一种实时无线电协同监测、检测与定位方法
【专利摘要】公开了一种实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征是在监测区域布置由多个传感节点和一个汇聚节点构成的监测网；各传感节点模块A工作在不同的子频带，模块B等待调度；若传感节点i检测到异常无线电信号，则汇聚节点调度各模块B工作在子带i进行实时无线电信号测量，若检测到异常信号，则将其I/Q分量传到汇聚节点进行处理，实现定位和显示。本发明适用于局部区域，如考场和重要会议场所异常无线电发射信号的监测、检测和定位，有效解决了目前以大型监测站为主的无线电监测方法存在的不足；通过传感节点与汇聚节点之间的协同处理，缓解了由于传感节点数量增多所带来的汇聚节点数据处理量增大的问题，具有很好的应用前景。
【专利说明】—种实时无线电协同监测、检测与定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信息【技术领域】，涉及无线电监测中多传感节点协同监测、检测与定位。【背景技术】
[0002]无线电频谱是信息无线传输的重要载体，是实现无线互联的唯一手段，是一种重要的国家战略资源，通过无线电监测，进行无线电频谱管理，维护空中电波秩序，保证无线电安全，是关乎经济发展、社会稳定和国家安全的重要因素。目前，全国各省已建立了以固定监测站为主的无线电监测网，主要是针对大范围常发信号设计，由于受多径和阴影效应的影响，固定监测站对局部区域异常无线电信号的检测往往显得力不从心。在对一些重要的考场和会场进行无线电安全保障工作时，无线电监测部门通常采取的方法是派出监测车，通过人工查找的方式来排查异常无线电信号发射源，监测工作量大，效率难以提高，并且采用人工查找的方式难以检测到随机突发异常无线电信号。
[0003]同时，随着无线通信技术的发展，目前无线通信设备已经由窄带、大功率发射逐渐向微型化、数字化和智能化方向发展，各种小功率无线发射设备增多给无线电监管工作带来了一定的困难；另外，在逐步加快的城市建设步伐背景下，高楼林立，电磁环境日趋复杂，传统的无线电监测方法面临着许多严峻挑战，例如，由于高层和超高层建筑增多，有的固定监测站所处位置已不再是监测区域的最高点，监测范围缩小，盲区增大，严重影响到无线电监测站对信号的测向和定位。
[0004]发展精细化无线电监测是克服上述困难的有效途径。然而，精细化监测仍然存在一些问题，例如，精细化监测必然要求在监测区域布置大量传感节点，这将造成网络数据量增大，如果所有的监测数据都传输到汇聚中心进行处理则必将加大汇聚中心数据处理负荷；通常，对于传统的无线电监测站，监测和测向定位功能是独立的，而要发展精细化无线电监测则必然要求实时地进行信号的监测、检测和定位；另外，由于监测设备接收带宽的限制，采用传统的监测方法，经过多次扫描获得的某一段频率范围内的频谱数据已不再是实时频谱，而发展精细化无线电监测要求对频谱进行实时处理。
[0005]因此，发展精细化监测急需一种能够集实时无线电监测、检测和定位为一体的，传感节点和汇聚节点能够协同调度的监测方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种实时无线电协同监测、检测与定位方法，有效解决了目前无线电监测技术存在的主要问题。该方法集无线电监测以及异常信号检测与定位为一体，能够对无线电信号I/Q分量及无线电频谱进行实时监测和检测，同时，通过汇聚节点协同调度传感节点实现对异常无线电发射的测向和定位，为局部重点区域精细化无线电监测提供了一种技术方案。
[0007]本发明一种实时无线电协同监测、检测与定位方法，包括以下步骤:
(I)在监测区域布置多个传感节点和一个汇聚节点。[0008](2)汇聚节点将监测频率范围划分为N个子带，分配给各个传感节点的A模块在相应的子带内进行实时频谱监测，B模块等待调度。
[0009](3)传感节点通过能量检测判断A模块接收到的信号中是否存在异常无线电信号，若无异常，则传感节点存储实时I/Q信号和时间至数据库表I ;若传感节点i检测到异常无线电信号，则传感节点在存储实时I/Q信号和时间至数据库表I的同时，将异常信号产生时间段的起止时刻存入数据库表2，并向汇聚节点发出协同请求。
