面向頻譜感知的傳感器網(wǎng)絡(luò )設計

網(wǎng)絡(luò )采用分頻段感知的方式工作，如圖3所示。由于節點(diǎn)能力的限制，每個(gè)節點(diǎn)感知的帶寬有限，監測頻段的大小與掃描的周期是一對矛盾。在節點(diǎn)處理能力一定的情況下，監測頻段越寬，掃描周期就越長(cháng)；監測頻段越窄，掃描周期就越短。戰場(chǎng)電磁環(huán)境復雜，瞬息問(wèn)就可能發(fā)生變化，應依據監測任務(wù)要求、信號密集程度、節點(diǎn)部署情況等對整個(gè)監測頻段進(jìn)行劃分，減小掃描周期，降低對單個(gè)節點(diǎn)監測帶寬的要求。
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，應加大相應的節點(diǎn)頻段分布密度，提高整體的監測性能。
2．3 協(xié)作的檢測處理機制
在監測區域內，分散部署了數量眾多的監測感知節點(diǎn)。由于節點(diǎn)數目龐大、且產(chǎn)生的信息數據覆蓋了時(shí)域、空域、頻域多維數據空間，如果每個(gè)監測節點(diǎn)都直接將原始的觀(guān)測信息傳輸至匯聚節點(diǎn)進(jìn)行融合處理，顯然會(huì )耗費中繼節點(diǎn)的很多能量，消耗傳感網(wǎng)絡(luò )的大量通信資源，引起網(wǎng)絡(luò )通信容量出現飽和，甚至導致通信阻塞。因此，頻譜監測傳感網(wǎng)絡(luò )僅實(shí)現網(wǎng)內頻譜信息的簡(jiǎn)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，提高電磁監測網(wǎng)的靈活性、可靠性。
感知節點(diǎn)部署完成后，匯聚節點(diǎn)利用感知節點(diǎn)定位等功能及時(shí)掌握每個(gè)節點(diǎn)所處的地理位置，維護并實(shí)時(shí)更新網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構圖。根據分配的監測任務(wù)不同，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)分為不同的任務(wù)網(wǎng)。在每個(gè)任務(wù)網(wǎng)中，依據網(wǎng)絡(luò )拓撲信息、節點(diǎn)位置信息等，通過(guò)分簇算法將節點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分簇，并選出相應的簇頭節點(diǎn)。為了便于區別，每個(gè)節點(diǎn)都附有標簽，用于說(shuō)明所屬任務(wù)網(wǎng)、所屬簇、節點(diǎn)類(lèi)型等。在每個(gè)節點(diǎn)簇內，普通節點(diǎn)可依據傳輸信道的質(zhì)量對原始觀(guān)測信息進(jìn)行硬判決或軟判決處理。為了節約通信資源、延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生存壽命，普通節點(diǎn)的檢測可采用硬判決，并將檢測結果直接傳至簇頭節點(diǎn)。簇頭節點(diǎn)負責接收簇內節點(diǎn)所有檢測結果，運用K秩序準則對簇內檢測信息進(jìn)行初步融合處理，得到簇檢測結果。借助全網(wǎng)簇頭節點(diǎn)的多跳轉發(fā)，將簇檢測處理結果傳至匯聚節點(diǎn)。匯聚節點(diǎn)負責接收所有的簇檢測處理結果，并依據相關(guān)的數據融合算法進(jìn)行融合處理，得到最終的信號檢測結果。普通節點(diǎn)的識別與分類(lèi)采用帶有置信度的軟判決，運用證據理論對簇內識別信息進(jìn)行初步融合處理，得到簇識別結果。匯聚節點(diǎn)再依據數據融合算法得到最終的識別分類(lèi)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
由簇內普通節點(diǎn)來(lái)完成頻譜信息的接收、低噪放大、濾波、模數轉換、信號預處理以及初步的信號檢測、參數估計、識別分類(lèi)，生成上傳的基本頻譜信息；
2)1級信號處理
由簇內簇頭節點(diǎn)來(lái)融合節點(diǎn)簇覆蓋區域內的頻譜信息，完成簇內檢測結果、識別結果等信息的初級融合；
3)2級信號處理
由匯聚節點(diǎn)融合傳感網(wǎng)覆蓋區域內的頻譜信息，完成時(shí)空校準、數據關(guān)聯(lián)、綜合過(guò)濾以及簇問(wèn)檢測結果、識別結果的最終融合，實(shí)時(shí)建立和更新能反映當時(shí)監測區域內頻譜環(huán)境分布特征的數據、給出全景頻譜態(tài)勢或高分辨率的局部頻譜態(tài)勢、動(dòng)態(tài)統計頻譜的時(shí)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 系統的關(guān)鍵技術(shù)分析
1)高效的分簇算法
為了提高監測的效果和降低網(wǎng)絡(luò )能量開(kāi)銷(xiāo)，需要設計高效的分簇算法，綜合考慮任務(wù)頻段的帶寬、節點(diǎn)的部署密度等因素進(jìn)行分簇。
2)檢測周期的優(yōu)化
為了提高檢測數據的實(shí)時(shí)性，需要減小檢測數據報告的周期，而頻繁發(fā)送檢測結果會(huì )提高節點(diǎn)的能量開(kāi)銷(xiāo)，也容易造成網(wǎng)絡(luò )的擁塞，因此，需要根據網(wǎng)絡(luò )檢測需求進(jìn)行檢測周期的優(yōu)化。
3)節點(diǎn)部署密度的優(yōu)化
節點(diǎn)的部署密度與待檢測的帶寬、節點(diǎn)的通信距離、感知能力等因素有關(guān)，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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )架構，采用分簇的網(wǎng)絡(luò )結構、分頻段的協(xié)作感知機制和信息處理機制，實(shí)現對寬頻段頻譜感知的要求，分析了實(shí)現該系統的關(guān)鍵技術(shù)，為利用傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)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(luò )部署等技術(shù)，需要進(jìn)一步的研究。