基于DBSCAN算法的無線電干擾與溫度的相關(guān)性研究

王斌

【摘要】隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，很多應(yīng)用技術(shù)競爭頻譜資源。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)機(jī)場航線航班數(shù)量不斷增加，民航無線電頻率安全使用是保障飛行運(yùn)輸安全的基礎(chǔ)，目前民航無線電頻譜資源由國家統(tǒng)一分配授權(quán)，F(xiàn)CC調(diào)查顯示無線頻譜資源分配頻段利用率較低?，F(xiàn)有固定頻譜分配策略不能滿足頻譜需求，目前對無線電干擾研究處于起步階段，本文通過分析基于干擾溫度限模型功率控制，介紹了DBSCAN聚類算法原理，研究了無線電干擾與溫度的關(guān)系，為處理無線電干擾問題提供參考。

【關(guān)鍵詞】DBSCA算法;無線電干擾;溫度;相關(guān)性

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.07.007

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，快速的民航交通成為人們出行的重要方式。民航業(yè)務(wù)得到快速發(fā)展，運(yùn)輸能力逐漸提高，航線網(wǎng)絡(luò)不斷拓展，各類民航無線電臺數(shù)量持續(xù)增多，民航無線電設(shè)備相互干擾，如何建立合理的無線電干擾查處應(yīng)急預(yù)案，保證民航無線電設(shè)備安全運(yùn)行是無線電管理的重要課題。無線電干擾與系統(tǒng)內(nèi)外電磁兼容等密切相關(guān)，交流線路無線電干擾隨濕度升高減小。無線電干擾實驗發(fā)現(xiàn)直流輸電線路無線電干擾隨溫濕度變化。我國輸電線路進(jìn)行無電線干擾現(xiàn)場測試研究，相關(guān)單位對無線電干擾進(jìn)行長期測試，得到與溫度在春夏秋季呈負(fù)相關(guān)。交直流線路并行架設(shè)方面無線電干擾研究較少，本文通過建立自動化測量系統(tǒng)，分析無線電線路典型電位下與溫度相關(guān)性。

1. 民航無線電干擾分析

無線通信對頻譜資源需求加大，嚴(yán)重限制無線電技術(shù)的發(fā)展。頻譜資源利用率較低，由于現(xiàn)有頻譜資源分配方式存在缺陷。如各國頻譜資源分配由政府管理部門負(fù)責(zé)，僅將頻譜資源分為授權(quán)固定與開放頻段，非授權(quán)頻段承載大部分用戶，一些授權(quán)頻段長期處于空閑狀態(tài)。美國聯(lián)邦通訊委員會調(diào)查顯示授權(quán)頻譜利用率的15-85%，造成頻譜資源浪費(fèi)。認(rèn)知無線電技術(shù)提供可行方案，動態(tài)感知周圍頻譜環(huán)境，利用空閑頻譜提高利用率。

無線電波是電磁譜的一部分，是不用人造波導(dǎo)在空間傳播的電磁波，位于無線電頻譜中定位占據(jù)一定寬度，無線電波是波動電磁場。無線電監(jiān)測是頻譜管理的基礎(chǔ)，主要作用是利用無線電技術(shù)對監(jiān)測信號時空域?qū)拵чg歇信號等進(jìn)行快速實時搜索測量，為頻率指配下發(fā)，及時發(fā)現(xiàn)排除有害干擾提供可靠依據(jù)。無線電監(jiān)測提供監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，為頻譜指配頻率規(guī)劃提供閉環(huán)檢查方法，頻譜管理錄用資料確定符合頻譜管理程序規(guī)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，無線電管理工作圍繞干擾主題開展，發(fā)現(xiàn)有害干擾通過測向迅速定位。無線電干擾是射頻在9KHz-3000GHz頻段內(nèi)對有用信號造成損害無用電信號，可以對無線電通信所需接收信號產(chǎn)生影響。通常把無線電干擾分為允許與有害干擾。

