CN102137051B - 用于无线传感器网络的干扰检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络技术领域的方法和装置，具体是一种用于无线传感器网络的干扰检测方法及其检测装置，该方法通过将接收机对接收到的时域信号进行快速傅里叶变换，得到时域信号的频谱；然后对时域信号的频谱依次进行多音干扰检测和部分频带干扰检测，得到传输信号和干扰信号的频谱X₁(n₁)、X₂(n₂)；最后计算传输信号与干扰信号的功率比，当功率比小于干扰阈值则检测判定存在干扰信号。本发明实现对接收信号进行合理的判断，以便对网络中是否存在干扰做出较为精确的判断。

Description

用于无线传感器网络的干扰检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及的是一种无线传感器网络技术领域的方法和装置，具体是一种用于无线传感器网络的干扰检测方法及其检测装置。

背景技术

无线传感器网络因其在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾等方面展现的广阔应用前景引起了世界学术界和工业界的高度关注并引发了无线传感器网络研究的热潮。无线传感器网络是由大规模随机布设的无线传感器节点组成的以感知现实物理空间为目的的网络。然而，由于无线信道的开放性，在现实环境中存在各种无线通信设备，这些无线通信设备不可避免地会在无线通信网络中引入空间干扰，这些干扰会严重影响无线通信的性能。因此需要及时的检测干扰的存在和干扰的特征，以便进行干扰清除处理。

目前通常采用的干扰检测方法是幅度检测方法，该方法主要是在确定接收信号超过一定的幅度后，即确认存在干扰。但幅度检测方法很不细致，只能粗略地区分出干扰信号。

经过对现有技术的检索发现，多种干扰检测方法。美国专利号US5488632(1996-1-30)，题目为“Transmission and reception in a hostile interference environment”(中文译名：恶意干扰环境下的传输与接收)的专利中，提出了一种基于干扰位置事先已知的假设的干扰检测方法。美国专利号US6445693(2010-4-27)，题目为“Method and apparatus for estimating power of firstadjacent analog FM interference in an in-band on-channel(IBOC)communication system”(中文译名：在IBOC通信系统中估计相邻频率上的模拟调频干扰信号的功率的方法和装置)的专利中，DAB(数字音频广播)系统利用在每个子载波上测量的功率和干扰功率斜率的先验信息来估计干扰的存在。美国专利号US6603734(2003-08-05)，题目为“Method for eliminatinginterference in an OFDM radio receiver”(中文译名：在OFDM通信系统的接收端消除干扰的方法)的专利中，干扰的幅度可以通过计算一种被选择的信号的幅度相对于该组信号的平均幅度的偏离来获得。欧洲专利号EP1349337(2003-10-1)，题目为“Multicarrier reception withinterference detection”(中文译名：带有干扰检测的多载波接收)的专利中，干扰可以通过利用从均衡器中获得的解调数据被监测出来。而上述现有技术，都不能满足无线传感器网络自组织、低功耗的特点，不能满足无线传感器网络检测干扰的需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于无线传感器网络的干扰检测方法及其检测装置，实现对接收信号进行合理的判断，以便对网络中是否存在干扰做出较为精确的判断。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于无线传感器网络的干扰检测方法，包括以下步骤：

第一步、接收机对接收到的时域信号进行快速傅里叶变换，得到时域信号的频谱。

第二步、对时域信号的频谱依次进行多音干扰检测和部分频带干扰检测，得到传输信号和干扰信号的频谱X₁(n₁)、X₂(n₂)；

所述的多音干扰检测是指：对接收到的待检测信号r(n)经过FFT变换之后得到长度为Lc的信号频谱R(k)，则R(k)可表示为：对得到的R(k)的幅度值进行搜索比较实现干扰信号频点的精确定位，确定干扰信号频点的准则如下：当同时满足：

R(i)≤R(i+3)，R(i+1)＞R(i+4)以及R(i+1)＞M₀或R(i+2)＞M₀或R(i+3)＞M₀，

则(i+2)即为多音干扰的干扰频点所在位置，其中：M₀取一个数据帧的数值平均值的K倍，K可取3≤K≤20，R(i+2)∈X₂(n₂)，其余非多音干扰频点的频谱为X₁(n₁)。

所述的部分频带干扰检测是指：首先计算K个帧FFT的平均频域幅度；将平均后的N点FFT的结果按照从小到大的顺序产生序列S[n]，为了找到某个阶跃点作为传输信号频谱和干扰频谱的分界点，定义增益函数Γ(L)；

L＝1，2，3…N；顺序搜索序列Γ(L)，L＝1，2，3…N，找到使得Γ(L)最大的L_opt，即max(Γ(L))＝Γ(L_opt)，则L_opt即为阶跃点；找到阶跃点之后，在序列Γ(L)中，Γ(L_opt)...Γ(N)即为干扰信号的频谱X₂(n₂)；Γ(1)...Γ(L_opt)即为传输信号的频谱X₁(n₁)；而这样传输信号和干扰信号在频谱上被区分开来。

第三步、计算传输信号与干扰信号的功率比，当功率比小于干扰阈值则检测判定存在干扰信号，具体步骤包括：

3.1)计算X₁(n₁)的平方和相加，再除以n₁，即得到传输信号的平均功率；

3.2)计算X₂(n₂)的平方和相加，在除以n₂，即得到干扰信号的平均功率；

3.3)将传输信号的平均功率除以干扰信号的平均功率，得到信干比SIR.

