基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统及方法与流程

本发明属于频谱监测技术领域，涉及一种电磁频谱监测的系统及方法，特别涉及一种基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统及方法，可应用于无线传感器网络中的电磁环境及无线电信号监测和管理。

背景技术：

无线传感器网络(wirelesssensornetwork，简称wsn)，是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络，是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以实时监测、感知和控制网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户，在工业、交通、安全和探测等很多方面都有着广泛的用途。

无线频谱监测是实现电磁环境及无线电信号监测和管理的重要途径，其主要作用是为频率管理提供基础数据，为无线电管理和控制提供技术手段。随着无线电监测技术的高速发展，全国各省市的无线电监测测向设备和系统已经发展到多种类型，如固定监测站、车载移动站和机载监测系统等等。

电磁频谱空间是最复杂的空间之一，自然界的各种物理现象都会产生不规则的干扰频率，而且干扰的种类，频率范围，持续时间都没有规律。随着科技的发展，在各行各业场景下，无线射频技术应用的日益增多，空间电磁信号变得更加拥挤和复杂，这给区域内电磁信号的监测、管理、分配和使用带来了诸多问题。为保障频谱资源合理有序的使用和无线通信网络的正常运行，需要运用先进的技术手段和设施，针对空间电磁环境状况进行分析与评估。传统的集中式台站电磁信号监测设备体积过大，不利于室外监测，造价过高，当监测设备距离信号源超过一定距离时会造成监测结果不准确。利用无线传感器网络进行分布式监测有着诸多优点，由于价格较为低廉、体积小且便于布设，传感器监测节点可以距离信号源更近、监测电磁信号的频段更为广泛。

例如申请公布号为cn103018553a，名称为“基于浏览器/服务器软件架构的无线传感器网络频谱监测展示方法”的专利申请，公开了一种基于无线传感器网络频谱监测的方法，本发明包括感知节点、汇聚节点和信息处理中心；感知节点用于对电磁频谱进行监测，并将监测的数据传输给汇聚节点；汇聚节点用于对数据进行转发；信息处理中心用于对指令进行下发、对频谱监测信息进行汇总、绘制频谱图形。

但是，该方法存在的不足之处是：该方法的信息处理中心绘制频谱图形所用的频谱监测数据，只来源于感知节点，而无线传感器网络中的汇聚节点只将汇集的感知节点监测的数据传递给信息处理中心，不负责电磁频谱监测，由于网络内实际负责监测电磁频谱的节点数目少，当网络处于复杂的电磁频谱空间时，数据处理中心绘制的频谱图形来源单一，不能准确反应出网络内的电磁频谱环境。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统及方法，用于解决现有技术中存在的监测复杂电磁频谱空间准确度较低的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统，包括通过无线连接的频谱管理中心和n个网关节点，n≥1，每个网关节点至少无线连接一个感知节点，每个网关节点和感知节点内均集成有频谱监测模块，其中：

所述频谱管理中心，用于下发频谱监测任务和绘制频谱图形；

所述网关节点，用于向该网关节点内部集成的频谱监测模块以及与该网关节点连接的感知节点转发频谱监测任务，并向频谱管理中心上传该网关节点内部集成的频谱监测模块获取的频谱监测结果；

所述感知节点，用于接收网关节点转发的频谱监测任务，并向网关节点上传该感知节点内部集成的频谱监测模块获取的频谱监测结果；

所述频谱监测模块，用于获取频谱监测结果，并将获取的频谱监测结果上传至网关节点；

上述基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统，其特征在于，所述频谱管理中心，包括任务下发模块和频谱绘制模块，其中，所述任务下发模块，用于向网关节点下发频谱监测任务；频谱绘制模块，用于将频谱监测结果绘制频谱图形。

上述基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统，其特征在于，所述频谱监测模块，包括数据交互单元、频谱监测单元和数据上传单元，其中，所述数据交互单元，用于将频谱监测单元所获的频谱监测结果存入数据上传单元；所述频谱监测单元，用于将获取到的频谱监测结果存入数据交互单元；所述数据上传单元，用于将频谱监测单元所获的频谱监测结果上传至网关节点。

一种基于无线传感器网络的电磁频谱监测方法，包括如下步骤：

(1)频谱管理中心下发频谱监测任务：

(1a)频谱管理中心生成频谱监测目标节点nix：

频谱管理中心选定一个网关节点或一个感知节点作为频谱监测目标节点，若频谱监测节点为网关节点，则将其标记为ni0，若频谱监测节点为感知节点，则将其标记为nij，并将ni0和nij记作nix，其中ni表示第i个网关节点，j表示与ni相连的第j个感知节点；

