基于強化學習的醫院通信網絡數據鏈抗干擾系統

楊麗坤

（首都醫科大學附屬北京佑安醫院，北京 100069）

醫院通信環境處在一個復雜的數據信息傳輸網絡，中樞主機借助互聯信道對下級通信設備進行控制，并可以在MySQL 數據庫元件的作用下，實施對傳輸數據的寄存與處理[1]。然而隨著醫院網絡數據信息樣本輸出量的增大，干擾性信息文本會不斷占據原始通信數據的傳輸波段，不但會造成醫療信息參量傳輸速率的快速下降，還會使數據信息文本在醫院通信網絡中的傳輸穩定性受到影響。

變換域優選控制系統雖然可以限制干擾性通信數據的輸出總量，但不能將這些信息文本與原始通信數據分離開，不能有效解決數據傳輸波段被過度占據的問題[2]。強化學習策略可以根據目標對象的最大回報能力，確定該目標節點與核心待測節點之間的間隔距離[3-4]。為了提高醫院通信網絡的穩定性，該文引入強化學習應用算法，并以此為基礎設計了一種醫院通信網絡數據鏈抗干擾系統。

1 系統硬件設計

1.1 基于FPGA的收發器設計

基于FPGA 設計的收發器負載于核心通信網絡下端，具有較強的信息過濾能力，可以在混合文本中，將醫院網絡的原始通信數據進行提取處理[5-6]，并借助傳輸信道將這些信息文本反饋給系統數據庫主機[7-8]。整個收發器的主機單元由RE-ED 芯片、Detection 芯片、RMT 芯片、Energy 芯片等多個結構共同組成，如圖1 所示。

圖1 基于FPGA的收發器模塊

由于收發器不能干擾數據信息參量在醫院通信網絡中的傳輸行為，所以該模塊結構的運行能力受到通信主機與SIMULINK 設備的直接影響。

1.2 數據鏈路調度模塊設計

數據鏈路調度模塊主要負責記錄數據信息參量在醫院通信網絡中的傳輸行為，將已生成的執行指令反饋給系統主機，以供其對信息文本按需進行調度與處理[9]。在醫院通信網絡數據鏈抗干擾系統中，數據鏈路調度模塊的連接需要如下幾個設備結構的共同配合。

1）CDF 元件：CDF 元件作為主觀執行設備，具有一定的信息樣本存儲能力，當系統數據庫主機所存儲的通信數據總量達不到實際應用需求時，該元件會釋放暫存的醫院通信數據文本，使得收發器模塊能夠將干擾性信息與原始通信數據準確區分開來。

2）MF 元件：MF 元件能夠感知數據鏈路所標注的信息傳輸方向，并可以聯合醫院通信網絡主機，將這些信息參量分割成多個傳輸部分。其中，滿足強化學習原則的數據文本會被直接存儲于收發器模塊中，而不能完全滿足強化學習原則的信息參量，則會進入通信主機，以供SIMULINK 設備對其進行深度加工與處理[10]。

3）CFD 元件：CFD 元件負責對處于傳輸狀態的醫院通信數據參量進行聚合處理，可以聯合CDF 元件與MF 元件，更改數據信息參量的目標傳輸位置。在待測數據初始傳輸位置不發生改變的情況下，與其匹配的目標位置傳輸距離越遠，表示當前情況下所建立的通信網絡數據鏈路越長。

2 系統軟件設計

2.1 強化學習算法設計

在干擾性信息與原始通信數據同時存在的情況下，系統主機可以根據強化學習算法，更改收發器元件與數據鏈路調度模塊之間的實時連接關系[11-12]。算法設計如下：

設i表示通信數據學習系數，α表示信息參量迭代傳輸系數，n為迭代次數，表示通信傳輸定義特征，ΔE表示數據信息在醫院通信網絡中的單位累積量，β表示判別系數。基于上述物理量可將通信數據強化學習度量值p表示為：

設w0,w1,…,wn+1表示不相等的強化學習算子。在通信數據學習算量集合中，提取強化學習算子，得到醫院通信網絡數據鏈抗干擾系統的函數為：

式中，φ表示原始通信數據在醫院通信網絡中的利用率系數。為使強化學習算法的約束作用能力得到保障，在通信數據學習算量集合中，提取強化學習算子系數時，應剔除第一個算子w0與最后一個算子wn+1。