[0010](4)汇聚节点接受传感节点i发来的协同请求，以广播方式通知各个传感节点B模块对子带i进行实时频谱监测。
[0011](5)若某个传感节点B模块检测到子带i存在异常无线电发射，则该传感器节点将信号数字I/Q分量及相应的时间标签传送到汇聚节点，若没有检测到异常信号，则B模块返回到等待调度状态。
[0012](6)汇聚节点根据数字I/Q分量和相应的时间标签进行定位。
[0013](7)汇聚节点在电子地图上显示异常信号发射位置或方向，并将异常无线电信号源位置或者方位显示信息授权给移动终端进行异常信号排查。
[0014](8)若排查尚未结束,则汇聚节点继续响应传感节点i的协同请求,动态显示异常信号发射源所处位置；若排查结束则汇聚节点结束本次响应，回到等待状态或响应下一协同请求。
[0015](9)当监测结束时，各传感节点将在各个子带测量到的实时I/Q分量传到汇聚节点，汇聚节点将相同时间段的测量结果叠加，获得整个频段实时无线电信号I/Q分量和实时频谱。
[0016]所述传感器节点由具有GPS功能的两个软件无线电模块A和B构成，其功能是将接收到的射频信号搬移到基带，并通过处理获得数字I/Q分量，每一个传感节点与周围至少两个传感节点视通，采用能量检测和特征值检测等方法检测异常无线电信号。
[0017]所述各个传感节点A模块通过测量接收信号I/Q分量获得实时频谱，并进行检测和存储，各个传感节点的实时频谱在相同时间段的叠加为无线电监测频率范围内的实时频
-1'TfeP曰。
[0018]所述各传感节点的B模块受汇聚节点协同和调度，若传感节点i向汇聚节点发出协同请求，则汇聚节点响应请求，调度所有传感节点的B模块工作在子带i，当任一传感节点的B模块检测到子带i内有异常无线电发射时，将测量得到的数字I/Q分量传送到汇聚节点。
[0019]所述传感节点向汇聚节点发出协同请求具有一定的优先权,若两个以上的传感节点同时向汇聚节点发送协同请求，则汇聚节点根据优先权的高低来进行响应。
[0020]所述汇聚节点根据传感节点发送来的数字I/Q分量获取异常发射信号调制方式、发射功率和频率。
[0021]所述定位包括四种情况:若汇聚节点收到3个或3个以上传感节点传来I/Q分量，则汇聚节点根据I/Q分量获得实时频谱，采用接收信号强度定位方法对异常无线电信号进行实时定位；若只有两个传感节点发来I/Q分量信号，则汇聚节点根据两组I/Q分量对发射源进行测向；若只收到传感节点i发来的I/Q分量，则表明只有传感节点i检测到异常无线电信号，此时汇聚节点将异常信号发射源位置锁定在节点i所处区域；若没有收到I/Q信号，汇聚节点将其判断为突发异常无线电信号，将发射源位置锁定在传感节点i所处区域。【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是设计流程图；
图2是网络结构意图；
图3是无异常无线电信号发生时，四个传感节点A模块测量得到的实时频谱；
图4是汇聚节点的显示面板，如图:传感节点1、汇聚节点2、传输链路3、异常信号发射源4、移动终端5、无线网络6。 [0023]图1示出本发明，一种实时无线电协同监测、检测与定位方法设计流程图。本实施例在60mX60m的区域采用四个传感节点和一个汇聚节点进行，监测频段范围为410-490MHZ，各传感节点采用两台软件无线电设备USPR N210和一台小型工控计算机构成，USRP设备分配了不同的IP地址，分别定义为A模块和B模块，中频带宽为20M ;汇聚节点为高性能小型工控机，汇聚节点和传感节点之间通过有线网络连接，采用DataSocket技术实现数据的传输。
[0024]图2为本实施例网络结构示意图。
[0025]如图1所示，流程开始于步骤SI。
[0026]在步骤S2，汇聚节点将整个频段分为四个子带，分别为410-430MHz，430-450MHz，450-470MHz,470-490MHz,分配给四个传感节点A模块，并启动实时频谱监测事件，各个传感节点A模块实时监测相应频带内的无线电频谱。
