基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现.pdf

西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的 论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名：日期导师签名：日期摘要无线电频谱是一种有限的资源，当前在信息技术、通信技术日益发展的背景 下，如何有效的管理与使用频谱资源，使得日益紧张的无线电频率资源最大程度 的发挥其西有的功能是需要我们关心的问题。而对无线电频谱的监测与管理是有 效使用该资源的前提，通过对整个网路环境的电磁监测，进而对整个网络电磁频 谱使用情况有整体的把握。本文针对本实验室承接的国家重大专项子项”频谱感知无线传器网络关键技 术研究”项目，基于无线传感网络背景，设计并实现了一套专用于该网络系统的电 磁频谱监测软件系统。首先分析了课题背景并指出实际使用的网络体系结构，论 述了树形网络结构拓扑在本课题使用的优势；然后在该网络拓扑基础之上设计并 实现了基于C/S模型网络通信方法，并在此基础上提出线程池通信模型，以确保 软件系统底层通信的稳定性与高性能，同时完整的设计了基于TCP的西用层网络 通信协议；再在该可靠的通信模块之上实现频谱监测模块与网络管理模块，并考 虑到系统扩展性与维护性，在模块化实现过程中引入设计模式的设计方法，较好 的完成了设计目标。关键词：频谱监测 无线传感网络 网络管理 设计模式AbstractDue to the limitation of radio spectrum resource,the way to effectively manage and utilize the spectrum resource in order to perform its proper function under this rapid development of information technologies is the key problem we should face.As the radio spectrum monitoring and management is the prerequisite to effectively use the resource,through monitoring the spectrum in the whole network,we can understand the utilization of spectrum.Based on the sub-project of state-key research on spectrum sensing in wireless senor networks,this paper designed and implemented specific network management system for wireless spectrum sensing network.Firstly,the background of this subject and the architecture of the monitoring network system are made,the advantage of the network structure is discussed.Secondly,this paper designs and realizes the C/S model for the socket communication method upon the previous network topology,and then proposes the thread pool communication model in order to insure the high reliability and high performance of the communication in bottom layer of the software,meanwhile it fully designs the application layer network communication protocol based on TCP protocol.Finally,in the consideration of system