面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡設計

網(wǎng)絡采用分頻段感知的方式工作，如圖3所示。由于節(jié)點能力的限制，每個節(jié)點感知的帶寬有限，監(jiān)測頻段的大小與掃描的周期是一對矛盾。在節(jié)點處理能力一定的情況下，監(jiān)測頻段越寬，掃描周期就越長；監(jiān)測頻段越窄，掃描周期就越短。戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜，瞬息問就可能發(fā)生變化，應依據(jù)監(jiān)測任務要求、信號密集程度、節(jié)點部署情況等對整個監(jiān)測頻段進行劃分，減小掃描周期，降低對單個節(jié)點監(jiān)測帶寬的要求。
對重要頻段或信號密集的頻段，如通信信號較為集中的20～500 MHz頻段，雷達信號較為集中的1～18 GHz頻段，應加大相應的節(jié)點頻段分布密度，提高整體的監(jiān)測性能。
2．3 協(xié)作的檢測處理機制
在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，分散部署了數(shù)量眾多的監(jiān)測感知節(jié)點。由于節(jié)點數(shù)目龐大、且產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)覆蓋了時域、空域、頻域多維數(shù)據(jù)空間，如果每個監(jiān)測節(jié)點都直接將原始的觀測信息傳輸至匯聚節(jié)點進行融合處理，顯然會耗費中繼節(jié)點的很多能量，消耗傳感網(wǎng)絡的大量通信資源，引起網(wǎng)絡通信容量出現(xiàn)飽和，甚至導致通信阻塞。因此，頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)絡僅實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)頻譜信息的簡單協(xié)作和傳輸是遠遠不夠的，一種可行的解決辦法是采用分級的分布式協(xié)作信號處理方式，以有效減輕頻譜電磁傳感網(wǎng)的信息傳輸負荷，提高電磁監(jiān)測網(wǎng)的靈活性、可靠性。
感知節(jié)點部署完成后，匯聚節(jié)點利用感知節(jié)點定位等功能及時掌握每個節(jié)點所處的地理位置，維護并實時更新網(wǎng)絡的拓撲結構圖。根據(jù)分配的監(jiān)測任務不同，將整個網(wǎng)絡動態(tài)分為不同的任務網(wǎng)。在每個任務網(wǎng)中，依據(jù)網(wǎng)絡拓撲信息、節(jié)點位置信息等，通過分簇算法將節(jié)點進行動態(tài)分簇，并選出相應的簇頭節(jié)點。為了便于區(qū)別，每個節(jié)點都附有標簽，用于說明所屬任務網(wǎng)、所屬簇、節(jié)點類型等。在每個節(jié)點簇內(nèi)，普通節(jié)點可依據(jù)傳輸信道的質量對原始觀測信息進行硬判決或軟判決處理。為了節(jié)約通信資源、延長網(wǎng)絡生存壽命，普通節(jié)點的檢測可采用硬判決，并將檢測結果直接傳至簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點負責接收簇內(nèi)節(jié)點所有檢測結果，運用K秩序準則對簇內(nèi)檢測信息進行初步融合處理，得到簇檢測結果。借助全網(wǎng)簇頭節(jié)點的多跳轉發(fā)，將簇檢測處理結果傳至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點負責接收所有的簇檢測處理結果，并依據(jù)相關的數(shù)據(jù)融合算法進行融合處理，得到最終的信號檢測結果。普通節(jié)點的識別與分類采用帶有置信度的軟判決，運用證據(jù)理論對簇內(nèi)識別信息進行初步融合處理，得到簇識別結果。匯聚節(jié)點再依據(jù)數(shù)據(jù)融合算法得到最終的識別分類結果。
分級的分布式協(xié)作信號處理模型如圖4所示。

其中頻譜檢測信息的處理流程分為3級，分別是：
1)0級信號處理
由簇內(nèi)普通節(jié)點來完成頻譜信息的接收、低噪放大、濾波、模數(shù)轉換、信號預處理以及初步的信號檢測、參數(shù)估計、識別分類，生成上傳的基本頻譜信息；
2)1級信號處理
由簇內(nèi)簇頭節(jié)點來融合節(jié)點簇覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜信息，完成簇內(nèi)檢測結果、識別結果等信息的初級融合；
3)2級信號處理
由匯聚節(jié)點融合傳感網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻譜信息，完成時空校準、數(shù)據(jù)關聯(lián)、綜合過濾以及簇問檢測結果、識別結果的最終融合，實時建立和更新能反映當時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)頻譜環(huán)境分布特征的數(shù)據(jù)、給出全景頻譜態(tài)勢或高分辨率的局部頻譜態(tài)勢、動態(tài)統(tǒng)計頻譜的時間占用度、頻率占用度和地域占用度等，并向上層頻譜控制中心匯報。

3 系統(tǒng)的關鍵技術分析
1)高效的分簇算法
為了提高監(jiān)測的效果和降低網(wǎng)絡能量開銷，需要設計高效的分簇算法，綜合考慮任務頻段的帶寬、節(jié)點的部署密度等因素進行分簇。
2)檢測周期的優(yōu)化
為了提高檢測數(shù)據(jù)的實時性，需要減小檢測數(shù)據(jù)報告的周期，而頻繁發(fā)送檢測結果會提高節(jié)點的能量開銷，也容易造成網(wǎng)絡的擁塞，因此，需要根據(jù)網(wǎng)絡檢測需求進行檢測周期的優(yōu)化。
3)節(jié)點部署密度的優(yōu)化
節(jié)點的部署密度與待檢測的帶寬、節(jié)點的通信距離、感知能力等因素有關，需要基于這些因素，估計需要的部署密度。

4 結論
針對寬頻段頻譜感知的需求，提出了一種面向頻譜感知的無線傳感器網(wǎng)絡架構，采用分簇的網(wǎng)絡結構、分頻段的協(xié)作感知機制和信息處理機制，實現(xiàn)對寬頻段頻譜感知的要求，分析了實現(xiàn)該系統(tǒng)的關鍵技術，為利用傳感器網(wǎng)絡進行頻譜感知提供了一種可選的方案。對于其中的分簇算法、融合算法、網(wǎng)絡部署等技術，需要進一步的研究。