基于小波變換的無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常檢測方法

宋光偉

（天津光電通信技術(shù)有限公司，天津 300221）

0 引 言

在新興科技不斷發(fā)展的時代背景下，無線通信與人們生活的聯(lián)系越來越緊密[1]。無線通信技術(shù)廣泛應用于諸多產(chǎn)業(yè)，包括廣播、衛(wèi)星、雷達以及電話等，通過信號的發(fā)送、轉(zhuǎn)換、傳輸、接收實現(xiàn)無線通信[2]。信號轉(zhuǎn)換是無線通信的重要部分，是確保無線通信質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于無線信號需經(jīng)過電離層發(fā)射傳播，傳播距離較遠，信號轉(zhuǎn)換易受外界環(huán)境的影響，導致接收端信號異常，無線通信質(zhì)量降低[3]。因此，需實時監(jiān)測無線通信發(fā)射機的信號情況，若出現(xiàn)異常需及時采取相應的措施，提高無線通信的安全性和穩(wěn)定性。因此，研究基于小波變換的無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常的檢測方法，實時檢測通信節(jié)點的異常信號，以提高無線通信系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。

1 采集無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常信息

檢測無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常的基礎是采集異常信號[4]。無線通信管理機構(gòu)未批準通過的非授權(quán)信號或信號接收端異常，將導致發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常。通過分析信號的運行節(jié)點判斷信號是否發(fā)生異常。根據(jù)信號的運行節(jié)點，無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常包括信號的非法發(fā)射狀態(tài)、移頻發(fā)射狀態(tài)、超帶寬發(fā)射狀態(tài)以及超電平發(fā)射狀態(tài)4種情況。

無線通信發(fā)射機信號的非法發(fā)射異常狀態(tài)可表示為

無線通信發(fā)射機信號的移頻發(fā)射異常狀態(tài)可表示為

無線通信發(fā)射機信號的超帶寬發(fā)射異常狀態(tài)可表示為

無線通信發(fā)射機信號的超電平發(fā)射異常狀態(tài)，即

式中：z為發(fā)射機的發(fā)射信號；az為信號z的頻點；a為無線通信系統(tǒng)內(nèi)的授權(quán)信號頻點；a1、a2分別為與信號z的頻點az相鄰的2組信號頻點；δz為信號z的帶寬；δ為無線通信系統(tǒng)內(nèi)的授權(quán)信號帶寬；δ1、δ2分別為信號的帶寬范圍值；?為頻點的抖動范圍；φz為信號z的電平；φ為無線通信系統(tǒng)內(nèi)的授權(quán)信號電平。利用射頻傳感器采集無線通信發(fā)射機異常信號，可為異常分析提供數(shù)據(jù)基礎。

2 基于小波變換的異常信號特征提取

結(jié)合小波變換等方法實時檢測異常信號，并分析異常信號的時頻特征[5,6]。小波變換法通過降低信號的特征維數(shù)，提高相關(guān)分類決策的效率與準確性。為了便于無線通信管理系統(tǒng)的計算與應用，得到無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換的異常特征信號。采用離散型小波變換算法，分析異常信號特征[7,8]。

設初步采集的異常信號為z，離散小波基函數(shù)a（u）為

式中：u為時間；br,s（u）為母小波函數(shù)；r、s分別為隨機的任意整數(shù)；為初始的無線通信發(fā)射機的異常信號；m0為小波變換的單位尺度空間系數(shù)；n0為小波變換的單位平移空間系數(shù)。

計算離散小波包變換計算的相關(guān)系數(shù)θn,m為

式中：m為小波變換的尺度空間系數(shù)m0衍生的整數(shù)；n為小波變換的尺度空間系數(shù)平移空間系數(shù)n0衍生的整數(shù)；κ(u')為小波變換的重構(gòu)計算函數(shù)。