[0027]在步骤S3，各个传感节点通过能量检测判断A模块是否收到异常无线电信号，能量检测的检测统计量为:
其中，为信号长度，z、为测量到的无线电信号；无异常信号发射
时，j/(?) = x(?)，x(?)为背景噪声信号和授权用户信号的叠加；有异常信号发射时，y(n): s(n) + x(n), s(n)为待检测的异常无线电信号；每进行一次实时监测，传感节点将测量到的信号能量与判决门限4进行比较，当』?弋时，表示有异常无线电信号发射，当Jkf 时，表示没有异常无线电信号发射。若没有异常无线电信号发射，则传感节点存储实时I/Q分量和时间至数据库表1 ;若传感节点i检测到异常无线电信号，则在将实时I/Q分量和时间存储至数据库表1的同时，传感节点将异常信号产生时间段的起止时刻存入数据库表2，并向汇聚节点发出协同请求。
[0028]在步骤S4，汇聚节点以广播方式通知各个传感节点B模块实时监测子带i。
[0029]在步骤S5，传感节点检测B模块测量到的实时无线电信号，判断是否有异常信号产生，若没有检测到异常信号，则相应的B模块返回等待调度状态；若检测到异常无线电发射，则传感节点将B模块测量到的信号I/Q分量发送到汇聚节点。
[0030]在步骤S6，汇聚节点根据传感节点发来的I/Q分量信号进行定位，分以下四种情况:
(I)若汇聚节点收到3个或3个以上传感节点传来I/Q分量，则汇聚节点根据I/Q分量获得实时频谱，启动接收信号强度定位程序，首先根据接收信号强度，由电波传播模型预测发射源与监测点的距离，再根据距离采用多边形法则来对异常无线电信号进行定位。
[0031](2)若只有两个传感节点发来I/Q分量信号，则汇聚节点根据两组I/Q信号对发射源进行测向；
(3)若只收到传感节点i发来的I/Q分量信号，则表明只有传感节点i检测到异常频谱，此时，汇聚节点将异常信号发射源位置锁定在节点i所处区域；
(4)若没有收到I/Q分量信号，则汇聚节点将其判断为突发异常无线电信号，将发射源位置锁定在传感节点i所处区域。
[0032]在步骤S7，汇聚节点在地图上显示异常信号发射源位置或方向，并启动远程桌面，将异常无线电信号源位置或者方位信息授权给移动终端进行异常信号排查。
[0033]在步骤S8,若排查尚未结束,则汇聚节点继续响应传感节点i的协同请求，动态显示异常无线电信号发射源所处位置；若排查结束则汇聚节点结束本次响应，回到等待状态或响应下一协同请求。
[0034]在步骤S9，若监测尚未结束，则各传感节点模块A持续测量实时信号；若监测结束，各传感节点将在各个子带测量到的实时I/Q分量传到汇聚节点，汇聚节点将相同时间段的测量结果叠加，获得整个频段实时无线电信号I/Q分量和实时频谱。
[0035]
实施例在60mX60m的空旷地进行，四个传感节点布置在空旷地四角，相距60米，通过网线连接到汇聚节点；传感节点1-4分别测量410-430MHZ，430-450MHZ，450-470MHZ，470-490MHz范围内的信号；采用一个工作在463.5 MHz的对讲机发射信号来模拟异常无线电信号发射；传感节点和汇聚节点之间的通信控制，以及方法设计流程采用软件LabVIEW实现。图3所示为没有异常干扰信号发射时，四个传感节点A模块测量得到的实时频谱，这些实时频谱在相应时间段的叠加即为整段频率范围内的实时频谱。当我们采用无线话筒发射信号时，传感节点3检测到异常无线电信号发射，并向汇聚节点发出协同请求，汇聚节点接受传感节点3发送来的协同请求并以广播方式通知各个传感节点B模块实时监测子带3 (450-470MHz)。图4为汇聚节点的显示面板，由图可见，传感节点1_4的B模块检测到异常无线电发射信号，并将I/Q分量传输到汇聚节点，此时，汇聚节点根据I/Q分量获得无线电频谱，并启动接收信号强度定位程序，对异常无线电发射源进行定位和显示。
