基于自適應(yīng)變異的消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測

張 昇，王 鵬

(吉林大學(xué)，吉林 長春 130041)

1 引言

傳統(tǒng)消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測方法基本上都是利用單戶檢測方法，對每個(gè)消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤信號都是單獨(dú)進(jìn)行檢測的。依據(jù)各個(gè)異步通信錯(cuò)誤信號事先配置到的擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)，再使用配置濾波設(shè)備對該系統(tǒng)中錯(cuò)誤信號做有關(guān)檢測[1]。這種方式易于操作，其在傳統(tǒng)擴(kuò)頻碼異步通信系統(tǒng)中取得了極廣泛運(yùn)用，但其有個(gè)弊端就是隨著消息隊(duì)列增加，多址信號干擾程度就會(huì)增高，錯(cuò)誤檢測率將呈現(xiàn)指數(shù)模式增長，同時(shí)容易受到多址干擾，導(dǎo)致將正確信號歸為錯(cuò)誤檢測結(jié)果中，從而降低該系統(tǒng)的消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測能力[2]。

與傳統(tǒng)錯(cuò)誤檢測方法不同，基于自適應(yīng)變異的消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測是客觀存在的，認(rèn)為消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤信號不單單是單無線噪聲信號，該信號具備極強(qiáng)結(jié)構(gòu)特性。在錯(cuò)誤檢測流程中，不把消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤信號當(dāng)作單純的無線噪聲去解決，而是使用自適應(yīng)變異方法將含有錯(cuò)誤信號進(jìn)行修改或者去除，增高抗干擾功能。簡化消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤信號修改流程，保證異步通信信號在強(qiáng)噪聲干擾下信號錯(cuò)誤概率的降低，從而提升消息隊(duì)列使用效率，提高該系統(tǒng)通信容量與功能。

李貞妮等人[3]根據(jù)消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測機(jī)制嚴(yán)重影響著片上消息隊(duì)列的輸送推遲與信息數(shù)據(jù)交互功能，為此采用雙模式結(jié)合的消息隊(duì)列片上異步通信錯(cuò)誤機(jī)制，依據(jù)片上消息隊(duì)列交互錯(cuò)誤信號信息的特征，利用不同通信錯(cuò)誤機(jī)制進(jìn)行輸送，并提出了一種可配置的片上消息隊(duì)列雙模式，結(jié)合信息通信錯(cuò)誤接口電路，增強(qiáng)路由結(jié)點(diǎn)的通用性，高效完成已有異步通信錯(cuò)誤信息輸送通道單一等問題，實(shí)現(xiàn)了基于該通信錯(cuò)誤機(jī)制的異步片上消息隊(duì)列，再建立雙模式結(jié)合下異步通信錯(cuò)誤機(jī)制片上消息隊(duì)列錯(cuò)誤檢測系統(tǒng)。結(jié)果表明，該方法具備縮短輸送延遲時(shí)間，但錯(cuò)誤檢測效果不佳。孫順苗等人[4]針對當(dāng)前消息隊(duì)列異步通信數(shù)據(jù)種類繁多與海量，很難及時(shí)檢測出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，為此采用Storm流檢測方法對錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。此方式使用大數(shù)據(jù)運(yùn)算框架Storm當(dāng)作核心，經(jīng)過外置傳感器與異步通信協(xié)議得出消息隊(duì)列運(yùn)營數(shù)據(jù)，再根據(jù)Kafka當(dāng)作消息隊(duì)列把運(yùn)營數(shù)據(jù)傳輸給Storm，并對該數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，該方法具備較強(qiáng)運(yùn)算能力，同時(shí)錯(cuò)誤概率較低，但很大程度上增加了設(shè)備復(fù)雜度，導(dǎo)致檢測時(shí)延較長。

基于此，本文采用自適應(yīng)變異方法對傳輸消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤數(shù)據(jù)分別進(jìn)行定時(shí)同步，并對無線噪聲以及多址干擾等進(jìn)行分析與修正，最終得出結(jié)果驗(yàn)證本文方法，可以有效增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾與時(shí)延功能，且錯(cuò)誤概率極低，錯(cuò)誤檢測性能極強(qiáng)。

