一种频谱监管系统的制作方法

本发明一般地涉无线通信技术，并且更特别地，涉及一种频谱监管系统。

背景技术：

无线传感器网络是通过在监测范围内部署大量静止或者移动的传感器节点，以多跳、自组织方式对覆盖区域内的对象信息进行实时、协作地感知、采集、处理，并传输至目标用户的一种无线通信网络。面向电磁频谱监测的无线传感器网络是传感网的一种典型应用，在军事领域和民用方面都具有广阔的应用前景。

通常情况下无需授权的工业、科学、医疗免费频段是无线传感网首选的工作频段，比如2.4GHz。在通常无线电频率划分中，有限的公用频段需要同时支持固定、移动、无线电定位等授权主业务。与此同时，随着各种、蓝牙、等无线通信技术的广泛应用，该类公用频段日趋饱和，各类无线通信系统之间的干扰和共存问题日趋严重。有研究表明，在网络的影响下，同时工作的网络的中断率和重传率明显上升，网络的生存周期也明显下降。由此可见，公用频段的各式无线通信系统间的干扰和共存问题已成为制约无线传感器网络未来发展的瓶颈。

另一方面，传统无线传感网节点工作频段与其射频芯片规格紧密相关。出于成本考虑，传感器节点在出厂后芯片规格就已固定，一般不能随意更改。因此，传统无线传感网所用频段也是固定分配，若因应用要求需要改变工作频段，就需大范围更换传感器节点。此外，在一些频谱资源十分紧张的特殊通信环境如战场电磁环境下，传统传感器网络更容易受到针对性干扰而导致网络瘫痪。

美国伯克利无线研究中心的研究报告表明，与非授权频段频谱资源愈加紧张的情形相反，一些授权频段，特别是传播特性优良的低频频段并未得到充分利用。为此人们幵始研究认知无线电技术，以突破传统静态频谱分配的限制，实现授权频谱的动态共享以提高频谱利用效率。在此基础上，传感器网络研究学者提出引入认知无线电技术，建立适合无线传感网的动态频谱管理机制，实现传感器节点动态共享和有序竞争访问频谱资源，增强传统无线传感网对频谱变化的适应能力，业已成为无线传感网今后发展的关键方向之一。

频谱感知是区分传统无线传感器网络和无线认证传感网络的主要功能之一，也是频谱监管系统的核心。目前比较成熟的感知技术多为单节点感知技术，例如匹配滤波器感知技术、能量检测感知技术、干扰温度检测感知技术和循环平稳特征感知技术。然而在针对认知传感器不断变化的网络拓扑时，这些技术不能简单直接应用在能力有限的传感器上。本领域技术人员需要发展多节点共同检测感知技术，尤其是如何在感知精度、计算复杂度和各节点通信开销之间寻求平衡，是本领域技术人员面临的难题。

技术实现要素：

为了解决现有技术感觉精度不够、计算复杂度高且各个节点通信开销大的问题，本发明的目的是提供一种频谱监管系统，其特征在于，包括：

多个电磁频谱信息传感器，其用于采集电磁频谱信号、向无线网络发射所采集的电磁频谱信息以及接收无线网络中电磁频谱信息并存储信息；

一个或多个节点机，其用于采集、处理并储存相邻电磁频谱信息传感器通过无线网络发射出的电磁频谱信息以及向无线网络发射所存储的信息；

数据服务器，其用于采集、处理并储存节点机通过无线网络发射出的电磁频谱信息；

信息管理终端，其用于调阅数据服务器中存储的信息。

进一步地，所述无线网络为3G、GPRS或WI-FI。

进一步地，所述电磁频谱信息传感器之间通过混合协作的方式感受、采集和处理无线网络覆盖区域中的频谱，即电磁频谱信息传感器被设定有两个判断门限ξ₁和ξ₂，当检测到的频段信号的能量小于ξ₁时，电磁频谱信息传感器可判断该频段不存在主用户信号，当检测到的频段信号的能量大于ξ₂时，电磁频谱信息传感器可判断该频段存在主用户信号，当检测到的频段信号的能量在ξ₁和ξ₂之间时，电磁频谱信息传感器则将该频段信号的能量发送给附件的节点机，由节点机综合其他电磁频谱信息传感器所收集到的信息综合判断；

其中，

${\mathrm{\ξ}}_1=(\sqrt{2/N}{Q}^{-1}{P}_{fa}+1){\mathrm{\σ}}_n^2{(1+P_S(t\left)\right)}^{3/2}/{\mathrm{\δ}}_n^2,$

