，多協(xié)議標(biāo)簽交換，重路由，閾值，閾值函數(shù)

0 引言

反導(dǎo)組網(wǎng)作戰(zhàn)當(dāng)中，各火力節(jié)點(diǎn)與指揮控制系統(tǒng)需要高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信中使用多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multiprotocol Label Switching MPLS）技術(shù)，能改變傳統(tǒng)的IP轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，是基于二層交換和三層路由之間的快速轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，使通信網(wǎng)同時(shí)具有IP和ATM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，大大降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)IP包頭分析的開(kāi)銷(xiāo)。

由于反導(dǎo)作戰(zhàn)火力網(wǎng)控制地域大，路由數(shù)目多，使網(wǎng)絡(luò)的不確定性隨之增加，這些不確定性可能會(huì)導(dǎo)致一部分路由的失效，進(jìn)而會(huì)帶來(lái)分組丟失，數(shù)據(jù)延遲等不良后果。MPLS的流量工程TE（Traffic Engineering）具有使流量脫離內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議（Interior Gateway Protocol IGP）驅(qū)動(dòng)的最短路徑能力，MPLSTE的這種能力可以幫助減輕網(wǎng)絡(luò)鏈路失效或節(jié)點(diǎn)失效有關(guān)的分組丟棄，這種修復(fù)機(jī)制被稱(chēng)為快速重路由（FastrerouteFRR）。見(jiàn)文獻(xiàn)［1-2，6-8］。

針對(duì)文獻(xiàn)中小波閾值去噪中閾值確定和閾值函數(shù)選取存在的問(wèn)題，引入一種隨分解層數(shù)變化的閾值和折中閾值函數(shù)選取規(guī)則，并提出折中閾值函數(shù)規(guī)則中參數(shù)a的最優(yōu)選擇方案。首先利用模擬標(biāo)簽信號(hào)數(shù)據(jù)分析了改進(jìn)算法的去噪效果，然后結(jié)合得到的最優(yōu)a值，然后對(duì)實(shí)測(cè)的修復(fù)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪濾波處理。結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法在信噪比和均方差上明顯優(yōu)于改進(jìn)前的其他方案。

1 Facility快速重路由原理

在傳統(tǒng)的IP轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中，IP路由是逐跳進(jìn)行的，路由器對(duì)經(jīng)過(guò)的分組要解析分組包頭、提取目的IP地址、查詢(xún)路由表、決定下一跳地址、最后發(fā)送分組，如果不存在這樣的路徑，就把分組直接丟棄，這個(gè)過(guò)程在每一跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上重復(fù)進(jìn)行，直至分組到達(dá)目的地。而在MPLS網(wǎng)絡(luò)中這一過(guò)程則為：入口路由器處理接收每個(gè)分組，根據(jù)分組目的地址的網(wǎng)絡(luò)前綴為其分配一個(gè)等價(jià)轉(zhuǎn)發(fā)類(lèi)（Forwording E-quivalenee Class FEC），然后將FEC映射到下一跳路由器，每一個(gè)中間路由器接收到帶有標(biāo)簽信息的分組都要進(jìn)行這一系列相同的標(biāo)簽交換操作。這一過(guò)程旨在簡(jiǎn)化MPLS網(wǎng)絡(luò)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)行為［2-3］，入口路由器根據(jù)FEC打上標(biāo)簽，中間路由器不再需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層IP分組進(jìn)行分析，只是簡(jiǎn)單根據(jù)標(biāo)簽信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，舊標(biāo)簽被新標(biāo)簽取代，然后分組從出口端口轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳路由器，倒數(shù)第2跳彈出標(biāo)簽，轉(zhuǎn)發(fā)到出口，因此，大大降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)IP包頭分析的開(kāi)銷(xiāo)。標(biāo)簽報(bào)文如圖1所示：

圖1 標(biāo)簽報(bào)文格式

Label：標(biāo)簽值，通常為20 bit，專(zhuān)門(mén)用來(lái)與各個(gè)路由器標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表對(duì)照，并決定具體轉(zhuǎn)發(fā)接口；

EXP：用于實(shí)現(xiàn)QoS，這是因?yàn)樵跇?biāo)簽值匹配完成后確定報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，這時(shí)，路由接口處的帶寬分配等策略會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量；

