面向頻譜感知的傳感器網絡設計

網絡采用分頻段感知的方式工作，如圖3所示。由于節點能力的限制，每個節點感知的帶寬有限，監測頻段的大小與掃描的周期是一對矛盾。在節點處理能力一定的情況下，監測頻段越寬，掃描周期就越長；監測頻段越窄，掃描周期就越短。戰場電磁環境復雜，瞬息問就可能發生變化，應依據監測任務要求、信號密集程度、節點部署情況等對整個監測頻段進行劃分，減小掃描周期，降低對單個節點監測帶寬的要求。
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，應加大相應的節點頻段分布密度，提高整體的監測性能。
2．3 協作的檢測處理機制
在監測區域內，分散部署了數量眾多的監測感知節點。由于節點數目龐大、且產生的信息數據覆蓋了時域、空域、頻域多維數據空間，如果每個監測節點都直接將原始的觀測信息傳輸至匯聚節點進行融合處理，顯然會耗費中繼節點的很多能量，消耗傳感網絡的大量通信資源，引起網絡通信容量出現飽和，甚至導致通信阻塞。因此，頻譜監測傳感網絡僅實現網內頻譜信息的簡單協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作信號處理方式，以有效減輕頻譜電磁傳感網的信息傳輸負荷，提高電磁監測網的靈活性、可靠性。
感知節點部署完成后，匯聚節點利用感知節點定位等功能及時掌握每個節點所處的地理位置，維護并實時更新網絡的拓撲結構圖。根據分配的監測任務不同，將整個網絡動態分為不同的任務網。在每個任務網中，依據網絡拓撲信息、節點位置信息等，通過分簇算法將節點進行動態分簇，并選出相應的簇頭節點。為了便于區別，每個節點都附有標簽，用于說明所屬任務網、所屬簇、節點類型等。在每個節點簇內，普通節點可依據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。為了節約通信資源、延長網絡生存壽命，普通節點的檢測可采用硬判決，并將檢測結果直接傳至簇頭節點。簇頭節點負責接收簇內節點所有檢測結果，運用K秩序準則對簇內檢測信息進行初步融合處理，得到簇檢測結果。借助全網簇頭節點的多跳轉發，將簇檢測處理結果傳至匯聚節點。匯聚節點負責接收所有的簇檢測處理結果，并依據相關的數據融合算法進行融合處理，得到最終的信號檢測結果。普通節點的識別與分類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行初步融合處理，得到簇識別結果。匯聚節點再依據數據融合算法得到最終的識別分類結果。
分級的分布式協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
由簇內普通節點來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，生成上傳的基本頻譜信息；
2)1級信號處理
由簇內簇頭節點來融合節點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
由匯聚節點融合傳感網覆蓋區域內的頻譜信息，完成時空校準、數據關聯、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測區域內頻譜環境分布特征的數據、給出全景頻譜態勢或高分辨率的局部頻譜態勢、動態統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 系統的關鍵技術分析
1)高效的分簇算法
為了提高監測的效果和降低網絡能量開銷，需要設計高效的分簇算法，綜合考慮任務頻段的帶寬、節點的部署密度等因素進行分簇。
2)檢測周期的優化
為了提高檢測數據的實時性，需要減小檢測數據報告的周期，而頻繁發送檢測結果會提高節點的能量開銷，也容易造成網絡的擁塞，因此，需要根據網絡檢測需求進行檢測周期的優化。
3)節點部署密度的優化
節點的部署密度與待檢測的帶寬、節點的通信距離、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絡架構，采用分簇的網絡結構、分頻段的協作感知機制和信息處理機制，實現對寬頻段頻譜感知的要求，分析了實現該系統的關鍵技術，為利用傳感器網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、網絡部署等技術，需要進一步的研究。