分布式频谱监测无线传感器网络构建与拓扑控制技术研究

The proposal is trying to design and construct a kind of wireless sensor network for spectrum monitoring over border area of Yunnan province. Our purpose is to solve the problems of the limited monitoring coverage and the lack of monitoring in some special areas due to diversity of radio environment and few expensive radio monitoring stations over the area. The WSN for spectrum monitoring designed by us will be based on the existing research foundations of our lab and the WSN features, such as easy to deploy, self-organization, low-cost and real-time. By using the typical study methods, including of system modeling, mathematical analysis, simulation, embedded node and experimental platform development, we will adopt the relevant principles of sensor actuator networks, cognitive radio network and cooperative communication to build a spectrum monitoring WSN with the characteristics of layered architecture, distributed detection and interconnection of heterogeneous network. The proposal will focus on the modeling of hierarchical network system, distributed data fusion, topology control and routing algorithm, DHCP-based addressing and access mechanism, ARM-based node and experimental platform design, performance testing and analysis. Meanwhile, our work will achieve the required performances of the network that are reliable connectivity, fast topology reconstruction, effective locating and routing mechanism, real-time information transmission and economical energy consumption.

针对云南边境地区无线电信号复杂多样、无线电监测站点建设成本高、数量少而带来的监测覆盖面有限、难以对特殊区域进行有效监测的问题，利用无线传感器网络易于布署、自组织、低成本、实时性强的特点，采用系统建模、数学解析、仿真分析、嵌入式节点开发、实验平台构建等研究手段，在已有成果的基础上，运用传感器-执行器网络、认知无线电网络的相关原理，设计基于层次型结构、分布式检测、异构互联的无线传感器频谱监测网络。研究内容包括层次型网络模型构建、分布式监测数据融合、拓扑控制与路由算法、基于DHCP的节点编址与接入机制、基于ARM的监测节点设计与制备、实验平台构建、性能测试与分析，研究结果满足网络连通度良好、拓扑快速重建能力强、定位与路由机制有效、信息传输及时、能量开销小的性能指标要求。

针对频谱监测WSNs地址管理、拓扑控制、数据处理、信源定位、节点研发与组网的关键技术开展研究工作。.1．通过对DHCPv6的栽剪与移植，设计了针对大型传感器网络的地址分配与管理方案，提供足够的地址空间来满足大量节点组织的需求。仿真结果表明，当服务器覆盖的节点在450个以内时，地址分配成功率可达到96%以上，并具有较高的地址回收成功率和较短的地址分配延迟时间。.2．采用图像灰度处理的方法计算监测区域内节点连通度、网络覆盖率与节点数量之间的关系，提出根据簇内节点数量动态设置休眠概率的拓扑与覆盖控制算法。综合考虑连通性、覆盖度、活跃节点数及能耗指标等因素，采用强制唤醒休眠节点与提高活跃节点发射功率相结合的方法，快速恢复连通受损的网络、降低覆盖冗余、延长了网络生存时间。.3．设计并优化了两类满足RIP的感知矩阵：1)基于球形几何相关特性的确定性感知矩阵；2)基于排列理论的二值稀疏矩阵。改进了分布式压缩感知：1)将权重方法用于获取多个信号的共同部分；2)提出一种有损编码的方法减少该部分的数据量；3)保证信号共同部分可以尽量被无损的接收。仿真结果表明提的感知矩阵与改进后分布式压缩感知，均能有效减少数据传输量，提高恢复信号的信噪比。.4．研究了三维空间中，信号源发射功率未知和路径损耗因子不确定情况下高精度信号源坐标定位问题。提出了分簇传感网三维空间中RSSI/TDOA两轮协同的定位算法，获得较高的定位精度并延长网络生命周期。在分析TDOA和RSSI定位算法的误差基础上，研究了加权系数与噪声、参与定位的节点数和定位方程数的关系，选取合适的权值矩阵和削减原则，在保证定位精度前提下减小算法复杂度。.5．设计并实现了一种体积小、功耗低的轻量化FM频段监测节点。室内外测试表明，节点波峰采样数据与安捷伦9430B频谱仪相比，绝对误差仅为0.032%~0.15%，有效性和可靠性均满足实际需求。通过室内环境监测平台，实现了基于Zigbee节点部署与组网、数据融合、监测结果可视化呈现，成果具有一定的实用价值和产品化前景。