基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信入侵信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)

李嘉，劉江平

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山 063200）

在運(yùn)行過(guò)程中，光通信系統(tǒng)很容易受到外部入侵信號(hào)的干擾，嚴(yán)重影響光通信系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[1]提出了基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的光通信系統(tǒng)入侵行為識(shí)別方法，通過(guò)光柵傳感技術(shù)確定光通信系統(tǒng)中的入侵行為信號(hào)，在信號(hào)內(nèi)部提取入侵的特征向量，通過(guò)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別光通信入侵信號(hào)識(shí)別；文獻(xiàn)[2]提出了基于Dropout 技術(shù)的改進(jìn)型SCN 模型，利用改進(jìn)型模型對(duì)權(quán)重分布狀況進(jìn)行約束，從而確保網(wǎng)絡(luò)模型的識(shí)別精度。雖然以往研究方法都能夠在一定程度上提高識(shí)別精度，但是計(jì)算量過(guò)大，識(shí)別過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，漏識(shí)率較高，光通信網(wǎng)絡(luò)安全受限。

云計(jì)算平臺(tái)能夠集成硬件和軟件數(shù)據(jù)，可以最高效率地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，因此，基于云計(jì)算平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種新的光通信入侵信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)和附加服務(wù)，提升識(shí)別系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信入侵信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)硬件主要由信號(hào)采集器、處理器、識(shí)別器等構(gòu)成，通過(guò)設(shè)備間的緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)光通信入侵信號(hào)的采集、處理和識(shí)別[3-7]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

觀察圖1 可知，光通信入侵信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)部擁有獨(dú)立的合并單元，采用母線合并的方式，通過(guò)識(shí)別器和處理器完成信息的處理和識(shí)別，智能終端分別連接處理器、采集器和識(shí)別器，內(nèi)部獨(dú)立的監(jiān)測(cè)裝置具有很強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力。

1.1 信號(hào)采集器

為提高信號(hào)采集的準(zhǔn)確率和效率，采用CCD 采集器進(jìn)行信號(hào)采集。信號(hào)采集器由信號(hào)采集模塊和計(jì)算機(jī)接口模塊兩部分組成，CCD 采集器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。信息采集模塊主要由光傳感器、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片以及CPLD 構(gòu)成，負(fù)責(zé)光通信信號(hào)的采集和接入。計(jì)算機(jī)接口模塊由CPLD、緩存器以及PCI9054 構(gòu)成，負(fù)責(zé)信號(hào)的緩存和傳輸[8-9]。

圖2 CCD采集器的硬件結(jié)構(gòu)

當(dāng)信號(hào)采集器開(kāi)始工作時(shí)，首先初始化CPLD 芯片，CPLD 芯片具有高速性、可靠性以及功能強(qiáng)大性等優(yōu)勢(shì)，且時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級(jí)，在CPLD 芯片運(yùn)行的狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘模塊，開(kāi)啟相應(yīng)的信息采集機(jī)制，采集模塊開(kāi)始信號(hào)采集。CPLD 芯片將在第一個(gè)光通信信號(hào)的輸入時(shí)刻發(fā)出采樣脈沖，由ADC 接收采樣時(shí)鐘信息，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的信號(hào)以固定模式緩存在RAM A 和RAM B 中，通過(guò)PCI9054 將采集信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理器進(jìn)行計(jì)算和處理。

1.2 處理器

處理器是光通信入侵信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的核心，針對(duì)信號(hào)處理的復(fù)雜性，為進(jìn)一步提升信號(hào)處理效率，即為信號(hào)的精準(zhǔn)識(shí)別提供便捷服務(wù)，除了需要靈活的數(shù)據(jù)處理方式外，還需要接收來(lái)自不同信號(hào)源的采集信號(hào)，并使其支持單端信號(hào)輸入方式。

采用14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)需處理的光通信信號(hào)進(jìn)行流水線處理，每進(jìn)行一次信號(hào)處理需經(jīng)過(guò)三個(gè)時(shí)鐘周期的充分計(jì)算，最快處理速度可達(dá)到100 ns，極大地提高了數(shù)據(jù)處理速度，直接輸出14 位二進(jìn)制數(shù)，將信號(hào)的非線性誤差控制在0.5 LSB，將微分非線性誤差控制在1 LSB之內(nèi)，降低了誤差發(fā)生的概率。AD9240 芯片屬于單電源、低功耗處理芯片，其電壓轉(zhuǎn)換范圍受VREF 控制，且為配合其他硬件設(shè)備的使用，將AD9240 芯片的電壓控制在0～5 V，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10-12]。

