基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李沛林

(1.云南省互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急中心，昆明 650011；2.北京郵電大學(xué)，北京 100876)

0 引言

在信息快速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備已經(jīng)成為人們?nèi)粘＝涣鞑豢苫蛉钡耐ㄐ殴ぞ摺Ｔ诂F(xiàn)代所有通信工具中，需依靠無線基站接收全部通信信號(hào)，隨著內(nèi)容越來越豐富，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也逐漸增大，網(wǎng)絡(luò)通信故障問題顯得尤為重要[1]。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測過程中會(huì)遇到各種問題，這些問題的產(chǎn)生是相對復(fù)雜的，并且與周圍環(huán)境是密切相關(guān)的，僅僅通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是無法進(jìn)行高效檢測的。高效網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)有助于網(wǎng)絡(luò)工程準(zhǔn)確定位網(wǎng)絡(luò)中存在的各種問題，以便及時(shí)處理。然而，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是相對復(fù)雜的，不同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)所代表網(wǎng)絡(luò)狀況也是不同的，在相同測試環(huán)境下所獲取的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在不同無線環(huán)境下也會(huì)產(chǎn)生不同網(wǎng)絡(luò)故障，大多數(shù)情況只能依靠網(wǎng)絡(luò)工程師的經(jīng)驗(yàn)來判斷，無法獲取精準(zhǔn)檢測結(jié)果。

鑒于此，設(shè)計(jì)了基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)框架，可顯著降低網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)處理時(shí)間，有效提高了網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測效率。

1 基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)核心思想是將網(wǎng)絡(luò)通信原始信號(hào)經(jīng)過線性投影后得到少量觀測值中重構(gòu)的稀疏信號(hào)，即使在觀測值不足情況下，也可獲取較高重構(gòu)精確度，使得網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)進(jìn)入一個(gè)全新時(shí)代，顯著降低信號(hào)處理時(shí)間[2]。鑒于聯(lián)合壓縮感知理論中潛力，經(jīng)此框架研發(fā)，將其應(yīng)用到圖像加密領(lǐng)域之中，通過使用最少傳送信息，可生成相位方程，并近似完美重構(gòu)出來。為了獲取最稀疏表示方式，可在項(xiàng)式中展開，以此獲取良好重構(gòu)效果[3]。

基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)用于故障檢測和記錄網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)的性能，運(yùn)行時(shí)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)通信各個(gè)階段故障情況，方便網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由5個(gè)模塊組成，其中用戶登錄模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)安全使用，避免非法用戶的侵入；數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)的采集與管理；模型管理模塊通過模型設(shè)計(jì)、診斷和維護(hù)可用來構(gòu)建各種專項(xiàng)檢測，供網(wǎng)絡(luò)故障檢測調(diào)用；故障檢測模塊是由故障檢測和檢測結(jié)果兩部分組成的，可用來分析移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)行狀態(tài)，并給出具體優(yōu)化方案；系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)用戶管理，保證系統(tǒng)能夠在安全環(huán)境下使用[4]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括三層。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該硬件結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)器層和命令交互層，其中數(shù)據(jù)采集層的ENERGETIQ 激光驅(qū)動(dòng)白光光源是一款穩(wěn)定性高、零度高、壽命長的寬譜光源，使用連續(xù)激光直接加熱以產(chǎn)生高效寬頻譜光，波長范圍在1 700～2 100 nm左右；OTDR為光時(shí)域反射儀F7高端電信級光纜故障光纖測試儀，集穩(wěn)定光源、光功率計(jì)、紅光筆和光眼于一體，5.7英寸彩色觸摸屏，具有雙操作模式，操作十分簡單，通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，也可通過不同USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；BK-034功率計(jì)即插即用，當(dāng)過載報(bào)警值低于最大負(fù)載功率時(shí)，屏幕顯示ERR報(bào)警，此時(shí)應(yīng)禁止退出設(shè)置[5-7]。

服務(wù)器層包括主服務(wù)器和備份服務(wù)器，在同一通信網(wǎng)絡(luò)下兩個(gè)服務(wù)器共同檢測故障信號(hào)后，利用數(shù)據(jù)采集層的OTDR發(fā)出的檢測信號(hào)，把監(jiān)測的信號(hào)通過切換光開關(guān)傳輸?shù)疆惓＞W(wǎng)絡(luò)之中，經(jīng)過OTDR返回的測試結(jié)果，確定故障位置，并將結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器端[8]。

命令交互層包括操作終端和移動(dòng)終端，用戶通過移動(dòng)終端與服務(wù)器相連，控制操作界面的各個(gè)操作功能，避免客戶端資源與OTDR硬件資源產(chǎn)生共享沖突。

2.1 OTDR硬件

OTDR作為網(wǎng)絡(luò)通信測試的儀表，是通過線路在網(wǎng)絡(luò)通信過程中的背向散射功能制作而成的，測試應(yīng)用范圍較為廣泛。在測試過程中，把激光脈沖添加到OTDR硬件工作通信網(wǎng)絡(luò)之中，完成測試程序[9]。OTDR硬件主要是由信號(hào)處理器、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)射機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收機(jī)、光纖耦合器來進(jìn)行測試工作。信號(hào)處理器通過形成的互補(bǔ)碼序列進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的處理；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)射機(jī)的作用是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)與光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)線路上；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理器之中。

