基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法

白 琳，安 邦

（武警天津總隊(duì)，天津 300000）

0 引 言

為保證通信網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)傳輸效率，通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)干擾提取方法已經(jīng)成為檢測(cè)和識(shí)別通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的關(guān)鍵手段。目前，通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法主要有基于大數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法和基于人工智能的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法。傳統(tǒng)方法在實(shí)踐應(yīng)用中主要通過(guò)建立通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)模型來(lái)采集、處理、識(shí)別以及提取干擾信號(hào)。但是，網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)種類(lèi)較多，傳統(tǒng)方法只能對(duì)一種或者兩種干擾信號(hào)進(jìn)行提取，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤提取通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的現(xiàn)象，且正確提取率較低，無(wú)法滿足通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取需求，為此提出基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法。

1 自適應(yīng)濾波技術(shù)應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取的重要性

自適應(yīng)濾波技術(shù)以自適應(yīng)濾波算法和濾波結(jié)構(gòu)為核心，其中濾波性能主要依靠自適應(yīng)濾波算法實(shí)現(xiàn)。典型的自適應(yīng)濾波技術(shù)示意圖如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)濾波技術(shù)示意圖

x為自適應(yīng)濾波的輸入信號(hào)。自適應(yīng)濾波輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波結(jié)構(gòu)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行度量與處理，形成了自適應(yīng)濾波輸出信號(hào)y[1]。在實(shí)際操作中，非線性自適應(yīng)濾波比線性自適應(yīng)濾波計(jì)算麻煩，所以多使用線性自適應(yīng)濾波[2]。自適應(yīng)濾波技術(shù)根據(jù)期望響應(yīng)值和誤差值對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，具有較高的濾波精度，同時(shí)能夠根據(jù)實(shí)際濾波要求和信號(hào)特性，利用期望響應(yīng)值自動(dòng)修改濾波參數(shù)，以有效解決通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取中干擾信號(hào)種類(lèi)較多的問(wèn)題[3]。自適應(yīng)濾波技術(shù)可以解決目前通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取中存在的問(wèn)題，因此利用自適應(yīng)濾波技術(shù)進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取十分必要。

2 基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法設(shè)計(jì)

2.1 基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾特性跟蹤

利用自適應(yīng)濾波技術(shù)跟蹤通信網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的干擾特性時(shí)，需先在通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)信道端口組建自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)，接收流經(jīng)該信道的數(shù)據(jù)信號(hào)，并將其作為濾波裝置的輸入信號(hào)，表示為：

式中，W(n)為在某時(shí)刻輸入到自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)的輸入向量；X(n)為自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)的抽頭權(quán)向量[4]。利用自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)度量輸入信號(hào)，然后輸出通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)，其度量可表示為：

式中，M為自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)的階數(shù)；L為自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)度量系數(shù)值，通常取值0.14[5]。利用自適應(yīng)濾波算法計(jì)算分析度量后的數(shù)據(jù)信號(hào)，判斷輸出信號(hào)數(shù)據(jù)的屬性。該算法主要通過(guò)比較期望響應(yīng)信號(hào)與輸出信號(hào)計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的誤差，計(jì)算公式為：

式中，e(n)為自適應(yīng)濾波期望信號(hào)與輸出信號(hào)的誤差；d(n)為自適應(yīng)濾波中的期望信號(hào)；y(n)為自適應(yīng)濾波中的輸出信號(hào)[6]。為更加準(zhǔn)確地計(jì)算出自適應(yīng)濾波輸出信號(hào)與期望信號(hào)的誤差，采用自動(dòng)增益的代價(jià)函數(shù)實(shí)時(shí)更新輸出信號(hào)的抽頭權(quán)向量和期望響應(yīng)值，其中輸出信號(hào)的抽頭權(quán)向量可表示為：

式中，X(n)*為更新后的輸出信號(hào)的抽頭權(quán)向量；u為自動(dòng)增益步長(zhǎng)參數(shù)，通常設(shè)定為0.02；g為當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)信道噪聲系數(shù)[7]。

及時(shí)計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)信道環(huán)境噪聲的變化，可以及時(shí)更新自適應(yīng)濾波技術(shù)的參數(shù)，從而利用更新參數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算自適應(yīng)濾波的輸出信號(hào)和期望信號(hào)。當(dāng)采用自適應(yīng)濾波算法計(jì)算的輸出信號(hào)噪聲值超過(guò)期望響應(yīng)值時(shí)，表示存在一定的誤差，則將該輸出信號(hào)視作干擾信號(hào)。因此，按照上述方式可跟蹤通信網(wǎng)絡(luò)的干擾特性。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)分類(lèi)提取

