一种广域虚拟密集化频谱态势生成方法技术

本发明专利技术公开了广域虚拟密集化频谱态势生成方法，主要解决现有技术所需感知设备庞大，电磁态势反演的准确度较低的问题。其技术方案是：1、确定和配置复杂电磁环境参数；2、广域虚拟密集化获取感知数据；3、构建感知节点位置矩阵；4、构建路径损耗矩阵；5、根据感知节点位置矩阵、路径损耗矩阵进行辐射源识别，获得辐射源位置和辐射功率；6、根据识别的辐射源，电磁态势反演，生成电磁频谱态势。本发明专利技术可在少量传感器位置随机分布，辐射源位置和辐射功率随机分布的条件下，对传感器进行广域虚拟密集化，实现辐射源识别，进而生成电磁态势，可用于广域虚拟密集化频谱态势生成。

【技术实现步骤摘要】
一种广域虚拟密集化频谱态势生成方法
本专利技术属于通信
，涉及频谱感知技术，辐射源识别，电磁频谱态势，更进一步涉及一种广域虚拟密集化的频谱态势生成方法，可用于广域环境中的高精度频谱态势生成。
技术介绍
无线通信技术的飞速发展和广泛使用，使得电磁环境日益复杂，频谱资源日益匮乏，电磁频谱供需矛盾愈发尖锐。在未来移动通信系统频谱共享、无线电秩序管理、电磁频谱战的需求牵引下，电磁频谱态势认知与基于频谱态势的智能频谱管理已成为研究的核心课题。频谱态势的研究就是将复杂电磁环境映射到信息空间中，形成虚拟的电磁频谱空间，可以理解为电磁环境的当前状态、综合形势和发展趋势。频谱态势感知是指通过监测、探测手段，全方位对战场进行感知，获取数据，并对数据进行处理，形成能为我所用的频谱信息、态势，是及时、准确地了解频谱态势的主要手段，主要目标是获取电磁频谱作用空间、工作时间、工作频率和辐射功率等。电磁环境中的电磁辐射主要来自于各种用频设备，即辐射源，只要能正确获取辐射源的位置、状态、工作参数、信号特征等属性，就能近似计算出该辐射源对环境区域的电磁效应。因此，以辐射源识别为基础构建环境数据是频谱态势感知的有效途径。频谱态势生成是在频谱态势感知获取频谱空间的当前状态基础上，分析预测频谱空间的综合形势和未来发展趋势。1)当前的电磁频谱检测与分析系统，只能得到检测节点所在位置的电磁参数，难以形成对整个检测区域电磁态势的全面认识。2)实际测量法对检测覆盖范围内的所有地点开展长时间实地测量，具有最高频谱态势构建精度，但需要极为密集的检测节点，工作量大，检测时间长，难于应用于大规模检测网络。3)传播模型法将检测节点作为假想的发射源,检测节点测量到的电磁参数作为发射参数，通过Okumura模型、Hata模型等经典电磁传播模型计算周边空间任意点的电磁参数，从而构建频谱态势。传播模型法计算量小，模型简单，仅需一个检测节点的数据即可估算周边地区的频谱态势，但估计结果精确度较差。4)网格化电磁频谱宽带实时检测与分析系统大量密集地部署微型站，能够有效地提升电磁频谱检测功能的覆盖区面积，从实测数据中提取规律性特征构建电磁频谱态势。但其在固定地点布设检测节点，需要联合周围多个检测节点共同参与频谱态势构建，为保证抵近检测目标，检测节点的数量众多。5)射线追踪法通过数值模拟计算每个波束在建筑物和地表的反射、绕射等传播特性，从而对周边地点的电磁频谱参数进行计算，能够比较精确地生成电磁态势。但射线追踪法方法只适用于简单传播路径或短距离通信中，对于复杂电磁环境需要大量的信道测量，需要掌握详细地形地貌数据，并且计算量大，当电磁环境变化时，不能实时的生成电磁态势。总之，这些实现电磁态势生成的方法存在以下不足：(1)建模时间长，工作量大，难于应用于大面积区域电磁环境的态势推演；(2)频谱态势生成的精度不高；(3)需要布设密集的固定检测节点，联合周围多个检测节点共同参与频谱态势构建，这就需要固定布设大量的感知设备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提出了一种广域虚拟密集化频谱态势生成方法。广域虚拟密集化频谱态势生成方法将频谱传感器设备依附于少量车、船等移动承载平台上，利用频谱传感器设备承载平台的移动性，通过在监测持续时间内多次获取当前位置的电磁频谱数据，实现频谱感知节点密集虚拟化，增多频谱监测样本，再利用频谱态势稀疏反演理论，可获得广域高分辨率的电磁频谱态势。