（通信与信息系统专业论文）基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络作为“新一代宽带无线移动通信网络”的有机补充和末梢网 络，是近年来在无线自组织网络技术的基础上提出的一种新型分布式信息获取系 统。通过将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，以人工布设、空投、 火炮投射等方法设置在预定监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，以达 到协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息的目的。但由于传感 器节点的电池能量、处理能力、存储容量以及通信带宽等资源十分有限，而传感 器网络技术的一个特点就是要快速处理大量的采集数据，因此，面对大量的信号 数据和大量的数据处理任务，必须对传感器网络采集到的数据进行融合处理。 论文首先对无线传感器网络电磁频谱监测系统及节点设计方案进行了介绍， 然后对无线传感器网络中关键技术之一的数据融合技术进行了分析和研究，在此 基础上针对无线传感器网络电磁频谱监测系统中的不同应用，提出了不同数据融 合方案与算法，包括l z w 数据无损压缩算法，检测融合算法，定位融合算法及 频谱显示融合算法等，并在方案设计过程中将节点的硬件平台特点予以考虑。最 后，对提出的数据融合算法进行了仿真和分析，仿真结果显示数据融合算法对提 高无线传感器网络能量利用率及数据精确度有良好的性能，因而在实际应用中具 有一定的实用价值。 关键字：无线传感器网络电磁频谱监测数据融合算法 a b s t r a c t a sa ”n e x t g e n e r a t i o n b r o a d b a n dw i r e l e s s m o b i l e c o m n l u n i c a t i o n s n e t w o r k ”o r g a n i cs u p p l e m e n ta n dp e r i p h e r a ln e t w o r k s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t 、) l ，o r ki san e w t y p eo fd i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nr e t r i e v a l s y s t e mb a s e do ns e l f - o r g a n i z i n gw i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g y s e t t i n gal a r g en u m b e ro f t i n ys e n s o rn o d e sw i t hc o m m u n j c a t j o n s a n dc o m p u t i n gc a p a b i l i t i e s ，b ym e a n so f a r t i f i c i a l l yl a i d ，a i r d r o p ，a r t i l l e r ya n do t h e r m e t h o d st ot h es c h e d u l e d m o n i t o r i n g o f r e g i o n a l ，w ec o n s t i t u t ea s m a n ” s e l l - m o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e m ，i no r d e rt oc o o p e r a t et op e r c e p t i o n ，a c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n go ft h ei n f o r m a t i o no fo b j e c t sw h i c hb e i n ge o v e r a g e db yt h en e t w o r k h o w e v e r , d u et ot h es e n s o rn o d e sb a t t e r yp o w e r , p r o c e s s i n gp o w e r , s t o r a g ec a p a c i t y a n dc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t ha n do t h e rr e s o u r c e sa r ev e r yl i m i t e d ，a n do n eo ft h e f e a t u r e so ft h es e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yi st o q u i c k l yp r o c e s sl a r g ea m o u n t so f c o l l e c t e dd a t a s o ，f a c i n gw i t hal a r g en u m b e ro fs i g n a ld a t aa n dal o t o fd a t a p r o c e s s i n gt a s k s ，w en e e dt of u s et h ed a t aw h i c hb e i n gc o l l e c t