(1b)频谱管理中心将频谱监测目标节点nix，以及nix的起始频率a和终止频率b作为频谱监测任务，下发到网关节点ni；

(2)网关节点ni转发起始频率a和终止频率b：

网关节点ni判别频谱监测目标节点nix中x数值，若x＝0，则将起始频率a和终止频率b发送至ni内部集成的频谱监测模块，并执行步骤(3)，若x＝j，则将起始频率a和终止频率b发送至与ni相连的第j个感知节点nij内部集成的频谱监测模块，并执行步骤(4)；

(3)网关节点ni内部集成的频谱监测模块获取频谱监测结果并上传：

网关节点ni内部集成的频谱监测模块对起始频率a和终止频率b之间的频谱进行监测，得到频谱监测结果si0，并上传至网关节点ni，执行步骤(5)；

(4)与ni相连的第j个感知节点nij内部集成的频谱监测模块获取频谱监测结果并上传：

与ni相连的第j个感知节点nij内部集成的频谱监测模块对起始频率a和终止频率b之间的频谱进行监测，得到频谱监测结果sij，并上传至网关节点ni，执行步骤(5)；

(5)网关节点ni将频谱监测结果转发至频谱管理中心：

网关节点ni将其内部集成的频谱监测模块发送的起始频率a和终止频率b之间的频谱监测结果si0，或感知节点nij发送的起始频率a和终止频率b之间的频谱监测结果sij记作six，并将six转发至频谱管理中心；

(6)频谱管理中心绘制频谱图形：

频谱管理中心判别six中x的数值，若x＝0，则将频谱监测结果si0绘制成频谱图，若x＝j，则将频谱监测结果sij绘制成频谱图。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于每个网关节点和感知节点内均集成有频谱监测模块，频谱监测模块将获取的频谱监测结果上传至网关节点，避免了现有技术只在感知节点内集成频谱监测模块，而网关节点只负责转发感知节点内部集成的频谱监测模块获取的频谱监测结果不能进行频谱监测造成的频谱监测数据来源单一、电磁信号监测范围狭窄和无线传感器网络执行频谱监测功能时对节点的利用率低的缺陷，增加了无线传感器网络对电磁频谱空间进行监测的数据来源，与现有技术相比，有效提高了监测复杂电磁频谱空间的准确度。

2.本发明由于采用网关节点将数据转发和电磁频谱监测功能融合的技术，实现无线传感器网络中的网关节点在中转数据的同时，还可以进行频谱监测，使得频谱管理中心既能够绘制网关节点监测的电磁频谱，又能够绘制感知节点监测的电磁频谱，避免了已有方法仅用感知节点对复杂电磁频谱空间进行频谱监测的片面性，提升了监测复杂电磁频谱空间的准确性，使监测结果更符合实际情况。

附图说明

图1是本发明实施例电磁频谱监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例电磁频谱监测方法的实现流程图；

图3是本发明实施例网关节点n1内部集成的频谱监测模块获取频谱监测结果并上传的实现流程图；

图4是本发明实施例与n1相连的第1个感知节点n11内部集成的频谱监测模块获取频谱监测结果并上传的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统，包括通过无线连接的频谱管理中心和n个网关节点，n≥1，每个网关节点至少无线连接一个感知节点，网关节点和感知节点的数量由无线频谱传感网络所监测的电磁频谱空间范围决定，若频谱监测任务量小，只需一个网关节点和一个感知节点即可完成频谱监测任务，假设图1所示系统所处电磁频谱空间较小，故选用一个网关节点与一个感知节点执行频谱监测功能。每个网关节点和感知节点内均集成有频谱监测模块，其中：

所述频谱管理中心，用于下发频谱监测任务和绘制频谱图形；

所述网关节点，用于向该网关节点内部集成的频谱监测模块以及与该网关节点连接的感知节点转发频谱监测任务，并向频谱管理中心上传该网关节点内部集成的频谱监测模块获取的频谱监测结果；

所述感知节点，用于接收网关节点转发的频谱监测任务，并向网关节点上传该感知节点内部集成的频谱监测模块获取的频谱监测结果；

所述频谱监测模块，频谱监测模块用于获取频谱监测结果，并将获取的频谱监测结果上传至网关节点；

所述频谱管理中心，包括任务下发模块和频谱绘制模块，其中，所述任务下发模块，用于向网关节点下发频谱监测任务；频谱绘制模块，用于将频谱监测结果绘制频谱图形。

所述频谱监测模块，包括数据交互单元、频谱监测单元和数据上传单元，其中，所述数据交互单元，用于将频谱监测单元所获的频谱监测结果存入数据上传单元；所述频谱监测单元，用于将获取到的频谱监测结果存入数据交互单元；所述数据上传单元，用于将频谱监测单元所获的频谱监测结果上传至网关节点。