本专利技术提出的一种广域虚拟密集化频谱态势生成方法，包括如下步骤：(1)确定和配置复杂电磁环境参数：实验区域采用N点网格布局，K个辐射源、T个频谱传感器设备及其承载平台随机的分布在所述实验区域的网格顶点处，此承载平台搭载GPS模块，用于同步记录感知节点处的位置信息和频谱传感器设备及其承载平台移动路线，将所述N个网格顶点选做N个参考点。(2)广域虚拟密集化获取感知数据：将所述T个频谱传感器设备及其承载平台虚拟成T个移动节点，每个移动节点移动后密集化出n个感知节点用于获取感知数据，该感知数据包括接收信号强度RSS(ReceivedSignalStrength)和位置信息，所述T个移动节点共密集化出M＝n·T个感知节点，将M个感知节点获取的感知数据中的接收信号强度RSS构成M维的列向量Ps∈RM。(3)根据感知数据中的位置信息，构建感知节点位置矩阵，所述感知节点位置矩阵Φ可用如下公式表示：其中，S＝{sk|k＝1,2,...,M}表示感知节点的集合，sk表示第k个感知节点，k用于标识第k个感知节点，V＝{Vj|j＝1,2,...,N}表示所有参考点的集合，Vj表示第j个参考点，j用于标识第j个参考点，sk∈Vj表示第k个感知节点位于第j个参考点上，表示第k个感知节点不位于第j个参考点上，所述感知节点位置矩阵[Φ]kj是M*N矩阵。(4)根据电磁环境的电磁传播模型，构建路径损耗矩阵Ψ。(5)根据所述感知节点位置矩阵、所述路径损耗矩阵进行辐射源识别，获得辐射源的位置和辐射功率。(6)根据识别的辐射源，电磁态势反演，求得N个参考点上的接收信号强度RSS：其中，列向量Pr∈RN表示N个参考点上的接收信号强度RSS构成的N维列向量，列向量Pt∈RN表示N个参考点上辐射源的辐射功率构成的N维列向量，表示加性高斯白噪声AWGN功率。在一些实施例中，所述步骤(2)中每个移动节点移动后密集化出n个感知节点用于获取感知数据，该感知数据包括接收信号强度RSS和位置信息，包括如下步骤：每个移动节点在所述试验区域内随机选取一个参考点作为目的地，并朝着该目的地移动，当到达该目的地时，将该移动节点称为该目的地即该参考点处的感知节点，测量该参考点处的接收信号强度RSS和位置信息用于组成感知数据，重复上述步骤，直至该移动节点途径n个参考点并获取了该参考点处的感知数据，其中，n称为密集化系数。在一些实施例中，所述步骤(4)中根据电磁环境的电磁传播模型，构建路径损耗矩阵Ψ，包括如下步骤：(4a)电磁波在二维自由空间的第i个参考点与第j个参考点间的传播模型为：其中，i,j∈{1,2,...,N}，i用于标识第个i参考点，j用于标识第j个参考点，Pjr表示第j个参考点的接收功率；Pit表示第i个参考点的发射功率；Gjr表示第j个参考点的接收天线增益，Git表示第i个参考点的发射天线增益；λ为电磁波的工作波长；dij表示第i个参考点的发射天线与第j个参考点的接收天线之间的距离，Gjr、Git均为已知常量，则所述传播模型可以简化为：其中，表示第i个参考点与第j个参考点之间的损耗系数。(4b)所述路径损耗矩阵Ψ可用如下公式表示：其中，路径损耗矩阵[Ψ]ij是一个N*N矩阵。在一些实施例中，所述步骤(5)中根据所述感知节点位置矩阵、所述路径损耗矩阵进行辐射源识别，获得辐射源的位置和辐射功率，包括如下步骤：(5a)根据所述感知节点位置矩阵Φ、所述路径损耗矩阵Ψ，计算传感矩阵Q：Q＝ΦΨ(5b)M个感知节点处的接收信号强度构成的M维的列向量Ps与N个参考点上辐射源的辐射功率构成的N维的列向量Pt之间存在以下关系：其中，为加性高斯白噪声AWGN功率，列向量Pt∈RN表示N个参考点上辐射源的辐射功率构成的N维列向量，RN表示N维的向量空间，Pt∈RN表示Pt为N维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种广域虚拟