無線電干擾按傳播聽方式分為傳導(dǎo)與輻射干擾，根據(jù)干擾源性質(zhì)包括自然與人為干擾。自然干擾為不可控太陽干擾等，集中于100MHz以下。人為干擾分為無線電設(shè)備與非無線電設(shè)備干擾，無線電設(shè)備分為同頻與互調(diào)干擾等。無線電干擾查找步驟包括監(jiān)聽、觀察與跟蹤測向。民航無線電頻率是國家無線電管理機(jī)構(gòu)為民航通信導(dǎo)航等領(lǐng)域劃分的無線電頻率，民航使用頻率包括190kHz-1750kHz，960MHz-1215MHz等。民航無線電專用頻率傳播方式為視距，傳播中受到地形條件影響。民航無線電專用頻率用于航向信標(biāo)，指點(diǎn)信標(biāo)等。

2. 基于干擾溫度限模型功率控制

干擾溫度為更好的量化管理干擾，給定無線通信系統(tǒng)干擾溫度上限為固定，發(fā)射功率造成干擾不能使區(qū)域干擾溫度高于固定門限。干擾溫度定義式為，fc為關(guān)注頻帶中心頻率Hz;k為玻爾茲曼常量1.38×10＼J/K;B為頻譜帶寬;PI（fc，B）為中心頻譜為fc的平均干擾功率。FCC（美國聯(lián)邦我通訊委員會）確定各區(qū)域干擾溫度限，發(fā)射機(jī)利用頻帶需保證引入附加干擾不超過溫度上限。

目前常用的干擾溫度模型為基于認(rèn)知無線用戶討論，由于部署主用戶設(shè)備少未完全利用系統(tǒng)頻譜。其他用戶可采用空間復(fù)用方式。經(jīng)典干擾溫度限模型包含多個認(rèn)知無線用戶收發(fā)對，測得溫度未超過干擾門限值保證主用戶服務(wù)質(zhì)量。無線網(wǎng)絡(luò)功率控制較為成熟，研究通過增加信道空時復(fù)用率降低分組投遞能耗。本文假設(shè)用戶采用蜂窩接入技術(shù)，使得節(jié)點(diǎn)傳輸信號為噪聲信號。主用戶小區(qū)附近有1個認(rèn)知用戶小區(qū)，必須放置干擾功率檢測器測量認(rèn)知用戶接入產(chǎn)生干擾能量。距離發(fā)射機(jī)L處功率值服從公式，Gr為接收天線增益;λ為載頻波長。頻譜共享達(dá)到最高系統(tǒng)效益要求次用戶質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，接入不會影響主用戶通信質(zhì)量。

3. DBSCAN算法

DBSCAN是基于密度的聚類算法，大部分基于劃分聚類算法不能有效發(fā)現(xiàn)任意形狀的簇，由于大多通過計算對象間距實現(xiàn)聚類目的。研究人員提出基于密度的DBSCAN聚類算法，通過判斷對象數(shù)據(jù)數(shù)目達(dá)到目的，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)對象數(shù)超過值表明滿足算法要求。規(guī)定區(qū)域中每個簇數(shù)據(jù)對象含有1個數(shù)的點(diǎn)，基于密度聚類算法可進(jìn)行異常點(diǎn)挖掘，DBSCAN是經(jīng)典的基于密度算法?；舅枷胧墙o定數(shù)據(jù)對象，判斷對象Eps鄰域內(nèi)數(shù)據(jù)對象個數(shù)。假設(shè)q是集合D中的核心對下定，p從q出發(fā)是直接密度可達(dá)。

DBSCAN聚類算法處理首先在數(shù)據(jù)集取對象p，p的Eps鄰域內(nèi)含有對象數(shù)目比MinPts多，新建聚類包含對象p。聚類中無新對象加入結(jié)束算法。DBSCAN算法可發(fā)現(xiàn)任意形狀的簇，算法不需事先設(shè)定聚類數(shù)目，使用DBSCAN算法對數(shù)據(jù)聚類噪聲為數(shù)據(jù)對象不在簇中。檢測異常點(diǎn)時DBSCAN算法密度不規(guī)則數(shù)據(jù)效果不佳，參數(shù)選擇不能適用于數(shù)據(jù)庫各密度數(shù)據(jù)區(qū)域，使用DBSCAN算法聚類質(zhì)量較差。Eps與MinPts參數(shù)需要人工輸入，聚類結(jié)果準(zhǔn)確率對用戶參數(shù)選擇有依賴性。DBSCAN法不需事先知道形成簇類數(shù)量，可發(fā)現(xiàn)任意形狀簇類。對數(shù)據(jù)庫中樣本順序不敏感，對簇類間邊界樣本根據(jù)優(yōu)先探測到歸屬所有擺動。其缺點(diǎn)是不能反映數(shù)據(jù)集變化密度，樣本密度不均勻聚類質(zhì)量差。