2.2 通信數據跳頻系數

在通信網絡中，數據跳頻系數是系統主機區分干擾性信息與原始通信數據的主要依據。對于通信數據文本而言，強化學習算法的約束作用能力始終不會發生改變，所以在設置數據鏈路組織時，只要待測通信數據跳頻系數的取值結果不同，就表示這些信息參量不屬于同一種通信數據文本[13-14]。規定δ表示通信網絡數據的跳頻特征，關于特征指標δ的數據鏈路構建表達式u(δ)為：

通信網絡數據鏈抗干擾系統最主要的應用能力是從原始通信數據參量中提取干擾性信息文本，所以系數q2的計算值始終大于系數q1。

2.3 抗干擾處理增益

抗干擾處理增益是指通信網絡對于干擾性信息樣本的抵御能力，在同一數據鏈結構中，干擾性信息跳頻系數與原始通信數據跳頻系數之間的差值越大，通信主機在處理干擾性信息文本時所需占據的數據傳輸波段也就越窄[15-16]。

k表示通信網絡數據鏈的抗干擾損益系數，其表達式如下：

式中，γ表示原始通信數據的傳輸損益向量，s表示干擾性信息文本的穩定傳輸系數。設λ表示通信網絡對于數據信息的提取系數，l表示基于系數k的抗干擾特征指標，l′表示基于系數k強化學習度量值k′的抗干擾特征指標。通信網絡數據鏈抗干擾系統的抗干擾處理增益權限為：

在不考慮其他干擾條件的情況下，按照上述指標參量的取值結果，調節通信數據文本在硬件設備中的實時輸出量，從而在提升數據信息文本在通信網絡中傳輸穩定性的同時，解決干擾性信息過度占據原始通信數據傳輸波段的問題。

3 實驗分析

3.1 實驗環境

實驗過程中搭載Windows 10 操作系統的主機元件接入GTX1650 通信端主機，開啟Linux 虛擬機系統，調節各項系數指標，使數據信息參量在醫院通信網絡中能夠自由傳輸。

實驗過程中，醫院通信端主機需要同時對干擾性信息、原始通信數據進行處理，為避免信息雜糅情況的出現，應將兩類數據文本存儲于不同的數據庫主機中。

3.2 實驗數值統計

圖2 反映了實驗組、對照組作用下，干擾性信息對原始通信數據傳輸波段的占據能力。

圖2 通信數據波段長度

利用圖2 中的記錄數值，統計實驗組、對照組通信數據波段之間的差值，具體情況如表1 所示。

表1 通信數據傳輸波段占據量統計

分析表1 可知，當通信數據頻率為1.2 MHz 時，實驗組通信數據傳輸波段占據量達到最大值0.769；當通信數據頻率為1.4 MHz 時，對照組通信數據傳輸波段占據量達到最大值1.000，與實驗組極大值相比，增大了0.231。整個實驗過程中，對照組通信數據傳輸波段占據量均值高于實驗組。

三個系統在執行任務時的吞吐量對比結果如圖3 所示。

圖3 醫院通信網絡的任務執行吞吐量對比

從圖3 可以看出，該文所設計的醫院通信網絡抗干擾系統具有一定的吞吐量，并且具有較好的代表執行效率，比其他兩種系統的使用效果更好。接下來，對比三個系統的信息調度時間，對比結果如圖4所示。

圖4 信息調度時間對比

基于圖4 可知，所提系統在信息調度上花費的時間較少，遠少于其他兩個系統。三個系統在信息上的加密時間對比結果如圖5 所示。

圖5 信息加密時間對比

通過上述系統能夠發現，所提系統信息加密時間均少于另兩個系統。

綜合上述實驗研究結果可知，該文系統能夠解決干擾性信息過度占據原始通信數據傳輸波段的問題，符合提升數據信息文本在醫院通信網絡中傳輸穩定性的實際應用需求。

4 結束語

新型醫院通信網絡數據鏈抗干擾系統在強化學習算法的基礎上，聯合收發器與數據鏈路調度模塊，重新規劃通信網絡的布局形式，又根據通信數據跳頻指標的具有數值，確定網絡主機元件對于數據信息參量的抗干擾處理增益水平。實驗結果表明，干擾性信息對于原始通信數據傳輸波段的占據量水平始終相對較低，能夠大幅提升數據信息文本在醫院通信網絡中的傳輸穩定性。