密集化频谱态势生成方法，其特征在于，将频谱传感器设备依附于少量车、船等承载平台上，利用频谱传感器设备承载平台的移动性，通过在监测持续时间内多次获取当前位置的电磁频谱数据，实现频谱感知节点密集虚拟化，增多频谱监测样本，再利用频谱态势稀疏反演理论，生成广域高分辨率的电磁频谱态势，所述方法包括如下步骤：(1)确定和配置复杂电磁环境参数：实验区域采用N点网格布局，K个辐射源、T个频谱传感器设备及其承载平台随机的分布在所述实验区域的网格顶点处，此承载平台搭载GPS模块，用于同步记录感知节点处的位置信息和频谱传感器设备及其承载平台移动路线，将所述N个网格顶点选做N个参考点；(2)广域虚拟密集化获取感知数据：将所述T个频谱传感器设备及其承载平台虚拟成T个移动节点，每个移动节点移动后密集化出n个感知节点用于获取感知数据，该感知数据包括接收信号强度RSS(Received Signal Strength)和位置信息，所述T个移动节点共密集化出M＝ngT个感知节点，将M个感知节点获取的感知数据中的接收信号强度RSS构成M维的列向量Ps∈RM；(3)根据感知数据中的位置信息，构建感知节点位置矩阵，所述感知节点位置矩阵Φ可用如下公式表示：...

【技术特征摘要】
1.一种广域虚拟密集化频谱态势生成方法，其特征在于，将频谱传感器设备依附于少量车、船等承载平台上，利用频谱传感器设备承载平台的移动性，通过在监测持续时间内多次获取当前位置的电磁频谱数据，实现频谱感知节点密集虚拟化，增多频谱监测样本，再利用频谱态势稀疏反演理论，生成广域高分辨率的电磁频谱态势，所述方法包括如下步骤：(1)确定和配置复杂电磁环境参数：实验区域采用N点网格布局，K个辐射源、T个频谱传感器设备及其承载平台随机的分布在所述实验区域的网格顶点处，此承载平台搭载GPS模块，用于同步记录感知节点处的位置信息和频谱传感器设备及其承载平台移动路线，将所述N个网格顶点选做N个参考点；(2)广域虚拟密集化获取感知数据：将所述T个频谱传感器设备及其承载平台虚拟成T个移动节点，每个移动节点移动后密集化出n个感知节点用于获取感知数据，该感知数据包括接收信号强度RSS(ReceivedSignalStrength)和位置信息，所述T个移动节点共密集化出M＝ngT个感知节点，将M个感知节点获取的感知数据中的接收信号强度RSS构成M维的列向量Ps∈RM；(3)根据感知数据中的位置信息，构建感知节点位置矩阵，所述感知节点位置矩阵Φ可用如下公式表示：其中，S＝{sk|k＝1,2,...,M}表示感知节点的集合，sk表示第k个感知节点，k用于标识第k个感知节点，V＝{Vj|j＝1,2,...,N}表示所有参考点的集合，Vj表示第j个参考点，j用于标识第j个参考点，sk∈Vj表示第k个感知节点位于第j个参考点上，表示第k个感知节点不位于第j个参考点上，所述感知节点位置矩阵[Φ]kj是M*N矩阵；(4)根据电磁环境的电磁传播模型，构建路径损耗矩阵Ψ；(5)根据所述感知节点位置矩阵、所述路径损耗矩阵进行辐射源识别，获得辐射源的位置和辐射功率；(6)根据识别的辐射源，电磁态势反演，求得N个参考点上的接收信号强度RSS：其中，列向量Pr∈RN表示N个参考点上的接收信号强度RSS构成的N维列向量，列向量Pt∈RN表示N个参考点上辐射源的辐射功率构成的N维列向量，表示加性高斯白噪声AWGN功率。2.根据权利要求1所述的一种广域密集化频谱态势生成方法，所述步骤(2)中每个移动节点移动后密集化出n个感知节点用于获取感知数据，该感知数据包括接收信号强度RSS和位置信息，包括如下步骤：每个移动节点在所述试验区域内随机选取一个参考点作为目的地，并朝着该目的地移动，当到达该目的地时，将该移动节点称为该目的地即该参考点处的...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐佩汉，杜婷婷，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61