expansibility and maintainability,and upon the reliable communication module,the spectrum monitoring module and network management module are implemented,and the design pattern is introduced in the process of these modular design,mostly complete the design goals.Key Words：spectrum monitoring wireless sensor network network management design pattern目录第一章绪论.11.1 研究背景.11.1.1 课题来源.11.1.2 研究意义.2L2国内外研究现状.61.2.1 国外研究现状.61.2.2 国内研究现状.71.3 本文研究内容和研究重点.81.4 章节安排.9第二章 分布式频谱监测无线传感网络体系结构分析.112.1 现有无线传感网络体系结构分析.112.1.1 WiFi.112.1.2 Zigbee.122.1.3 Wimax.132.1.4 UWB.132.2 分布式电磁频谱监测无线传感网络体系结构分析.142.2.1 网络拓扑结构.142.2.2 网络各层功能.172.3 本章小结.19第三章 基于无线传感网的频谱监测软件系统总体设计.213.1 系统总体需求分析.213.2 系统总体结构设计.223.2.1 系统层次结构设计.233.2.2 功能总体交互设计.243.3 系统模块功能分析与设计.253.3.1 成用通信协议设计.253.3.2 网络通信模块设计.283.4 本章小结.33第四章电磁频谱监测模块的详细设计与实现.354.1 电磁频谱监测及其相关业务.354.1.1 电磁频谱概念.354.1.2 电磁频谱四种基本监测模式.354.1.3 基于电磁频谱监测业务.364.2 电磁频谱监测模块详细设计与实现.374.2.1 频谱监测协议设计与实现.374.2.2 监测模块的详细实现.384.2.3 相关类图设计与分析.424.3 本章小结.42第五章网络管理模块的详细设计与实现.455.1 网络管理功能分析.455.2 网络管理模块详细设计与实现.465.2.1 网络管理通信协议设计与实现.465.2.2 网络设备管理详细实现.505.2.3 电子地图功能实现.525.2.4 相关类图实现.555.3 本章小结.58第六章 系统相关测试.596.1 测试平台.596.2 网络管理模块测试.606.2.1 初始化组网测试.606.2.2 网络管理功能测试.616.3 频谱监测模块测试.646.3.1 频谱监测功能测试.646.3.2 定位功能测试.676.4 系统性能测试.686.5 本章小结.69第七章结束语.717.1 本文工作.717.2 总结与展望.72致谢.73参考文献.75第一章绪论1第一章绪论1.1 研究背景1.1.1 课题来源无线电频谱作为一种有限的、共享性的资源，而随着信息技术、通信技术和 无线电业务的发展使本来就稀缺的无线电频率资源日益紧张。为了保证频率资源 的有序的使用，就必须对频谱资源的进行有效地管理。但是，如果不清楚管理区 域内电频谱资源的使用情况，对频谱资源的管理就会变得很困难，因此，电磁频 谱监测就成为了需要首先解决的问题。电磁频谱监测工作包括日常的电波监听、测量、测向和定位、电台识别和干 扰查找。其主要任务为：1.通过识别发射信号的相关技术参数和操作特性，查找和验证未授权的无线电 信号源或无线电台站，确保符合或遵守国家无线电管理有关规定；2.调查、记录有关干扰源、背景噪声等电磁环境情况，判明并解决干扰问题，保护合法无线电台站用户的权益，查找非法无线电台站的干扰；3.论证无线电信道和频道的可用性，验证频谱工程中的有关技术分析是否符合 实际情况，为频率指配提供依据；4.验证正常的无线电台站的技术参数和操作特性，确定是否遵守执照核定的项 目；5.监测有关频谱的占用情况，进行有关频率、发射功率、天线增益、调制类型、占用带宽、信道载荷和占用度、场强等的测量，进行有关的信号与系统分析，其 相关频谱数据将用作频谱规划、划分和分配的依据。