李昂

（上海市第五人民醫(yī)院信息科，上海200240）

目前醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)并不安全，經(jīng)常受到不法分子的攻擊，導(dǎo)致患者信息泄漏。為了能夠?qū)崟r監(jiān)測醫(yī)院通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)，采用激光通信技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)中異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測[1-2]。激光是一種非常好的單色相感光，由于其具有高亮度、方向感強(qiáng)、相干性良好等優(yōu)勢，因此被應(yīng)用到信息傳達(dá)與通信方面。采用該技術(shù)進(jìn)行媒介間的傳輸，考慮介質(zhì)的不同，可以分為大氣的光纖通信和激光通信，該技術(shù)具有抗干擾性能，使得通信傳輸消耗較小、傳輸距離更遠(yuǎn)，大大提高了通信的質(zhì)量[3]。因此，對激光通信網(wǎng)絡(luò)中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測具有重要意義。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)存在不能準(zhǔn)確對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，而且時間過長等問題，相對較好的是基于傳感器網(wǎng)絡(luò)時頻特征的通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測方法，該技術(shù)能夠提高監(jiān)測的精準(zhǔn)度，降低成本。但在復(fù)雜干擾環(huán)境下，數(shù)據(jù)監(jiān)測不準(zhǔn)確的問題，不適合醫(yī)院范圍的數(shù)據(jù)監(jiān)測[4]。

基于上述問題，提出了基于四階累積的后置路徑搜索激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)。構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)信道模型，對異常數(shù)據(jù)采用平均算子的濾波器對噪聲進(jìn)行干擾，并將輸出的濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測算法的改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用激光通信技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)中異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測能擁有較好的頻譜增益，且波束指向明確，監(jiān)測精度較高，具有一定的優(yōu)越性能。

1 激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)改進(jìn)

構(gòu)建激光通信網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測，在網(wǎng)絡(luò)平臺的環(huán)境下，由于醫(yī)院通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時存在一定的差異性，導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)的來源具有多種屬性[5-6]。針對異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測，需要根據(jù)激光通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模型，如圖1所示。

圖1 異常數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)模型

由圖1可知：根據(jù)異常數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)模型的構(gòu)建，分析數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸是一個三維的連續(xù)系統(tǒng)，而信道是一個多直徑非平穩(wěn)的狀態(tài)，采用時間與頻率的聯(lián)合對改進(jìn)技術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠構(gòu)建激光的信道模型[7]，該模型可描述為：

公式（1）中：sn(t)是第n條垂直激光信號傳輸路線上的異常數(shù)據(jù)單分量頻率特征，Tn(t)為第n條垂直信道的傳輸時延，pc為網(wǎng)絡(luò)信道調(diào)制的頻率，X為單分量傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

1.1 抗干擾濾波處理

針對通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)的構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行分析，將監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)[8-9]。在醫(yī)院通信網(wǎng)絡(luò)中異常數(shù)據(jù)監(jiān)測會受到噪聲的干擾，大大降低監(jiān)測的精度，因此需要對干擾進(jìn)行處理。采用平均算子的濾波器進(jìn)行降噪處理，濾波器的傳輸函數(shù)為：

公式（2）中：n為濾波窗口像素?cái)?shù)量，Ri為目前窗口中心像素值，Rj是鄰域的像素值，f(Rj)為Ri的灰度值，βij為隸屬度[9]，并且 0≤βij≤1，Kj為尺度參數(shù)。

平均算法的濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 濾波器

假設(shè)激光通信網(wǎng)絡(luò)存在異常數(shù)據(jù)x（k），那么該組的多源寬帶調(diào)節(jié)頻率序列中的濾波頻率點(diǎn)落在x（k）中，并由此預(yù)測誤差的范圍頻率輸出響應(yīng)[10]。通過自適應(yīng)的均衡處理，分解通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)色噪的干擾特征[11]。最后將輸出的激光通信異常數(shù)據(jù)模型表示為：

公式（3）中：t為采樣的時間，xα為解析的信號，a為通信的速度，通過濾波能夠提高激光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木龋哂兄笇?dǎo)性意義。

1.2 異常數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)

由于醫(yī)院通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特征屬性較多，結(jié)合實(shí)例，從中篩選出與之相關(guān)的屬性進(jìn)行分析。將該數(shù)據(jù)的七元組以關(guān)鍵字的形式進(jìn)行劃分[12-14]，并根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)量對內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)IP的屬性進(jìn)行排列，如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)屬性列表

通過表1中的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)屬性完善監(jiān)測技術(shù)的各種功能。

1）網(wǎng)絡(luò)流量的實(shí)時現(xiàn)實(shí)

在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)會隨著時間的變化實(shí)時更新，最低的時間間隔為秒，每秒都會更新一次。