離散化處理小波變換的尺度空間與平移空間系數(shù)，重構(gòu)變換分析信號。小波變換的重構(gòu)計算函數(shù)為

通過小波變換重構(gòu)計算，對含有噪聲的異常信號進行降噪處理，將信號進行矢量分解，實現(xiàn)無線通信發(fā)射機異常信號的特征提取，為后續(xù)異常信號的分析提供理論依據(jù)。

3 建立異常信號的實時檢測模型

無線通信發(fā)射機處于異常工作狀態(tài)時，異常信號的小波熵隨之發(fā)生相應的變化[9,10]。結(jié)合相對小波時間熵算法，構(gòu)建異常信號的實時檢測模型。設異常信號中2組相對的小波能量分別為{Gx}、{Hx}，即異常信號中2個節(jié)點的小波能量比對應的多尺度概率分布狀態(tài)，得到無線通信異常信號的相對小波熵值為

4 測試與分析

4.1 試驗準備

為了檢測設計的基于小波變換的無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常檢測方法的可行性，設計仿真模擬對比試驗?；赪indows系統(tǒng)搭建試驗的測試平臺，利用平臺中的Python工具進行設計方法的訓練與仿真測試。在平臺的數(shù)據(jù)庫中添加某地區(qū)無線通信的歷史運行數(shù)據(jù)作為測試樣本，測試過程的相關(guān)參數(shù)取值設計如表1所示。

表1 仿真測試的相關(guān)參數(shù)取值設計表

4.2 檢測結(jié)果與分析

隨機選取1 000個測試樣本，采用設計的基于小波變換的異常檢測方法作為試驗組，采用傳統(tǒng)方法作為對照組1，采用基于決策樹模型的異常檢測方法作為對照組2，進行仿真測試，記錄檢測結(jié)果。

異常信號的檢測評價指標公式為

式中：δ1為異常檢測結(jié)果的正確率；TP為檢測方法的正結(jié)果中實際的正樣本數(shù)量；FP為檢測方法的正結(jié)果中實際的負樣本數(shù)量；操為異常檢測結(jié)果的精確率；TN為檢測方法的負結(jié)果中實際的負樣本數(shù)量；FN為檢測方法的負結(jié)果中實際的正樣本數(shù)量；δ3為異常檢測結(jié)果的召回率；F1為異常檢測結(jié)果，即檢測結(jié)果正確率與召回率指標的平衡值。

計算檢測結(jié)果平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同異常檢測方法的評價指標均值對比表

對于隨機的1 000組信號樣本，試驗組異常檢測方法的4項評價指標均優(yōu)于對照組1和對照組2。對于200組正常信號，試驗組檢測結(jié)果的正確率均值分別比對照組1、對照組2高14.61%、6.00%；精確率均值分別比對照組1、對照組2高11.13%、7.85%；召回率均值分別比對照組1、對照組2高8.41%、8.31%；F1的平均值分別比對照組1、對照組2高9.39%、5.18%。對于800組異常信號，試驗組檢測結(jié)果的正確率均值分別比對照組1、對照組2高16.32%、7.52%；精確率均值分別比對照組1、對照組2高13.54%、9.56%；召回率均值分別比對照組1、對照組2高10.65%、11.92%；F1的平均值分別比對照組1、對照組2高11.43%、7.93%?？梢?，設計的基于小波變換的無線通信發(fā)射機信號轉(zhuǎn)換異常檢測方法具有準確性高與可靠性高的優(yōu)勢，可為無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供可靠的異常檢測技術(shù)支持，避免因信號轉(zhuǎn)換失效導致通信節(jié)點故障造成經(jīng)濟損失，保證了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

無線通信技術(shù)與人們的生活緊密相關(guān)。加強研究無線通信發(fā)射機異常信號的實時檢測技術(shù)，可為發(fā)射機的穩(wěn)定運行提供可靠的異常預測技術(shù)，促進無線通信發(fā)射機產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的整體經(jīng)濟效益。