针对于上述对电磁频谱的管理问题，国家科技重大专项”新一代宽带无线移 动通信网”子任务“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”子课题“传 感器网络电磁频谱监测关键技术研究”旨在解决上述问题，并从传感器网络的行 业、公众、特种西用对电磁频谱监测的需求出发，考虑未来传感网对频谱感知的 功能要求，针对分布式电磁频谱监测进行关键技术研究，重点突破电磁频谱监测 无线传感器网络体系结构设计技术；典型西用场景的信道测试和建模；面向电磁 频谱监测传感器网络购用的网络协议设计与优化技术；具备电磁频谱感知共存能 力的无线传输技术；分布式协同信号检测、定位与跟踪技术；分布式协同信号识 别与分类技术；小型化、低功耗电磁感知节点一体化设计；建立上述关键技术功2基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现能验证的电磁频谱监测传感器网络试验系统，并形成相关标准。1.1.2 研究意义无线传感器网络(wireless sensor network,简写WSN)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川。它是将大量的具有通信与计算能力的微 小监测节点，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，能够监测、感知和采集各种环境信息或监测现象的信 息。无线传感器网络综合了传感器技术、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，在实际西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。因此轻量散投的无线传感器网络在军事国防、工农业、建筑及城市管理、生物医 疗、环境监测、抢险救灾、公共安全和反恐、危险及有害区域远程控制等许多领 域都有极重要的科研价值和巨大实用价值，许多国家的学术、工商业和军事技术 等领域都给予了高度重视。它的出现引起了全世界的广泛关注，被公认为是将对 二十一世纪产生巨大影响的技术之一，具有重要的科研价值和广泛的西用前景。无线传感器网络被美国技术评论杂志评为未来新兴十大技术的第一项未来新 兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。面 向电磁频谱监测的无线传感器网络是传感网的一种典型西用，在军事领域和民用 方面都具有广阔的西用前景。1.军用方面在无线传感器网络具有快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因 此非常适合在军事上的应用。无线传感器网络能够在恶劣的战场环境下工作，通 过人工在战场上的部署，组成网络对敌我双方的装备部署、兵力流动的监控、战 场实时监测、目标定位、战场评估等的监测和搜索，通过分析采集到的数据，得 到十分准确的战事变更，从而为军事部署提供可靠依据，有利于我方作战。1)复杂电磁环境下的战场频谱监测在现代战争中，电磁领域已成为与地面、海洋、空间和太空并存的第五维战 场，制电磁频谱权成为制信息权的核心，战场频谱管理是夺取制电磁频谱权的重 要保障。现代军事行动是在越来越复杂的电磁环境中实施的，由于战场电磁环境 受参战地域装备的分布状况、工作频率、辐射功率、辐射方式、所处地理地物环 境、气象条件等多种影响，因而，战场电磁环境是由时域、频域、能域和空域上 分布密集、数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号交叠而成的复杂环境。复杂电磁环境已经成为信息化战场区别于传统战场最突出的标志。信息时代，电 第一章绪论3磁频谱是惟一能支持机动作战、分散作战和高强度作战的重要媒质。基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统可以满足战场频谱监测全方位、大 纵深、立体化的要求，通过大量具备频谱信息监测采集功能的监测节点的战场部 署，构成分布式、智能化监测网络，提供实时的战场频谱信息，为战场无线电通 信系统、雷达系统等电子设备的购用提供频谱信息支撑。2）反恐行动、境外军事行动等特殊军事行动支持在反恐行动、境外军事行动等特殊军事行动的西用环境中，一定区域范围内 或者集中了众多的无线设备，这使得该区域的频谱环境具有复杂性、恶劣性和快 变性的特点，或者没有常规电子设备的支持，要想在这些区域进行可靠稳定的军 事通信，在进行无线设备使用或部署时，需要对该区域的频谱信息有详尽的了解,这就需要在行动区域进行快速部署频谱监测设备，实时监测行动区域电子环境变 化，并对无线电频谱环境场景进行分析，然后通过频谱特征提取为频谱策略提供 依据，通过对行动区域电磁环境参数的快速感知和信道确认，并对信道状态信息 和容量进行预测和估计。