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物联网-智慧传输-基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析.pdf
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物联网-智慧传输-基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析.pdf
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西安电子科技大学
硕士学位论文
基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分
析
姓名:马超
申请学位级别:硕士
专业:通信与信息系统
指导教师:李赞
201201
摘要
摘要
无线传感器网络作为“新一代宽带无线移动通信网络”的有机补充和末梢网
络,是近年来在无线自组织网络技术的基础上提出的一种新型分布式信息获取系
统。通过将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点,以人工布设、空投、
火炮投射等方法设置在预定监控区域,构成的“智能”自治监控网络系统,以达
到协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息的目的。但由于传感
器节点的电池能量、处理能力、存储容量以及通信带宽等资源十分有限,而传感
器网络技术的一个特点就是要快速处理大量的采集数据,因此,面对大量的信号
数据和大量的数据处理任务,必须对传感器网络采集到的数据进行融合处理。
论文首先对无线传感器网络电磁频谱监测系统及节点设计方案进行了介绍,
然后对无线传感器网络中关键技术之一的数据融合技术进行了分析和研究,在此
基础上针对无线传感器网络电磁频谱监测系统中的不同应用,提出了不同数据融
合方案与算法,包括LZW数据无损压缩算法,检测融合算法,定位融合算法及
频谱显示融合算法等,并在方案设计过程中将节点的硬件平台特点予以考虑。最
后,对提出的数据融合算法进行了仿真和分析,仿真结果显示数据融合算法对提
高无线传感器网络能量利用率及数据精确度有良好的性能,因而在实际应用中具
有一定的实用价值。
关键字:无线传感器网络电磁频谱监测数据融合算法
第一章绪论
第一章绪论
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络(wireless
sensor
network,简写WSN)的研究起始于20世
纪90年代末期。它作为“新一代宽带无线移动通信网络”的有机补充和末梢网络,
是近年来在无线自组织网络技术的基础上提出的一种新型分布式信息获取系统。
无线传感器网络的巨大应用价值使其成为当前在国际上备受关注的、涉及多学科
高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计
算技术、网络技术、无线电通信技术、分布式信息处理技术等多项技术,在实际
应用中可以满足人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量网络分布区域
内的详实而可靠的信息的需求【”】。
无线传感器网络是将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点,通过人
工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定监控区域,构成的“智能’’自治监控
网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,
并发送给观察者。它将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变
人类与自然界的交互方式,人们可以通过传感器网络直接感知客观世界,从而极
大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力,扩展了人们的信息获取能力,
将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起,在下一代互联网中将成为人们提
供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息,具
有十分广阔的应用前景,能应用与军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、
环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。
与目前常见的移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad
hoc网络等无线网络
相比,无线传感器网络具有以下特点附】:
1.硬件资源有限。无线传感器节点由于受价格、体积和功耗的限制,计算能
力、程序空间和内存空间比普通的PC功能要弱很多。这一点决定了在节点操作
系统设计中,协议层次不能太复杂。
2.电源容量有限。无线传感器节点由电池供电,电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中,不能给电池充电或更换电池,一旦电池
能量用完,这个节点也就失去了作用(死亡)。因此在传感器网络设计过程中,任
何技术和协议的使用都要以节能为前提。
3.动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络,节点可以随处移动:一个
节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行;一个节点也可能由于
工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,因此
2
基于无线传感器网络电磁频谱监测系统的数据融合算法性能分析
网络应该具有动态拓扑组织功能。
4.节点数量众多,分布密集。为了完成对一个区域执行监测任务,往往有成
千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集,利用节点之间商度
连接性来保证系统的容错性和抗毁性。
由于无线传感器网络以上几个特点,其应用领域与其他无线网络有着显著的
区别,主要包括以下几类:
(1)军事应用。军事应用是无线传感器网络技术的主要应用领域,由于其特有
的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点,是数字人战场无线数据通
信的首选技术,是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。
(2)紧急和临时场合。在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击
后,固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、
卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作,对于抢险救
灾来说,这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设
的白组织网络技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区,无法采
用固定或预设的网络设施进行通信,也可以采用无线传感器网络来进行信号采集
与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点,是这些场合通信的虽佳选择。
(3)大型设备的监控:在一些大型设备中,需要对一些关键部件的技术参数进
行监控,以掌握设备的运行情况。在小便于安装有线传感器的情况下,无线传感
器网络就可以作为一个可选的通信手段。
(4)卫生保健:可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点,这些信
息汇总后,传送给医生,进行及时处理,为远程医疗创造条件。
1.2电磁频谱监测
随着无线电新业务的迅速发展,各种工、科、医设备的大量应用,频谱资源
的供需矛盾变得越来越突出,无线电干扰问题也变得越来越严重。为了保证正常
的信息传递,维护空中无线电波秩序,有效地利用有限的频谱资源,建立与完善
无线电电磁频谱监测手段,加强无线电电磁频谱监测工作,对实施科学的频谱管
理具有重要的现实意义。
无线电电磁频谱监测是采用技术手段对无线电发射的基本参数和频谱特性参
数(频率、频率误差、射频电平、发射带宽、调制度)进行测量,对模拟信号进
行监听,对数字信号进行频谱特性分析,对频段利用率和频带占有度进行测试统
计分析。通过长期频谱监测并把监测的数据进行记录,通过统计分析、评估,可
有效地利用频谱资源。
在无线电辐射的过程中,无线电系统内的发射机向空间辐射载有信息的无线
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programmh
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