e db yt h es e n s o r n e t w o r k s t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u mm o n i t o r i n g s y s t e mu s i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dt h es e n s o rn o d e sd e s i g n t h e nt h ed a t a f u s i o nt e c h n o l o g y , o n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e si nw i r e l e s ss e n s o rn e 铆o r k s i s r e s e a r c h e d o nt h i sb a s i s ，w ep r o p o s e dd i f f e r e n td a t af u s i o na l g o r i t h mf o rd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gl z wl o s s l e s sd a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h m ，d e t e c tf u s i o n a l g o r i t h m ，l o c a t i o nf u s i o na l g o r i t h ma n ds p e c t r u m d i s p l a y i n g f u s i o na l g o r i t h m m e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ma r et a k e ni n t oa c c o u n td u f f n g t h ed e s i g no ft h e s ef u s i o na l g o r i t h m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dd a t af u s i o n a l g o r i t h m sq u t i es u i tf o rt h es y s t e ma n da c h i e v et h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s f i n a l l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t af u s i o na l g o r i t h m sh a dag o o dp e r f o r m a n c ei n i m p r o v i n gt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dt h ed a t aa c c u r a c v t h u st h e s ef u s i o na l g o r i t h m sh a v es o m e p r a c t i c a lv a l u e si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d ：w s n e l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u mm o n i t o r i n gd a t af u s i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简写w s n ) 的研究起始于2 0 世 纪9 0 年代末期。它作为“新一代宽带无线移动通信网络”的有机补充和末梢网络， 是近年来在无线自组织网络技术的基础上提出的一种新型分布式信息获取系统。 无线传感器网络的巨大应用价值使其成为当前在国际上备受关注的、涉及多学科 高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计 算技术、网络技术、无线电通信技术、分布式信息处理技术等多项技术，在实际 应用中可以满足人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量网络分布区域 内的详实而可靠的信息的需求【”】。 无线传感器网络是将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人 工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定监控区域，构成的“智能自治监控 网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并发送给观察者。它将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变 人类与自然界的交互方式，人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极 大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力，扩展了人们的信息获取能力， 将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网中将成为人们提 供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具 有十分广阔的应用前景，能应用与军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、 环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。 