本發(fā)明一般地涉無線通信技術，并且更特別地，涉及一種頻譜監(jiān)管系統(tǒng)。

背景技術：

無線傳感器網(wǎng)絡是通過在監(jiān)測范圍內(nèi)部署大量靜止或者移動的傳感器節(jié)點，以多跳、自組織方式對覆蓋區(qū)域內(nèi)的對象信息進行實時、協(xié)作地感知、采集、處理，并傳輸至目標用戶的一種無線通信網(wǎng)絡。面向電磁頻譜監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡是傳感網(wǎng)的一種典型應用，在軍事領域和民用方面都具有廣闊的應用前景。

通常情況下無需授權的工業(yè)、科學、醫(yī)療免費頻段是無線傳感網(wǎng)首選的工作頻段，比如2.4GHz。在通常無線電頻率劃分中，有限的公用頻段需要同時支持固定、移動、無線電定位等授權主業(yè)務。與此同時，隨著各種、藍牙、等無線通信技術的廣泛應用，該類公用頻段日趨飽和，各類無線通信系統(tǒng)之間的干擾和共存問題日趨嚴重。有研究表明，在網(wǎng)絡的影響下，同時工作的網(wǎng)絡的中斷率和重傳率明顯上升，網(wǎng)絡的生存周期也明顯下降。由此可見，公用頻段的各式無線通信系統(tǒng)間的干擾和共存問題已成為制約無線傳感器網(wǎng)絡未來發(fā)展的瓶頸。

另一方面，傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)節(jié)點工作頻段與其射頻芯片規(guī)格緊密相關。出于成本考慮，傳感器節(jié)點在出廠后芯片規(guī)格就已固定，一般不能隨意更改。因此，傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)所用頻段也是固定分配，若因應用要求需要改變工作頻段，就需大范圍更換傳感器節(jié)點。此外，在一些頻譜資源十分緊張的特殊通信環(huán)境如戰(zhàn)場電磁環(huán)境下，傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡更容易受到針對性干擾而導致網(wǎng)絡癱瘓。

美國伯克利無線研究中心的研究報告表明，與非授權頻段頻譜資源愈加緊張的情形相反，一些授權頻段，特別是傳播特性優(yōu)良的低頻頻段并未得到充分利用。為此人們幵始研究認知無線電技術，以突破傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配的限制，實現(xiàn)授權頻譜的動態(tài)共享以提高頻譜利用效率。在此基礎上，傳感器網(wǎng)絡研究學者提出引入認知無線電技術，建立適合無線傳感網(wǎng)的動態(tài)頻譜管理機制，實現(xiàn)傳感器節(jié)點動態(tài)共享和有序競爭訪問頻譜資源，增強傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)對頻譜變化的適應能力，業(yè)已成為無線傳感網(wǎng)今后發(fā)展的關鍵方向之一。

頻譜感知是區(qū)分傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡和無線認證傳感網(wǎng)絡的主要功能之一，也是頻譜監(jiān)管系統(tǒng)的核心。目前比較成熟的感知技術多為單節(jié)點感知技術，例如匹配濾波器感知技術、能量檢測感知技術、干擾溫度檢測感知技術和循環(huán)平穩(wěn)特征感知技術。然而在針對認知傳感器不斷變化的網(wǎng)絡拓撲時，這些技術不能簡單直接應用在能力有限的傳感器上。本領域技術人員需要發(fā)展多節(jié)點共同檢測感知技術，尤其是如何在感知精度、計算復雜度和各節(jié)點通信開銷之間尋求平衡，是本領域技術人員面臨的難題。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術感覺精度不夠、計算復雜度高且各個節(jié)點通信開銷大的問題，本發(fā)明的目的是提供一種頻譜監(jiān)管系統(tǒng)，其特征在于，包括：

