一种协同检测异构信息融合方法与流程

本发明涉及无线通信网络中的无线信号检测技术领域，特别是一种协同检测异构信息融合方法。

背景技术

对无线电信号源的状态进行检测，是无线网络接入控制、频谱共享、以及电磁环境获取等方面的重要内容之一。由于无线环境的复杂性，单个设备对无线信号源的检测，会受到多径衰落和噪声等多种因素的影响，导致对信号源状态的判决准确性不高。要实现较高精度的检测，往往会要求更多的采样数据，这将导致较长的采样时间，增加了检测的时间。所以，布设多个检测节点，采用协同的方法对信号源进行检测是一种克服无线环境复杂问题的有效方法。

多点协同检测一般采取将协同检测节点汇集数据到融合中心，然后由融合中心进行综合判决的模式。其中，检测精度和检测时间是两个主要指标，两者存在折中关系。当前，多点协同检测的信息融合主要分为两种模式：一种是硬融合模式，即各个节点先对信号源进行本地判决，然后将各自的判决结果上报给融合中心。这种模式的优点在于上报的数据较少，缺点在于本地判决过程中损失了信息，降低了融合判决的精度；另一种是软融合模式，即各个节点不进行本地判决，而是直接把检测数据进行量化，发送给融合中心，尽量减少量化误差，以近乎完整的形式把采样值上报给融合中心，然后由融合中心进行判决。这种模式的优点在于融合判决精度高，缺点在于各个节点发送数据较多，上报时间长。上述两种信息融合方法各有优缺点，但是无线环境是多变的，必然存在软融合模式精度浪费但时延太大，而硬融合模式灵敏过高而精度不足的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种满足检测需要、适应检测环境的协同检测异构信息融合方法，以实现无线信号高效协同检测，并提高协同信号检测的效率。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种协同检测异构信息融合方法，包括以下步骤：

步骤1、初始化：协同检测节点随机选择融合信息上报模式；

步骤2、环境信息获取：获取检测信道和上报信道无线信道情况；

步骤3、融合方法确定：设定检测指标，选择检测融合规则，设定量化标准；计算满足检测指标所需要的上报完整检测数据的节点数目和上报本地检测结果的节点数目，并结合上报信道质量，具体确定每个节点的融合信息上报模式；

步骤4、协同检测判决：按融合方案进行信息上报汇聚，融合中心计算协同检测结果。

进一步地，该方法还包括步骤5、算法更新：如协同检测方法面临的无线电磁环境、检测指标需求发生变化，则返回步骤2重新收集环境信息和制定融合方案。

进一步地，步骤1所述的初始化，具体如下：

步骤1.1、初始定义：

定义sui为检测节点集合，i＝1,2,...,m，其中sui为编号为i的检测节点，i为节点编号；sui为上报完整检测数据的节点集合，i＝1,2,...,k，sui为上报本地检测结果的节点集合，i＝k+1,k+2,...,m；

定义fc为协同检测融合中心；r＝[r1,r2,...,rm]为各个节点上报信息到融合中心的数据传输速率；τri_h为第i个协同检测节点上报本地检测结果模式消耗的时间，其中i是节点编号；τri_s是第i个协同检测节点上报完整检测数据模式消耗的时间，其中i是节点编号；τs是各个节点进行检测所消耗的时间；τr是各个节点上报信息到融合中心所消耗的时间；

步骤1.2、融合模式初始化：各个节点随机选择上报信息模式，可选择上报本地检测结果到融合中心，或者选择上报完整检测数据到融合中心。

进一步地，步骤2所述的环境信息获取，具体如下：

步骤2.1、获取检测信道状况：各个节点获取自身到信号源之间的无线信道质量状况；

步骤2.2、获取上报信道情况：各个节点获取自身到融合中心之间的无线信道质量状况。

进一步地，步骤3所述的融合方法确定，具体如下：

步骤3.1、参数设定：根据检测精度需求，设定检测指标；设定上报本地检测结果所需要的量化比特数；

步骤3.2、确定融合判决规则：根据检测精度需求和协同检测无线环境，设定融合判决规则；

融合中心采用or进行协同检测判决，具体为：如果有一个以上协同检测节点判决信号源存在，则融合中心将判决信号源存在；

系统对信号源信号的监测概率为：

其中，是融合中心对信号源的综合检测概率；pd_l是各个检测节点本身对信号源的检测概率，m是协同检测节点数目；

步骤3.3、设定本地检测门限：计算各个协同检测节点对信号源进行检测时的判决门限，数学公式为：

其中，λl是本地检测门限值；γ是信号源到检测节点的信号噪声功率比值；是根据中心极限理论，多信号合成统计形成的高斯分布概率密度函数的均值；n是检测节点对信号源信号的采样点数；q^-1()是反函数，其原函数为：