${\mathrm{\ξ}}_2=(\sqrt{2/N}{Q}^{-1}{P}_{fa}+1){\mathrm{\σ}}_n^2{(1+P_S(t\left)\right)}^{1/2},$

N为频谱信息取样数，

Q^-1为函数的反函数，

P_fa为虚警概率，

σ_n为实际噪声功率，

δ_n为虚拟噪声功率，

P_S为所测频段的历史检测概率分布,

P_S(t)为t时段内所测频段的历史检测概率。

进一步地，当所述节点机接收到附近的L个电磁频谱信息传感器的频段信号的能量信息后，将所收到的信息生成矩阵并得出相应的协方差矩阵，并求出该协方差矩阵特征值的最大值和最小值，得出最大值和最小值的比值，节点机将该比值与节点机计算的门限值λ进行判定，当该比值小于门限值λ时，则节点机判断该频段不存在主用户信号，反之这判断该频段存在主用户信号；

其中，

N为频谱信息取样数，

L为节点数，

P_fa为虚警概率，

P_S为所测频段的历史检测概率分布，

P_S(t)为t时段内所测频段的历史检测概率，

F^-1为Trancy-Widom分布的分布函数的逆函数。Trancy-Widom分布函数的取值可以从数学教材中的取值表中获得。

进一步地，所述历史检测概率分布信息会被数据服务器周期性发布，节点机接收到新的历史检测概率分布信息后会广播至其附近的电磁频谱信息传感器。

进一步地，所述节点机在对所述附近多个电磁频谱信息传感器广播时采用分布式树型广播协议。节点在进行广播之前，需要先建立自己的广播树，广播树一经建立，节点可以在其后的广播中一直使用，如果网络拓扑结构发生变化，仅需要进行局部更新，而不需要重新建立。广播树的具体建立过程如下：

(1)需要发送广播包的节点，随机选择一个自己的邻居节点发送广播训练包，邻居节点收到广播训练包后，回复确认包，并在确认包中，告知发送节点本节点是否是首次收到这个广播包；

(2)发送节点分析收到的确认包，如果接收节点是首次收到这一广播训练包，就将接收节点加入到自己的发送序列中，如果不是首次接收到，说明接收节点己经从其他节点接收到这一广播训练包了，发送节点不必将这个节点加入到自己的发送序列中；

(3)收到广播训练包的节点，采取与发送节点相同的策略，随机向自己的邻居节点转发广播信息，并根据接收节点的确认信息建立自己的关于发送节点的发送序列，直到向所有邻居节点都转发完广播训练包；

(4)首轮训练包发送完毕后，发送节点再发起第二轮广播训练包，发送节点首先向自己发送序列内的节点发送广播训练包，并根据收到确认包的信息对发送序列进行调整，即当接收节点是首次接收到广播包时，发送节点将其留在发送序列中，如果接收节点不是首次接收到这个广播训练包，则将其从自己的发送序列中移除，当发送序列内节点全部发送完广播训练包后，再对邻居表中其余节点发送广播训练包，并根据收到确认包的信息对发送序列进行调整，即当接收节点是首次接收到广播训练包时，发送节点将其加入到自己的发送序列中，如果接收节点不是首次接收到这个广播训练包，则不将其加入到自己的发送序列中；

(5)收到广播训练包的节点，釆取与发送节点相同的策略，首先向自己发送序列内的节点发送广播训练包，并根据收到的确认信息对自己的发送序列进行调整，然后再向发送序列以外的邻居节点发送广播训练包，并根据接收到的确认信息对自己的发送序列进行调整；

(6)发送节点多次发送广播训练包，网络内的节点对自己的发送序列进行多次调整，最终每个节点的发送序列都会逐渐趋于稳定，这样，网络内的节点以自己的发送序列内的节点为子节点，建立一个关于发送节点的广播树。

进一步地，所述电磁频谱信息传感器具有太阳能充电装置。使用太阳能供电可以提高传感器的稳定性，降低监测设备建站环境的要求，使得大量建站成为可能。

进一步地，所述数据服务器可以根据采集到的电磁频谱信息处理并生成监测数据历史档案、预警日志、发射参数以及行政管理信息。监测数据历史档案是长期、连续、不间断的台站或信号强度监测记录以及在此基础上统计分析的结论与判断，常见的例子有占用度(日占用度、月占用度、年占用度、指定时长占用度等)、发射率(正常发射所占比例)、故障率(发射故障所占比例)、干扰率(干扰所占比例)K线图等。长期、连续、不间断的监测通过统计、分析、判断结论，将得到一系列的电磁事件，如干扰事件、故障事件等，这些事件将一一记录在预警日志之中。有权用户可以从服务器索取预警日志、客户端可以自动生成预警日志、通过云打印机可以自动打印预警日志。在本发明中，发射参数包括中心频率、频率偏移、3dB占用带宽、最大电平、最小电平、平均电平、调制方式和调制度。在本发明中，行政管理信息包括审批单位、使用单位、批准频率、使用范围、使用期限、业务划分、批准带宽、网络用途。