多個電磁頻譜信息傳感器，其用于采集電磁頻譜信號、向無線網(wǎng)絡發(fā)射所采集的電磁頻譜信息以及接收無線網(wǎng)絡中電磁頻譜信息并存儲信息；

一個或多個節(jié)點機，其用于采集、處理并儲存相鄰電磁頻譜信息傳感器通過無線網(wǎng)絡發(fā)射出的電磁頻譜信息以及向無線網(wǎng)絡發(fā)射所存儲的信息；

數(shù)據(jù)服務器，其用于采集、處理并儲存節(jié)點機通過無線網(wǎng)絡發(fā)射出的電磁頻譜信息；

信息管理終端，其用于調閱數(shù)據(jù)服務器中存儲的信息。

進一步地，所述無線網(wǎng)絡為3G、GPRS或WI-FI。

進一步地，所述電磁頻譜信息傳感器之間通過混合協(xié)作的方式感受、采集和處理無線網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的頻譜，即電磁頻譜信息傳感器被設定有兩個判斷門限ξ₁和ξ₂，當檢測到的頻段信號的能量小于ξ₁時，電磁頻譜信息傳感器可判斷該頻段不存在主用戶信號，當檢測到的頻段信號的能量大于ξ₂時，電磁頻譜信息傳感器可判斷該頻段存在主用戶信號，當檢測到的頻段信號的能量在ξ₁和ξ₂之間時，電磁頻譜信息傳感器則將該頻段信號的能量發(fā)送給附件的節(jié)點機，由節(jié)點機綜合其他電磁頻譜信息傳感器所收集到的信息綜合判斷；

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為頻譜信息取樣數(shù)，

Q^-1為函數(shù)的反函數(shù)，

P_fa為虛警概率，

σ_n為實際噪聲功率，

δ_n為虛擬噪聲功率，

P_S為所測頻段的歷史檢測概率分布,

P_S(t)為t時段內(nèi)所測頻段的歷史檢測概率。

進一步地，當所述節(jié)點機接收到附近的L個電磁頻譜信息傳感器的頻段信號的能量信息后，將所收到的信息生成矩陣并得出相應的協(xié)方差矩陣，并求出該協(xié)方差矩陣特征值的最大值和最小值，得出最大值和最小值的比值，節(jié)點機將該比值與節(jié)點機計算的門限值λ進行判定，當該比值小于門限值λ時，則節(jié)點機判斷該頻段不存在主用戶信號，反之這判斷該頻段存在主用戶信號；

其中，

N為頻譜信息取樣數(shù)，

L為節(jié)點數(shù)，

P_fa為虛警概率，

P_S為所測頻段的歷史檢測概率分布，

P_S(t)為t時段內(nèi)所測頻段的歷史檢測概率，

F^-1為Trancy-Widom分布的分布函數(shù)的逆函數(shù)。Trancy-Widom分布函數(shù)的取值可以從數(shù)學教材中的取值表中獲得。

進一步地，所述歷史檢測概率分布信息會被數(shù)據(jù)服務器周期性發(fā)布，節(jié)點機接收到新的歷史檢測概率分布信息后會廣播至其附近的電磁頻譜信息傳感器。

進一步地，所述節(jié)點機在對所述附近多個電磁頻譜信息傳感器廣播時采用分布式樹型廣播協(xié)議。節(jié)點在進行廣播之前，需要先建立自己的廣播樹，廣播樹一經(jīng)建立，節(jié)點可以在其后的廣播中一直使用，如果網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化，僅需要進行局部更新，而不需要重新建立。廣播樹的具體建立過程如下：

(1)需要發(fā)送廣播包的節(jié)點，隨機選擇一個自己的鄰居節(jié)點發(fā)送廣播訓練包，鄰居節(jié)點收到廣播訓練包后，回復確認包，并在確認包中，告知發(fā)送節(jié)點本節(jié)點是否是首次收到這個廣播包；

