面向冗余數(shù)據(jù)消除的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制方法

張大偉，葉蓓蓓

(1. 北海藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,廣西 北海 536000;2. 廣西師范大學(xué),廣西桂林 541004)

0 引 言

隨著多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，采用多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，可實(shí)現(xiàn)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)均衡調(diào)度和自適應(yīng)分配，提高冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ嫘院蛡鬏斝?。研究多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的冗余數(shù)據(jù)傳輸控制模型，結(jié)合信道均衡控制方法，提高多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息傳輸質(zhì)量，受到人們的極大重視。對(duì)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的冗余數(shù)據(jù)傳輸是建立在信道的自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路均衡控制基礎(chǔ)上，結(jié)合多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的信道調(diào)度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)均衡配置，提高冗余數(shù)據(jù)的輸出質(zhì)量[1]。

傳統(tǒng)方法，如基于最小均方誤差(LMS)準(zhǔn)則方法[4]，基于最小間隔均衡控制[5]等，對(duì)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的冗余數(shù)據(jù)傳輸控制方法主要采用相移鍵控(PSK)調(diào)制和頻域特征控制方法，采用高分辨的信號(hào)時(shí)頻特征檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜哂鄶?shù)據(jù)傳輸碼元控制，提高控制的準(zhǔn)確性[2,3]。文獻(xiàn)[4]中提出一種基于最小均方誤差(LMS)準(zhǔn)則的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)傳輸碼元控制方法，結(jié)合波特反饋均衡控制方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸冗余數(shù)據(jù)控制，但該方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)傳輸碼元控制的復(fù)雜度較高，控制的抗干擾性不好；文獻(xiàn)[5]中提出一種基于最小間隔均衡控制的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸碼元控制方法，構(gòu)建多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)誤碼補(bǔ)償控制模型，根據(jù)信道擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化，但該方法的計(jì)算開銷較大，實(shí)時(shí)性不好。文獻(xiàn)[6]采用大數(shù)據(jù)聚類采集方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，針對(duì)以太網(wǎng)信道速率低的問題，結(jié)合雙向環(huán)路冗余組網(wǎng)方案服，讓傳輸傳輸模塊具有一定的容錯(cuò)性，通過容錯(cuò)控制改善數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)中斷問題，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的冗余控制。

通過上述分析不難看出以上方法均未對(duì)用于數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲濾除，導(dǎo)致控制過程中，數(shù)據(jù)信號(hào)極易受到白噪聲干擾，造成信道均衡性差、自適應(yīng)性低，存在網(wǎng)絡(luò)碼元傳輸?shù)恼`碼率高，網(wǎng)絡(luò)輸出質(zhì)量差的問題。針對(duì)上述問題，本文提出一種基于時(shí)頻特征分解和功率譜密度特征提取的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸碼元自動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸控制的優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)方法的不足。

1 多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)信道分析和冗余數(shù)據(jù)濾波處理

1.1 信道模型與參數(shù)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)的傳輸碼元自動(dòng)控制，采用多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道均衡控制和冗余數(shù)據(jù)檢測方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸碼元控制，根據(jù)冗余數(shù)據(jù)的控制結(jié)果進(jìn)行譜特征分析，結(jié)合信道均衡配置方法，提出一種基于時(shí)頻特征分解的冗余數(shù)據(jù)傳輸碼元控制方法。這里的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)指的是不同地域，不同時(shí)間的具有不同操作系統(tǒng)的固定或移動(dòng)電腦等職能設(shè)備組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)的不同設(shè)備組成不同的節(jié)點(diǎn)。設(shè)有M個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)采集多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的冗余數(shù)據(jù)，多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋尘霸肼曅盘?hào)的幅值為Ac，相干分布源為P個(gè)干擾信號(hào)，多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾x散信號(hào)為x，設(shè)原始輸入的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)特征序列為x=[x(0),…,x(N-1)]，其中x(n)為有限長的離散多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)，0≤n≤N-1，則多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺滥Ｐ蜑椋?/p>

(1)