DBSCAN聚類算法具有很好的識別分離噪聲點(diǎn)及穩(wěn)定點(diǎn)的能力，包括鄰域半徑r特定參數(shù)確定。密度閾值MinPts為某簇中最少樣本個數(shù)，使用算法去噪滿足公式Nε（P）={q|q∈P，dpq≦r，}≦MinPts歸為簇。簇內(nèi)樣本緊密相連，獲得最終所有聚類類別結(jié)果，使用算法要點(diǎn)包括核心對象與密度相連等。DBSCAN定義簇為密度可達(dá)關(guān)系到最大密度相連樣本點(diǎn)集合。DBSCAN算法為找到密度相連對象最大集合。給定樣本點(diǎn)p1，p2…pn，q=pn。q密度可達(dá)則p，q密度相聯(lián)。假設(shè)半徑E=3，點(diǎn)m的鄰域中有點(diǎn){m，q，p，m1，m2}，點(diǎn)o的E鄰域中有點(diǎn){o，p，s}，核心對象有p，m，o，s，點(diǎn)m從點(diǎn)p直接密度可達(dá)。

4. 基于DBSCAN算法的無線電干擾與溫度關(guān)系分析

目前無線電恒干擾監(jiān)測采用單臺設(shè)備多次測量，測點(diǎn)分布較多時，測量數(shù)據(jù)無法表現(xiàn)環(huán)境因素影響。測量路徑較長時需布置多個設(shè)備。改進(jìn)單個參數(shù)測量監(jiān)測方式，提出自動化測量系統(tǒng)采用蓄電池供電，與無線電干擾數(shù)據(jù)采集至數(shù)據(jù)管理平臺。

對比同時段人工與自動測量方式，人工與自動測量數(shù)據(jù)取平均值一致可驗證系統(tǒng)可靠性。通過自動化測量系統(tǒng)積累測量得到大量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)測量值有部分離群值。算法包括基于密度方法等，采用與密度算法DBSCAN為無線電干擾與溫度離群值剔除法。DBSCAN是在有干擾處根據(jù)密度聚類算法，采用密度為參考量，距離與個體數(shù)量是重要參數(shù)。MinPts為距離內(nèi)個體數(shù)量臨界值。DBSCAN算法給出樣本集合D（x1，x2，…，xn）定義，ε-鄰域為D中距離Xi不超過ε樣本子集。ε鄰域中個體數(shù)量不小于MinPts（|Nε（Xi）≧MinPts），各點(diǎn)由Xi核心點(diǎn)密度直達(dá)，Pm滿足P1=Xi，Pt+1由Pt密度直達(dá)。

圖1中MinPts=5，深色非核心點(diǎn)由核心點(diǎn)密度直達(dá)。以無線電干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行離群值處理。淺色核心點(diǎn)有1954個，非核心點(diǎn)有338個。不滿足密度相連樣本點(diǎn)61個。核心點(diǎn)樣本無線電干擾范圍43.18-54.22dB。不滿足密度相連樣本點(diǎn)溫度范圍為22.5-35.3℃。通過DBSAN算法可剔除實測數(shù)據(jù)離群點(diǎn)，為研究獨(dú)立點(diǎn)位0.5MHz無線電干擾與溫度相關(guān)性，將干擾走廊斷面分為交直流測，對測量路徑測量點(diǎn)位數(shù)據(jù)剔除數(shù)據(jù)樣本離群值。對采集數(shù)據(jù)按點(diǎn)位統(tǒng)計分析，將溫度劃分為0℃以下，15-30℃，中值為統(tǒng)計數(shù)據(jù)中位數(shù)，偏度是數(shù)據(jù)偏斜方向。交流線路無線電干擾水平高于直流線路側(cè)。直流測溫度與無線電干擾關(guān)系不明顯。中間過渡區(qū)域無線電干擾較低，兩點(diǎn)位數(shù)據(jù)差異小。無線電干擾隨著溫度增高，80%分位數(shù)不超過敏感區(qū)域限值的55dB，距離導(dǎo)線下方測點(diǎn)近。圖2為無線電干擾與溫度關(guān)系圖。