与目前常见的移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、a dh o c 网络等无线网络 相比，无线传感器网络具有以下特点附】： 1 硬件资源有限。无线传感器节点由于受价格、体积和功耗的限制，计算能 力、程序空间和内存空间比普通的p c 功能要弱很多。这一点决定了在节点操作 系统设计中，协议层次不能太复杂。 2 电源容量有限。无线传感器节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。 其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池 能量用完，这个节点也就失去了作用( 死亡) 。因此在传感器网络设计过程中，任 何技术和协议的使用都要以节能为前提。 3 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动：一个 节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于 工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此 2 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 网络应该具有动态拓扑组织功能。 4 节点数量众多，分布密集。为了完成对一个区域执行监测任务，往往有成 千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间商度 连接性来保证系统的容错性和抗毁性。 由于无线传感器网络以上几个特点，其应用领域与其他无线网络有着显著的 区别，主要包括以下几类： ( 1 ) 军事应用。军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有 的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字人战场无线数据通 信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。 ( 2 ) 紧急和临时场合。在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击 后，固定的通信网络设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、 卫星通信地球站以及微波接力站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救 灾来说，这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设 的白组织网络技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采 用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集 与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的虽佳选择。 ( 3 ) 大型设备的监控：在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进 行监控，以掌握设备的运行情况。在小便于安装有线传感器的情况下，无线传感 器网络就可以作为一个可选的通信手段。 ( 4 ) 卫生保健：可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，这些信 息汇总后，传送给医生，进行及时处理，为远程医疗创造条件。 1 2 电磁频谱监测 随着无线电新业务的迅速发展，各种工、科、医设备的大量应用，频谱资源 的供需矛盾变得越来越突出，无线电干扰问题也变得越来越严重。为了保证正常 的信息传递，维护空中无线电波秩序，有效地利用有限的频谱资源，建立与完善 无线电电磁频谱监测手段，加强无线电电磁频谱监测工作，对实施科学的频谱管 理具有重要的现实意义。 无线电电磁频谱监测是采用技术手段对无线电发射的基本参数和频谱特性参 数( 频率、频率误差、射频电平、发射带宽、调制度) 进行测量，对模拟信号进 行监听，对数字信号进行频谱特性分析，对频段利用率和频带占有度进行测试统 计分析。通过长期频谱监测并把监测的数据进行记录，通过统计分析、评估，可 有效地利用频谱资源。 在无线电辐射的过程中，无线电系统内的发射机向空间辐射载有信息的无线 第一章绪论 电信号，而作为通信对象的接收机，则从复杂的电磁频谱环境中检测出有用的信 息。无线电电磁频谱监测涉及无线电台站工作的所有波段、所有无线电系统体制 和工作方式。 从广义上讲，无线电电磁频谱监测的基本内容包括无线电技术侦查( 或称无 线电监测) 、无线电测向( 或称无线电方位监测) 、无线电定位三部分。无线电电 磁频谱监测的主要内容是，通过采用先进的无线电监测技术，探测、搜索、截获 正在工作的无线电信号，对信号进行测量、统计、分析、识别、监视，以及对正 在工作的无线电台站测向和定位，获取无线电台站位置，通信方式、通联特点、 通信网结构和属性等技术信息。