其中，0≤k≤N-1，表示多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)的長度，信號(hào)x(n)經(jīng)離散正交小波變換處理，用X=DFT{x}表示多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘陔x散分布序列x中，采用小波變換方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男诺谰饪刂?，?duì)譜特征提取結(jié)果采用小波特征分解方法進(jìn)行頻譜分離[7]，得到多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)信息特征量為：

X=[X(0),…,X(N-1)]

(2)

Cj(k)=[x(t),φj,k(t)]

(3)

用H0(k)、H1(k)分別表示多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)的低通濾波傳遞函數(shù)和高通濾波傳遞函數(shù)，得到多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)的輸出能量譜特征表示為：

(4)

由于多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)矢量s(t)=[s1(t),s2(t),…,sq(t)]T和噪聲矢量n(t)是相互獨(dú)立，結(jié)合奇異值分解進(jìn)行信道分離和傳輸控制[9]。

1.2 冗余數(shù)據(jù)濾波處理

采用高階近似分布源多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)檢測方法進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)傳輸信道模型設(shè)計(jì)，構(gòu)建多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)的降噪模型[10]，進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)融合處理，構(gòu)建尺度系數(shù)為：

(5)

多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐l帶為：

(6)

(7)

對(duì)信號(hào)源未知參數(shù)進(jìn)行盲估計(jì)[11]，采用匹配濾波檢測方法，進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的相關(guān)性檢測，即，按照信號(hào)的幅頻特性對(duì)輸入波形進(jìn)行加權(quán)，以便最有效地接收信號(hào)能量而抑制干擾的輸出功率，其主要作用是提高信噪比。上式中1≤j≤J，表示匹配濾波檢測的尺度系數(shù)，對(duì)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀處理，對(duì)Zn(N為幀數(shù))，得到冗余數(shù)據(jù)濾波檢測的輸出碼元為：

[x(m-1)]|w(n-m)

(8)

其中：

(9)

(10)

(11)

提取多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)的平均互信息，采用二維譜峰搜索算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間和碼元的關(guān)聯(lián)性檢測[13]，由此實(shí)現(xiàn)信息濾波，濾波器設(shè)計(jì)如圖1所示。輸入信號(hào)x(k)，其中的“自適應(yīng)算法”指的是在轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路均衡控制基礎(chǔ)上，結(jié)合多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的信道調(diào)度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自適應(yīng)均衡配置。

圖1 濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)濾波器傳輸函數(shù)的幅度和相位響應(yīng)特性進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的傳輸控制。

2 多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸控制優(yōu)化

2.1 信道均衡設(shè)計(jì)

C(0)←DFT{x}

(12)

(13)

w(j)←DFT-1{W(j)}

(14)

c(J)←DFT-1{C(J)}

(15)

其中1≤j≤J，通過在z平面的單位圓上的復(fù)積分得到冗余數(shù)據(jù)的反饋均衡特征量，c(j)、w(j)分別為冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈撝岛瘮?shù)和分辨函數(shù)，提取功率譜密度特征為：

(16)

其中N表示多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)的長度，J為幀的頻率。采用波特間隔均衡方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的信道均衡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冗余數(shù)據(jù)的多維測度信息配準(zhǔn)[15]。

2.2 多維測度信息配準(zhǔn)和控制輸出

對(duì)輸入的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)的碼元n(k)的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行z變換，對(duì)信號(hào)源未知參數(shù)進(jìn)行盲估計(jì)，采用信號(hào)檢波方法進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的包絡(luò)特征檢測，檢測結(jié)果為：

j=1,2,…,J+1

(17)

(18)

(19)

其中，dj(k)表示DOA估計(jì)值，提取多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)南喔煞植荚刺卣?，得到兩個(gè)信號(hào)源的擴(kuò)展函數(shù)：

(20)

在限定碼元的速率下進(jìn)行信道均衡配置，求得優(yōu)化解：

(21)

