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基于压缩感知的空间无线频谱感知与重构系统研究

作　者: 钟武汨
导　师: 赵增华; 韩双立
学　校: 天津大学
专　业: 软件工程
关键词: 压缩感知 矩阵完备 RSSI 频谱感知 ZigBee网络
分类号: TN92
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


在无线通信领域，多种信号共存于一个频段已经成为常态，例如WIFI，ZigBee和蓝牙等无线设备都工作在无需许可的ISM2.4GHz频段中。共享频段提高了频谱资源的利用率，却同时带来了潜在的信号冲突风险。不同的设备同时工作在中心频率相近的频率，会对彼此的工作产生严重的干扰。因此，如何对某一区域的频谱利用状况进行感知是一项重要课题。频谱的利用状况可以用接收信号强度（RSSI）来表征，如何高效便捷地对空间无线频谱信息进行勘测是本文研究的重点。目前，国内外对区域进行频谱感知的方式基本都是由定点感知演化而来，即对区域中的所有位置进行感知然后构建区域频谱信息图，更为精确的方式还需要解析感知到信号的具体调制方式、编码格式等。这些感知手段虽然准确率非常高，但是费时费力，成本较大。本文首先基于压缩感知和矩阵完备的理论，提出了一种新的频谱感知算法。该算法可通过稀疏采集的数据恢复区域内完整的频谱信息，从而降低了数据采集的工作量。同时，设计和实现了一个集部署、采样、收集数据、执行本文所提算法功能于一体的软件系统。该系统可以部署区域中的传感器节点程序，收集传感器传回的数据，并将收集的数据进行频谱信息恢复，使算法的理论化为实践。最后，本文利用该算法理论和软件分别对室内和室外的ISM频段的频谱进行实验。实验结果表明：1）室内频谱在被占用的情况下，利用本文的算法可以在10%的采样率情况下以小于20的标准误差恢复；2）室内频谱在空闲的情况下，利用本文的算法可以在10%的采样率情况下以小于9的标准误差恢复；3）室外频谱在空闲的情况下，利用本文的算法可以在10%的采样率情况下以小于2的标准误差恢复。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-11
  1.1 无线网络与频谱  8-9
  1.2 选题意义  9
  1.3 论文的贡献  9-10
  1.4 论文的结构  10-11
第二章 相关工作介绍  11-20
  2.1 ISM 频段简介  11
  2.2 利用 RSSI 值进行频谱感知的理论基础  11-16
    2.2.1 接收信号强度——RSSI  11-13
    2.2.2 基于 CC2420 芯片的 RSSI 测量  13-14
    2.2.3 频谱混叠对 RSSI 值造成的影响  14-16
    2.2.4 结论  16
  2.3 国内外无线频谱感知的现有方法  16-19
    2.3.1 信号源感知  16-18
    2.3.2 协作感知  18
    2.3.3 干扰感知  18-19
  2.4 本章小结  19-20
第三章 基于压缩感知的频谱感知与重构算法  20-32
  3.1 压缩感知理论介绍  20-24
    3.1.1 问题的引入  21
    3.1.2 不相干性和稀疏信号感知  21-23
    3.1.3 稀疏信号恢复（求解）  23
    3.1.4 压缩感知理论的引申——矩阵完备  23-24
  3.2 频谱信息的矩阵完备算法  24-31
    3.2.1 频谱信息的矩阵表示  24-25
    3.2.2 算法中用到的数学记号与算子  25-27
    3.2.3 频谱信息的矩阵完备数学描述  27-28
    3.2.4 频谱矩阵恢复的条件  28-30
    3.2.5 频谱矩阵完备  30-31
  3.3 本章小结  31-32
第四章 频谱信息重构软件系统设计与实现  32-49
  4.1 频谱信息重构软件系统相关技术介绍  32-33
    4.1.1 TinyOS 简介  32
    4.1.2 MATLAB 简介  32-33
    4.1.3 SWT 简介  33
  4.2 频谱信息重构软件系统需求分析  33-35
    4.2.1 功能性需求  33-34
    4.2.2 批量访问与数据交互需求  34
    4.2.3 软硬件需求  34-35
  4.3 频谱信息重构软件系统设计与实现  35-48
    4.3.1 数据设计  35
    4.3.2 软件系统结构  35-37
    4.3.3 分层结构图  37
    4.3.4 频谱信息重构软件系统流程图  37-40
    4.3.5 功能实现  40-46
    4.3.6 传感器部署功能原理简介  46-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章 频谱信息恢复实验与评估  49-60
  5.1 实验设备  49
  5.2 实验评估方式  49-51
    5.2.1 标准差公式  49-50
    5.2.2 实验的准备工作  50-51
  5.3 实验：室内频谱信息恢复  51-57
    5.3.1 频谱占用情况下的信息恢复  51-54
    5.3.2 频谱空闲情况下的信息恢复  54-57
  5.4 实验：室外频谱信息恢复  57-59
  5.5 本章小结  59-60
第六章 总结与展望  60-62
  6.1 论文总结  60-61
  6.2 研究展望  61-62
参考文献  62-64
发表论文和参加科研情况说明  64-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信
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