2）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)熵值的突變發(fā)現(xiàn)攻擊源

針對數(shù)據(jù)的屬性進(jìn)行熵值的計(jì)算，提取出與之相關(guān)的關(guān)鍵字，并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)熵值的變化。當(dāng)熵值較大時，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)具有不可預(yù)測性，表明該網(wǎng)絡(luò)處于正常的狀態(tài)；當(dāng)受到惡意攻擊時，與網(wǎng)絡(luò)連接的主機(jī)惡意數(shù)據(jù)數(shù)量明顯增加，導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)存在較大的攻擊包，進(jìn)而使醫(yī)院數(shù)據(jù)信息泄漏；當(dāng)熵值降低時，會立刻發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在惡意數(shù)據(jù)，并進(jìn)行濾波處理，由此降低惡意數(shù)據(jù)數(shù)量[15]。

3）路徑最優(yōu)搜索

針對傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)存在的不足，提出了基于四階累積的后置路徑搜索激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)。對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部前后最優(yōu)路徑搜索，如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)路徑搜索

以圖3搜索出來的激光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的最優(yōu)包絡(luò)幅度值為基礎(chǔ)，對異常數(shù)據(jù)的實(shí)時頻率特征進(jìn)行分解，獲取異常數(shù)據(jù)的時延傳輸[16]。

由于激光通信網(wǎng)絡(luò)具有非平穩(wěn)性，因此利用時延性對異常數(shù)據(jù)監(jiān)測時，使用高階累積的監(jiān)測技術(shù)對非平穩(wěn)信號能量進(jìn)行噪聲控制，引入處理算子，有效地將異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分離[17]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時頻率的耦合。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證提出的基于四階累積的后置路徑搜索激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)的有效性及可靠性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境采用醫(yī)院主機(jī)，將配置參數(shù)設(shè)為：CPU3.0G，Core(TM)CPUT6600，內(nèi)存大小為24G，進(jìn)行操作的系統(tǒng)為Windows8。采用商業(yè)數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與信號的設(shè)計(jì)[12]。采用激光技術(shù)對通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測時的數(shù)據(jù)離散采樣率為p=10*p0Hz=10 kHz，異常數(shù)據(jù)采樣的樣本長度為1 024，激光通信的信號q(t)采用頻帶為2 kHz到25 kHz、時寬為3.5 ms，寬帶為B=1 000 Hz，醫(yī)院的異常數(shù)據(jù)輸出碼元寬度為0.2 ms。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)定仿真參數(shù)，對激光通信網(wǎng)絡(luò)中存在的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。首先需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后采用濾波算法對抗干擾濾波進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 激光通信網(wǎng)絡(luò)濾波前原始數(shù)據(jù)傳輸

圖5 激光通信網(wǎng)絡(luò)濾波后輸出數(shù)據(jù)

由圖4、圖5可知：對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，受到噪聲干擾，很難有效實(shí)現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測，因此采用基于四階累積的后置路徑搜索激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對干擾因素的抑制。而異常數(shù)據(jù)的包絡(luò)幅值具有波束指向性，為異常數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

2.3 頻譜增益結(jié)果與分析

采用四階累積的后置路徑搜索激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對醫(yī)院通信網(wǎng)絡(luò)中異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測，獲得的異常數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果

由圖6可知：采用該技術(shù)能夠增強(qiáng)醫(yī)院通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測，且該技術(shù)具有良好的頻譜增益效果，波束指向明確，有效地驗(yàn)證了該監(jiān)測技術(shù)的精準(zhǔn)度。

2.4 信噪比結(jié)果與分析

為了測試監(jiān)測技術(shù)的性能，將傳統(tǒng)技術(shù)與改進(jìn)技術(shù)進(jìn)行對比，進(jìn)行100次的實(shí)驗(yàn)，能夠得到性能曲線圖如圖7所示。

圖7 兩種技術(shù)監(jiān)測性能對比

由圖7可知：采用傳統(tǒng)技術(shù)使異常數(shù)據(jù)監(jiān)測概率維持在0.523左右；采用改進(jìn)技術(shù)對醫(yī)院通信異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測時，準(zhǔn)確率一直處于上上升的狀態(tài)，并且比傳統(tǒng)技術(shù)性能優(yōu)越。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對激光通信網(wǎng)絡(luò)中存在的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，在對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，容易受到噪聲干擾，很難有效實(shí)現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測。采用基于四階累積的后置路徑搜索激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能夠有效實(shí)現(xiàn)對干擾因素的抑制，異常數(shù)據(jù)的包絡(luò)幅值具有波束指向性，為異常數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。采用該技術(shù)能夠增強(qiáng)醫(yī)院通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測，波束指向明確，良好的頻譜增益效果凸顯該技術(shù)的優(yōu)越性。通過仿真實(shí)驗(yàn)，有效地驗(yàn)證了該監(jiān)測的精準(zhǔn)度，且準(zhǔn)確率一直處于上上升的狀態(tài)，比傳統(tǒng)技術(shù)性能優(yōu)越。

3 結(jié)束語

采用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測時，異常數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率較低，效率較差。提出了基于四階累積的后置路徑搜索激光通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)。對醫(yī)院異常數(shù)據(jù)流進(jìn)行干擾時，對輸出的濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行前后局部最優(yōu)路徑搜索，并對搜索路徑進(jìn)行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測時，準(zhǔn)確率高。

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