步骤3.4、计算将上报完整检测数据的各节点进行汇总得到的检测概率：

其中，k是上报完整检测数据的节点数目；λk是融合k个节点上报的完整检测数据进行信号源状态判决的判决门限；pd_k是融合k个节点上报的完整检测数据进行信号源状态判决的检测概率；

步骤3.5、计算融合中心处的综合虚警概率：

其中，是融合中心处的信号源检测虚警概率，即信号源没有发出信号，但是融合中心却判决其信号存在的概率；是融合中心处的信号源检测概率，即信号源发出了信号，融合中心也判决其信号存在的概率；

步骤3.6、确定各个节点的融合模式：

计算协同节点上报数据到融合中心所需的时间：

其中，r＝[r1,r2,...,rm]为各个节点上报信息到融合中心的数据传输速率；τri_h是第i个协同检测节点上报本地检测结果模式消耗的时间，其中i是节点编号；τri_s是第i个协同检测节点上报完整检测数据模式消耗的时间，其中i是节点编号；τs是各个节点进行检测所消耗的时间；f是节点对信号源的采样频率；τr是各个节点上报信息到融合中心所消耗的时间。

进一步地，步骤4所述的协同检测判决，具体如下：

根据需要达到的检测概率、虚警概率和检测时间要求，选定融合方案，确定上报完整检测数据的节点和上报本地检测结果的节点，然后各个节点进行信号采样或本地判决，再将信息上报汇聚到融合中心，融合中心计算协同检测结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)根据检测精度的需要，结合协同检测中信号检测信道的质量、信息融合无线信道环境、协同检测节点数目等因素，定量分析得出需要的上报完整检测数据节点的数目和仅仅上报本地检测结果节点的数目，在满足检测精度要求的前提下，提高了协同检测的速度；(2)能根据具体的无线环境和检测需求，机动灵活的确定上报完整信息和上报判决信息的节点数目，在检测精度和检测时间取得最佳折中，能对其各个因素进行定量的数学分析和计算，实现根据需要自由选择异构融合方案，具有较强的实用背景和多场景适用性。

附图说明

图1是本发明协同检测异构信息融合方法的工作机制示意图。

图2是本发明协同检测异构信息融合方法的时隙结构图。

图3是本发明协同检测异构信息融合方法的工作流程图。

图4为本发明协同检测异构信息融合方法的检测性能仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提出的协同检测异构信息融合方法的工作机制如图1所示，其中r1,r2,…rm是信息融合信道上的数据传输速率；所提的方法的时隙结构如图2所示，具体实施方式如下：

在一个由m个协同检测节点和1个融合中心组成的协同检测系统中，各个协同检测节点通过对信号源的无线信号进行采集，按融合中心的要求，一部分上报完整的信号采集数据，一部分先进行本地判决然后上报判决结果给融合中心，最终在融合中心处，综合各个节点上报的信息进行融合判决信号源的状态。本方法的目的是要在满足对信号源状态的检测精度的前提下，根据无线环境，优化上报完整采样数据的节点的数目，达到高检测精度和低检测时间的优化，并增强对环境的适应能力。

本发明协同检测异构信息融合方法，采用如图3所示的工作流程，由以下步骤组成：

步骤1、初始化：协同检测节点随机选择融合信息上报模式；

步骤2、环境信息获取：获取检测信道和上报信道无线信道情况；

步骤3、融合方法确定：设定检测指标，选择检测融合规则，设定量化标准；计算满足检测指标所需要的上报完整检测数据的节点数目和上报本地检测结果的节点数目，并结合上报信道质量，具体确定每个节点的融合信息上报模式；

步骤4、协同检测判决：按融合方案进行信息上报汇聚，融合中心计算协同检测结果；

步骤5、算法更新：如协同检测方法面临的无线电磁环境、检测指标需求发生变化，则返回步骤2重新收集环境信息和制定融合方案。

进一步地，步骤1所述的初始化，具体包括：

步骤1.1、初始定义：

定义sui为检测节点集合，i＝1,2,...,m，其中sui为编号为i的检测节点，i为节点编号；sui为上报完整检测数据的节点集合，i＝1,2,...,k，sui为上报本地检测结果的节点集合，i＝k+1,k+2,...,m；