进一步地，所述信息管理终端选自LED屏、手提电脑、平板电脑、云打印机、手机。

P_fa虚警概率为频谱系统构建时设定的值，一般地，P_fa范围在0.01-0.1之间，具体取值取决于传感器的个数。在多数情况下，传感器的个数越多，虚警概率的取值可以越高。

本发明的频谱监管系统与现有技术相比的优点在于，在感知精度、计算复杂度和各节点通信开销之间达到更好的平衡，利用对频段主用户使用率统计信息，即历史检测概率分布信息对协同感知系统的门限进行修正，在大幅度提高感知精度的同时没有过多增加门限计算的复杂度和各个节点通信开销。这使得系统在可以实现对频谱高精度监控的同时还能保持各个传感器和节点机相对较低的能量消耗，从而降低整个监控网络的成本。

附图说明

图1为本发明的一个实施例监测所获得的历史测验概率分布；

图2为本发明的一个实施例的网络拓扑；

图3为本发明的一个较佳实施例的网络拓扑。

具体实施方式

本发明在这个部分对本发明中的一些技术术语做更进一步地解释，并给出一些效果较佳的实施方式。

如本发明前部所述，P_S为所测频段的历史检测概率分布，是根据特定频段频谱内主用户信号出现的概率累积统计分布P‘_s、监测时长系数T_s以及统计相关系数R综合得出的。

即P_S＝P’_sT_sR,

0≤T_s≤1,0≤R≤1。

举一个简化的例子，某区域内的电磁频谱信息传感器每天固定每隔两小时监测A频段频谱中是否有主用户信号存在，连续监测7天后综合各个传感器的电磁频谱信息得到图1中上半部分的概率统计分布，连续监测30天后得到图1中下半部分的概率统计分布。一般来说，主用户信号的概率分布随着监测时长趋于稳定，这是由于主用户是频段的授权用户，其通信活动主要取决于主用户自身需求而不需要考虑其他从用户的存在而决定的。因此，监测时长越长，所得出的概率统计分布将会越接近主用户的真实活动，监测时长系数也就会越趋近于1，即通过概率统计分布来判断主用户真实活动的准确性会越高。

然而，在监测过程中，还会出现另一种状况，即主用户信号活动在监测过程中开始与概率统计分布不符。出现这种状况的原因可能是由于主用户变更或者主用户通信活动变更造成的。当出现这种状况时，新的电磁频谱信息累积的概率统计分布必然与之前的概率统计分布存在较大差异，即两种统计分布的相关度不高。当频谱检测系统感知到统计相关度降低至预先设定的阈值时，历史检测概率分布重置的机制则被触发，即在先的概率统计分布会被删除归零，新的电磁频谱信息将被累计形成新的概率统计分布。

一般来说，本发明所披露的频谱监管系统在用于工业、农业等民用领域时，其电磁频谱信息传感器监测时段t，或监测间隔，保持在1-2小时，其统计相关度阈值设定在0.7-0.85的范围内，即可获得很高的感知精度。对于其他特殊用途如在军事或特殊医疗应用应用的频谱监管系统则需要更加高的感知精度，这可以通过缩短监测间隔和/或提高统计相关度阈值来达到。当然，缩短监测间隔和/或提高统计相关度阈值必然会给各节点间通信带来更多开销，从而增加频谱监管系统的成本和不稳定性。

实施例1

如图2所示，实施例1具有多个电磁频谱信息传感器111、112、113、。。。和11N，其用于采集电磁频谱信号、向无线网络发射所采集的电磁频谱信息，以及接收无线网络中电磁频谱信息并存储信息；

一个节点机121，其用于采集、处理并储存相邻电频谱磁信息传感器通过无线网络发射出的电磁频谱信息，以及向无线网络发射所存储的信息；

数据服务器130，其用于采集、处理并储存节点机通过无线网络发射出的电磁频谱信息，生成各个频段的历史检测概率分布信息，以及向节点机发射所存储的信息和各个频段的历史检测概率分布信息；

信息管理终端140，其用于调阅数据服务器130中存储的信息。

实施例2

如图3所示，实施例2具有多个电磁频谱信息传感器211、212、213、。。。和21N，其用于采集电磁频谱信号、向无线网络发射所采集的电磁频谱信息，以及接收无线网络中电磁频谱信息并存储信息；