2 自適應(yīng)變異下消息隊(duì)列異步通信流程分析

消息隊(duì)列是指在事務(wù)模式的松合、耦合與可靠的異步通信服務(wù)[5]。當(dāng)中隊(duì)列是異步通信中暫時(shí)保存路由信息數(shù)據(jù)的地方，其是在信息數(shù)據(jù)的輸送流程中存儲信息數(shù)據(jù)的設(shè)備。隊(duì)列主要作用是供給路由并確保信息數(shù)據(jù)的輸送，假設(shè)輸送信息數(shù)據(jù)接收人接收不到，消息隊(duì)列就會(huì)存儲信息數(shù)據(jù)，一直到能夠成功接收到為止。消息隊(duì)列這種功能相似于快遞員送快遞，若接收人不在家，則快件就會(huì)保存在快遞公司中，并進(jìn)行下一次送件，直到接收人收到為止，確保信息數(shù)據(jù)被傳輸一次。

消息隊(duì)列具備以下特征：

1)消息隊(duì)列是朝向目標(biāo)的，能夠直接把目標(biāo)放到指定的隊(duì)列中，接收者能夠直接收到目標(biāo)，不用在信息數(shù)據(jù)列表中記錄與目標(biāo)間做轉(zhuǎn)換；

2)從功能視角來說，消息隊(duì)列信息數(shù)據(jù)庫的功能更好，不用利用信息數(shù)據(jù)庫銜接；

3)消息隊(duì)列具備極強(qiáng)的靈活特性，隊(duì)列里不僅能夠存儲對應(yīng)的若干個(gè)相同目標(biāo)，還能夠存放不相同目標(biāo)，而使用信息數(shù)據(jù)列表的方法得先做表義，由于不同目標(biāo)需要用不同的表形式來完成，所以不具備靈活特性。而消息隊(duì)列更適合在不相同系統(tǒng)之間進(jìn)行異步通信錯(cuò)誤檢測。

消息隊(duì)列異步通信傳輸流程是信號數(shù)據(jù)長時(shí)間存儲的流程，在運(yùn)作流程中會(huì)出現(xiàn)各式各樣錯(cuò)誤均屬于正?，F(xiàn)象。本文采用自適應(yīng)變異方式可以抑制干擾信號，降低錯(cuò)誤傳輸，從而降低異步通信信號錯(cuò)誤檢測概率。

自適應(yīng)變異是指異步通信傳輸流程中，依據(jù)異步通信信號信息提取出其數(shù)據(jù)特點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)檢測方法，能夠自動(dòng)檢測擴(kuò)頻碼、自動(dòng)檢測相位以及自動(dòng)檢測干擾信號等，使其和所檢測信號的統(tǒng)計(jì)分布、信號成分相適應(yīng)，以獲得最希望的檢測效果的流程。根據(jù)自適應(yīng)變異性能對消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測進(jìn)行分析，該分析步驟主要分為消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤信號接收、錯(cuò)誤檢測兩部分。其中，信號接收是根據(jù)周期的方波脈沖、信號擴(kuò)頻碼[6]、信號幅度與經(jīng)過配置濾波設(shè)備等數(shù)據(jù)，得出異步通信錯(cuò)誤；錯(cuò)誤檢測是依據(jù)定時(shí)、高斯分布與標(biāo)準(zhǔn)高斯等方面將獲取的異步通信錯(cuò)誤進(jìn)行檢測，并修正錯(cuò)誤。

3 錯(cuò)誤信號接收

根據(jù)自適應(yīng)變異下消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測流程[7]，設(shè)定該流程中有K個(gè)用戶，第k個(gè)用戶輸送消息隊(duì)列異步通信信號為

(1)