主要是对无线电台站的基本参数，如频率、场强、 带宽、调制等指标系统地进行测量；对声音信号进行监听；对发射标识识别确定； 对频率利用率和频道占用度进行统计分析；对干扰源测向定位，排除干扰，查处 非法电台和非核准电台；达到合理、有效地利用频率，保证通信业务安全的目的。 1 3 数据融合 传感器网络存在能量约束，减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在 从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数 据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的【7 8 1 。由于传感器节点的易失 效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。 数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面性能 为代价。首先是延迟的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、 进行数据融合操作，为融合而等待其他数据，这三个方面都可能增加网络的平均 延迟。其次是鲁棒性的代价，传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以 及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可 能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。 1 4 课题背景及文章安排 本课题主要针对项目中的传感器网络电磁频谱监测关键技术研究，主要研 究目标是要突破限制基于无线传感器网络分布式电磁频谱监测的关键技术，为传 感网在多种电磁环境中广泛应用奠定基础。 本文针对无线传感器网络电磁频谱监测关键技术之一的数据融合理论进行研 究。针对无线传感器网络电磁频谱监测的不同应用采用不同的融合算法，并对这 些算法进行仿真与实现。 本文主要分为5 个章节，每个章节的内容安排如下： 第一章为绪论，对无线传感器网络的概况，电磁频谱监测以及数据融合理论 4 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 进行了简要的介绍，并对本文的研究背景和论文的结构安排进行了说明。 第二章对无线传感器网络电磁频谱监测系统进行介绍，并对无线传感器网络 系统节点硬件设计方案进行研究。 第三章首先对无线传感器网络系统中关键技术之一的数据融合技术进行了介 绍，之后对无线传感器网络电磁频谱监测不同应用采取的不同的数据融合技术进 行了深入研究，并提出了不同的融合方案。 第四章对数据融合算法进行了仿真、分析与实现。仿真结果显示融合算法对 提高无线传感器网络能量利用率及数据精确度有良好的性能。 第五章是本文所做工作的总结，并指出了需要进一步研究的问题。 第二章无线传感器网络电磁频谱监测 第二章无线传感器网络电磁频谱监测 2 1 无线传感器网络电磁频谱监测系统组成 基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统可以看成是由传感器感知节点 ( s e n s o rn o d e ) 、传感器汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点( 或称任务管理中心) 。 三部分组成的。如图2 1 所示，大量传感器感知节点通过飞机布撒，人工布置等 方式随机部署在监测区域内部或附近，各节点通过协议以自组织方式组成一个分 布式网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定监测对象的信息， 实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析，然后将处理后的数据沿其 他传感器节点逐跳地进行传输。在传输过程中监测数据可能被多个节点处理与优 化，经过多跳后路由到网关节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通 过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。假 设监测区域内存在一个被监测对象( 如非法电台或敌方通信设备) ，其周围的传感 器节点开机监测该监测对象发送的无线电波并记录，监测的频谱数据沿着其他传 感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多 跳后路由到汇聚节点，最后到达任务管理中心【9 。1 3 】。 移动躲誓节点 图2 1 无线传感器网络电磁频谱监测系统架构与系统组成 根据各个节点在系统任务的不同将其分为不同种类，通常将承担数据采集任 务的节点称为感知节点，将负责完成簇内所有感知节点采集数据汇聚与融合的节 点称为网关节点( 或簇头) ，将完成系统中所有簇头节点信息汇聚、融合与显示， 并通过用户界面实现上层任务下达的节点称为管理节点( 或任务管理中心) 。 6 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 感知节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能 力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个感知节点兼 顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外， 还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协 作完成一些特定任务。