图1反恐、境外军事行动示意图3）其它军事领域应用无线传感器网络电磁频谱监测在上述的军事西用外，在任何涉及到无线通信 的军事西用环境中都可以发挥重大作用，所有涉及到无线通信的军事行动，都要 确保无线通信的高稳定性等性能，选择适当的通信方式就要求对行动区域的电磁 频谱信息全面掌握，军事行动要求电磁频谱监测设备具有快速部署、自组织、隐 蔽性强和高容错性的特点，这恰恰是无线传感器网络所具备的优点，因此基于无 线传感器网络的电磁频谱监测系统将在军事西用中广泛西用。2.民用方面1）国家无线电频谱资源管理国家及省市各级无线电管理机构对无线电频谱监测和管理工作，需要及时全 面掌握所辖范围的无线电资源和电磁环境变化态势，对无线电的监测，包括日常 的电波监听、测量、测向和定位、电台识别和干扰查找。其主要任务是通过识别 4基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现发射信号的相关技术参数和操作特性，查找和验证未授权的无线电信号源或无线 电台站，确保符合或遵守国家无线电管理有关规定；调查、记录有关干扰源、背 景噪声等电磁环境情况，判明并解决干扰问题，保护合法无线电台站用户的权益,查找非法无线电台站的干扰；论证无线电信道和频道的可用性，验证频谱工程中 的有关技术分析是否符合实际情况，为频率指配提供依据；验证正常的无线电台 站的技术参数和操作特性，确定是否遵守执照核定的项目；监测有关频谱的占用 情况，进行有关频率、发射功率、天线增益、调制类型、占用带宽、信道载荷和 占用度、场强等的测量，进行有关的信号与系统分析，其相关频谱数据将用作频 谱规划、划分和分配的依据。基于无线传感器网络的频谱监测系统的部署可以通 过认知无线电技术实现上述无线电频谱管理工作所需要的监测需求，为无线电频 谱管理部分提供有效的监测监控支持，实现对指定监测区域的实时监测，并通过 定位、跟踪、识别等功能进行非法电台的搜寻，下图为国家对无线电频谱资源频 段管理的示意图。图1.2国家无线电频谱资源管理示意图2）移动通信运营商网络规划支持移动、联通、电信等移动通信运营商3G业务的网络部署，需要考虑多方面因 素，一是CDMA的调制方式使其本身是自干扰系统，而且存在多种业务，总的来 说3G网络在网络覆盖和容量上寻求一种平衡；第二考虑现有情况下2G、3G共存 带来的影响；在整个网络规划中，还必须考虑到新技术的引入以及室内覆盖系统 的建设。针对3G增强型网络特点及相关新技术和实际网络建设新需求，需要研究3G 第一章绪论 5增强型网络各种优化理论及方法，有针对性地解决目前网络建设中存在的难点，推动网络性能进一步提高。这就需要研究3G增强型网络频率复用、扰码、邻区优 化方案，网络覆盖、干扰、容量优化方案，网络性能、质量问题定位与优化方案,以及与GSM网络联合优化方法。上述工作的开展都需要对服务区域的频谱状态进 行先期监测，找到合适的网络布设位置。通过频谱监测系统的部署，可以为运营 商提供服务区域的频谱信息，为其进行网络规划提供相应支持。图1.3 3G网络规划示意图3）重大自然灾害救援台风、海啸、洪水、地震等重大自然灾害的救援工作，同样需要无线传感器 网络电磁频谱监测系统的支持。图1.4重大灾害救援示意图在上述紧急救援任务中，一定区域范围内可能集中了众多的无线应急通信设 6基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现备，这使得该区域的频谱环境具有复杂性、恶劣性和快变性的特点，通信设备之 间互相干扰，最终使得都无法正常工作，要想在这些区域进行可靠稳定的西急通 信，需要对该区域的频谱信息有详尽的了解，这就需要在行动区域进行快速部署 监测网络，实时监测行动区域电子环境变化，并对无线电频谱环境场景进行分析,然后通过频谱特征提取为频谱策略提供依据，通过对行动区域电磁环境参数的快 速感知和信道确认，并对信道状态信息和容量进行预测和估计，基于无线传感器 网络的频谱监测系统具备快速部署、低成本等优点，可以满足上述频谱监测的需 求。L2国内外研究现状1.2.1国外研究现状近年来，在民用与军用领域世界各国对频谱的监测与管理都非常的重视。美 国的电磁频谱监测和管理工作走在其他国家前面。