3.4)将计算得到的SIR与SIR_threshold比较，当SIR＜SIR_threshold，则存在干扰，否则认为不存在干扰。

本发明涉及一种用于无线传感器网络的干扰检测装置，包括：

频域幅度序列获取模块，用于将接收到的待检测信号做快速傅里叶变换，得到待检测信号在频谱上各频率点处的幅度序列；

与频域幅度序列获取模块相连并接收幅度序列的干扰检测模块，用于分析收到的频域幅度序列，区分出干扰信号与传输信号并计算传输信号与干扰信号的功率比SIR，通过将SIR与预设的阈值比较，判断是否存在干扰。

本发明所提供的干扰检测方法能过针对多音干扰正确分析出多音干扰各个单音的所占的频率、振幅及单音的个数，同时对于部分频带干扰，能够准确分析出被干扰的频段，干扰信号强度。

附图说明

图1为实施例流程图。

图2为实施例装置示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

第一步、对接收到的待检测信号做快速傅里叶变换，得到时域信号的频谱X(n)；

第二步、通过分析序列X(n)，区分出传输信号和干扰信号，得到各自对应的频率幅度序列X₁(n₁)、X₂(n₂)；具体分析方法如下：

针对多音干扰的分析方法：

对接收到的待检测信号r(n)经过FFT变换之后得到长度为Lc的信号频谱R(k)，则R(k)可表示为：

对得到的R(k)的幅度值进行搜索比较实现干扰信号频点的精确定位，确定干扰信号频点的准则如下：当同时满足：R(i)≤R(i+3)，R(i+1)＞R(i+4)以及

R(i+1)＞M₀或R(i+2)＞M₀或R(i+3)＞M₀，则R(i+2)为多音干扰在频谱特性上表现出的一个峰，(i+2)即为多音干扰的干扰频点所在位置，其中：M₀取一个数据帧的数值平均值的K倍，其值随数据帧不同而变化。K可取3≤K≤20。这样R(i+2)∈X₂(n₂)，而其余不是多音干扰频点的频谱为X₁(n₁)。

针对部分频带干扰的分析方法，包含以下步骤：

(1)计算K个帧FFT的平均频域幅度；

(2)将平均后的N点FFT的结果按照从小到大的顺序产生序列S[n]，由于信号和噪声的频谱都趋于白噪声的频谱，所以干扰信号的频谱成分都在信号和噪声频谱成分之后；

(3)由于S[n]从小到大排列，为了找到某个阶跃点作为传输信号频谱和干扰频谱的分界点，定义增益函数Γ(L)；L＝1，2，3…N；顺序搜索序列Γ(L)，L＝1，2，3…N，找到使得Γ(L)最大的L_opt，即max(Γ(L))＝Γ(L_opt)，则L_opt即为阶跃点；找到阶跃点之后，在序列Γ(L)中，Γ(L_opt)...Γ(N)即为干扰信号的频谱X₂(n₂)；Γ(1)...Γ(L_opt)即为传输信号的频谱X₁(n₁)；这样传输信号和干扰信号在频谱上被区分开来。

第三步、根据X₁(n₁)、X₂(n₂)计算传输信号与干扰信号的SIR，并将其与预设的SIR_threshold比较，判断干扰是否存在。

如图2所示，本实施例涉及的检测装置包括：频率幅度序列获取模块，频率幅度序列分析模块，干扰判断模块。

频率幅度序列获取模块用于对接收到的待检测信号做快速傅里叶变换，得到待检测信号的频率幅度序列，并且将该序列发送给干扰检测模块。

频率幅度序列分析模块用于分析频率幅度序列获取模块得到的频率幅度序列，具体分析方法为本发明提供的无线传感器网络中干扰检测方法的步骤2，通过分析，可以区分出传输信号与干扰信号。

干扰判断模块通过计算传输信号与干扰信号的SIR，并将其与预设的SIR_threshold比较，当SIR＜SIR_threshold，那么，判断结果为存在干扰；否则认为不存在干扰干扰。

本发明的实施例中提供的干扰检测装置，具备三方面的功能：扫频、信号分析、干扰判断。具体地，干扰检测装置的扫频功能类似于频谱仪，可以测试一定频带内的信号分布情况，可以从幅度和带宽上初步分析干扰信号的特征和大小。干扰检测装置的信号分析功能可以对分析频带内信号的分布情况，区分出传输信号和干扰信号。干扰检测装置的干扰判断功能可以通过计算传输信号与干扰信号的信干比，并与预设的阈值比较，判断是否存在干扰。