目前感知节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。 网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，可以使用多种方式 与外部任务管理中心互联，把收集的大量数据转发到外部任务管理中心，同时发 布信息管理中心的监测任务。网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点， 有足够的能量供给和更多的内存和计算能力，也可以是没有监测功能仅带有无线 通信接口的特殊网管设备。大规模传感器网络的应用可能会使用多个网关节点。 任务管理中心负责整个系统的任务发布和信息处理工作。用户通过任务管理 中心通过无线通信的方式由汇聚节点向传感器网络内的某些特定位置的节点发送 激活监测命令，被监测对象周围的节点被激活后将采集到的信息发送回任务管理 中心。 2 2 无线传感器网络电磁频谱监测系统的应用 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。 ( 1 ) 军事领域 无线传感器网络具有快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此 非常适合在军事上的应用。无线传感器网络能够在恶劣的战场环境下工作，通过 人工在战场上的部署，组成网络对敌我双方的装备部署、兵力流动的监控、战场 实时监测、目标定位、战场评估等的监测和搜索，通过分析采集到的数据，得到 十分准确的战事变更，从而为军事部署提供可靠依据，有利于我方作战。 1 复杂电磁环境下的战场频谱监测 在现代战争中，电磁领域已成为与地面、海洋、空间和太空并存的第五维战场， 制电磁频谱权成为制信息权的核心，战场频谱管理是夺取制电磁频谱权的重要保 障。现代军事行动是在越来越复杂的电磁环境中实施的，由于战场电磁环境受参 战地域装备的分布状况、工作频率、辐射功率、辐射方式、所处地理地物环境、 气象条件等多种影响，因而，战场电磁环境是由时域、频域、能域和空域上分布密集、 数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号交叠而成的复杂环境。复杂电磁 环境已经成为信息化战场区别于传统战场最突出的标志。信息时代，电磁频谱是 惟一能支持机动作战、分散作战和高强度作战的重要媒质。 第二章无线传感器网络电磁频谱监测 图2 2 复杂电磁频谱环境下的战场频谱监测示意图 基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统可以满足战场频谱监测全方位、大 纵深、立体化的要求，通过大量具备频谱信息监测采集功能的传感器节点的战场 部署，构成分布式、智能化监测网络，提供实时的战场频谱信息，为战场无线电 通信系统、雷达系统等电子设备的应用提供频谱信息支撑。 2 反恐行动、境外军事行动等特殊军事行动支持 踹日茹；i 箨赫嬲女蜀一；- ；獬缴缕掣缨竺= = = 拦 图2 3 反恐、境外军事行动示意图 此外，基于无线传感器网络的电磁频谱监测还可以为境外军事行动、反恐行 动快速提供行动区域电磁频谱信息支持。 在上述应用环境中，一定区域范围内或者集中了众多的无线设备，这使得该 区域的频谱环境具有复杂性、恶劣性和快变性的特点，或者没有常规电子设备的 支持，要想在这些区域进行可靠稳定的军事通信，需要对该区域的频谱信息有详 尽的了解，这就需要在行动区域进行快速部署监测网络，实时监测行动区域电子 环境变化，并对无线电频谱环境场景进行分析，然后通过频谱特征提取为频谱策 略提供依据，通过对行动区域电磁环境参数的快速感知和信道确认，并对信道状 态信息和容量进行预测和估计，基于无线传感器网络的频谱监测系统具备快速部 署、低成本等优点，可以满足上述军事行动频谱监测的需求。 3 其它军事领域应用 无线传感器网络电磁频谱监测在上述的军事应用外，在任何涉及到无线通信 的军事应用环境中都可以发挥重大作用，所有涉及到无线通信的军事行动，都要 7 8 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 确保无线通信的高稳定性等性能，选择适当的通信方式就要求对行动区域的电磁 频谱信息全面掌握，军事行动要求电磁频谱监测设备具有快速部署、自组织、隐 蔽性强和高容错性的特点，这恰恰是无线传感器网络所具备的优点，因此基于无 线传感器网络的电磁频谱监测系统将在军事应用中广泛应用。 ( 2 ) 民用方面 1 国家无线电频谱资源管理 国家及省市各级无线电管理机构对无线电频谱监测和管理工作，需要及时全 面掌握所辖范围的无线电资源和电磁环境变化态势，对无线电的监测，包括日常 的电波监听、测量、测向和定位、电台识别和干扰查找。其主要任务是通过识别 发射信号的相关技术参数和操作特性，查找和验证未授权的无线电发射机或无线 电台站，确保符合或遵守国家无线电管理有关规定；调查、记录有关干扰源、背 景噪声等电磁环境情况，判明并解决干扰问题，保护合法无线电台站用户的权益， 查找非法无线电台站的干扰；论证无线电信道和频道的可用性，验证频谱工程中 的有关技术分析是否符合实际情况，为频率指配提供依据；验证正常的无线电台 站的技术参数和操作特性，确定是否遵守执照核定的项目；监测有关频谱的占用 情况，进行有关频率、发射功率、天线增益、调制类型、占用带宽、信道载荷和 占用度、场强等的测量，进行有关的信号与系统分析，其相关频谱数据将用作频 谱规划、划分和分配的依据。 基于无线传感器网络的频谱监测系统的部署可以通过认知无线电技术实现上 述无线电频谱管理工作所需要的监测需求，为无线电频谱管理部分提供有效的监 测监控支持，实现对指定监测区域的实时监测，并通过定位、跟踪、识别等功能 进行非法电台的搜寻。 