美国建立了权威的战场电磁频 谱管理机构，确保各级部门对频谱资源的有效使用和整个频谱资源民用和军用的 顺利进行，在军用的联合作战司令部一级设立了“联合频率管理办公室”，负责各级 部队的频率管理工作，战场电磁资源管理问题必须集中到联合指挥部进行决策，这样才能防止因各行其是而造成频率使用的混乱、武器作战效能降低和指挥中断 的状况发生，最大限度地实现各类用频装备的电磁兼容，保证信息武器装备正常 发挥作战效能。美国制定了相购的管理法规，这些完善的法规制度是实施频谱管 理的保障，美国颁布了联合频谱构想2010、电磁空间的联合作战、联合作 战电子战条令、网络中心频谱管理战略、电磁频谱管理战略计划，对频谱管 理机构的职责，管理方案的制订程序等都做出了严格的规定，确保战时管理工作 有条不紊地实施。此外美国电磁频谱管理还建立了较为完善的电磁频谱管理系统,如频谱21世纪、频谱认证系统、联合自动化通信系统、作战人员频谱使用规划工 具以及国防频谱可支持系统等，包括了从顶层的协议标准到底层的频谱数据库。英国CRFS公司开发的RFeye频谱监测软件提供了强大的频谱监测功能，如 图1-2-1所示，通过频率的不同，按照颜色的变化实时直观反成整个英国频谱频谱 分布情况，并可以将实时监测数据可以在任何时刻导出，唯一能限制其导出数据 量的唯有电脑内存。在最新CRFS公司最新发布的系统更新中，RFeye可以支持移 动设备的频谱监测显示。在数据处理上，RFeye提供对原始数据的交互数据分析处理，并对数据过滤操 作提供支持，在实施监测任务时，可以随时导出数据分析报告；在界面展示上，RFeye从地图层面出发,将实际固定监测站与移动监测站与地图显示位置实现一一 第一章绪论7对应，并可以通过调节显示分辨率来观测用户感兴趣区域，RFeye目前可支持最细 至街道的高分辨率频谱监测，可实现精确频谱监测需求，RFeye也提供了多样化、实时性高的数据窗口展示。可以说,RFeye在频谱监测软件领域走在了世界的前端。图1.5 RFeye频谱监测示意图122国内研究现状我国在电磁频谱监测与管理工作起步较晚，虽然有一定的发展，但距离国外 还存在巨大差距。第一，电磁频谱管理法律法规不够健全，法制建设步伐严重滞后。现有的无 线电管理法规颁布已近20年，虽然近些年进行了修订，但仍然不适或当前形势的 需求，相关配套法律也没有形成完整的体系。第二，没有完整的频谱库。目前我国短波监测网尚没有一个统一的数据存储 和共享平台，数据资料分散存储在各站，格式不统一无法互联互通，不能够有效 利用各站间数据以及可比性和可参考性有限，这给无线电监测工作带来很大不便,大大降低了工作效率。第三，频谱监测系统匮乏。中西部地区的频谱监测系统覆盖地区较少，监测 频段主要集中在短波、超短波，其他频段监测设备比较少，频谱监测设备中的核 心部件和核心技术也掌握在外国公司手中，存在一些安全隐患。第四，频谱利用效率低。现在的频谱管理中频谱的分配模式采用静态管理模 式，即在一段很长的时间和很大的地理区域内将某一段频谱固定的分配给特定的 8基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现用户或特定的服务使用，并禁止其他用户和服务接入已划分的频谱。这种方式可 以在一定程度上避免干扰和冲突，但也会出现频谱资源短缺和频谱利用率之间的 矛盾。第五，管控措施不得力。随着无线电技术的飞速发展，空中电磁环境日益复 杂，无线电管理部门收到的干扰中述日益增多，各种擅自设台、变更设台参数、未经许可加大发射功率、特别是违法违规使用对讲机和业余电台的情况时有发生,严重扰乱正常的空中电波，但目前无线电管理行政处罚力度不够，对无线电台站 和业余电台的管理还不规范。由此可见，我国频谱管理的现状不容乐观，创建权威、科学、实时、高效的 频谱管理体系已成为一项刻不容缓的系统工程。1.3本文研究内容和研究重点现今社会不管是民用或是军用，新型化通信设备的不断推陈出新，使电磁频 谱资源变的愈加珍贵，频率使用冲突、频谱需求增加等问题突出，对频谱的有效 管理从而有效保证无线电通信设备的正常工作，保护专有频段如国防通信频段、航空通信频段等不被干扰是需要解决的问题。而电磁频谱监测作为频谱管理的基 础，通过对频谱的监测实现对监测环境使用频谱的直观了解是解决上述问题的前 提。故有效的提取监测参数，设计直观有效的频谱监测显示系统，并对监测的异 常频率做分析是本文研究的内容之一。