AD9240 芯片的電路引腳配置如圖3 所示。

圖3 AD9240芯片的電路引腳配置

根據(jù)圖3 可知，該文提出的AD9240 芯片同時(shí)連接VINA 和VINB 兩個(gè)觸點(diǎn)，利用A/D 串口實(shí)現(xiàn)連接。

1.3 信號(hào)識(shí)別器

信號(hào)識(shí)別器是光通信系統(tǒng)重要的信號(hào)檢測(cè)裝置，能夠準(zhǔn)確探測(cè)光纖中是否存在入侵信號(hào)。傳統(tǒng)的信號(hào)識(shí)別裝置不僅效率低且誤差較多，因此，該文設(shè)計(jì)了一種靈敏度高、帶寬小的信號(hào)識(shí)別器，基于處理中心精確的入侵信號(hào)指示，在新型的光通信系統(tǒng)中，使數(shù)據(jù)的傳輸效率高。采用TCD1501D 型光敏陣列，TCD1501D 的管腳頂視圖如圖4 所示。

圖4 TCD1501D的管腳頂視圖

觀察圖4 可知，設(shè)有光纖槽和噪聲消除器，其識(shí)別帶寬小于2 kHz。當(dāng)含有信號(hào)的光纖被插入光纖槽時(shí)，信號(hào)識(shí)別機(jī)制對(duì)光纖槽內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)，將超過(guò)閾值的信號(hào)視為入侵信號(hào)，進(jìn)行單獨(dú)處理。噪聲消除器的主要作用是過(guò)濾光纖中攜帶的噪聲信號(hào)，從而降低信號(hào)的識(shí)別難度。除此之外，信號(hào)識(shí)別器還包含多個(gè)信號(hào)指示器，例如通信指示器、無(wú)信號(hào)指示器、聲音指示器以及電源指示器等，為信號(hào)識(shí)別器的工作提供便利[13-14]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信入侵信號(hào)的深度挖掘

光纖光柵具有附加損耗小、體積小、與光纖耦合度較高的特點(diǎn)，適用于多種光纖器件，在光通信系統(tǒng)中為光源、光放大、色散補(bǔ)償、OTM、OCM 等關(guān)鍵部件提供了解決方案。光柵的反射波長(zhǎng)可以表示為：

式中，aβ表示光柵的反射波長(zhǎng)；m表示光柵的折射率；β表示光柵周期。

當(dāng)光通信系統(tǒng)中存在入侵信號(hào)時(shí)，光柵折射率和周期發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光柵的反射波長(zhǎng)出現(xiàn)變動(dòng)，反射波長(zhǎng)與光柵外部應(yīng)變的關(guān)聯(lián)如下：

其中，Δaβ為反射波長(zhǎng)的偏移量；b為外部應(yīng)變。

根據(jù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)采集器中某一光傳感器的采集行為發(fā)生加速行為，且加速度小于光傳感器的諧振頻率時(shí)，光柵就會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)，變動(dòng)原理如下：

其中，w表示光傳感器的行為信號(hào)頻率；Y表示光傳感器的振幅；φ表示光通信系統(tǒng)的已有頻率；B表示傳感器加速行為的加速度振幅。

從以上關(guān)系可知，光柵的形變和外部采集器的采集行為頻率存在一定關(guān)聯(lián)，對(duì)采集器中的光傳感器的反射波長(zhǎng)的偏移量進(jìn)行檢測(cè)，能夠感知光通信系統(tǒng)中存在入侵信號(hào)的頻率和時(shí)域特征。

2.2 基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信入侵信號(hào)識(shí)別

基于上述入侵信號(hào)的頻率和時(shí)域特征的感知結(jié)果，捕捉相鄰信號(hào)間的非線性時(shí)空信號(hào)頻率，評(píng)價(jià)相鄰信號(hào)間的關(guān)聯(lián)性，預(yù)測(cè)入侵信號(hào)的傳輸路徑，最終按照入侵信號(hào)的入侵度實(shí)現(xiàn)入侵信號(hào)識(shí)別[15-16]。

入侵信號(hào)識(shí)別過(guò)程如圖5 所示。

圖5 入侵信號(hào)識(shí)別過(guò)程

觀察圖5 可知，首先對(duì)光柵發(fā)射波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，然后確定感知入侵頻率，通過(guò)模擬信號(hào)傳輸路徑計(jì)算后續(xù)所需的預(yù)測(cè)值，當(dāng)傳輸?shù)男畔⒔Y(jié)束后，結(jié)束存儲(chǔ)，如果存儲(chǔ)失敗，需要將存儲(chǔ)的目錄刪除。