图2 4 国家无线电频谱资源管理示意图 第二章无线传感器网络电磁频谱监测 2 移动通信运营商网络规划支持 移动、联通、电信等移动通信运营商3 g 业务的网络部署，需要考虑多方面 因素，一是c d m a 的调制方式使其本身是自干扰系统，而且存在多种业务，总的 来说3 g 网络在网络覆盖和容量上寻求一种平衡：第二考虑现有情况下2 g 、3 g 共存带来的影响；在整个网络规划中，还必须考虑到新技术的引入以及室内覆盖 系统的建设。 图2 53 g 网络规划示意图 针对3 g 增强型网络特点及相关新技术和实际网络建设新需求，需要研究3 g 增强型网络各种优化理论及方法，有针对性地解决目前网络建设中存在的难点，推 动网络性能进一步提高。这就需要研究3 g 增强型网络频率复用、扰码、邻区优 化方案，网络覆盖、干扰、容量优化方案，网络性能、质量问题定位与优化方案， 以及与g s m 网络联合优化方法。 上述工作的开展都需要对服务区域的频谱状态进行先期监测，找到合适的网 络布设位置。通过频谱监测系统的部署，可以为运营商提供服务区域的频谱信息， 为其进行网络规划提供相应支持。 3 重大自然灾害救援 台风、海啸、洪水、地震等重大自然灾害的救援工作，同样需要无线传感器 网络电磁频谱监测系统的支持。 在上述紧急救援任务中，一定区域范围内可能集中了众多的无线应急通信设 备，这使得该区域的频谱环境具有复杂性、恶劣性和快变性的特点，通信设备之 间互相干扰，最终使得都无法正常工作，要想在这些区域进行可靠稳定的应急通 信，需要对该区域的频谱信息有详尽的了解，这就需要在行动区域进行快速部署 监测网络，实时监测行动区域电子环境变化，并对无线电频谱环境场景进行分析， 然后通过频谱特征提取为频谱策略提供依据，通过对行动区域电磁环境参数的快 速感知和信道确认，并对信道状态信息和容量进行预测和估计，基于无线传感器 网络的频谱监测系统具备快速部署、低成本等优点，可以满足上述频谱监测的需 1 0 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 求。 图2 6 重大灾害救援示意图 2 3 无线传感器网络电磁频谱监测系统节点硬件设计方案 本课题拟研发的小型化、低功耗无线传感器一体化节点硬件平台由监测信号 频率范围1 0 0 k h z - - - 8 g h z 的宽带数字频谱监测机、无线传输网络电台、g p s 、直 流稳压电源、宽带数字频谱监测机全向天线和无线传输网络电台全向天线组成， 其外观图如图2 7 所示。 图2 7 设备外形示惫图 传感器网络具有很强的应用相关性，在不同应用要求下需要配套不同的网络 模型、软件系统和硬件平台。可以说传感器网络是在特定应用背景下，以一定的 网络模型规划的一组传感器节点的集合，而传感器节点是为传感器网络特别设计 的微型计算机系统。 应用背景对传感器的种类、精度和采样频率提出要求，同时对无线通信使用 的频段、传输距离、数据收发速率提出要求：传感器网络的能源技术则对传感器 技术和通信技术的能耗做出具体的约束，同时要求处理器本身必须是超低功耗的， 并且支持休眠模式；传感器的选取、应用背景要求的采样频率以及通信技术的数 据收发速率对处理器的处理能力、数据采样速率和精度以及通用i o 控制端口的 第二章无线传感器网络电磁频谱监测 数量提出具体要求：处理器的选择则由所有这些技术要求所制约。 无线传感器网络系统中的每个传感器节点一般由数据采集模块( 传感器、a d 转换器) 、数据处理和控制模块( 微处理器、存储器) 、无线通信模块( 无线收发器) 和供电模块( 电池、d c d c 能量转换器) 等组成。作为一个完整的微型计算机系 统，要求其组成部分的性能必须是协调和高效的，各个模块实现技术的选择需要 根据实际的应用系统要求而进行权衡和取舍。图2 8 描述了传感器节点的各部件 性能需求的依赖关系 1 4 1 。 图2 g 传感器节点各部件性能需求的依赖关系 传感器节点是无线传感器网络的主要组成部分。它们以协作的方式感知、采 集和处理网络覆盖区域中特定监测对象发送的无线频谱信息，实现对任意地点信 息在任意时间的采集、处理和分析，在不同应用中，无线传感器的组成不尽相同， 面向电磁频谱监测应用的无线传感器节点一般都由电磁频谱监测机、无线传输网 络电台、能量供应模块和天线四部分组成，如图2 9 所示： 电磁频潸 监溯天线 无线通信 发射天线 图2 9 无线传感器节点结构 电磁频谱监测机由预选器单元、前段单元和数字处理单元组成，负责监测区 域内无线电频谱信息的感知、采集、数据转换和处理；无线传输网络电台由主控 模块、数据处理单元、m a c 、功放模块构成负责与其他传感器节点进行无线通信、 交换控制信息和收发采集数据。 现将各组成部分的设计方案分别进行介绍。 1 2 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 2 3 1 宽带数字频谱监测机 宽带数字频谱监测机实现对频率范围1 0 0 k h z - - 8 g h z 无线信号搜索、捕获、 分析、测量与监视，与接收天线组合使用构成无线电频谱监测采集系统。 接收机采用模块化设计，利用通用数字化处理平台、软件无线电体系结构、 高速串行总线和专用射频技术实现。设备主要由预选器单元、前端单元、数字处 理单元、前面板单元、后面板单元、机架单元及机壳等组成，其中预选器单元包 括预选器模块、预选器控制器模块；前端单元主要包括中频模块、一本振、二本 振、三本振、前端控制器模块；数字处理单元包括数字处理模块、电源模块；前 面板单元主要有主控制器模块；后面板单元主要有后面板接口板；机架装有汇流 板。设备采用总线控制方式，各功能模块自带模块总线控制器。为实现宽频率范 围覆盖、大动态范围信号接收及尽可能的减少假响应，接收通道采用了高中频、 多中频方案，其原理框图如图2 1 0 所示。 