而无线传感网络低能耗的特点需要网络的各项技术和协议的使用一般都以节 能为前提，止匕外，单个传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别，而 需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，多获得的数据进行加工、汇 总和过滤，并以事件的形式得到最终结果，所以数据的传递协作涉及网络协议的 设计。面对以上问题，如何根据无线传感器网络自身特点，设计满足并适用于该 种网络的协议也是本文需要研究的内容。根据以上得出本文的研究重点为：1.以无线传感网络体系结构为基础分析电磁频谱监测软件需求，并给出软件架 构设计方案，包括系统应用层网络通信协议的详细设计与实现，设计可靠安全的 网络通信方案。2.基于软件架构模块完成电磁频谱监测模块与网络管理模块的详细设计与实 现，包括模块通信协议的实现。并尽可能提供易于维护、易于扩展的软件设计模 式。第一章绪论91.4章节安排本文分为七章，主要安排如下：第一章：绪论,主要给出本课题的选题背景,介绍国内外的发展现状,并阐述本 课题的研究意义以及介绍本文所需要研究的重点。第二章：分布式频谱监测无线传感网络体系结构设计。首先介绍已有无线传感 网络体系结构，然后具体描述本课题所需要验证的网络体系结构，并介绍验证该 网络体系结构的三种典型购用场景。第三章：基于无线传感网的频谱监测软件系统总体设计。从软件的角度考虑从 系统总体需求出发，给出整体软件设计整体架构，并对各个分模块进行具体划分 与设计。第四章：频谱监测显示模块的设计与实现。首先介绍四种典型的频谱监测方式，然后描述频谱监测模块的设计目标与模型，并使用工厂设计模式给出实现该模块 的一种方法。第五章：网络管理模块的设计与实现。重点介绍上层任务管理中心整个网络管 理，包括网络拓扑界面的展示，节点属性管理。第六章：性能测试，首先给出系统测试环境以及测试方法，测试工具；然后对 频谱处理模块、网络管理模块进行功能测试，性能测试，并分析最终结果。第七章：结束语。对整体工作的总结，并阐述以实现系统的不足，并对软件系 统的改进提出一些想法和建议。10基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现第二章分布式频谱监测无线传感网络体系结构分析11第二章 分布式频谱监测无线传感网络体系结构分析本章主要建立分布式频谱监测无线传感网络体系结构。通过对频谱监测无线 传感网络的功能与需求特点有清晰的认识，从题目去分析可以分为三个要点，一 是分布式网络；二是无线传感网络；三是用于频谱监测。而系统主要的功能可以 概括为：频谱监测；分布式协同信号源的定位与跟踪；分布式协同信号检测、识 别与分类。分布式无线传感网络包括网络拓扑、无线路由协议、无线接入方式、安全性、无线网络容量、无线传输速率、无线传输距离和能耗等内容，其中各项 内容实现方式具有多样性。通过分析项目用途及特点并结合现有的分布式无线传 感网络技术进行分析论证，设计符合本项目购用的网络体系结构。2.1 现有无线传感网络体系结构分析无线传感网络技术被认为是现在及未来能够对信息技术、经济和社会进步发 挥重要作用的技术，该技术有巨大发展潜力且广泛成用于环境中部分物理量的监 测控制、环境监测、军事国防、交通安全管理、矿山完全监测等领域。目前国内 外针对这些应用已经开发出多种技术，其中代表性技术有：WiFi、ZigBee.WiMax、超宽带等。下面将对这些技术的主要特点进行分析，以期望从中借鉴或借用一些 成熟技术融入电磁频谱监测无线传感网。2.1.1 WiFiWiFi是一种将个人电脑、手持设备等无线终端以无线方式互联的技术,它是目前技术最成熟成用最广泛的无线传感网络技术之一，具有传输速率较高、通信距离较远、网络容量较大、架设方便、成本低、可靠性高的特点，广泛西用 于无线局域网、多种无线监测网络。WiFi采用协议如表2.1%其中与传输速率有关的协议有三个：802.11、802.Ua、802.11bo不同的传输速率下传输距离也有不同：802.11与802.11b在开放区域覆盖 100米至300米为半径的范围，并且能根据信号强弱调节传输速率以提高传输可靠 性；802.Ua是一种高速传输方案，但其传输距离仅限于50米为半径的范围。WiFi所用的网络结构是一种称为mesh的结构，这是一种智能网络结构，网络 中每个节点都会维护到最近节点的最优路径。当无线环境发生变化时，比如加入 新节点或者发生拥塞，数据路径会根据时延、吞吐量、噪声等因素进行重新评估,并且mesh网络会自动地进行自我调节将性能维持在最佳性能。