[0036]以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征在于，包括以下步骤: (I)在监测区域布置多个传感节点和一个汇聚节点； (2)汇聚节点将监测频率范围划分为N个子带，分配给各个传感节点的A模块在相应的子带内进行实时频谱监测，B模块等待调度； (3)传感节点采用能量检测判断A模块接收到的信号中是否存在异常无线电信号，若无异常，则传感节点存储实时I/Q分量和时间至数据库表1 ;若传感节点i检测到异常无线电信号，则传感节点在存储实时I/Q分量和时间至数据库表1的同时，将异常信号产生时间段的起止时刻存入数据库表2，并向汇聚节点发出协同请求； (4)汇聚节点接受传感节点i的请求，以广播方式通知各个传感节点B模块实时监测子带i ; (5)若某个传感节点B模块检测到子带i存在异常无线电发射，则该传感器节点将信号数字I/Q分量及相应的时间标签传送到汇聚节点，若没有检测到异常信号，则B模块返回到等待调度状态； (6)汇聚节点根据数字I/Q分量和相应的时间标签进行定位； (7)汇聚节点在电子地图上显示异常信号发射源位置或方向，并将异常无线电信号源位置或者方位信息授权给移动终端进行异常信号排查； (8)若排查尚未结束，则汇聚节点继续响应传感节点i的协同请求，动态显示异常信号发射源所处位置；若排查结束则汇聚节点结束本次响应，回到等待状态或响应下一协同请求； (9)当监测结束时，各传感节点将在各个子带测量到的实时I/Q分量传到汇聚节点，汇聚节点将相同时间段的测量结果叠加，获得整个频段实时无线电信号I/Q分量和实时频-1'TfeP曰。
2.根据权利要求1所述的实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征在于，所述传感器节点由具有GPS功能的两个软件无线电模块A、B和小型工控机构成，其功能是将接收到的射频信号搬移到基带，并通过处理获得数字I/Q分量，每一个传感节点至少与周围两个传感节点视通，采用能量检测和特征值检测等方法检测异常无线电信号。
3.根据权利要求1所述的实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征在于，所述各个传感节点A模块通过测量接收信号I/Q分量获得实时频谱，并进行检测和存储。
4.根据权利要求1所述的实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征在于，所述各传感节点的B模块受汇聚节点协同和调度，若传感节点i向汇聚节点发出协同请求，则汇聚节点响应请求，调度所有传感节点B模块工作在子带i，当任一传感节点的B模块检测到子带i内有异常无线电发射时，将测量得到的数字I/Q分量传送到汇聚节点。
5.根据权利要求1所述的实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征在于，所述传感节点向汇聚节点发出协同请求具有一定的优先权，若两个以上的传感节点同时向汇聚节点发送协同请求，则汇聚节点根据优先权的高低来进行响应。
6.根据权利要求1所述的实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征在于，所述汇聚节点根据传感节点发送来的数字I/Q分量获取异常发射信号调制方式、发射功率和频率。
7.根据权利要求1所 述的实时无线电协同监测、检测与定位方法，其特征在于，所述定位包括如下四种情况:若汇聚节点收到3个或3个以上传感节点传来的I/Q分量，则汇聚节点根据I/Q分量获得实时频谱，采用接收信号强度定位方法对异常无线电信号进行实时定位；若只有两个传感节点发来I/Q信号，则汇聚节点根据两组I/Q分量对发射源进行测向；若只收到传感节点i发来的I/Q分量，则表明只有传感节点i检测到异常无线电信号，此时汇聚节点将异常信号发射源位置锁定在节点i所处区域；若没有收到I/Q信号，汇聚节点将其判断为突发异常无线 电信号，将发射源位置锁定在传感节点i所处区域。
【文档编号】H04W64/00GK103634060SQ201310564753
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】杨晶晶, 黄铭, 张骞 申请人:云南大学