伊 圉 枣f 伊 滴瑶瞥死 = = _ 譬二吾= 图2 1 0 频谱监测机组成原理框图 信号解析流程如图2 1 l 所示，从天线接收下来的信号经选择性滤波和低噪声 放大后，经三次变频后送数字板进行数字采样，a d 变换，数字下变频；经傅立 叶变换处理后送显。 可一 里 第二章无线传感器网络电磁频谱监测 2 3 2 无线传输网络电台 图2 1 1 信号解析流程 无线传输网络电台实现宽带数字频谱监测机监测信号的无线传输，可构成无 线传输网络，也可用于点对点业务传输，支持多种工作模式，具有自组织、自恢 复组网能力，以较高的速率进行无线传输，其原理框图如图2 1 2 所示。 2 1 2 无线网络电台原理框图 无线传输网络电台由功放模块、收发信通道模块、数字信号处理模块、主控 1 4 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 模块、电源模块、面板单元组成，具体如下： 1 功放模块 功放模块主要由功率放大器、收发开关、定向耦合器、低通滤波器、电源开 关、温度检测等电路组成。主要完成发射信号的功率放大、收发开关转换、天线 开短路保护等功能。 2 收发信通道模块 收发信通道模块主要由高频放大器、中频放大器、混频器、滤波器、a g c 电 路和收发转换开关等电路组成。主要完成接收信号的放大和中频变换以及调制信 号的射频变换。电路采用两次变频方案。 3 数字信号处理模块 数字信号处理模块主要完成中频信号的调制解调、数字信号处理，并进行跳 频控制、组网控制和勤务加密控制等。电路由两片d s p 、f p g a 和各种接口电路 组成。 4 主控模块 主控模块负责对键盘作出响应和对电台内部各模块的功能进行控制，监测和 控制电台的内部工作状态以及作出相应的指示和显示。该模块主要由c p u ，显示 控制器和一些相应的附属电路组成。 5 电源模块 电源模块主要是为电台内部各模块提供高质量的直流电源及完善的自我保护 功能，在设计上力求高可靠性和高效率。 6 面板单元 面板单元主要由键盘、显示器、各种接口插座和电源开关组成，面板也是机 箱的一部分。 第三章无线传感器网络中的数据融合 第三章无线传感器网络中的数据融合 3 1 1 数据融合技术简介 3 1 数据融合理论基础 数据融合( d a t af u s i o n ) 是2 0 世纪7 0 年代作为军事高科技研究领域重要课 题而得到迅速发展的- - f - 新兴的边缘学科。所谓数据融合，主要是指利用计算机 进行多源信息处理，从而得到可综合利用信息的理论和方法，它是一种多层次、 多方面的数据处理过程，包括对数据进行检测、相关、组合和估计，从而生成完 整、准确、及时和有效的综合信息。它比直接从各信息源得到的信息更简洁、更 有用途。它涉及多方面理论和技术，如信号处理、模式识别、人工智能、最优化 技术、神经网络、估计理论和不确定性理论等【1 5 1 。 我们所研究的数据融合，实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。 在无线传感器网络系统中，各感知节点的基本功能是收集并返回其所在监测区域 的信息。传感器节点的资源十分有限，主要体现在电池能量、处理能力、存储容 量以及通信带宽等几个方面。在收集信息的过程中采用各个节点单独传送数据到 网关节点方法会降低网络性能，主要有以下两个原因： 1 浪费通信带宽和能量：在覆盖度较高的传感器网络中，临近节点报告的信 息存在冗余性，各个节点单独传送数据会浪费通信带宽；同时，传输大量数据会 使整个网络消耗过多的能量，缩短网络的生存时间； 2 降低信息收集的效率：多个节点同时传送数据会增加数据链路层的调度难 度，造成频繁的冲突碰撞，降低了通信效率，从而影响了信息收集的及时性。 解决这些问题的一个思路是，在从各节点收集数据的过程中，利用传感器节 点的本地计算和存储能力处理数据，去除冗余数据，减少冗余数据传输量，同时 将来自不同节点的多份数据结合在一起，提取或综合出较单个节点数据采集更为 有效、准确的数据信息，最终达到精确感知目标信号，降低能耗，减少开销，延 长网络生命期的目的，这种处理方式被称为无线传感器网络的数据融合。 传感器的基本功能是检测已出现的信号，并对这些信号的参数进行估计。事 件的能量( 用时域变量e f ) 表示) 通过传输介质和天线传到接收器，中间可能引 入随即噪声( 用疗o ) 表示) ，从而使信号特征变形。传感器捕捉到的信号经放大、 滤波、整形、频移，去除信号能量带宽以外的噪声能量。传感器预处理器将信号 变量e ( f ) 转换到一个观测空间中，在该空间中，变量由一组观测向量尺f ) 表示， 信号特征，如幅度、频率分量或时域特性等，都表示成该观测向量的分量。接着 对观测向量r o ) 进行检测和参数估计判别，并将结果给数据融合处理。图3 1 是 1 6 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 上述传感器处理的数据模型，下面以此模型为基础，说明本系统所要实现的功能。 定 图3 1 无线传感器功能的数学模型 映射f l e ( f ) i 将信号能量e f ) 从k 维空间转换到维观测空间，与附加噪声 拧o ) 一起形成观测向量r ( f ) 中的观测参数。 对照已建立的假设，校验观测到的尺向量，以确定观测空间中的哪一个假设 与观测值最匹配。对于判定目标出现的简单检测来说，采用两假设的二元判定可 判定目标的出现或不出现( 信号的有无) 。而多假设( m 元) 检验用来判定带有 不同可信度的目标的出现，每个假设表示目标出现的一个相对的可信度。 由估计器根据观测向量r ( f ) 确定信号变量e ( f ) 的参数值，又称为状态估计( 算 出信号参数，如带宽，码元速率，波特率等) 。 