S：棧底標(biāo)志用于存在多個(gè)label時(shí)，確定label是否存在于棧底；

TTL：生存時(shí)間，Label交換一次，TTL值會(huì)減1，有效防止路由回路。

Facility重路由使用一條能夠獨(dú)立的隧道（Bypass Tunnel）對(duì)多條主標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)路徑LSP（Label Switched Path）進(jìn)行備份。實(shí)線(xiàn)表示主隧道，虛線(xiàn)表示為Bypass Tunnel，Bypass Tunnel對(duì)主隧道進(jìn)行節(jié)點(diǎn)保護(hù)［4］，過(guò)程如圖2所示：

圖2 Facility備份節(jié)點(diǎn)保護(hù)

如圖2所示的節(jié)點(diǎn)保護(hù)的拓?fù)鋱D中，業(yè)務(wù)流量轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候使用主隧道Rl-R2-R3-R4-R5，這和Detour保護(hù)方式相同［4］，在R2上接收到R1發(fā)送的帶有標(biāo)簽16的分組將交換標(biāo)簽33發(fā)送到下游節(jié)點(diǎn)R3。如果某一時(shí)刻R2和R3的鏈路出現(xiàn)故障，R2檢測(cè)后將業(yè)務(wù)流量切換到Bypass Tunnel。R1上標(biāo)簽的動(dòng)作將是先交換再壓棧，標(biāo)簽16交換標(biāo)簽33壓到棧底再壓上一層Bypass Tunnel的標(biāo)簽28，形成兩層標(biāo)簽棧轉(zhuǎn)發(fā)到R4，R4根據(jù)次末段彈出的原則，彈出外層標(biāo)簽留下了內(nèi)層標(biāo)簽33，此時(shí)R4感知不到帶有相同標(biāo)簽的分組是來(lái)自R2還是R6，只是簡(jiǎn)單的根據(jù)標(biāo)簽信息轉(zhuǎn)發(fā)到下游目的地節(jié)點(diǎn)R5［5］。

在測(cè)量過(guò)程中，MPLS路由修復(fù)信號(hào)易受到設(shè)備、傳輸信道以及電磁干擾等因素的影響以及在傳輸過(guò)程中存在的多徑效應(yīng)而含有噪聲，直接影響到路由修復(fù)信號(hào)的傳遞精度，因此，對(duì)其進(jìn)行去噪是十分必要的。

2 小波閾值去噪原理

2.1 小波閾值去噪基本原理

小波分析是一種信號(hào)時(shí)間尺度的分析方法，不但在時(shí)頻域上具有良好的局部化特征，還具有多分辨率分析的特點(diǎn)。小波去噪是特征提取和低通濾波的綜合，具有去噪濾波效果好、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)。其中小波閾值去噪是一種簡(jiǎn)單常用的小波消噪方法［10］。設(shè)待去噪信號(hào)為fk（k=1，2，…，M），具體流程如圖3所示：

圖3 小波閾值去噪流程圖

如圖所示，小波閾值去噪的具體步驟如下：

Step1.小波分解。選擇一種適當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)，對(duì)信號(hào)fk進(jìn)行j層分解，獲得對(duì)應(yīng)的尺度系數(shù)和小波系數(shù)。其中小波系數(shù)ωj，k由真實(shí)信號(hào)系數(shù)uj，k和噪聲信號(hào)系數(shù)vj，k兩部分構(gòu)成。

Step2.閾值處理。針對(duì)分解后的j層，確定一個(gè)合適的閾值并利用閾值函數(shù)對(duì)分解后的信號(hào)進(jìn)行處理，得到估計(jì)的閾值ω?j，k。目前閾值函數(shù)選取規(guī)則常用的有軟閾值函數(shù)規(guī)則和硬閾值函數(shù)規(guī)則，選取不同的閾值和閾值函數(shù)，去噪效果不同。

Step3.小波重構(gòu)。利用對(duì)處理后的小波系數(shù)ω?j，k結(jié)合小波基函數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，即得到去噪后的信號(hào)。一般以信噪比（SNR）和標(biāo)準(zhǔn)差（RMSE）來(lái)評(píng)價(jià)去噪的效果。