利用自適應(yīng)濾波技術(shù)跟蹤通信網(wǎng)絡(luò)干擾特性時(shí)，將符合跟蹤要求的數(shù)據(jù)信號(hào)統(tǒng)一存儲(chǔ)到文件中，然后利用差異分析法分類(lèi)提取通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)[8]。目前，通信網(wǎng)絡(luò)存在的干擾信號(hào)主要有單音干擾、多音干擾、部分頻帶噪聲干擾、噪聲調(diào)頻干擾、線性掃頻干擾和時(shí)域高斯脈沖干擾6種[9]。通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取的對(duì)象主要為這6種干擾信號(hào)，根據(jù)每種干擾信號(hào)屬性特征的不同，將信號(hào)的干擾幅度作為區(qū)別這6種干擾信號(hào)的關(guān)鍵依據(jù)[10]。可以將各個(gè)種類(lèi)干擾信號(hào)的干擾幅度進(jìn)行量化處理，表示為：

式中，A為量化后的干擾信號(hào)幅值；j為各個(gè)種類(lèi)干擾信號(hào)正常幅值大??；k為量化系數(shù)。通過(guò)量化各個(gè)種類(lèi)干擾信號(hào)的干擾幅值和輸出信號(hào)的干擾幅值，計(jì)算兩種幅值的量化誤差。對(duì)比該誤差與自適應(yīng)濾波期望信號(hào)與輸出信號(hào)誤差，可以確定跟蹤到的干擾信號(hào)的種類(lèi)，具體分類(lèi)依據(jù)如表1所示。按照表1，分類(lèi)提取自適應(yīng)濾波技術(shù)獲得的干擾信號(hào)，從而完成基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的提取。

表1 通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)分類(lèi)表

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比與結(jié)果分析

選取某通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。該數(shù)據(jù)包包含10種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為1 500 MB。實(shí)驗(yàn)中將該數(shù)據(jù)作為通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)正常傳輸過(guò)程中輸入6種干擾信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境為GeFsder TGJ1080TI CPU，32 GB內(nèi)存硬盤(pán)。實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境為Windows 2010操作系統(tǒng)。利用MATLAB軟件測(cè)試兩種通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法的性能，收集干擾信號(hào)提取結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中待提取干擾信號(hào)有8個(gè)通信信道，每個(gè)信號(hào)傳輸500 GB正常數(shù)據(jù)信號(hào)和200 GB網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)，干擾時(shí)間為10 min。實(shí)驗(yàn)中使用線性自適應(yīng)濾波器，型號(hào)為GSDD-1S13，設(shè)置自適應(yīng)濾波技術(shù)期望響應(yīng)值為0.25，誤差為0.01。干擾信號(hào)在自適應(yīng)濾波技術(shù)下的濾波樣本數(shù)量為1 600 GB。設(shè)置干擾信號(hào)分類(lèi)閾值為0.15，將干擾信號(hào)分成6種，根據(jù)分類(lèi)依據(jù)提取到各個(gè)信道。該實(shí)驗(yàn)得到兩種通信網(wǎng)絡(luò)提取方法的干擾信號(hào)正確提取率，如表2所示。

由表2可知，采用基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法的正確提取率平均值為99.48%，高于最小限值，最大正確提取率為99.99%，接近100%，而采用傳統(tǒng)方法提取通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的正確提取率平均值為92.48%，多數(shù)信道干擾信號(hào)正確提取率低于最小限值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)方法引用的自適應(yīng)濾波技術(shù)可以自動(dòng)根據(jù)濾波參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算當(dāng)前通信環(huán)境的干擾特性，能夠準(zhǔn)確提取到通信網(wǎng)絡(luò)信道中存在的各種干擾信號(hào)。因此，基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法適用于通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的提取。

表2 兩種方法干擾信號(hào)正確提取率對(duì)比

4 結(jié) 論

在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法的基礎(chǔ)上，引入自適應(yīng)濾波技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套新的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取方法，有效解決了通信網(wǎng)絡(luò)存在多種干擾信號(hào)而導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)多種干擾信號(hào)的同時(shí)提取，提高了通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)的正確提取率，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾性能的提升具有重要意義。因此，下一步將研究基于自適應(yīng)濾波的通信網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)提取及抑制方法，以促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展。