Claims (2)

1.一种用于无线传感器网络的干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、接收机对接收到的时域信号进行快速傅里叶变换，得到时域信号的频谱；

第二步、对时域信号的频谱依次进行多音干扰检测和部分频带干扰检测，得到传输信号和干扰信号的频谱X₁(n₁)、X₂(n₂)；

第三步、计算传输信号与干扰信号的功率比，当功率比小于干扰阈值则检测判定存在干扰信号；

所述的多音干扰检测是指：对接收到的待检测信号r(n)经过FFT变换之后得到长度为Lc的信号频谱R(k)，则R(k)可表示为：

对得到的R(k)的幅度值进行搜索比较实现干扰信号频点的精确定位，当同时满足：

R(i)≤R(i+3)，R(i+1)＞R(i+4)以及R(i+1)＞M₀或R(i+2)＞M₀或R(i+3)＞M₀，

则(i+2)即为多音干扰的干扰频点所在位置，其中：M₀取一个数据帧的数值平均值的K倍，K可取3≤K≤20，R(i+2)∈X₂(n₂)，其余非多音干扰频点的频谱为X₁(n₁)；

所述的部分频带干扰检测是指：首先计算K个帧FFT的平均频域幅度；将平均后的N点FFT的结果按照从小到大的顺序产生序列S[n]，为了找到某个阶跃点作为传输信号频谱和干扰频谱的分界点，定义增益函数Γ(L)；

L＝1，2，3…N；顺序搜索序列Γ(L)，L＝1，2，3…N，找到使得Γ(L)最大的L_opt，即max(Γ(L))＝Γ(L_opt)，则L_opt即为阶跃点；找到阶跃点之后，在序列Γ(L)中，Γ(L_opt)...Γ(N)即为干扰信号的频谱X₂(n₂)；Γ(1)...Γ(L_opt)即为传输信号的频谱X₁(n₁)；而这样传输信号和干扰信号在频谱上被区分开来；

所述的第三步具体步骤包括：

3.1)计算X₁(n₁)的平方和相加，再除以n₁，即得到传输信号的平均功率；

3.2)计算X₂(n₂)的平方和相加，在除以n₂，即得到干扰信号的平均功率；

3.3)将传输信号的平均功率除以干扰信号的平均功率，得到信干比SIR；

3.4)将计算得到的SIR与SIR_threshold比较，当SIR＜SIR_threshold，则存在干扰，否则认为不存在干扰。

2.一种根据权利要求1所述方法的用于无线传感器网络的干扰检测装置，其特征在于，包括：

频域幅度序列获取模块，用于将接收到的待检测信号做快速傅里叶变换，得到待检测信号在频谱上各频率点处的幅度序列；

与频域幅度序列获取模块相连并接收幅度序列的干扰检测模块，用于分析收到的频域幅度序列，区分出干扰信号与传输信号并计算传输信号与干扰信号的功率比SIR，通过将SIR与预设的阈值比较，判断是否存在干扰；

所述干扰检测模块用于对时域信号的频谱依次进行多音干扰检测和部分频带干扰检测，得到传输信号和干扰信号的频谱X₁(n₁)、X₂(n₂)；

所述的多音干扰检测是指：对接收到的待检测信号r(n)经过FFT变换之后得到长度为Lc的信号频谱R(k)，则R(k)可表示为：

对得到的R(k)的幅度值进行搜索比较实现干扰信号频点的精确定位，当同时满足：

R(i)≤R(i+3)，R(i+1)＞R(i+4)以及R(i+1)＞M₀或R(i+2)＞M₀或R(i+3)＞M₀，

则(i+2)即为多音干扰的干扰频点所在位置，其中：M₀取一个数据帧的数值平均值的K倍，K可取3≤K≤20，R(i+2)∈X₂(n₂)，其余非多音干扰频点的频谱为X₁(n₁)；

所述的部分频带干扰检测是指：首先计算K个帧FFT的平均频域幅度；将平均后的N点FFT的结果按照从小到大的顺序产生序列S[n]，为了找到某个阶跃点作为传输信号频谱和干扰频谱的分界点，定义增益函数Γ(L)；

L＝1，2，3…N；顺序搜索序列Γ(L)，L＝1，2，3…N，找到使得Γ(L)最大的L_opt，即max(Γ(L))＝Γ(L_opt)，则L_opt即为阶跃点；找到阶跃点之后，在序列Γ(L)中，Γ(L_opt)...Γ(N)即为干扰信号的频谱X₂(n₂)；Γ(1)...Γ(L_opt)即为传输信号的频谱X₁(n₁)；而这样传输信号和干扰信号在频谱上被区分开来。

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