其中，bk(t)描述了第k個(gè)用戶輸送的二元異步通信數(shù)據(jù)信號，bk，i∈+1，-1描述了第k各用戶的第i個(gè)比特；PT(t)表示幅度數(shù)值為1，T表示一個(gè)持續(xù)周期的方波脈沖，ak(t)表示第k個(gè)用戶信號擴(kuò)頻碼[8]，其是任意獨(dú)立消息隊(duì)列，即

(2)

其中，PTc(t)表示幅度數(shù)值為1，持續(xù)周期為Tc的方波脈沖。擴(kuò)頻比值是N=T/Tc。收到消息隊(duì)列異步通信信號是

(3)

其中，n(t)表示任意無線噪聲，N0/2表示該信號譜功率分布[9]。τk表示第k個(gè)用戶的任意時(shí)延服從[0，T]中的平均分散；?k=(θk-ωcτk)mod 2π描述了第k個(gè)用戶的任意送達(dá)相位，若ωc?1(0，2π)時(shí)，服從(0，2π)中的平均分散。

第k個(gè)用戶的第i個(gè)比特的配置濾波設(shè)備輸出結(jié)果為

(4)

(5)

下面將利用標(biāo)號方式，上標(biāo)(2)代表檢測設(shè)備的第2階，也就是通過1階干擾去除之后得出的結(jié)果。其中1階則表示以前檢測情況，上標(biāo)(1)可以省略不用寫，輸出結(jié)果為

(6)

第2階經(jīng)過配置濾波設(shè)備輸出結(jié)果為

(7)

4 信號錯(cuò)誤檢測

在實(shí)際操作流程中，消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤信號避免不了發(fā)生接收到錯(cuò)誤問題，為此對第1階與第2階配置濾波設(shè)備的輸出結(jié)果進(jìn)一步分析，若出現(xiàn)錯(cuò)誤就將其修正。

第1階出現(xiàn)接收到消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤信號存在錯(cuò)誤，將其修正為

(8)

當(dāng)中，0≤ε

利用符號表示方式將式(8)變成

(9)

對于自適應(yīng)變異流程，假設(shè)噪聲信號是高斯分布，則錯(cuò)誤碼率能夠用信噪比Q函數(shù)運(yùn)算得出[12]。

(10)

(11)

將上式采用積分方法進(jìn)行簡化，得出式(12)。

(12)

(13)

(14)

(15)

式(15)得出結(jié)果是首個(gè)用戶在干擾刪除設(shè)備第2階的得出錯(cuò)誤碼的概率。第2階的錯(cuò)誤碼概率和第1階錯(cuò)誤碼概率具有關(guān)聯(lián)聯(lián)系。

通過以上研究可知：減弱希望檢測的用戶有關(guān)接收信號的干擾；讓前1項(xiàng)目的得出判斷可靠性比例減少，同時(shí)在前1階信息數(shù)據(jù)比特預(yù)測正確的狀況下，依舊不可以抵消全部多址干擾，減少干擾刪除的可靠性。從第2階起始時(shí)，各個(gè)階統(tǒng)計(jì)數(shù)量就不需要獨(dú)立，前一項(xiàng)目與后一項(xiàng)目的錯(cuò)誤具備一定的相關(guān)聯(lián)系，如果用傳統(tǒng)方法，則就會(huì)大大增加錯(cuò)誤檢測概率。而利用自適應(yīng)變異方式自動(dòng)調(diào)節(jié)與其相似表達(dá)形式變得更加容易，并且錯(cuò)誤概率極小。

5 仿真分析

為了驗(yàn)證自適應(yīng)變異方法對消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測效果，采用對比實(shí)驗(yàn)的方式將本文方法與文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行對比分析。實(shí)驗(yàn)中，則設(shè)定異步通信錯(cuò)誤信號接收設(shè)備為希望信道信息數(shù)據(jù)，同時(shí)每組接收異步通信錯(cuò)誤信號具備相等的譜功率分布。該信道參數(shù)情況如表1可知。

表1 通信信號信道參數(shù)情況

實(shí)驗(yàn)使用一種數(shù)字調(diào)制方法，其參數(shù)情況如表2可知。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)情況

