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
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1、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
2、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
3、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
4、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 p
5、roblem 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
6、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 de
7、signs 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 t
8、he 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 introdu
9、ced 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.
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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,
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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,
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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