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基于频谱监测数据的通信网络结构挖掘研究

作者及单位：
Changkun Liu、Xinrong Wu、Lei Zhu、Changhua Yao、Lu Yu、Lei Wang、Haoren Fan、Ting Pan（中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院）
发表信息：
发表于*IEEE Access*期刊（2019年11月6日在线发布，2020年1月7日修订），DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2952059。

学术背景

研究领域：
本研究属于无线通信网络分析与数据挖掘的交叉领域，聚焦于通过频谱监测数据（spectrum monitoring data）挖掘通信个体间的隐含关系及网络结构。

研究动机：
1. 现实需求：在军事通信、反恐等领域，直接破解加密信号内容成本高昂且技术难度大，需通过信号物理特征间接分析通信行为。
2. 科学问题：现有研究多关注信号参数估计或分类，而忽略从信号统计规律中挖掘通信关系（communication relationship）和网络结构（communication network structure）。
3. 技术空白：传统方法依赖信号内容解析或理想监测数据，对缺失数据和非理想环境适应性不足。

目标：
提出一种基于改进密度聚类算法（density clustering）的方法，从频谱监测数据中挖掘通信关系，推测网络拓扑，并分析节点行为。

研究流程与方法

1. 数据预处理与特征提取

• 数据来源：模拟10个电台（含固定频率与跳频通信）在30km×30km区域的通信，监测设备扫描带宽20MHz，采样率80GHz/s。
  
• 特征选择：提取信号频率（frequency）、带宽（bandwidth）、功率（power）、监测时间（monitoring time）、方向（direction）五维特征，构建数据集。
  
• 坐标系转换：将数据映射至柱坐标系（cylindrical coordinate system）和极坐标系（polar coordinate system），以直观展示信号聚类特性（图4、图5）。
  

2. 通信关系挖掘算法

• 改进OPTICS聚类算法：
  
  • 创新点：将传统球形邻域（ε-neighborhood）改为柱状邻域（(ε, h)-neighborhood），适应信号在功率、方向、时间三维的流形分布（公式1-3）。
    
  • 参数优化：通过均匀分布数据集估计邻域半径ε和时间阈值h，确保对低密度接收站信号的敏感性（公式5-6）。
    
• 通信关系匹配：
  
  • 基于停止等待ARQ协议（stop-and-wait ARQ）的时序相关性，匹配聚类集中时间范围相近的信号集，判定发送方与接收方（图11）。
    

3. 网络结构构建与分析

• 节点定位：通过DBSCAN算法对极坐标数据聚类，计算簇中心作为网络节点位置（公式7）。
  
• 动态网络构建：按时间窗口（tinterval=8s）分段处理数据，合并子网络形成全局拓扑（图12-13）。
  
• 网络分析：
  
  • 层级划分：根据节点连接数（d+(vi)、d−(vi)）和路径深度，识别核心节点（如v3、v4）和终端节点（如v1、v7）。
    
  • 子网识别：例如路径v0↔v3↔v4↔v5↔v1体现信息逐级传输，反映军事通信的层级化特征。
    

主要结果

1. 通信关系挖掘：

   • 改进OPTICS算法在缺失数据下仍能有效聚类，准确匹配发送-接收对（图11b）。
     
   • 实验显示，固定频率通信数据密度显著高于跳频通信（表2）。
     

2. 网络结构推断：

   • 成功构建包含10个节点的通信网络（图13），识别出独立子网（如v8-v9）与主网（含路径1-3）。
     
   • 节点v3的d(v3)=6，证实其为关键中继节点。
     

3. 行为分析：

   • 通过统计节点参与通信次数，推断v0为信息发起端，v7为终端，符合模拟设定的通信序列（表1）。
     

结论与价值

科学价值：
1. 提出首个不依赖信号内容解析的通信网络挖掘框架，为加密信号分析提供新思路。
2. 改进的柱状邻域OPTICS算法可推广至其他时空流形数据聚类任务。

应用价值：
1. 军事领域：实时监控敌方通信网络层级，定位关键节点。
2. 公共安全：辅助反恐侦查中的通信行为分析。

研究亮点

1. 方法创新：

   • 结合柱坐标系与改进密度聚类，解决频谱数据缺失和噪声问题。
     
   • 动态分段网络构建方法，支持时序行为分析。
     

2. 跨学科融合：

   • 将数据挖掘（如PageRank算法）应用于通信网络层级分析（第V-B节）。
     

3. 实验设计：

   • 模拟复杂战场环境（含固定/跳频信号），验证方法鲁棒性。
     

其他有价值内容

• 开源支持：研究受国家自然科学基金（61971439）、江苏省自然科学基金（SBK2019020930、BK20191329）等资助，数据与算法细节可追溯。
  
• 局限性：节点定位为相对坐标，未结合地理信息系统（GIS）实现绝对定位，未来可引入多监测站协同定位。
  

（报告字数：约1500字）