依據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)信息情況，獲得消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤情況曲線如圖1、圖2所示。

圖1 不同方法下發(fā)8收5錯(cuò)誤概率對比情況

圖2 不同方法下發(fā)8收8錯(cuò)誤概率對比情況

圖1展示了自適應(yīng)變異方法與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]方法發(fā)8收5情況下消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤情況(接收信號少于起始送出信號)。能夠得出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中信噪比是5dB時(shí)，所有方法的檢測誤差基本一致，所有方法都符合基本實(shí)際需求。但第一次迭代計(jì)算中，信噪比是10dB時(shí)，本文方法得出錯(cuò)誤概率為10-2，文獻(xiàn)方法獲得錯(cuò)誤概率均為10-1，這是因?yàn)槭褂酶櫡椒▽⑵鹗驾敵霎惒酵ㄐ佩e(cuò)誤信號擴(kuò)展到全部方波脈沖信號中，減少多址干擾，提升錯(cuò)誤碼概率。當(dāng)?shù)?次迭代計(jì)算中，當(dāng)信噪比是25時(shí)，使用自適應(yīng)變異方法取得錯(cuò)誤概率是10-3，文獻(xiàn)[3]方法獲取錯(cuò)誤概率為10-1，而文獻(xiàn)[4]方法獲取錯(cuò)誤概率為10-2。這是因?yàn)樵谶\(yùn)算流程中，跟蹤將前一次迭代計(jì)算得出的錯(cuò)誤信號數(shù)據(jù)擴(kuò)展到全部信息數(shù)據(jù)幀中，降低多址干擾重新構(gòu)建錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的問題，進(jìn)一步降低錯(cuò)誤率，驗(yàn)證本文方法的消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測能力優(yōu)于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法。

圖2展示發(fā)8收8情況下，本文方法與文獻(xiàn)方法錯(cuò)誤概率比較情況。對比可知，在首次迭代計(jì)算信噪比是20dB時(shí)，本文方法檢測錯(cuò)誤概率為10-3，文獻(xiàn)[3]方法檢測錯(cuò)誤概率為10-2，而文獻(xiàn)[4]方法檢測錯(cuò)誤概率為10-1。當(dāng)?shù)?次迭代計(jì)算中，當(dāng)信噪比是30dB時(shí)，本文方法取得錯(cuò)誤概率為10-3，文獻(xiàn)[3]方法得出錯(cuò)誤概率為10-2，而文獻(xiàn)[4]方法獲得錯(cuò)誤概率為10-1，故經(jīng)過兩次迭代計(jì)算數(shù)據(jù)對比情況，本文方法每次迭代計(jì)算都小于文獻(xiàn)[3]與文獻(xiàn)[4]方法錯(cuò)誤概率，其異步通信信號錯(cuò)誤檢測性能極佳。

綜上所述，通過接收信號少于或等于起始送出信號迭代計(jì)算得出錯(cuò)誤概率數(shù)據(jù)，均能證實(shí)本方法檢測出錯(cuò)誤概率極低，檢測結(jié)果精準(zhǔn)。

6 結(jié)論

文中采用自適應(yīng)變異方法根據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)特性設(shè)計(jì)消息隊(duì)列異步通信錯(cuò)誤檢測流程，并依據(jù)輸送異步通信信號周期與幅值、相位數(shù)據(jù)情況判定出異步通信錯(cuò)誤信號，再經(jīng)過定時(shí)同步與無線噪聲、多址干擾等影響該信號進(jìn)行分析與修正，最后得出錯(cuò)誤概率極小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自適應(yīng)變異方法的有效性，錯(cuò)誤概率低、檢測性能高，優(yōu)于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法。

文中分析用戶接收到信號錯(cuò)誤檢測，前提是理想狀態(tài)下，接收端口得出的參數(shù)均為穩(wěn)定，在現(xiàn)實(shí)中，接收到的異步通信信號是不穩(wěn)定的，分析接收到參數(shù)不穩(wěn)定對異步通信信號產(chǎn)生影響是今后的主要研究方向。