[發明專利]一種從頻譜數據中挖掘電臺通信網絡拓撲結構的方法

有效

• 申請號: 201911047121.0
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110855517B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 劉昌坤;朱磊;武欣嶸;姚昌華;郭繼斌;童瑋
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: H04L43/04
• 分類號: H04L43/04;H04L41/14;H04L41/12
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 王瑋

本發明公開了一種從頻譜監測數據中挖掘電臺通信網絡拓撲結構的方法，方法包括：從頻譜監測數據中提取特征（信號功率、信號監測時間以及信號方向）；基于上述提取的特征標識每一個頻譜信號，在柱坐標系中表示頻譜監測信號的分布；由于信源產生的頻譜信號在功率、監測時間和方向上呈現的聚類性，以及通信過程中通信雙方產生的頻譜信號的關聯性，基于改進的OPTICS算法挖掘頻譜監測數據中電臺之間的通聯關系；通過對電臺與通聯關系的匹配，推測、構建通信網絡結構。本發明方法實現了從頻譜監測數據中挖掘電臺的通聯關系、通信網絡結構，并通過對通信網絡結構的分析獲取電臺的通信行為。

技術領域

本發明屬于數據挖掘技術領域，具體是一種從頻譜監測數據中挖掘電臺之間的通聯關系和通信網絡結構，分析電臺的通信行為的方法。

背景技術

隨著無線通信的飛速發展，頻譜的稀缺性越來越突出，加強對頻譜信號的監測、分析以及對電磁頻譜的管理越來越迫切。頻譜信號作為信息傳輸的媒介，對其進行深入的研究具有重要意義。目前，對海量頻譜監測信號的挖掘分析主要集中于頻譜態勢展示，信號特征提取，信號分類等方面。海量頻譜信號除了攜帶著通信信息外，信號本身的物理特征以及這些特征的統計規律也潛在地反映了電臺的通信行為以及與通信行為相關的情報信息。但是僅僅依據頻譜信號的物理特征以及這些特征的統計規律，而不依賴破解信號內容，從頻譜信號中挖掘電臺之間的通聯關系、通信網絡結構以及通信行為的研究幾乎是空白。

在反恐、軍事通信、通信偵查、通信安全等領域，截獲并破解信號內容通常需要付出巨大的代價，并且更多時候，其加密內容是無法破解的，因此在某些具體場景中基于信號內容去獲取通信個體的通信行為是難以實現的。然而頻譜信號本身的物理特征是難以加密的，并且這些特征易于獲取，通過研究從頻譜信號中提取的物理特征和這些特征的統計規律，也可以挖掘出電臺之間的通聯關系、乃至通信網絡等隱藏信息，進而分析并獲取電臺的通信行為。

發明內容

本發明的目的在于提供一種從海量頻譜監測數據中挖掘電臺之間通聯關系、通信網絡拓撲結構的方法，從而分析電臺的通信行為。

為了實現上述目的，采用以下技術方案：本發明所述方法包括以下步驟：

S1：從頻譜監測數據中提取特征(信號功率P、信號監測時間t以及信號方向θ)得到頻譜數據集Y＝{y₁,y₂,…,y_i,…,y_n}^T,其中y_i＝{θ_i,P_i,t_i}，θ_i表示信號方向，P_i表示信號功率，t_i表示信號監測時間。數據的格式，如表1所示。

S2：基于上述提取的特征標識每一個頻譜信號，引入柱坐標系和極坐標系用于研究頻譜數據集Y的分布特點和統計規律；柱坐標系的三個維度分別為信號功率P、信號方向θ以及信號監測時間t；極坐標系是該柱坐標系在時間t方向上的投影。數據集表示為Z＝{y₁,y₂,…,y_i,…,y_n}^T,其中z_i＝{θ_i,P_i}。數據集Y在柱坐標系的分布如圖2所示，數據集Z在極坐標的分布如圖3所示。

S3：基于改進的OPTICS算法對分布在柱坐標系中的頻譜監測數據進行聚類，聚類集分別對應不同電臺在不同通信過程中產生的頻譜信號集；OPTICS算法的改進在于：

1)ε-鄰域定義為：N_ε(y_j)＝{y_i∈Y|dist(y_i-y_j)≤ε}

其中ε為鄰域半徑，2h為柱狀領域的高度。