一种智能电磁监测系统的制作方法

本发明一般地涉无线通信技术，并且更特别地，涉及一种智能电磁监测系统。

背景技术：

无线电频谱不是取之不尽、用之不竭的公共资源，其有限性日益凸显。随着无线通信技术的飞速发展，蜂窝移动通信、数字电视广播系统、无线宽带接入系统、超短距离无线通信系统以及其他各类专用无线通信系统等，越来越多地出现在人们日常生活中。各种无线电技术与应用的竞争愈加激烈，使无线电频谱资源拥挤不堪。近几年，用户对各类数据传输业务的需求越来越多样化、高速化。为满足用户对不同业务传输质量的需求，也为了能够在各种传输环境中为用户提供尽可能最佳的数据传输服务，各种短距离通信系统得到了空前的发展。而这些系统的使用，使得原本较拥挤的无线频谱资源变得日益稀缺，导致用户需求与频谱资源稀缺之间矛盾不断加大。针对频谱资源严峻的供需矛盾，尽管已经提出了很多先进技术来提高系统频谱利用率，诸如链路自适应技术、多天线技术、正交频分复用等，但这些技术受到香浓定理的限制，只能以牺牲复杂度为代价接近香农极限，不能为系统增加额外的通信容量。频谱资源日益紧张的局面并没有从根本上得到解决，频谱资源供需矛盾依然突出。

基于以上原因，已有专家和学者引入认知无线电技术，改造传统的无线传感器网络，使传感器节点可以感知频谱环境，检测主用户，使用闲置频谱，成为具备动态频谱利用能力的无线认知传感器网络。

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。

一些基于多节点协同频谱检测的方案可以适应认知传感器不断变化的网络拓扑，如基于双门贤能量检测和循环品味检测的混合感知方案等。然而，这些方案不能够解决由于传感器节点因地形、天气等原因造成的信号微弱或不稳而造成网络构架局部失效的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在不能有效接收信号微弱或不稳的传感器节点的信号问题，本发明的目的是提供一种智能电磁监测系统，其特征在于，包括：

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

一个或多个巡视采集器，其用于在移动中采集、处理并储存相近电磁信息传感器通过无线网路发射出的电磁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、处理并储存节点机和巡视采集器通过无线网络发射出的电磁信息，生成各个频段的历史检测概率分布信息，以及向巡视采集器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，其可以通过有线或无线网路调阅和显示数据服务器中存储的信息。

进一步地，所述电磁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信道，即电磁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，电磁信息传感器则将该频段信号的能量本地存储待巡视采集器采集，由巡视采集器综合其他电磁信息传感器所收集到的信息综合判断；

其中，

${\mathrm{\ξ}}_1=(\sqrt{2/N}{Q}^{-1}{P}_{fa}+1){\mathrm{\σ}}_n^2{(1+P_S(t\left)\right)}^{5/3}/{\mathrm{\δ}}_n^2,$

${\mathrm{\ξ}}_2=(\sqrt{2/N}{Q}^{-1}{P}_{fa}+1){\mathrm{\σ}}_n^2{(1+P_S(t\left)\right)}^{2/3},$

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，当所述巡视采集器采集到附近M个电磁信息传感器的频段信号的能量信息后，将各个能量信息根据电磁信息传感器的瞬时信噪比ρ_i进行加权融合，得出融合后的能量值e_x，将该能量值与巡视采集器计算的门限值λ_x进行判定，当该能量值小于门限值λ_x时，则巡视采集器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，

$e_x={\Σ}_{i=1}^N{w}_i{Y}_i,$

Y_i为各个电磁信息传感器所测频段内信号的能量，

w_i为一个电磁信息传感器所测频段信号能量的合并权系数，

$w_i={\mathrm{\ρ}}_i\sqrt{{\Σ}_{k=1}^N{w}_k^2}/\sqrt{{\Σ}_{k=1}^N{\mathrm{\ρ}}_k^2},$

N为频谱信息取样数，

M为与巡视采集器进行信息交换的电磁信息传感器的个数，

Q^-1为函数的反函数，

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,

σ_n为实际噪声功率。

进一步地，上述智能电磁监测系统还可包括一个或多个节点机，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；

所述数据服务器可以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；

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。

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方差矩阵，并求出该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为与节点机进行信息交换的电磁信息传感器的个数，

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。一般地，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，节点机或巡视采集器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。一般地，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，所述节点机或巡视采集器在对所述附近多个电磁信息传感器广播时采用分布式树型广播协议。

进一步地，所述巡视采集器的运行步骤如下：

a)巡视采集器自动搜索附近电磁信息传感器；

b)在搜索到电磁信息传感器后，巡视采集器自动登录该电磁信息传感器；

c)在成功登录上述电磁信息传感器后，巡视采集器自动下载该电磁信息传感器中新数据；

d)下载完成后，巡视采集器断开与上述电磁信息传感器的连接，并开始搜索其他电池信息传感器。

进一步地，所述巡视采集器装置于交通工具和无人机上。

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。

本发明所述的智能电磁监测系统与现有技术相比的优点在于能够利用巡视采集器在移动中采集、处理并储存相近电磁信息传感器，有效避免由于传感器节点因地形、天气等原因造成的信号微弱或不稳而造成网络构架局部失效的问题。由于巡视采集器是不断移动的，这给监测系统的网络架构带来很大的不确定性。本发明通过优化电磁信息传感器的门限算法、提出新颖的巡视采集器门限算法使监测系统网络架构的稳定性得到大幅度提升，同时可以使系统内碰撞率、串音率和通信保持在较短水平。

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，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；

一个巡视采集器121，其用于在移动中采集、处理并储存相近电磁信息传感器通过无线网路发射出的电磁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；

一个巡视采集器221，其用于在移动中采集、处理并储存相近电磁信息传感器通过无线网路发射出的电磁信息以及向无线网络发射所存储的信息；

一个节点机251，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，以及向巡视采集器221和节点机251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，并把这个结果本地存储待历遍各频段后集中发送给节点机251或待巡视采集器221采集；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，并把这个结果本地存储待历遍各频段后集中发送给节点机251或待巡视采集器221采集；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本地存储，待历遍各频段后集中发送给节点机251或待巡视采集器221采集，由巡视采集器221或节点机251综合其他电磁频谱信息传感器所收集到的信息综合判断。

巡视采集器221的运行步骤如下：a)巡视采集器自动搜索附近电磁信息传感器；b)在搜索到电磁信息传感器后，巡视采集器自动登录该电磁信息传感器；c)在成功登录上述电磁信息传感器后，巡视采集器自动下载该电磁信息传感器中新数据；d)下载完成后，巡视采集器断开与上述电磁信息传感器的连接，并开始搜索其他电池信息传感器。

当巡视采集器221采集到附近M个电磁信息传感器的频段信号的能量信息后，将各个能量信息根据电磁信息传感器的瞬时信噪比ρ_i进行加权融合，得出融合后的能量值e_x，将该能量值与巡视采集器计算的门限值λ_x进行判定，当该能量值小于门限值λ_x时，则巡视采集器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。当巡视采集器221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。巡视采集器221可以所述巡视采集器装置于交通运输工具上，例如公共汽车、小客车、无人机或火车上。

当节点机251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方差矩阵，并求出该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251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、处理并储存巡视采集器221和节点机251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巡视采集器221和节点机251。巡视采集器221和节点机251根据新发布的历史检测概率分布P_S分别实时调整其门限值λ_x和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。

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。