如果某个数据路径 丢失，或者RF干扰影响了性能，网络会通过重路由流量实现自我修复，这样节点 既可以保持连接，而且数据路径也始终是最优的。所有的自我调节和自我修复过 12基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现程都是动态的。因此WiFi的网络具有较好的自组织自恢复能力。WiFi的技术体制 分为两种:802.11、802.Ua、802.11b 采用 DS（直接序列扩频）；802.11g、802.11n 采用OFDM。接入方式采用的是FH-CDMA竞争信道方式，WiFi协议划分有22 个信道，当设备需要传输数据时采用竞争方式占用信道，传输完成后释放该信道 使用权。表2.1 WiFi协议的演化协议名称协议介绍802.11原始标准（2Mbit/s工作在2.4GHz）802.11a物理层补充（54Mbit/s工作在5GHz）802.11b物理层补充（UMbit/s工作在2.4GHz）802.11c符合802.1D的媒体接入控制层（MAC）桥接（MAC Layer Bridging）802.lid根据各国无线电规定做的调整802.lie对服务等级(Quality of Service,QoS)的支持802.Ilf基站的互连性(Interoperability)802.11g物理层补充（54Mbit/s工作在2.4GHz）802.llh无线覆盖半径的调整，室内（indoor）和室外（outdoor）信道（5GHz 频段）802.Hi安全和鉴权（Authenti行cation）方面的补充802.1 In导入多重输入输出（MIMO）技术，基本上是802.11a的延伸版2.1.2 ZigbeeZigBee技术是一种西用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备 之间的无线通信技术。ZigBee采用的协议为802.15.4,该协议是一个近距离、低 功耗的物理层与MAC层的连接标准。该协议在最大数据流量250kbit/s时传输距 离半径为10米，传输速率为40kbit/s是传输距离半径为30米至75米，传输速率 为20kbit/s是传输距离半径为300米。ZigBee的网络拓扑结构采用星形和点对点结 构，技术体制采用BPSK或Q-QPSK。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝 牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个 微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的第二章分布式频谱监测无线传感网络体系结构分析13方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率 非常高。2.1.3 WimaxWiMax是一种新的无线宽带接入技术，支持数据和VoIP综合业务接入，属于 无线城域网技术，支持非视距传输。具有传输速率高、传输距离远、网络容量大、架设方便、可靠性高的特点，主要用于城域网中无线高速数据接入、个人数据、话音接入等。WiMax采用的协议如表2.2所示：表2.2 WiMax采用标准介绍协议名称协议介绍802.16a基本无线宽带协议标准，最大传输距离半径为710km802.16d固定无线接入802.16e面向移动终端的补充，移动速度为120km/hWiMax系统在不同的载波带宽和调制方式下可以获得不同的接入速率。以 10MHz载波带宽为例，若采用OFDM-64QAM调制方式，除去开销，则单载波带 宽可以提供约30Mbit/s的有效接入速率，由蜂窝或扇区内的所有用户共享。IEEE 802.16标准并未规定载波带宽，适用的载波带宽范围从1.75MHz到20MHz,在特 定条件能实现最大70Mbit/s带宽。WiMax接入方式采用FDMA或TDMAoWiMax系统的网络拓扑结构采用星形与网状结合的mesh结构,其中的每个节 点都是网络的一部分共同维护网络路由，每个节点可以转发其它节点的信息。这 样可以通过跳经一系列中间结点以提供长的端到端通信距离。这种模式的网络中 存在2种节点：Mesh BS节点、Mesh SS节点。