根據(jù)上述分析，結(jié)合相空間重構(gòu)方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸冗余數(shù)據(jù)的重組，提取多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余數(shù)據(jù)的特征量進(jìn)行碼元匹配，實(shí)現(xiàn)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸碼元的自動(dòng)控制。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了測試本文方法在實(shí)現(xiàn)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中冗余數(shù)據(jù)傳輸及信道均衡控制中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的仿真軟件為Matlab7，多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)分布在200 m×200 m的均勻陣列區(qū)域，冗余數(shù)據(jù)的碼元傳輸速率為1.56 kBaud，載波頻率為360 KHz，對(duì)冗余數(shù)據(jù)的初始采樣率為fs=12*f0Hz=1200 KHz，得到待傳輸?shù)娜哂鄶?shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中冗余數(shù)據(jù)采樣

以圖2采集冗余數(shù)據(jù)為研究樣本，在多徑時(shí)延分布為(0，0.54，1.32，3.34，3.76)的條件下，設(shè)定中心頻率1 kHz，構(gòu)建多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)的降噪模型，采用自相關(guān)匹配濾波檢測方法進(jìn)行冗余去噪，得到濾波輸出如圖3所示。

圖3 多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)濾波輸出

分析圖3得知，采用本文方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸控制，輸出的濾波性能較好，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，由此提高冗余數(shù)據(jù)的輸出質(zhì)量，測試不同方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵龃a元誤碼率，得到對(duì)比結(jié)果見表1，分析得知本文方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵稣`碼率最低。當(dāng)信噪比在4以下時(shí)，其誤碼率均為0，明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]。其中，文獻(xiàn)[4]是一種基于LMS準(zhǔn)則的碼元控制方法，結(jié)合波特反饋均衡控制方法，當(dāng)信噪比較高時(shí)，受干擾的概率明顯增加。文獻(xiàn)[5]是一種基于最小間隔均衡的碼元控制方法，構(gòu)建多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)誤碼補(bǔ)償控制，其缺點(diǎn)主要是補(bǔ)償控制策略的度量不好把握，而且必須保證間隔的均衡，前提較為理想化。本文采用了高階近似分布源檢測方法，利用相空間重構(gòu)方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸冗余數(shù)據(jù)的重組，優(yōu)化了冗余數(shù)據(jù)的傳輸，因此表現(xiàn)最優(yōu)。

表1 輸出誤碼率對(duì)比結(jié)果

為了驗(yàn)證所提方法的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)度，采用和文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)對(duì)比，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)對(duì)比

由圖4可知當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量達(dá)到2W時(shí)，所提方法配準(zhǔn)率為90%，文獻(xiàn)[4]方法配準(zhǔn)率為77%，文獻(xiàn)[5]方法配準(zhǔn)率為67%，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量達(dá)到12W時(shí)，所提方法配準(zhǔn)率為91%，文獻(xiàn)[4]方法配準(zhǔn)率為75%，文獻(xiàn)[5]方法配準(zhǔn)率為58%，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量達(dá)到22W時(shí)，所提方法配準(zhǔn)率為94%，文獻(xiàn)[4]方法配準(zhǔn)率為74%，文獻(xiàn)[5]方法配準(zhǔn)率為54%，由此看出所提方法配準(zhǔn)率優(yōu)于其他兩種文獻(xiàn)方法，且通過圖4的數(shù)據(jù)走勢可以分析出所提方法配準(zhǔn)度穩(wěn)定性最高。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于時(shí)頻特征分解和功率譜密度特征提取的多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸碼元自動(dòng)控制方法。進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)傳輸信道模型設(shè)計(jì)，構(gòu)建多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)的降噪模型，采用自相關(guān)匹配濾波檢測方法進(jìn)行冗余濾波，采用波特間隔均衡方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的信道均衡設(shè)計(jì)，結(jié)合相空間重構(gòu)方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸冗余數(shù)據(jù)的重組，實(shí)現(xiàn)多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸控制優(yōu)化。研究得知，本文方法進(jìn)行多維異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺谰庑暂^高，自適應(yīng)性較好；在信噪比為0時(shí)，誤碼率為0；數(shù)據(jù)配準(zhǔn)率可達(dá)到94%，具有較高的網(wǎng)絡(luò)輸出質(zhì)量。