(2)發(fā)送節(jié)點分析收到的確認包，如果接收節(jié)點是首次收到這一廣播訓練包，就將接收節(jié)點加入到自己的發(fā)送序列中，如果不是首次接收到，說明接收節(jié)點己經(jīng)從其他節(jié)點接收到這一廣播訓練包了，發(fā)送節(jié)點不必將這個節(jié)點加入到自己的發(fā)送序列中；

(3)收到廣播訓練包的節(jié)點，采取與發(fā)送節(jié)點相同的策略，隨機向自己的鄰居節(jié)點轉發(fā)廣播信息，并根據(jù)接收節(jié)點的確認信息建立自己的關于發(fā)送節(jié)點的發(fā)送序列，直到向所有鄰居節(jié)點都轉發(fā)完廣播訓練包；

(4)首輪訓練包發(fā)送完畢后，發(fā)送節(jié)點再發(fā)起第二輪廣播訓練包，發(fā)送節(jié)點首先向自己發(fā)送序列內(nèi)的節(jié)點發(fā)送廣播訓練包，并根據(jù)收到確認包的信息對發(fā)送序列進行調整，即當接收節(jié)點是首次接收到廣播包時，發(fā)送節(jié)點將其留在發(fā)送序列中，如果接收節(jié)點不是首次接收到這個廣播訓練包，則將其從自己的發(fā)送序列中移除，當發(fā)送序列內(nèi)節(jié)點全部發(fā)送完廣播訓練包后，再對鄰居表中其余節(jié)點發(fā)送廣播訓練包，并根據(jù)收到確認包的信息對發(fā)送序列進行調整，即當接收節(jié)點是首次接收到廣播訓練包時，發(fā)送節(jié)點將其加入到自己的發(fā)送序列中，如果接收節(jié)點不是首次接收到這個廣播訓練包，則不將其加入到自己的發(fā)送序列中；

(5)收到廣播訓練包的節(jié)點，釆取與發(fā)送節(jié)點相同的策略，首先向自己發(fā)送序列內(nèi)的節(jié)點發(fā)送廣播訓練包，并根據(jù)收到的確認信息對自己的發(fā)送序列進行調整，然后再向發(fā)送序列以外的鄰居節(jié)點發(fā)送廣播訓練包，并根據(jù)接收到的確認信息對自己的發(fā)送序列進行調整；

(6)發(fā)送節(jié)點多次發(fā)送廣播訓練包，網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點對自己的發(fā)送序列進行多次調整，最終每個節(jié)點的發(fā)送序列都會逐漸趨于穩(wěn)定，這樣，網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點以自己的發(fā)送序列內(nèi)的節(jié)點為子節(jié)點，建立一個關于發(fā)送節(jié)點的廣播樹。

進一步地，所述電磁頻譜信息傳感器具有太陽能充電裝置。使用太陽能供電可以提高傳感器的穩(wěn)定性，降低監(jiān)測設備建站環(huán)境的要求，使得大量建站成為可能。

進一步地，所述數(shù)據(jù)服務器可以根據(jù)采集到的電磁頻譜信息處理并生成監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史檔案、預警日志、發(fā)射參數(shù)以及行政管理信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史檔案是長期、連續(xù)、不間斷的臺站或信號強度監(jiān)測記錄以及在此基礎上統(tǒng)計分析的結論與判斷，常見的例子有占用度(日占用度、月占用度、年占用度、指定時長占用度等)、發(fā)射率(正常發(fā)射所占比例)、故障率(發(fā)射故障所占比例)、干擾率(干擾所占比例)K線圖等。長期、連續(xù)、不間斷的監(jiān)測通過統(tǒng)計、分析、判斷結論，將得到一系列的電磁事件，如干擾事件、故障事件等，這些事件將一一記錄在預警日志之中。有權用戶可以從服務器索取預警日志、客戶端可以自動生成預警日志、通過云打印機可以自動打印預警日志。在本發(fā)明中，發(fā)射參數(shù)包括中心頻率、頻率偏移、3dB占用帶寬、最大電平、最小電平、平均電平、調制方式和調制度。在本發(fā)明中，行政管理信息包括審批單位、使用單位、批準頻率、使用范圍、使用期限、業(yè)務劃分、批準帶寬、網(wǎng)絡用途。