OTDR硬件的多種外部接口如圖3所示。

圖3 OTDR硬件的多種外部接口

OTDR在工作過程中，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)射機(jī)通過信號(hào)處理器的互補(bǔ)碼，把發(fā)射的信號(hào)轉(zhuǎn)換光信號(hào)形式，再經(jīng)過光纖耦合器可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)奖诚蚧夭ù鎯?chǔ)器之中，利用光纖耦合器反饋到信號(hào)接收機(jī)之中，判斷通信網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，檢測出現(xiàn)故障的信號(hào)[10]。

在檢測完成后，通過圖4所示菜單按鈕，可對檢測波形進(jìn)行縮放、等比、還原等操作。

圖4 菜單按鈕

2.2 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)處理為OTDR重要組成部分，信號(hào)處理能力好壞直接影響系統(tǒng)檢測效率。如果檢測的電信號(hào)較弱，就會(huì)影響電路信息的正確采集，為確保檢測效率，需轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)，并放大處理轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)。采用AD8066型號(hào)的低噪聲放大器，具有低噪聲優(yōu)勢，如圖5所示。

圖5 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

引腳1表示電流輸出端，引腳2表示電流反向輸入端，引腳3表示同相輸入端。如果PIN個(gè)人識(shí)別碼管輸出的電流用I來描述，那么電阻在反饋過程中采用R來表示，放大器開環(huán)在輸入阻抗運(yùn)用時(shí)Z來表示，需滿足放大器開環(huán)輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反饋電阻。按照放大器運(yùn)行原理可分析輸出電壓大小，根據(jù)AD8066型號(hào)的低噪聲放大器的要求，進(jìn)行輸入端轉(zhuǎn)換，減少誤差。

反饋電阻在使用時(shí)引入電阻熱噪聲，并在反饋電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，使電路處于零偏狀態(tài)下，電流電壓在轉(zhuǎn)換過程中起到抑制噪聲的作用，方便測量。為了使輸出電壓升高，需通過反饋電阻值，確定制熱噪聲，并分析信號(hào)穩(wěn)定性。經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換到更高數(shù)量級，并通過A/D轉(zhuǎn)換器獲取電壓信號(hào)。AD8066型號(hào)的低噪聲放大器僅需要采用其中一路就可完成電壓放大。

2.3 激光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

利用單色驅(qū)動(dòng)器24～40 W激光驅(qū)動(dòng)器為激光電源提供電流，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求規(guī)定范圍內(nèi)工作，使激光器能夠正常驅(qū)動(dòng)，激光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 激光驅(qū)動(dòng)電路

輸出電流值大小主要取決于激光驅(qū)動(dòng)電路引腳3處的輸出電流，引腳1與5為屬于并聯(lián)狀態(tài)的電流輸入端，這兩路在輸入時(shí)也可單獨(dú)使用，兩路同時(shí)使用可以使電流輸出效率的最高輸出脈沖達(dá)到750 mA。將引腳5接地，引腳1連接FPGA脈沖信號(hào)輸出端，可在高電平下，光發(fā)射時(shí)激光器開啟，反之，激光脈沖器停止脈沖信號(hào)不會(huì)發(fā)射。再經(jīng)過轉(zhuǎn)換，為網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測提供電信號(hào)。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

采用聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)方法，改變了傳統(tǒng)信號(hào)獲取思路，直接獲取數(shù)據(jù)源壓縮表示形式，進(jìn)而忽略了無用信息采樣，大大降低了信息采樣速率，并將壓縮與采樣數(shù)據(jù)結(jié)合。信號(hào)稀疏性是聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)方法前提條件，主要包括信號(hào)稀疏、非相關(guān)測量與重構(gòu)算法這3個(gè)內(nèi)容。具體重構(gòu)步驟為：需尋找一個(gè)空間內(nèi)的稀疏信號(hào)，并設(shè)計(jì)一定條件的相應(yīng)測量矩陣，獲取包含足夠信息小于信號(hào)維數(shù)測量值，并由非線性優(yōu)化算法重構(gòu)信號(hào)。

3.1 中心服務(wù)功能的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中心服務(wù)程序采用J2SE平臺(tái)，并選用SQL Server數(shù)據(jù)庫，采用JDBC執(zhí)行SQL語句的Java API，可以為多種關(guān)系數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一訪問。中心服務(wù)主要功能為：

1)配置中心服務(wù)設(shè)備；

2)管理客戶端用戶信息；

3)管理客戶端用戶會(huì)話信息；

4)管理現(xiàn)場裝備注冊信息；

5)啟動(dòng)或停止現(xiàn)場裝備；

6)查詢?nèi)罩拘畔ⅰ?/p>

中心服務(wù)程序可分為以下3個(gè)階段。

用戶接口權(quán)限設(shè)置階段：用戶隨著網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)程序中，需分析用戶請求決定是接入或是不接入狀態(tài)，由此設(shè)置不同用戶給予不同權(quán)限。