两个节点机221和222，其用于采集、处理并储存相邻电频谱磁信息传感器通过无线网络发射出的电磁频谱信息，以及向无线网络发射所存储的信息；

数据服务器230，其用于采集、处理并储存节点机通过无线网络发射出的电磁频谱信息，生成各个频段的历史检测概率分布信息，以及向节点机发射所存储的信息和各个频段的历史检测概率分布信息；

信息管理终端240，其用于调阅数据服务器230中存储的信息。

各个电池频谱信息传感器根据预设的监测时段从休眠期苏醒并开始感受、采集和处理其覆盖区域中的频谱状态信息。当检测到的频段信号的能量小于其预设门限ξ₁时，该电磁频谱信息传感器可判断所测频段不存在主用户信号，并把这个结果本地储存并在历遍各频段后集中发送给节点机；当检测到的频段信号的能量大于其预设门限ξ₂时，电磁频谱信息传感器可判断所测频段存在主用户信号，并把这个结果本地储存并在历遍各频段后集中发送给节点机；当检测到的频段信号的能量在ξ₁和ξ₂之间时，电磁频谱信息传感器则将该频段信号的能量并把这个结果本地储存并在历遍各频段后集中发送给节点机，由节点机综合其他电磁频谱信息传感器所收集到的信息综合判断。

当节点机221或222接收到附近的L个电磁频谱信息传感器的频段信息后，一方面储存被各个电池频谱信息传感器本地判断的频段信息，即可以被各个电池频谱信息传感器当即认定频段是否有主用户的信息；另一方面，对于收到的频段的能量信息，将所收到的信息生成矩阵并得出相应的协方差矩阵，并求出该协方差矩阵特征值的最大值和最小值，得出最大值和最小值的比值，节点机将该比值与节点机计算的门限值λ进行判定，当该比值小于门限值λ时，则节点机判断该频段不存在主用户信号，反之这判断该频段存在主用户信号。当节点机遍历所有频段后，将所有频段信息本地存储并发送给数据服务器230。

上述矩阵X如下所示，其中x_l(t)是第l(l＝1,2，…,L)个电磁频谱信息传感器在时刻t(t＝1,2，…,T)接收到的信号采样，

其对应的协方差矩阵R_X通过下式求出，其中上标H为矩阵的共轭转置运算，

R_X(T)＝(1/T)XX^H。

数据服务器230采集、处理并储存节点机221和222通过无线网络发射出的电磁频谱信息，根据这些信息生成历史检测概率分布P_S并将其周期性发布给节点机221和222。节点机221和222根据新发布的历史检测概率分布P_S实时调整其门限值λ，并将该历史检测概率分布P_S通过采用分布式树型广播协议广播至各电磁频谱信息传感器211、212、213、。。。和21N，各个电磁频谱信息传感器根据新发布的历史检测概率分布P_S实时调整其门限值ξ₁和ξ₂。

数据服务器230还可以根据采集到的电磁频谱信息处理并生成监测数据历史档案、预警日志、发射参数以及行政管理信息。监测数据历史档案是长期、连续、不间断的台站或信号强度监测记录以及在此基础上统计分析的结论与判断，常见的例子有占用度(日占用度、月占用度、年占用度、指定时长占用度等)、发射率(正常发射所占比例)、故障率(发射故障所占比例)、干扰率(干扰所占比例)K线图等。长期、连续、不间断的监测通过统计、分析、判断结论，将得到一系列的电磁事件，如干扰事件、故障事件等，这些事件将一一记录在预警日志之中。有权用户可以从服务器索取预警日志、客户端可以自动生成预警日志、通过云打印机可以自动打印预警日志。在本发明中，发射参数包括中心频率、频率偏移、3dB占用带宽、最大电平、最小电平、平均电平、调制方式和调制度。在本发明中，行政管理信息包括审批单位、使用单位、批准频率、使用范围、使用期限、业务划分、批准带宽、网络用途。

频谱监管系统的操作人员可以通过信息管理终端240调阅数据服务器230中存储的信息。信息管理终端240选自LED屏、手提电脑、平板电脑、云打印机、手机。

虽然本发明的原理已经在本文有具体描述，但是本领域的技术人员应当理解，这个描述仅通过示例的方式来进行，并且不作为关于本发明的范围的限制。除本文中所示出和描述的示例性实施例之外，在本发明的范围内通过本领域的普通技术人员的修改和代替的其他实施例，均被认为是在本发明的范围内。