進一步地，所述信息管理終端選自LED屏、手提電腦、平板電腦、云打印機、手機。

P_fa虛警概率為頻譜系統(tǒng)構建時設定的值，一般地，P_fa范圍在0.01-0.1之間，具體取值取決于傳感器的個數(shù)。在多數(shù)情況下，傳感器的個數(shù)越多，虛警概率的取值可以越高。

本發(fā)明的頻譜監(jiān)管系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于，在感知精度、計算復雜度和各節(jié)點通信開銷之間達到更好的平衡，利用對頻段主用戶使用率統(tǒng)計信息，即歷史檢測概率分布信息對協(xié)同感知系統(tǒng)的門限進行修正，在大幅度提高感知精度的同時沒有過多增加門限計算的復雜度和各個節(jié)點通信開銷。這使得系統(tǒng)在可以實現(xiàn)對頻譜高精度監(jiān)控的同時還能保持各個傳感器和節(jié)點機相對較低的能量消耗，從而降低整個監(jiān)控網(wǎng)絡的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個實施例監(jiān)測所獲得的歷史測驗概率分布；

圖2為本發(fā)明的一個實施例的網(wǎng)絡拓撲；

圖3為本發(fā)明的一個較佳實施例的網(wǎng)絡拓撲。

具體實施方式

本發(fā)明在這個部分對本發(fā)明中的一些技術術語做更進一步地解釋，并給出一些效果較佳的實施方式。

如本發(fā)明前部所述，P_S為所測頻段的歷史檢測概率分布，是根據(jù)特定頻段頻譜內(nèi)主用戶信號出現(xiàn)的概率累積統(tǒng)計分布P‘_s、監(jiān)測時長系數(shù)T_s以及統(tǒng)計相關系數(shù)R綜合得出的。

即P_S＝P’_sT_sR,

0≤T_s≤1,0≤R≤1。

舉一個簡化的例子，某區(qū)域內(nèi)的電磁頻譜信息傳感器每天固定每隔兩小時監(jiān)測A頻段頻譜中是否有主用戶信號存在，連續(xù)監(jiān)測7天后綜合各個傳感器的電磁頻譜信息得到圖1中上半部分的概率統(tǒng)計分布，連續(xù)監(jiān)測30天后得到圖1中下半部分的概率統(tǒng)計分布。一般來說，主用戶信號的概率分布隨著監(jiān)測時長趨于穩(wěn)定，這是由于主用戶是頻段的授權用戶，其通信活動主要取決于主用戶自身需求而不需要考慮其他從用戶的存在而決定的。因此，監(jiān)測時長越長，所得出的概率統(tǒng)計分布將會越接近主用戶的真實活動，監(jiān)測時長系數(shù)也就會越趨近于1，即通過概率統(tǒng)計分布來判斷主用戶真實活動的準確性會越高。

然而，在監(jiān)測過程中，還會出現(xiàn)另一種狀況，即主用戶信號活動在監(jiān)測過程中開始與概率統(tǒng)計分布不符。出現(xiàn)這種狀況的原因可能是由于主用戶變更或者主用戶通信活動變更造成的。當出現(xiàn)這種狀況時，新的電磁頻譜信息累積的概率統(tǒng)計分布必然與之前的概率統(tǒng)計分布存在較大差異，即兩種統(tǒng)計分布的相關度不高。當頻譜檢測系統(tǒng)感知到統(tǒng)計相關度降低至預先設定的閾值時，歷史檢測概率分布重置的機制則被觸發(fā)，即在先的概率統(tǒng)計分布會被刪除歸零，新的電磁頻譜信息將被累計形成新的概率統(tǒng)計分布。

