[发明专利]异构无线传感网中基于定位信息的压缩频谱感知方法

说明书

技术领域

本发明针对存在大量无线传感节点的异构无线传感网（HWSN：Heterogene ous Wireless Sensor Network）需要对当前频谱状态进行快速感知的问题，提出一种基于定位信息的低复杂度压缩频谱感知方法，属于动态频谱感知技术领域。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息。在一个异构无线传感网中，存在多种不同类型的传感器节点构成的网络，其所处环境的较宽频带的频谱资源使用情况复杂多变。为了能够快速准确的为各个传感器节点分配频谱资源，完成频谱的动态接入，降低节点间的相互干扰，提高频谱使用效率，需要对当前的频谱资源使用情况进行快速准确地感知。

压缩频谱感知能够解决宽带频谱感知中对硬件要求过高的问题，通过对具有频域稀疏性的信号进行压缩测量后重建的方法，能够有效降低系统的采样率要求；同时，可以采用模拟-信息转换器（A/C：Analog to Information Converter）来实现模拟宽带信号的压缩采样，省去了传统信号处理中的模数变换（A/D：Analog to Digital Converter）、量化、预测等部分，使得信号获取非常简单，很大程度上降低了设备的复杂度。

通过增加定位信息能够在获取当前电磁环境频谱使用情况的同时，获取各类授权用户的空间位置及发送功率等信息，为异构无线传感网控制节点提供更加充分、准确的电磁环境信息，实现高性能的动态频谱接入。

发明内容

技术问题：本发明主要是充分利用压缩感知技术和分簇技术，提供适用于异构无线传感网的有效的频谱检测以及授权用户定位方法，从而在较低压缩率的情况下快速、准确得获取当前电磁环境中授权用户的多维频谱信息，包括授权用户位置、发送功率及使用频段等。

技术方案：本发明主要包括三个方面的内容：一是针对异构无线传感网的特点建立频谱感知的系统模型；二是针对中心控制节点数据量过大的问题，采用了分簇的方法，有效的降低了中心控制节点的计算量；三是基于压缩感知理论，对单个无线传感节点的压缩数据进行联合的恢复，从而得到当前授权用户的多维频谱信息。

首先针对异构无线传感网的特点以及进行频谱感知的目的，建立异构无线传感网中的频谱感知系统模型；然后考虑到异构无线传感网中存在大量传感节点，中心控制节点数据处理困难的问题，提出基于分簇的本地信息处理方法；最后基于压缩感知理论，提出异构无线传感网授权用户多维信息获取方法。

建立异构无线传感网频谱感知系统模型的方法为：

假设异构无线传感网中有N_r个无线传感节点被随机部署到一个R×C大小的区域内开展工作，每个无线传感节点位置已知，位于点(a_i,b_i)，i∈{1,2,...,N_r}。在该区域内随机分布着N_p个授权用户，位置不确定。为了使模型离散化，假定每个授权用户位于点(x_r,y_c)，x_r∈{0,Δx,...,(R-1)Δx}，y_c∈{0,Δy,...,(C-1)Δy}，Δx，Δy分别是x轴和y轴的单位长度。该区域内的宽带频谱被分割成N_ch个相邻且互不重叠的窄带信道，假定它们的中心频率为每个授权用户可能利用这些信道中的任意一个进行通信。这些无线传感节点对全部信道的使用情况进行检测，并将检测信息发送到异构无线传感网的中心控制节点，由中心控制节点最终做出判断，如果检测到空闲频段他们就可以实现动态频谱接入。

基于分簇的本地信息处理方法为：

在系统模型的基础上，按地理位置先对传感节点进行分簇并在每个簇中选择一个簇头。针对异构无线传感网当前电磁环境可使用频带较宽，即需要进行宽带频谱感知的问题，每个簇内的传感节点首先利用压缩感知理论对分别对当前电磁环境中的信号进行数据的压缩，然后将各自的压缩数据乘以一个加权系数发送给簇头，簇头再把接收到的加权后的压缩数据发送到中心控制节点。

异构无线传感网用户多维信息获取方法为：