分类是多假设检测的一个特定情况，其中将观测空间分割成m 个区域，对应 于m 个假设( 风，4 , ，以) ，每个假设对应于一个目标类。将m 个假设与观测向 量尺( f ) 比较，从而把由观测向量描述的目标特征归入相应的目标类。目标分类的 另一个名称是目标标识( 对调制信号进行分类，如b p s k ，q p s k ，m s k 等) 。 通常数据融合的大致过程如下：首先将被测对象的输出结果转换为电信号， 然后经过a i ) 转换形成数字量；数字化后电信号经过预处理，滤除数据采集过程 中的干扰和噪声；对经过处理后的有用信号进行特征抽取，实现数据融合，或者 直接对信号进行融合处理；最后输出融合结果 1 6 - 1 8 1 。 3 1 2 数据融合的分类 传感器网络中的数据融合技术可以从不同的角度进行分类，依据融合前后数 据的信息含量分类；依据融合操作的级别进行分类 1 9 - 2 1 1 。 根据融合前后数据的信息含量分类 根据数据进行融合操作前后的信息含量，可以将数据融合分为无损融合和有 损融合两类。 1 无损融合 第三章无线传感器网络中的数据融合 无损融合中，所有的细节信息均被保留。此类融合的常见做法是去除信息中 的冗余部分。根据信息理论，在无损融合中，信息整体缩减的大小受到其熵值的 限制。 将多个数据分组打包成一个数据分组，而不改变各个分组所携带的数据内容 的方法属于无损融合。这种方法只是缩减了分组头部的数据和为传输多个分组而 需要的传输控制开销，而保留了全部数据信息。 时间戳融合是无损融合的另一个例子。在远程监控应用中，传感器节点回报 的内容可能在时间属性上有一定的联系，可以使用一种更有效的表示手段融合多 次汇报。比如一个节点以一个短时间间隔进行多次汇报，每次汇报中除时间戳不 同外，其他内容均相同；收到这些汇报的中间节点可以只传送时间戳最新的一次 汇报，以表示在此时刻之前，被监测的事物都具有相同的属性。 2 有损融合 有损融合通常会省略一些细节信息或降低数据的质量，从而减少需要存储或 传输的数据量，以达到节省存储资源或能量资源的目的。有损失融合中，信息损 失的上限是要保留应用所需要的全部信息量。 很多有损融合是针对数据收集的需求而进行网内处理的必然结果。从信息含 量角度看，结果数据相对于传感器节点的原始数据来说，损失了一些信息，。仅能 满足数据收集者的要求。 根据融合操作的级别划分 按照融合系统中数据抽象的层次，融合可划分为三个级别：数据级融合，特 征级融合以及决策级融合。各个级别的融合处理的结构分别如图3 2 、图3 3 、图 3 4 所示。 1 数据级融合 操作对象是传感器采集到的数据，是面向数据的融合。对传感器大的原始数 据及预处理各阶段上产生的信息分别进行融合处理，尽可能多地保持原始信息， 能够提供其他层次融合所不具有的细微信息。这类融合在大多数情况下仅依赖传 感器类型，不依赖于用户需求。 局限性主要是所要处理的传感器信息量大，处理代价较高，且在最低层进行， 由于传感器的原始数据的不确定性、不完全性和不稳定性，要求在融合时有较高 的纠错能力。 1 7 1 8 基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析 数 特身 关 据 征份 联 级 提 识 融 厶 取别 口 图3 2 数据级融合 2 特征级融合 通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，来反映事物的属性。 作为一种面向检测对象特征的融合，利用从各个传感器原始数据中提取的特征信 息，进行综合分析和处理的中间层次过程。通常所提取的特征信息应是数据信息 的充分表示量或统计量，据此对多传感器信息进行分类、汇集和综合。 特征级融合可以分为目标状态信息融合和目标特征融合。 目标状态信息融合主要应用于多传感器目标跟踪领域。融合系统首先对传感 器数据进行预处理以完成数据配准，然后融合处理主要实现参数相关和状态矢量 估计。 目标特征融合主要用于特征层的联合识别。具体的融合主要采用模式识别的 相应技术，在融合前必须先对特征进行相关处理，对特征矢量进行分类组合( 特 征提取，基于特征的分类) 。 特 特 身 征 关 征 份 提 层 识联 融 取别 合 图0 3 特征级融合 3 决策级融合 根据应用需求进行的决策，可以依据特征级的数据特征，对监测对象进行判 别、分类，并通过简单的逻辑运算，执行满足应用需求的策略。决策级融合是面 向应用的融合。 第三章无线传感器网络中的数据融合 直接针对具体决策目标，充分利用特征融合所得出的目标各类特征信息，并 给出简明而直观的结果，优点在于实时性好，具有良好的容错性。 叫身份识别卜 特 决 征 叫身份识别卜- 关 策 提联 层 取 融 合 一身份识别卜- 图3 4 特征级融合 目前，绝大多数的融合研究皆是针对特定的应用领域的特定问题开展的。即 根据问题的种类，各自建立直观的融合准则，形成“最佳”融合方案，未形成完 整的理论框架和融合模型，使得融合系统的设计具有一定的盲目性。 ； 3 1 3 数据融合的主要方法 如上节所述，虽然传感器数据融合的应用研究己相当广泛，但传感器数据融 合问题至今未形成基本的理论框架和有效的广义融合模型和算法。尽管如此，研 究人员还是根据各自的具体应用背景提出了许多比较成熟且有效的融合算法。大 多数融合算法对传感器的测量数据作了一些假设，通常是假定传感器的测量模型 包括了一个统计独立的可加高斯噪声和各传感器测量误差统计是独立的。针对不 同的应用领域，数据融合常用的算法有如下几种 2 2 - 2 5 ： 1 加权平均法：加权平均法是一种最简单和直观的方法。即把来自多个传感器 的众多数据进行加权平均( 加权值可以采用检测到信号能量的大小) ，结果作为融 合值。适用于同类传感器检测同一个检测目标。 如果对一个检