一般來說，本發(fā)明所披露的頻譜監(jiān)管系統(tǒng)在用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等民用領域時，其電磁頻譜信息傳感器監(jiān)測時段t，或監(jiān)測間隔，保持在1-2小時，其統(tǒng)計相關度閾值設定在0.7-0.85的范圍內(nèi)，即可獲得很高的感知精度。對于其他特殊用途如在軍事或特殊醫(yī)療應用應用的頻譜監(jiān)管系統(tǒng)則需要更加高的感知精度，這可以通過縮短監(jiān)測間隔和/或提高統(tǒng)計相關度閾值來達到。當然，縮短監(jiān)測間隔和/或提高統(tǒng)計相關度閾值必然會給各節(jié)點間通信帶來更多開銷，從而增加頻譜監(jiān)管系統(tǒng)的成本和不穩(wěn)定性。

實施例1

如圖2所示，實施例1具有多個電磁頻譜信息傳感器111、112、113、。。。和11N，其用于采集電磁頻譜信號、向無線網(wǎng)絡發(fā)射所采集的電磁頻譜信息，以及接收無線網(wǎng)絡中電磁頻譜信息并存儲信息；

一個節(jié)點機121，其用于采集、處理并儲存相鄰電頻譜磁信息傳感器通過無線網(wǎng)絡發(fā)射出的電磁頻譜信息，以及向無線網(wǎng)絡發(fā)射所存儲的信息；

數(shù)據(jù)服務器130，其用于采集、處理并儲存節(jié)點機通過無線網(wǎng)絡發(fā)射出的電磁頻譜信息，生成各個頻段的歷史檢測概率分布信息，以及向節(jié)點機發(fā)射所存儲的信息和各個頻段的歷史檢測概率分布信息；

信息管理終端140，其用于調閱數(shù)據(jù)服務器130中存儲的信息。

實施例2

如圖3所示，實施例2具有多個電磁頻譜信息傳感器211、212、213、。。。和21N，其用于采集電磁頻譜信號、向無線網(wǎng)絡發(fā)射所采集的電磁頻譜信息，以及接收無線網(wǎng)絡中電磁頻譜信息并存儲信息；

兩個節(jié)點機221和222，其用于采集、處理并儲存相鄰電頻譜磁信息傳感器通過無線網(wǎng)絡發(fā)射出的電磁頻譜信息，以及向無線網(wǎng)絡發(fā)射所存儲的信息；

數(shù)據(jù)服務器230，其用于采集、處理并儲存節(jié)點機通過無線網(wǎng)絡發(fā)射出的電磁頻譜信息，生成各個頻段的歷史檢測概率分布信息，以及向節(jié)點機發(fā)射所存儲的信息和各個頻段的歷史檢測概率分布信息；

信息管理終端240，其用于調閱數(shù)據(jù)服務器230中存儲的信息。

各個電池頻譜信息傳感器根據(jù)預設的監(jiān)測時段從休眠期蘇醒并開始感受、采集和處理其覆蓋區(qū)域中的頻譜狀態(tài)信息。當檢測到的頻段信號的能量小于其預設門限ξ₁時，該電磁頻譜信息傳感器可判斷所測頻段不存在主用戶信號，并把這個結果本地儲存并在歷遍各頻段后集中發(fā)送給節(jié)點機；當檢測到的頻段信號的能量大于其預設門限ξ₂時，電磁頻譜信息傳感器可判斷所測頻段存在主用戶信號，并把這個結果本地儲存并在歷遍各頻段后集中發(fā)送給節(jié)點機；當檢測到的頻段信號的能量在ξ₁和ξ₂之間時，電磁頻譜信息傳感器則將該頻段信號的能量并把這個結果本地儲存并在歷遍各頻段后集中發(fā)送給節(jié)點機，由節(jié)點機綜合其他電磁頻譜信息傳感器所收集到的信息綜合判斷。