式中：sk表示原始信號(hào)，gk表示去噪后的信號(hào)，N表示信號(hào)的長(zhǎng)度。

2.2 閾值選取準(zhǔn)則

閾值的選取直接影響著去噪的效果［8-11］。目前閾值的選取主要應(yīng)用的固定式閾值可表示為

式中：N表示信號(hào)fk的長(zhǎng)度，σn表示噪聲信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差，在實(shí)際過(guò)程中利用小波系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。由式（2）可知，閾值隨N增大而增大，當(dāng)N值較大時(shí)，小波系數(shù)高頻部分就會(huì)被置為零，出現(xiàn)過(guò)扼殺現(xiàn)象。因此，對(duì)式（2）進(jìn)行改進(jìn)，引入閾值隨分解層數(shù)變換的閾值規(guī)則，即：

式中：閾值的大小隨分解層數(shù)的增加而減小，因此，該閾值選取有效地保留了信號(hào)的高頻部分，從而達(dá)到使盡量小的目的。

2.3 閾值函數(shù)選取準(zhǔn)則

閾值函數(shù)的選取同樣影響著去噪的結(jié)果。目前應(yīng)用較多有兩種閾值函數(shù)選取規(guī)則：硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)規(guī)則。表達(dá)式和函數(shù)曲線(xiàn)圖分別如下：

由式（4）、式（5）和圖4可看出，硬閾值函數(shù)規(guī)則能夠較好地保留信號(hào)邊緣等局部特征，但因不連續(xù)會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；軟閾值函數(shù)規(guī)則相對(duì)平滑，但會(huì)造成邊緣模糊等失真現(xiàn)象。為了克服上述兩種準(zhǔn)則的缺陷，引入折中閾值函數(shù)準(zhǔn)則。即

圖4 硬/軟閾值函數(shù)示意圖

式中：參數(shù)a的選取將直接影響去噪效果，為尋得最優(yōu)a值，以Δa為步長(zhǎng)，a在［0，1］之間移動(dòng)，以信噪比（SNR）為目標(biāo)函數(shù)，來(lái)尋找最優(yōu)a值［6-8］。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真分析

為驗(yàn)證改進(jìn)后閾值確定和閾值函數(shù)規(guī)則去噪效果，結(jié)合對(duì)流層散射信道的特點(diǎn)，首先利用MATLAB中的信號(hào)進(jìn)行去噪效果模擬仿真分析。圖5為信號(hào)加入高斯白噪聲后信號(hào)［9，11-13］。

圖5 加噪聲后信號(hào)

圖6 SNR隨a變化曲線(xiàn)

采用sym7小波、6層分解、變閾值、硬/軟閾值函數(shù)規(guī)則以及折中閾值函數(shù)規(guī)則進(jìn)行仿真分析。折中閾值函數(shù)規(guī)則中采用Δa=0.02，得出不同的a值對(duì)應(yīng)的SNR，并對(duì)其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合后結(jié)果如圖6所示。

對(duì)擬合后的多項(xiàng)式進(jìn)行求導(dǎo)取極值運(yùn)算，得出當(dāng)a=0.694時(shí)對(duì)應(yīng)的SNR最大，此時(shí)去噪效果最好。采用硬閾值函數(shù)規(guī)則、軟閾值函數(shù)規(guī)則、最優(yōu)a的折中閾值函數(shù)規(guī)則的去噪結(jié)果如下頁(yè)圖7所示。

3種不同去噪方法仿真結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1中所示：

表1 模擬信號(hào)去噪結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖7 模擬信號(hào)去噪結(jié)果圖

從圖7和表1中可以看出，硬/軟閾值函數(shù)準(zhǔn)則在不同程度上都改變了原始信號(hào)，采用最優(yōu)a值后的折中閾值函數(shù)規(guī)則較好的保留了原始信號(hào)，信噪比較硬閾值函數(shù)規(guī)則提高0.34 dB，均方差下降約0.01；較軟閾值函數(shù)規(guī)則提高0.79 dB，均方差下降約0.02。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

采用圖1所示的設(shè)備和方式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)之間距離約40 km，建立對(duì)流層散射信道的基于MPLS的標(biāo)簽協(xié)議重路由鏈路。分別利用節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備記錄和處理數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間間隔設(shè)為10 s，共記錄10 h，共3 600個(gè)標(biāo)簽報(bào)文數(shù)據(jù)。按照MPLS標(biāo)簽重路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則使用兩節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)散射信道的MPLS修復(fù)信號(hào)數(shù)據(jù)，如圖8所示：

