2024年4月16日发(作者：)
一种基于扰动特征分解和前馈调制
的网络波动跳变信号抑制算法
陈卫军，李敏
安阳师范学院，软件学院，河南，安阳 455000
摘 要
：
数据通信中，会产生一种时频跳变谐振信号，为提
高网络稳定性，需要对这种网络波动跳变信号进行抑制。提
出一种基于扰动特征分解和前馈调制的网络波动跳变信号
抑制算法，在希尔伯特空间上对网络波动跳变信号进行扰动
特征分解。创建前馈调制滤波器以实现对网络波跳变信号的
前馈调制抑制。仿真结果表明，该算法数据传输实时性好,
能有效抑制网络波动跳变中的谐振信号，信息损失小，对于
解决大规模混合组网中启动滞后、服务器负载、颤抖等问题
有明显作用。
关键词：谐振信号，扰动特征分解；前馈调制
中图分类号：TP393
文献标识码：A
1 引言
当今，网络用户终端不再是传统意义上的计算
机用户，还包括了车载、舰载、机载终端和手持机
等网络用户，这些用户共同构成一个混合组合网络。
混合组合网络成为网络分布和设计的趋势，组合网
络中，由于网络之间的相群特征有差异，在网络切
换和数据通信中，会产生一种网络波动跳变谐振信
号，这种谐振信号以噪声的形式存在于网络通信系
统中，表现为一种跳变脉冲，带来网络波动和信号
不稳定，出现启动滞后、服务器负载、颤抖等现象。
随着网络安全和网络稳定性发展和应用需求扩大，
研究对转网过程中产生的网络波动跳变信号的抑制
算法，对提供信息通信和网络系统的安全稳定性具
有重要意义。
传统方法中，对混合组合网络的波动跳变谐振
信号的抑制主要是采用分数间隔均衡调制算法和包
络瞬时值统计方法进行信号抑制。采用统计信号处
理方法，通过信号检测理论，实现对有用信号的聚
焦，抑制谐波振荡信号
[1,2]
。算法在理论和实践中都
取得了一定的成果，其中，文献[3]提出了一种基于
包络瞬时值预估和混合蛙跳波特间隔均衡调制的网
络谐振信号抑制算法，采用包括包络检波调制方法
实现对网络波动跳变信号的检测和估计，提取有用
信息特征，实现消波抑制的目的。然而算法需要实
现能量检测预处理，实现较为复杂。文献[4]提出一
种基于跟踪微分时延误差补偿的失稳网络入侵波动
后的稳定与镇定方法，通过时延误差补偿控制方法，
实现对网络切换中的失稳信号的抑制，算法没有充
分考虑网络入侵后的噪声影响，精度不高。对此文
献[5]进行算法改进，提出一种基于能量管理和波特
间隔的前置均衡设计的网络切换波动控制算法，但
存在网络连接时间短，数据包传输中断率高的问题；
文献[6]提出一种基于非平稳时变信号分析的网络波
动跳变信号抑制算法，抑制信号跳频的交叉项，提
高噪声和波动干扰信号的抑制，但算法需要对信号
进行时频分解和相空间重排，计算量大。另外，文
献[7]提出了基于Gabor小波变换的网络自组网跳变
信号抑制算法；文献[8]采用一种基于分数阶Fourier
变换的跳变信号防波动检测算法，实现对网络波动
跳变信号的抑制和降噪处理。但综合分析传统算法，
都无法有效地实时实现网络波动跳变信号抑制，特
别是对大规模混合组合网络的切网产生的波动跳变
谐振信号的处理能力欠佳，鲁棒性和实时性不好
[9,10]
。
针对上述问题，本文提出一种基于扰动特征分
解和前馈调制的网络波动跳变信号抑制算法，提高
对大规模混合组合网络的跳变信号抑制性能，通过
信号模型构建，基于扰动特征分解和调制处理实现
对算法的改进，提高对网络谐振和跳变的消波抑制
能力，网络通信的均衡性提高，丢包率降低，保障
网络系统的稳定，提高鲁棒性。通过仿真实验验证
了算法的有效性和可行性。
2 网络波动跳变信号谐振数学模型和信号分析
2.1 问题描述与网络波动跳变信号谐振数学模型
本文研究大规模复杂组合网络的切换和数据
通信中的波动跳变谐振信号的抑制算法，首先给出
网络信号的谐振数学模型。为信号的生成提供模型
基础。大规模组合网络通常依据节点的拓扑结
构，构建相应的网络模型，随着网络规模的扩大
和网络之间协议差异性变化，由于在网络混合组
网过程中的这种差异性特征产生信号波动，导致
网络通信传输信道不稳定，甚至给网络攻击者留
下漏洞和后门，影响网络系统的稳定和安全。因
此需要对波动信号进行消波抑制，构建网络谐振
信号模型表达式为：
z(t)s(t)js(t)h(t)s(t)j
s(t)jH[s(t)]
s(u)
du
(1)
tu
基金项目：河南省科技厅基础与前沿研究项目(9)
作者简介：陈卫军(1971-)，男（汉族），河南安阳人，硕士，副教授，研究方向：计算机网络、计算机应用。