5. 民航無線電干擾處理

民航通信系統(tǒng)有專用頻率，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，目前用于民航通信系統(tǒng)使用無線電設(shè)備種類眾多，機(jī)載通信系統(tǒng)按功能分為導(dǎo)航與雷達(dá)系統(tǒng)，機(jī)載通信系統(tǒng)分為導(dǎo)航與通信系統(tǒng)。以往航天系統(tǒng)中采用ILS系統(tǒng)中利用指點(diǎn)信標(biāo)為飛機(jī)提供距離信息，當(dāng)下英語系統(tǒng)更多采用DME測距方式，航天通信系統(tǒng)采用DEM/N系統(tǒng)精度為370m，不能達(dá)到實際使用要求，通常采用DME/P進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)范圍為30m，民航無線電頻率主要用于航向信標(biāo)，指點(diǎn)信標(biāo)等。

目前我國民航無線電干擾類型包括非法設(shè)置無線電臺，設(shè)置不合理的大功率無線電臺，高壓輸電線路使用中接地不良產(chǎn)生輻射干擾等。無線電技術(shù)發(fā)展在現(xiàn)代民航業(yè)發(fā)展中起到重要作用，地面接收設(shè)備數(shù)字化保證飛機(jī)飛行安全同時使民航運(yùn)輸安全依賴于無線電通信設(shè)備，日常監(jiān)測分為信號采集分析等，日常監(jiān)測工作中要注意不同業(yè)務(wù)頻段有不同調(diào)制方式，測量設(shè)備掃描步進(jìn)，分辨率貸款等要根據(jù)實際情況確定，對連續(xù)信號測試方法有很大差異，因測量接收機(jī)等儀器設(shè)備不同，操作人員監(jiān)測中需合理設(shè)置儀器設(shè)備測量寬帶等參數(shù)。定位民航無線電干擾應(yīng)注意分析信號傳輸路徑，使用移動監(jiān)測車查找信號突然變動可證明車輛處于信號直射路徑，監(jiān)測人員要關(guān)注附近地形地貌，干擾查找中測向天線指向干擾源信號變大可確定干擾來源方向。

民航無線電干擾測試需要通過專用無線電監(jiān)測設(shè)備等進(jìn)行測試。要根據(jù)不同干擾類型處理無線電干擾，調(diào)配廣播電臺產(chǎn)生互調(diào)干擾包括發(fā)射機(jī)與接收機(jī)互調(diào)，可以通過加大發(fā)射機(jī)發(fā)射天線垂直距離，在發(fā)射機(jī)輸出端接入濾波器，采用改變產(chǎn)生干擾發(fā)射機(jī)頻率等方法減少發(fā)射機(jī)互調(diào)。在接收機(jī)前端加入衰減器，在高放混頻器端采用結(jié)型場效應(yīng)管減少接收機(jī)互調(diào)干擾。驗證抑制有線電信號泄露產(chǎn)生干擾方法包括降低傳輸信號電平，調(diào)整有線電視頻道，合理設(shè)計網(wǎng)絡(luò)降低信號傳輸電平;日產(chǎn)生電磁泄露設(shè)備安裝在屏蔽箱內(nèi)，提高線路屏蔽率，安裝接頭設(shè)備進(jìn)行防水處理。建立民航無線電監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對無線電頻率實時監(jiān)測，對收集信號信息存儲分析判斷干擾源。

6. 結(jié)語

本文分析基于干擾溫度限模型功率控制，介紹DBSCAN聚類算法原理，研究無線電干擾與溫度關(guān)系。通過建立測量系統(tǒng)積累無線電干擾數(shù)據(jù)，通過對交直流并線路交直流區(qū)數(shù)據(jù)分析，無線電干擾高于直流區(qū)域值約2.5dB;直流區(qū)域無線電干擾與溫度相關(guān)性不明顯，交流區(qū)域無線電干擾最大值為54.91dB不超過敏感區(qū)閾限值。研究為無線電干擾特性分析提供數(shù)據(jù)支持。

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