當節(jié)點機221或222接收到附近的L個電磁頻譜信息傳感器的頻段信息后，一方面儲存被各個電池頻譜信息傳感器本地判斷的頻段信息，即可以被各個電池頻譜信息傳感器當即認定頻段是否有主用戶的信息；另一方面，對于收到的頻段的能量信息，將所收到的信息生成矩陣并得出相應的協(xié)方差矩陣，并求出該協(xié)方差矩陣特征值的最大值和最小值，得出最大值和最小值的比值，節(jié)點機將該比值與節(jié)點機計算的門限值λ進行判定，當該比值小于門限值λ時，則節(jié)點機判斷該頻段不存在主用戶信號，反之這判斷該頻段存在主用戶信號。當節(jié)點機遍歷所有頻段后，將所有頻段信息本地存儲并發(fā)送給數(shù)據(jù)服務器230。

上述矩陣X如下所示，其中x_l(t)是第l(l＝1,2，…,L)個電磁頻譜信息傳感器在時刻t(t＝1,2，…,T)接收到的信號采樣，

其對應的協(xié)方差矩陣R_X通過下式求出，其中上標H為矩陣的共軛轉置運算，

R_X(T)＝(1/T)XX^H。

數(shù)據(jù)服務器230采集、處理并儲存節(jié)點機221和222通過無線網(wǎng)絡發(fā)射出的電磁頻譜信息，根據(jù)這些信息生成歷史檢測概率分布P_S并將其周期性發(fā)布給節(jié)點機221和222。節(jié)點機221和222根據(jù)新發(fā)布的歷史檢測概率分布P_S實時調整其門限值λ，并將該歷史檢測概率分布P_S通過采用分布式樹型廣播協(xié)議廣播至各電磁頻譜信息傳感器211、212、213、。。。和21N，各個電磁頻譜信息傳感器根據(jù)新發(fā)布的歷史檢測概率分布P_S實時調整其門限值ξ₁和ξ₂。

數(shù)據(jù)服務器230還可以根據(jù)采集到的電磁頻譜信息處理并生成監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史檔案、預警日志、發(fā)射參數(shù)以及行政管理信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史檔案是長期、連續(xù)、不間斷的臺站或信號強度監(jiān)測記錄以及在此基礎上統(tǒng)計分析的結論與判斷，常見的例子有占用度(日占用度、月占用度、年占用度、指定時長占用度等)、發(fā)射率(正常發(fā)射所占比例)、故障率(發(fā)射故障所占比例)、干擾率(干擾所占比例)K線圖等。長期、連續(xù)、不間斷的監(jiān)測通過統(tǒng)計、分析、判斷結論，將得到一系列的電磁事件，如干擾事件、故障事件等，這些事件將一一記錄在預警日志之中。有權用戶可以從服務器索取預警日志、客戶端可以自動生成預警日志、通過云打印機可以自動打印預警日志。在本發(fā)明中，發(fā)射參數(shù)包括中心頻率、頻率偏移、3dB占用帶寬、最大電平、最小電平、平均電平、調制方式和調制度。在本發(fā)明中，行政管理信息包括審批單位、使用單位、批準頻率、使用范圍、使用期限、業(yè)務劃分、批準帶寬、網(wǎng)絡用途。

頻譜監(jiān)管系統(tǒng)的操作人員可以通過信息管理終端240調閱數(shù)據(jù)服務器230中存儲的信息。信息管理終端240選自LED屏、手提電腦、平板電腦、云打印機、手機。

雖然本發(fā)明的原理已經(jīng)在本文有具體描述，但是本領域的技術人員應當理解，這個描述僅通過示例的方式來進行，并且不作為關于本發(fā)明的范圍的限制。除本文中所示出和描述的示例性實施例之外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)通過本領域的普通技術人員的修改和代替的其他實施例，均被認為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。