圖8 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

標(biāo)簽重路由信號(hào)在經(jīng)過(guò)散射信道傳輸過(guò)程中由于受到多徑效應(yīng)、設(shè)備以及信道的干擾而含有噪聲，噪聲對(duì)后續(xù)重路由精度和鏈路延遲都有一定的影響。為更準(zhǔn)確地傳遞MPLS重路由信號(hào)，必須對(duì)其進(jìn)行去噪聲處理。對(duì)實(shí)際測(cè)得的兩節(jié)點(diǎn)信號(hào)數(shù)據(jù)按照與上節(jié)中的方法進(jìn)行去噪處理。其中折中閾值函數(shù)規(guī)則的a值選取最優(yōu)a值（a=0.694），同時(shí)為了對(duì)比參數(shù)的最優(yōu)性，采用其他a值（a=0.6、a=0.8）進(jìn)行對(duì)比分析，由于篇幅所限，圖9中僅列出硬/軟閾值函數(shù)規(guī)則和最優(yōu)a值的折中函數(shù)規(guī)則等5種方法的去噪結(jié)果。

圖9 實(shí)際信號(hào)去噪結(jié)果圖

5種方法去噪結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 實(shí)際信號(hào)去噪結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從圖9和表2中可以得出，在實(shí)際測(cè)得的標(biāo)簽修復(fù)報(bào)文數(shù)據(jù)中，硬/軟閾值函數(shù)規(guī)則均在不同程度上改變了原始數(shù)據(jù)的特征。采用最優(yōu)a值后的折中閾值函數(shù)規(guī)則較前兩者較好地保留了原始信號(hào)，在信噪比上比硬閾值函數(shù)提高1.5 dB，比軟閾值函數(shù)提高3.4 dB，比取其他a值的折中閾值函數(shù)的信噪比也有近0.1 dB的提高，均方差均小于其他4種方案。說(shuō)明針對(duì)基于對(duì)流層散射的路由標(biāo)簽修復(fù)數(shù)據(jù)，改進(jìn)后的折中閾值確定和閾值函數(shù)規(guī)則具有較好的去噪能力。

4 結(jié)論

首先分析了基于散射信道MPLS重路由修復(fù)的原理，對(duì)可能受到的噪聲影響的報(bào)文格式進(jìn)行了分析；接下來(lái)分析了小波閾值去噪原理，針對(duì)閾值的確定和閾值函數(shù)規(guī)則的選取，分別引入了隨分解層數(shù)變化的閾值和折中閾值函數(shù)規(guī)則，并對(duì)折中閾值函數(shù)中的參數(shù)a的選取提供了一種可行的方案，利用模擬信號(hào)進(jìn)行仿真驗(yàn)證；最后將改進(jìn)后的小波閾值去噪應(yīng)用于實(shí)測(cè)的對(duì)流層散射下路由節(jié)點(diǎn)的修復(fù)數(shù)據(jù)中。去噪結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法比原始算法在去噪效果上有明顯的提高，為對(duì)流層散射MPLS路由重修復(fù)信號(hào)的去噪提供一種可行的方案。

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Research on the De-noising of Reroute Signals in the Troposphere Scattering with MPLS

HE Shao-tong1，XUE Lun-sheng1，2，LIU Zan1
（1.Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China；
2.Navigation Institute，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

In order to remove noises from the reroute signals with MPLS，which comes from troposphere scattering，the theory of Facility reroute and the process of MPLS is analyzed，as well as the wavelet threshold denoising Arithmetic is presented.In the traditional method，the way how to choose threshold and threshold function has shortcomings，the threshold changing with the decomposition orders and the middle course threshold function can availably solve this problem.To gain the value of parameter a，which has influence on threshold function，the parameter changed with constant step length，and the SNR is the cost function.The result is verified by the measured data.Simulated and experimental signals had been used to test the effect of this new arithmetic.The results show that the SNR increases by 1.5～3.4 dB and the RMSE reduces about 0.01～0.03.This arithmetic provides a new way for the reroute signals de-noising.

tropospheric scatter communication，MPLS，fast reroute，threshold，threshold function

P393

A

1002-0640（2016）12-0130-04

2015-11-11

2015-12-26

賀紹桐（1991-），男，山西太原人，碩士研究生。研究方向：無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)。