上式中，
a(t)
称为复信号
z(t)
的瞬时幅度，有
时也称为包络；
(t)
称为瞬时相位，
Z(f)
可由
S(f)
通过傅立叶变换得到，
H(f)
为网络谐振信号的阶跃
式传输函数。分析式（1）可见，网络波动跳变的谐
振信号时一组非平稳随机信号，具有时变性和非线
性。假设网络在切网过程中的信号跳变节点定义为
v
m
,m
1,n
。网络谐振信号为时域和频域构成窄带
回波的复包络形式，可写作：
~
y(t)
b(
,
)exp[j2
t]
~
f(t
)dtd
(2)
其中,
b(
,
)
是窄带扩展函数，
~
f(t)
为各频率分
量信号的复包络，为传输时延，
为多调频信号
的随着时间的变化的频移特性。假设网络在波动跳
变过程中，谐振信号随着时间的变化而线性变化的
为线性变换，这表现为一个调频信号，可得网络波
动跳变信号的窄带扩展函数为时变冲击函数或时变
格林函数的傅立叶变换，变换过程为：
y(t)
(a,b)
1
(
tb
a
)
dadb
a,b
a
f
a
2
(3)
上式中，
f(t)
为信号的非平稳态瞬时频率估计
值，
(a,b)
为宽带扩展函数，
a
为尺度参数，
b
为
时延参数。假设
b
k
是控制两个不同相位跳变节点的
网络谐振信号的相位值差，权系数
b
0
0
，
c
k
为相位
采样间隔参数，采用宽带扩展函数描述网络波动跳
变信号谐振数学模型，得到网络波动跳变信号的回
波信号演化过程中为：
y(t)
1
c
W
1tbdadb
f
y(a,b)
a
f(
a
)
a
2
(4)
f
网络波动跳变过程中，采用连续傅立叶变换处
理方法，得到信号波动特征的允许性函数，即平方
可积函数满足如下允许性条件：
c
F(
)
2
f
d
(5)
上式中，
F(
)
是
f(t)
傅立叶变换，常数
c
f
称为
函数
f(t)
的允许性常数。由此得到网络波动跳变信
号谐振数学模型，为实现网络波动跳变信号的信号
特征分析和前馈调制抑制提供信号源。
2.2 传统的信号包络特征分解预处理方法及弊端分析
在上述构建的网络波动跳变信号谐振数学模型
的基础上，需要进行特征提取算法设计，实现对网
络波动跳变信号的抑制处理，传统方法中，采用包
络预取特征提取算法，对不稳定网络跳变单频脉冲
信号进行包络特征分解，具体描述如下：
采用射线模型对网络跳变单频脉冲中的波动信
号进行传播损失估计为：
TLn10lgr
r
(6)
其中TL为不稳定网络跳变单频脉冲信号的传
播损失(dB)，
n
为传播因子，
r
为数据收发和网络切
换过程中的载频衰减，得到网络波动跳变信号的时
间尺度和时延的带通信号的复包络分别为：
v
s(v)
sin(
x
2
)dx
(7)
0
2
y(t)u(s(t
))exp(j
C
s(t
))
(8)
式中，
v
表示信号包络指向性，
u(t)
为复包络，
C
为载频（单位弧度/秒）。对于宽带波动信号，指
向性增益为：
v
c(v)
cos(
2
(9)
0
2
x)dx
由此得到了不稳定网络跳变单频脉冲信号进行
包络特征分解结果为：
|s(f)|A
1
2k
{[c(v
1
)c(v
2
)]
2
[s(v
1
)s(v
2
)]
2
}
(10)
得到不稳定网络跳变单频脉冲信号则
t
时刻散
射特性函数为：
N
P(t)
A
e
jkr
R
1
ikr
iin
e
n1
rr
(11)
化简得：
Pt)
A
N
j2kr
i
(
in
r
2
ea
in
e
j
(12)
n1
其中，
A(t)
为脉冲信号的混响幅度,
f
0
为初始
频率，
k
B
T
为跳变信号传递瞬时幅度，B为调频
信号带宽。通过上述方法实现了基于包络预取特征
提取的不稳定网络跳变单频脉冲信号特征分解和抑
制，结合式(10)可见，采用传统算法复信号
z(t)
的实
部与所给定的实信号
s(t)a(t)cos
(t)
相同，无法有
效剔除网络波动跳变信号的负频部分，造成了大量
的网络跳频脉冲信号信息损失，抑制效果不好，网
络稳定性改善效果不佳，且造成了大量的通信信道
冗余和信息损失，提高了网络通信的丢包率，因此
需要对算法进行改进设计。
3 算法的改进设计与实现
3.1 信号扰动特征分解算法提出
针对传统方法的弊端进行算法改进，为了有效
大规模复杂组合网络在切换和数据通信中的波动
跳变谐振信号，实现信号降噪和提纯，提出一种基
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