利用该基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统对电磁频谱空间进行分布式监测，有着诸多优点，由于价格较为低廉、体积小且便于布设，频谱监测节点可以距离信号源更近、可以使用多个频谱监测节点监测同一地区的电磁频谱空间，使得监测频段更为广泛、监测的结果更为准确。

参照图2，一种基于无线传感器网络的电磁频谱监测方法，包括如下步骤：

步骤1)频谱管理中心下发频谱监测任务：

步骤1a)任务下发模块生成频谱监测目标节点：

频谱管理中心选定一个网关节点或一个感知节点作为频谱监测目标节点，当网络覆盖区域的电磁频谱空间不复杂时，选择感知节点作为频谱监测目标节点即可，当网络覆盖区域的电磁频谱空间复杂时，可以在频谱管理中心绘制完感知节点的监测结果后，把网关节点当做频谱监测目标节点绘制频谱图形，频谱管理中心通过分别绘制感知节点、网关节点的频谱监测结果，对无线传感器网络所覆盖复杂电磁频谱空间就会有更加准确的认识和判断，有效避免了用于绘制频谱图的频谱数据结果来源单一导致监测结果不准确的问题。若频谱监测节点为网关节点，则将其标记为n10，若频谱监测节点为感知节点，则将其标记为n11，并将n10和n11记作nix，其中n1表示第1个网关节点；

步骤1b)频谱管理中心将频谱监测目标节点nix，以及nix的起始频率2320mhz和终止频率2370mhz作为频谱监测任务，下发到网关节点n1，起始频率和终止频率的选择需根据具体需求来定，本具体实施例所选用的频率范围属于中国移动4g信号，通过绘制该频率范围内的电磁频谱图形，就可知道本网络所监测区域是否有中国移动4g信号；

步骤2)网关节点n1转发起始频率2320mhz和终止频率2370mhz：

网关节点n1判别频谱监测目标节点nix中x数值，若x＝0，则将起始频率2320mhz和终止频率2370mhz发送至n1内部集成的频谱监测模块，并执行步骤(3)，若x＝1，则将起始频率2320mhz和终止频率2370mhz发送至与n1相连的第1个感知节点n11内部集成的频谱监测模块，并执行步骤(4)；

步骤3)参照图3，网关节点n1内部集成的频谱监测模块获取频谱监测结果并上传：

本发明方法中网关节点n1内部集成的频谱监测模块对起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的频谱进行监测的步骤为：

步骤3a)网关节点n1内部集成的频谱监测模块中的数据交互单元将起始频率2320mhz和终止频率2370mhz存入频谱监测单元；

步骤3b)频谱监测单元获取起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的频谱，并将其作为频谱监测结果s10存入数据上传单元；

步骤3c)数据上传单元将s10上传至网关节点n1；

步骤4)参照图4，与n1相连的第1个感知节点n11内部集成的频谱监测模块获取频谱监测结果并上传：

本发明方法中感知节点n1内部集成的频谱监测模块对起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的频谱进行监测的步骤为：

步骤4a)感知节点n11内部集成的频谱监测模块中的数据交互单元将起始频率2320mhz和终止频率2370mhz存入频谱监测单元；

步骤4b)频谱监测单元获取起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的频谱，并将其作为频谱监测结果s11存入数据上传单元；

步骤4c)数据上传单元将s11上传至网关节点n1；

步骤5)网关节点n1将频谱监测结果转发至频谱管理中心；

网关节点n1将其内部集成的频谱监测模块发送的起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的频谱监测结果s10，或感知节点n11发送的起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的频谱监测结果s11记作s1x，并将s1x转发至频谱管理中心；

步骤6)频谱管理中心绘制频谱图形：

频谱管理中心判别s1x中x的数值，若x＝0，则将频谱监测结果s10绘制成频谱图，若x＝1，则将频谱监测结果s11绘制成频谱图。

当网络覆盖区域的电磁频谱空间不复杂时，选择感知节点作为频谱监测目标节点即可，当网络覆盖区域的电磁频谱空间复杂时，即无法单一通过感知节点监测到的频谱结果对电磁频谱空间内是否具有起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的中国移动4g信号，可以在频谱管理中心绘制完感知节点的监测结果后，把网关节点当做频谱监测目标节点绘制起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间频谱图形，频谱管理中心通过分别绘制感知节点、网关节点的频谱监测结果，对无线传感器网络所覆盖复杂电磁频谱空间是否存在起始频率2320mhz和终止频率2370mhz之间的中国移动4g信号就会有更加准确的认识和判断，有效避免了用于绘制频谱图的频谱数据结果来源单一导致监测结果不准确的问题，提升了频谱监测的准确性。