铁路无线集群通信网络信号增强方法研究＊

柳美平,张线媚,杨 燕

（西安思源学院，陕西 西安 710038）

1 引言

从组成结构来看，铁路无线集群与一般的通信网络相同，能够利用大量铁路通信点，实现信号的实时互通[1]。铁路通信点遭遇极端环境时，通信信号极易混杂相同频率的噪声，影响网络的正常通讯[2]。为此，设计一种信号增强方法，为铁路单位的正常运行提供技术保障。

国外在研究铁路线路的无线通信起步较早，运用等效源处理过程压制了信号中的噪声[3]，实现了信号的增强处理[4]。国内研究信号增强技术要稍稍晚于国外，研究人员运用小波分解处理方法建立了信号的混合阈值，形成了多个信号增强过程。运用随机过程建立了通信节点机制[5]，设定了多种信号增强方案。构建了信号通信传输间的数值关系，实现了信号的增大处理[6]。综上可知，噪声信号与实际通信传输信号之间的误差，容易导致增大处理后的信号传输不稳，为此，研究一种铁路无线集群通信网络信号增强方法。

2 铁路无线集群通信网络信号增强方法

2.1 铁路无线集群信号的独立分量定义

铁路无线集群在实际传输通信网络时，内部存在多个未知源信号，定义该信号为S(t)，源信号与观测信号之间的数值比就可表示为：

其中，X(t)表示多维信号集，A表示分量系数，M、N分别表示源信号与观测信号个数。为控制两类型源信号与观测信号独立，构建一个约束关系，数值可表示为：

其中，I表示独立数值，E表示分离系数，其余参数含义不变。简化独立分量的处理过程[7]，处理后的数值关系可表示为：

其中，W表示数值自化参数，其余参数含义不变。不断迭代处理中心化处理的参数后，将联立参数形成的估计数值作为信号的独立分量，数值关系可表示为：

其中，C表示独立分量，Ui表示估计函数表示主分量参数。

2.2 设计网络信息极大准则

上述计算得到的独立分量作为处理数值，引入Infomax算法迭代处理为分量非线性处理过程，如下图所示：

在上图所示的非线性处理过程下，等价处理网络信息为一个输出熵，输出熵可表示为：

其中，H(yn)表示非线性输出的网络信息极大数值集，I(yn)表示随机网络集，IC表示信号的高斯参数。通过线性分析输出熵的量化指数可知，铁路中随机变化的网络信号存在较大的峭度，可表示为：

其中，mi表示信号源产生的偏差，si表示峭度函数，PT表示负熵近似参数。

2.3 网络信号增强实现

以准则内的数值关系作为约束，应用连续小波变换[8]处理上述计算公式(6)，数值关系可表示为：

其中，w表示提取出的独立分量，t表示小波变换时间，b表示正则参数，a局部参数。变化如下图所示。

在上图所示的波动变化下，伸缩并不断平移信号波形，处理过程为：

其中，ψa表示信号处理函数，Wf表示逆变函数，其余参数含义不变。为了消除增强过程中产生的冗余，处理过程可表示为：

其中，L表示构建的控制函数，k表示变换系数，ft表示周期范围内信号的增大函数。

3 仿真实验

3.1 实验准备

准备构建无线集群所需的设施，以核心交换器作为信号处理核心，搭建形成的无线集群通信结构如下图所示：

采集上图模拟设定的铁路无线集群中的信号数据，采集二十组带有噪声及无噪声的通信信号。如下表所示。

对应上表的铁路无线集群信号，选定两种传统信号增强方法与所设计的信号增强方法进行实验。

3.2 结果及分析

基于上述实验准备，在选定的集群环境及信号参数下，利用三种信号增强处理方法的框架，处理不含噪声的信号，数值关系可表示为：

其中，P(s)表示信号识别率，Xi表示实验准备的无噪声信号表示信号增强函数。计算结果如下表：

表2 信号增强后的可识别率

对应上表所示的实验结果，传统信号增强方法1的可识别率数值在65%左右，增强处理后的信号可识别率较低。传统信号增强方法2 得到的可识别率数值在83%左右，增强处理后的信号可识别率较大。而所设计的信号增强方法得到的可识别率数值在94%左右，增强处理后的信号，可被识别的概率最高。

在上述实验环境下，计算三种信号增强方法的信噪比，结果如下表所示：

其中，SN表示信号的信噪比，SP表示增强后的信号，NP表示噪声信号。结果如下表所示。

表3 三种信号增强方法产生的信噪比

以含有噪声的网络信号作为处理对象，传统信号增强方法1的信噪比数值在35dB左右，传统信号增强方法2的信噪比数值在70dB 左右。而所设计的信号增强方法得到的信噪比数值在95dB左右，信噪比数值最大。

保持上述实验环境不变，以实验采集得到的不含噪声信号作为处理对象，定义信号的振幅越大，则表明增强处理后的信号越不稳定，结果如图4所示。

对应图4所示的信号幅值结果，传统信号增强方法1的信号幅值最大，增强处理后的信号不稳定。传统信号增强方法2 的信号幅值较小，实际增强处理的信号较稳定。而所设计的信号增强方法幅值最小，实际增强后的网络信号幅值最大，处理后的信号最稳定，

4 结束语

随着铁路通讯网络不断完善，如何增强铁路无线信号的传输能力成为了当下的研究热点。为此，研究铁路无线集群通信网络信号增强方法。经实验验证，所设计的信号增强方法能够改善传统信号增强方法中存在的不足，为今后研究信号增强提供理论支持。