定义fc为协同检测融合中心；r＝[r1,r2,...,rm]为各个节点上报信息到融合中心的数据传输速率；τri_h为第i个协同检测节点上报本地检测结果模式消耗的时间，其中i是节点编号；τri_s是第i个协同检测节点上报完整检测数据模式消耗的时间，其中i是节点编号；τs是各个节点进行检测所消耗的时间；τr是各个节点上报信息到融合中心所消耗的时间；

步骤1.2、融合模式初始化：各个节点随机选择上报信息模式，可选择上报本地检测结果到融合中心，或者选择上报完整检测数据到融合中心。

进一步地，步骤2所述的环境信息获取，具体包括以下步骤：

步骤2.1、获取检测信道状况：各个节点获取自身到信号源之间的无线信道质量状况；

步骤2.2、获取上报信道情况：各个节点获取自身到融合中心之间的无线信道质量状况。

进一步地，步骤3所述的融合方法确定，具体包括以下步骤：

步骤3.1、参数设定：根据检测精度需求，设定检测指标；设定上报本地检测结果所需要的量化比特数；

步骤3.2、确定融合判决规则：根据检测精度需求和协同检测无线环境，设定融合判决规则；

融合中心采用or进行协同检测判决，具体为：如果有一个以上协同检测节点判决信号源存在，则融合中心将判决信号源存在；

系统对信号源信号的监测概率为：

其中，是融合中心对信号源的综合检测概率；pd_l是各个检测节点本身对信号源的检测概率，m是协同检测节点数目；

步骤3.3、设定本地检测门限：计算各个协同检测节点对信号源进行检测时的判决门限，数学公式为：

其中，λl是本地检测门限值；γ是信号源到检测节点的信号噪声功率比值；是根据中心极限理论，多信号合成统计形成的高斯分布概率密度函数的均值；n是检测节点对信号源信号的采样点数；q^-1()是反函数，其原函数为：

步骤3.4、计算将上报完整检测数据的各节点进行汇总得到的检测概率：

其中，k是上报完整检测数据的节点数目；λk是融合k个节点上报的完整检测数据进行信号源状态判决的判决门限；pd_k是融合k个节点上报的完整检测数据进行信号源状态判决的检测概率；

步骤3.5、计算融合中心处的综合虚警概率：

其中，是融合中心处的信号源检测虚警概率，即信号源没有发出信号，但是融合中心却判决其信号存在的概率；是融合中心处的信号源检测概率，即信号源发出了信号，融合中心也判决其信号存在的概率；

步骤3.6、确定各个节点的融合模式：

计算协同节点上报数据到融合中心所需的时间：

其中，r＝[r1,r2,...,rm]为各个节点上报信息到融合中心的数据传输速率；τri_h是第i个协同检测节点上报本地检测结果模式消耗的时间，其中i是节点编号；τri_s是第i个协同检测节点上报完整检测数据模式消耗的时间，其中i是节点编号；τs是各个节点进行检测所消耗的时间；f是节点对信号源的采样频率；τr是各个节点上报信息到融合中心所消耗的时间。

以上公式描述了在给定融合中心处的信号源检测概率的情况下，上报完整检测数据的节点数目和融合中心的信号源虚警概率的关系，以及对应的融合判决所需要的时间。根据此关系选择上报完整检测数据节点的数量和上报本地检测结果的节点数量，从而实现适应环境的、满足检测指标要求的异构融合。

进一步地，步骤4所述的协同检测判决，具体为：

根据需要达到的检测概率、虚警概率和检测时间要求，选定融合方案，确定上报完整检测数据的节点和上报本地检测结果的节点，然后各个节点进行信号采样或本地判决，再将信息上报汇聚到融合中心，融合中心计算协同检测结果。

实施例1

下面通过实施例来验证本发明的有效性。

设置仿真场景如下：协同检测节点数18；协同检测系统的检测概率目标值0.99；采样频率6mhz，采样时间1ms，信噪比-18db；量化比特数d＝8；。

图4为本发明所提方法的检测性能仿真图，结果表明，本发明提出的方法能使得协同检测系统不再局限于选择软值融合或硬值融合的方式，而是实现了根据检测精度的需要，结合协同检测中信号检测信道的质量、信息融合无线信道环境、协同检测节点数目等因素，定量分析得出需要的上报完整检测数据节点的数目和仅仅上报本地检测结果节点的数目，在满足检测精度要求的前提下，提高了协同检测的速度。仿真结果验证了理论计算的正确性。