應(yīng)用云計(jì)算平臺(tái)中的長(zhǎng)短期記憶模型，回歸光通信信號(hào)邊框界的方位，設(shè)置信號(hào)的監(jiān)測(cè)和追蹤，基于信號(hào)間的相鄰關(guān)系，整合信號(hào)本身關(guān)系，捕捉非線性時(shí)空信號(hào)頻率，并將其存儲(chǔ)在云計(jì)算平臺(tái)中的存儲(chǔ)單元，信號(hào)h的存儲(chǔ)模式為：

其中，rh表示存儲(chǔ)行數(shù)；gh表示存儲(chǔ)列數(shù)。

按照光通信信號(hào)間的時(shí)變屬性，計(jì)算信號(hào)的運(yùn)行速度，評(píng)價(jià)相鄰信號(hào)間的關(guān)聯(lián)性，其關(guān)聯(lián)性權(quán)值的計(jì)算公式為：

式中，τ(h)為關(guān)聯(lián)性權(quán)值；?τ為關(guān)聯(lián)性權(quán)值，相鄰信號(hào)間的相似度越高，?τ的值越接近于1。

其中，權(quán)值越高，兩個(gè)信號(hào)間的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，反之，關(guān)聯(lián)性越弱，通過(guò)關(guān)聯(lián)性評(píng)價(jià)，識(shí)別出一個(gè)入侵信號(hào)，則可探查到與之關(guān)聯(lián)的其他入侵信號(hào)。

模擬信號(hào)的傳輸途徑，若其實(shí)際傳輸路徑與預(yù)測(cè)路徑不符或相應(yīng)閾值超過(guò)限定范圍，則被認(rèn)定為入侵信號(hào)，且針對(duì)入侵信號(hào)，計(jì)算入侵信號(hào)的入侵度，入侵度的計(jì)算公式如下：

式中，kh表示入侵度；LSTM表示時(shí)間隱藏向量；Wh當(dāng)前時(shí)間下入侵信號(hào)的輸入值；kh-1表示系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)的后續(xù)預(yù)測(cè)值。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的基于云計(jì)算平臺(tái)的光通信入侵信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的有效性，選用該文識(shí)別系統(tǒng)和傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)光通信系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別對(duì)比。

由于光通信系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)域信號(hào)分布特征為準(zhǔn)周期特征，因此，如果受到外部激勵(lì)，會(huì)出現(xiàn)固有頻率行為，當(dāng)信號(hào)處于低頻狀態(tài)，沒(méi)有穩(wěn)定特征。

選定平均誤差作為審核指標(biāo)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

比較挖掘結(jié)果的可信度和誤識(shí)別率，得到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)入侵信號(hào)的時(shí)域和頻域?qū)嶒?yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 監(jiān)測(cè)時(shí)域?qū)嶒?yàn)結(jié)果

表3 監(jiān)測(cè)頻域?qū)嶒?yàn)結(jié)果

該文提出的入侵信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)能夠更好地分析出波長(zhǎng)偏移量和信號(hào)振幅，根據(jù)分析結(jié)果確定是否為入侵信號(hào)。漏識(shí)別率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 漏識(shí)別率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該文提出的入侵識(shí)別系統(tǒng)引入了云計(jì)算平臺(tái)，利用云計(jì)算平臺(tái)分析外部的監(jiān)測(cè)信號(hào)，在確定外部環(huán)境變化時(shí)，入侵識(shí)別系統(tǒng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速匹配識(shí)別策略，確定入侵信號(hào)。針對(duì)不同步長(zhǎng)的入侵信號(hào)，該文提出的識(shí)別系統(tǒng)采用不同的策略，因此識(shí)別能力更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

光通信系統(tǒng)不僅能夠?yàn)槿藗兊呢?cái)產(chǎn)安全提供保障，也能夠?qū)θ松戆踩峁┍Ｕ希虼耍陙?lái)越來(lái)越多的人使用光通信信號(hào)。人們對(duì)光纖信號(hào)質(zhì)量越來(lái)越重視，該文提出的識(shí)別系統(tǒng)不僅能夠降低挖掘的平均誤差，也可以提高識(shí)別結(jié)果的可信度，實(shí)際應(yīng)用效果較好。