鐵路無線集群通信網絡信號增強方法研究＊

柳美平,張線媚,楊 燕

（西安思源學院，陜西 西安 710038）

1 引言

從組成結構來看，鐵路無線集群與一般的通信網絡相同，能夠利用大量鐵路通信點，實現信號的實時互通[1]。鐵路通信點遭遇極端環境時，通信信號極易混雜相同頻率的噪聲，影響網絡的正常通訊[2]。為此，設計一種信號增強方法，為鐵路單位的正常運行提供技術保障。

國外在研究鐵路線路的無線通信起步較早，運用等效源處理過程壓制了信號中的噪聲[3]，實現了信號的增強處理[4]。國內研究信號增強技術要稍稍晚于國外，研究人員運用小波分解處理方法建立了信號的混合閾值，形成了多個信號增強過程。運用隨機過程建立了通信節點機制[5]，設定了多種信號增強方案。構建了信號通信傳輸間的數值關系，實現了信號的增大處理[6]。綜上可知，噪聲信號與實際通信傳輸信號之間的誤差，容易導致增大處理后的信號傳輸不穩，為此，研究一種鐵路無線集群通信網絡信號增強方法。

2 鐵路無線集群通信網絡信號增強方法

2.1 鐵路無線集群信號的獨立分量定義

鐵路無線集群在實際傳輸通信網絡時，內部存在多個未知源信號，定義該信號為S(t)，源信號與觀測信號之間的數值比就可表示為：

其中，X(t)表示多維信號集，A表示分量系數，M、N分別表示源信號與觀測信號個數。為控制兩類型源信號與觀測信號獨立，構建一個約束關系，數值可表示為：

其中，I表示獨立數值，E表示分離系數，其余參數含義不變。簡化獨立分量的處理過程[7]，處理后的數值關系可表示為：

其中，W表示數值自化參數，其余參數含義不變。不斷迭代處理中心化處理的參數后，將聯立參數形成的估計數值作為信號的獨立分量，數值關系可表示為：

其中，C表示獨立分量，Ui表示估計函數表示主分量參數。

2.2 設計網絡信息極大準則

上述計算得到的獨立分量作為處理數值，引入Infomax算法迭代處理為分量非線性處理過程，如下圖所示：

在上圖所示的非線性處理過程下，等價處理網絡信息為一個輸出熵，輸出熵可表示為：

其中，H(yn)表示非線性輸出的網絡信息極大數值集，I(yn)表示隨機網絡集，IC表示信號的高斯參數。通過線性分析輸出熵的量化指數可知，鐵路中隨機變化的網絡信號存在較大的峭度，可表示為：

其中，mi表示信號源產生的偏差，si表示峭度函數，PT表示負熵近似參數。

2.3 網絡信號增強實現

以準則內的數值關系作為約束，應用連續小波變換[8]處理上述計算公式(6)，數值關系可表示為：

其中，w表示提取出的獨立分量，t表示小波變換時間，b表示正則參數，a局部參數。變化如下圖所示。

在上圖所示的波動變化下，伸縮并不斷平移信號波形，處理過程為：

其中，ψa表示信號處理函數，Wf表示逆變函數，其余參數含義不變。為了消除增強過程中產生的冗余，處理過程可表示為：

其中，L表示構建的控制函數，k表示變換系數，ft表示周期范圍內信號的增大函數。

3 仿真實驗

3.1 實驗準備

準備構建無線集群所需的設施，以核心交換器作為信號處理核心，搭建形成的無線集群通信結構如下圖所示：

采集上圖模擬設定的鐵路無線集群中的信號數據，采集二十組帶有噪聲及無噪聲的通信信號。如下表所示。

對應上表的鐵路無線集群信號，選定兩種傳統信號增強方法與所設計的信號增強方法進行實驗。

3.2 結果及分析

基于上述實驗準備，在選定的集群環境及信號參數下，利用三種信號增強處理方法的框架，處理不含噪聲的信號，數值關系可表示為：

其中，P(s)表示信號識別率，Xi表示實驗準備的無噪聲信號表示信號增強函數。計算結果如下表：

表2 信號增強后的可識別率

對應上表所示的實驗結果，傳統信號增強方法1的可識別率數值在65%左右，增強處理后的信號可識別率較低。傳統信號增強方法2 得到的可識別率數值在83%左右，增強處理后的信號可識別率較大。而所設計的信號增強方法得到的可識別率數值在94%左右，增強處理后的信號，可被識別的概率最高。

在上述實驗環境下，計算三種信號增強方法的信噪比，結果如下表所示：

其中，SN表示信號的信噪比，SP表示增強后的信號，NP表示噪聲信號。結果如下表所示。

表3 三種信號增強方法產生的信噪比

以含有噪聲的網絡信號作為處理對象，傳統信號增強方法1的信噪比數值在35dB左右，傳統信號增強方法2的信噪比數值在70dB 左右。而所設計的信號增強方法得到的信噪比數值在95dB左右，信噪比數值最大。

保持上述實驗環境不變，以實驗采集得到的不含噪聲信號作為處理對象，定義信號的振幅越大，則表明增強處理后的信號越不穩定，結果如圖4所示。

對應圖4所示的信號幅值結果，傳統信號增強方法1的信號幅值最大，增強處理后的信號不穩定。傳統信號增強方法2 的信號幅值較小，實際增強處理的信號較穩定。而所設計的信號增強方法幅值最小，實際增強后的網絡信號幅值最大，處理后的信號最穩定，

4 結束語

隨著鐵路通訊網絡不斷完善，如何增強鐵路無線信號的傳輸能力成為了當下的研究熱點。為此，研究鐵路無線集群通信網絡信號增強方法。經實驗驗證，所設計的信號增強方法能夠改善傳統信號增強方法中存在的不足，為今后研究信號增強提供理論支持。