Mesh BS节点类似于网络中的基站,与其他主干网络相连，作为WiMAXMesh到外网的接口实现宽带接入；Mesh SS 节点既可以实现本地用户的宽带接入，又可以转发其他节点的数据，把这些数据 传送到目的节点，作用于一个中继站。2.1.4 UWBUWB名为超宽带，它是一种短距离、高传输速率、低功率的无线通信技术，其主要用于无线个人局域网替代有线电缆和蓝牙技术，由于其拓扑为点到点或点 到多点没有相关的协议标准口”其西用分为高速和中低速，高速UWB传输速率 可达100Mbit/s1 Gbit/s,传输距离半径为1030m；中低速传输速率为2Mbit/s 30Mbit/s,传输距离半径约为100m11o14基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现UWB技术体系包括：DS-UWB与OFDM-UWB。DS-UWB结合802.15.3标准 可以为家庭无线网络提供高速、短距离无线接入系统，在小范围内组成分布式自 组织网络。OFDM-UWB主要面向WPAN,速率达110Mbit/s,工作距离为10m,为消费类电子产品和多媒体西用提供无线连接，例如：无线USB、无线1394等。2.2 分布式电磁频谱监测无线传感网络体系结构分析2.2.1 网络拓扑结构1.常用网络拓扑介绍：目前常用的网络拓扑结构有星型、树型、环型、以及网状型，如图2.1所示:环型结构网状结构O普通节点 口中心节点图2.1常用网络拓扑模型星形结构是指网络中有一个中心节点，其它节点都与中心节点直接连接，又 称为集中式网络。这种网络结构具有结构简单、便于管理、成本低、网络覆盖范 围小、资源共享能力差、结构不灵活等优缺点。这种结构一旦中心节点发生故障 整个网络将会瘫痪。树型结构是指网络中能够与中心节点直接通信的节点形成第一级，第一级节 点向下发展出第二级节点，第二级节点再发展出三级节点，以此类推。同级节点 间只能通过各自父节点交互。这种结构与星形相比结构更灵活，网络覆盖范围更 大，管理相对复杂，资源共享能力与健壮性没有实质性提高，信息交互仍需要父 节点或中心节点转发，如果某个父节点或中心节点出现故障，部分或整个网络将 会瘫痪。环型结构是各个通信节点组成的闭环回路，信息在每个节点上的延时是固定 的，所以比较适合于实时控制的局域网系统。其优点为简单，适合使用光纤远距 离传输；缺点是环网中的每一个节点都成为制约网络性能与可靠性的潜在瓶颈，任何节点故障均会导致整个网络的瘫痪，而且不易查找故障节点。网状结构是指网络中的中心可有可无，节点间间接或直接连接，数据可以选第二章分布式频谱监测无线传感网络体系结构分析15择多条路径传输。这种结构具有结构灵活、资源共享能力好、自恢复能力强，多 跳传输等优点。由于相邻节点互连与数据路径较多会造成建网较复杂，在数据传 输时容易造成冲突与阻塞，路由算法与网络协议比较复杂。2.分布式频谱监测无线传感网络网络拓扑结构设计分布式网络是指网络中没有中心，节点间间接或直接连接，数据可以选择多条 路径传输口”由于分布式网络没有中心，不会因为中心遭到破坏造成整体崩溃。数据传输路径有多条，不会因某个节点损坏造成数据链路中断，因此分布式网络 可靠性高具有较强的灵活性。通过以上分析可以看出，可以将网状结构模型成用 于系统结构中。按照分布式网络定义，50个节点拓扑结构如图2.2：图2.2 50个节点无线传感网络拓扑这是一个典型的无线自组织网络，是网络拓扑结构中最理想的方式，其数据 传输路径有多条，节点可以随意移动、退出和加入，网络内的通信主要以多跳方 式完成。无线自组织网络自由性导致了网络数据冲突、阻塞等，要解决这些问题 需要非常复杂的网络协议，目前国内外还没有完全的无线自组织网络。本系统采 用完全的无线自组织网络有以下问题：1）多跳传输节点负载大完全的无线自组织网络主要传输方式为多跳传输，频谱监测网络需要汇聚所 有节点感知的频谱信息才能完整的反映整个区域的频谱情况，会造成与汇聚节点 相邻的节点数据流量过大的问题口力 如图中A、B、C、D、E、F、G、H每个节 点都有多条路径通过它们到达汇聚节点，这些路径普遍有3至4 图中A节点 转发1条路径的数据需要单节点5倍的数据传输速率才能满足，2至3条路径需要 单节点10至15倍。而实际中由于无线自组织网络路由的自由特点，每个节点无 法预知何时需要转发哪些节点的数据，因此节点在设计时可能需要20倍数据容量,使得部分节点的无线传输数据负载过大。2）网络协议复杂16基于无线传感网的电磁频谱监测软件系统的设计与实现本系统网络用于频谱监测，需要一定的实时性，导致网络中各节点的数据频 繁发送，为避免各节