事務(wù)管理處理階段：用戶管理與現(xiàn)場機(jī)器之間的數(shù)據(jù)交互，通過不同線程間通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)管理階段：數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫之間的接口，需通過管理存儲(chǔ)、刪除對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

3.2 格雷互補(bǔ)碼在OTDR中的實(shí)現(xiàn)

在OTDR硬件中，形成的格雷互補(bǔ)碼在OTDR硬件中實(shí)現(xiàn)了激光驅(qū)動(dòng)的可控制性，并形成光信號(hào)直接傳輸?shù)酵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)之中。格雷互補(bǔ)碼的形成可產(chǎn)生由1/-1碼元組成的雙極性碼，并通過激光驅(qū)動(dòng)發(fā)射正脈沖，使格雷互補(bǔ)碼偏置到峰值的一半左右，并轉(zhuǎn)換為四足單極性碼。

通過計(jì)算OTDR硬件求取平均值，將計(jì)算的平均值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)形式，經(jīng)過反復(fù)累計(jì)后，可使信號(hào)與隨機(jī)噪聲之間作用而導(dǎo)致的電平過高或過低情況發(fā)生，以此準(zhǔn)確提取噪聲中信號(hào)。隨著信噪比升高，OTDR形態(tài)范圍也逐漸擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)格雷互補(bǔ)碼在OTDR中的應(yīng)用。

3.3 基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)故障檢測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)通信故障信號(hào)的稀疏表示將信號(hào)投影到變換基空間之后，通過基向量線性組合表示該空間，經(jīng)過變換稀疏向量表示信號(hào)整體稀疏度，這是壓縮感知必備條件。故障檢測系統(tǒng)應(yīng)確保在獲取相關(guān)文件信息同時(shí)，不影響網(wǎng)絡(luò)正常通信行為。為此，記錄儀與檢測系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)了消息機(jī)制，當(dāng)記錄儀完成文件記載后，需觸發(fā)記錄完成功能，待系統(tǒng)接收到相關(guān)文件信息后，自動(dòng)讀取通信記錄儀所記錄的通信協(xié)議記錄文件。調(diào)入聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)理念，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議特征解析報(bào)文，判斷網(wǎng)絡(luò)通信是否出現(xiàn)故障。

整個(gè)系統(tǒng)檢測流程如圖7所示。

圖7 整個(gè)系統(tǒng)檢測流程

通過圖7所示的系統(tǒng)監(jiān)測流程，方便查找故障，分析問題。

4 系統(tǒng)性能測試

采用基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)對某通信網(wǎng)絡(luò)中故障信號(hào)進(jìn)行檢測。

4.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

4.2 測試指標(biāo)及數(shù)據(jù)分析

使用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)包跟蹤方式，保證該周期為4天，總數(shù)據(jù)流量為62 GB。將此合成共有網(wǎng)絡(luò)特征數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行特征提取，方便后續(xù)訓(xùn)練和檢驗(yàn)，表2所示為用于訓(xùn)練和檢測的示例數(shù)據(jù)。

表2 測試示例數(shù)據(jù)

正常測試指標(biāo)如表3所示。

表3 測試指標(biāo)

4.3 測試結(jié)果與分析

針對上述測試指標(biāo)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對出現(xiàn)4種故障問題的波形圖展開分析，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，根據(jù)上述出現(xiàn)的4種故障問題的波形圖，將傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)與基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信故障信號(hào)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表4所示。

由表4所示對比結(jié)果可知，基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)檢測系統(tǒng)檢測的網(wǎng)絡(luò)通信故障信號(hào)與實(shí)際故障信號(hào)大小相差最大為0.3 dB，而傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信故障信號(hào)與實(shí)際故障信號(hào)差別較大。

表4 兩種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信故障信號(hào)對比分析

圖8 故障問題波形圖分析

針對上述測試內(nèi)容可得出結(jié)論：基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)改善了以往系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)通信故障信號(hào)檢測不精準(zhǔn)的問題，也證實(shí)了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

5 結(jié)束語

基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)彌補(bǔ)了以往數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)通信記錄與離線分析系統(tǒng)出現(xiàn)故障后分析的問題，方便用于系統(tǒng)使用過程中修改與擴(kuò)充，有效利用寶貴資源，自動(dòng)處理海量網(wǎng)絡(luò)通信信息，及時(shí)處理系統(tǒng)故障隱患，確保網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)安全運(yùn)行，為開展網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

針對網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)測試優(yōu)化工作，通過分析基于聯(lián)合壓縮感知重構(gòu)故障檢測技術(shù)，可在仿真數(shù)據(jù)測試下，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信故障的高效檢測。該系統(tǒng)可有效縮短網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)間，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營降低維護(hù)成本。接下來的工作重點(diǎn)將是對系統(tǒng)的不足之處進(jìn)行修復(fù)與完善，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測系統(tǒng)。