CN105375995B - 一种智能无线频谱在线监测的系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能无线频谱在线监测的系统及其实现方法，该系统包括无线频谱精细化网格监测分系统、无线通信网络分系统和频谱智能频谱在线管理平台。所述无线频谱精细化网格监测分系统主要由频谱感知模块和监测控制模块两部分构成。该系统所述无线通信网络采用WiFi和3G网络，智能天线感知模块会根据用户当前所处的网络环境，自动智能的选择最优的无线传输网络，即可以在两种无线信道之间进行自动切换。所述频谱智能频谱在线管理平台由数据库服务器、Web服务器和数据处理服务器组成，采用基于B/S的MVC三层架构模式，支持Web管理，登录平台有两个入口，分别为用户登录和管理员登录。

Description

一种智能无线频谱在线监测的系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种智能无线频谱在线监测的系统及其实现方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着社会的不断发展，数字城市、云计算、物联网及移动互联网技术正在不断成熟，同时伴随着许多城市的无线电管理普遍面临着无线电业务种类繁多、频谱资源紧张、电磁环境日益复杂的局面，如何有效提升无线电频谱资源的使用效率，已成为当前和今后无线电管理工作的一个重点和难点。

传统的频谱资源管理采用固定的频谱分配模式：将大部分频段作为授权频段，让授权用户在给定区域内对该频段具有长期的绝对排他使用权；同时，保留一些非授权频段，允许非授权竞争使用。但是研究表明，仅有一小部分授权频谱被充分利用，而大部分未授权频谱的使用却非常拥挤。因此，新的无线通信技术和无线业务面临频谱稀缺问题和分配频段利用率低的共存局面。在这种情况下，需要一种低成本的频谱监测和管理方案，实现监测及管理工作的精细化、规范化、科学化，使无线电监测水平方面得以全面提升。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决了室内复杂电磁环境的微小区域精细化测量的问题，提出了一种智能无线频谱在线监测的系统及其实现方法，该系统针对这种局部地区进行频谱资源使用的检测，在一定区域密集布置传感器，形成网格化网络，通过更近的距离抵消更高载频和更宽带宽对无线频谱监测带来的影响，对物联网的频谱应用状态进行监测和管理，以满足用户对频谱使用局部细化的要求，进一步提升频谱利用效率。智能无线频谱在线监测系统，可提供基于本地地理信息系统支撑的频点分布图，便于用户查询使用环境内的频率资源分布数据状况。同时该平台可以对数据实现实时更新，以满足用户对实时数据查询的需求，从而获取需要的频点，此外该指导平台可对历史数据进行查询，便于相关管理部门对某一地区频谱资源使用情况进行统计分析，从而进行合理的布局与决策。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种智能无线频谱在线监测系统，该系统包括无线频谱精细化网格监测分系统、无线通信网络分系统和频谱智能频谱在线管理平台；所述频谱精细化网格监测系统将采集到的频谱数据通过无线通信网络把这些数据发送到频谱智能频谱在线管理平台，该频谱智能频谱在线管理平台为用户提供查看所需地的频谱资源使用情况，从而提高频谱利用效率。

本发明所述无线频谱精细化网格监测分系统的功能是：采集不同区域的频谱数据，并对各个区域内频谱监测传感器节点采集过来的数据，通过网络传输将数据汇总到控制中心，并完成对数据相关性的技术分析处理，最后通过无线网络把这些数据发送到频谱智能频谱在线管理平台。

本发明所述无线通信网络分系统的功能是：无线频谱精细化网格监测系统处理后的数据通过其传输到频谱智能频谱在线管理平台。本发明提供了两种无线通信网络，分别为WiFi和3G。频谱监测传感器节点可以通过检测信号的强度来选择最优的通信网络。

本发明所述频谱智能频谱在线管理平台的功能是：接收频谱数据，并且对其进行分析、处理和存储。当某一处场强值超过了规定的门限，则启动报警程序。还支持Web管理，用户可以登录平台，查看某一地点的频谱监测数据，如频率范围、占用的频点、占用频点的设备等数据，并且能够根据用户自身需求，如手机、对讲机、PC等向相关管理部门提出频谱资源申请。

本发明所述无线频谱精细化网格监测分系统由频谱感知模块和监测控制模块两部分构成，其中频谱感知模块分为频谱收发器模块、频谱监测汇聚节点和ZigBee模块，监测控制模块内有定位装置和数据处理模块；监测控制模块内有定位装置、数据处理模块、系统控制模块和网络控制模块。

本发明所述定位装置的物理定位技术非常丰富：在室外环境，主要利用卫星定位技术确定用户在空间中的绝对位置，其中广泛使用GPS定位精度可达3-5米；在室内环境，则主要使用蓝牙、WLAN或超宽带等无线信号进行智能室内定位，其中WLAN定位技术的RADAR系统通过匹配用户所在位置的信号特征来确定其位置，定位精度可达5米。物理位置描述了用户的绝对空间坐标，但难以被位置服务理解和使用。为此，本发明提出了通过语义位置信息来定位，语义位置可以通过多种方式得到。如通过检测用户在特定位置的活动规律，并结合用户的地址薄推断出该位置的语义信息。

本发明所述频谱监测传感器节点通过蓝牙和ZigBee等近距离无线连接技术将各个节点连接起来，采集频谱数据并上传到主节点，由主节点的分析、处理和汇总这些频谱数据，最后通过无线通信单元把数据上传发送到上层的平台数据。

本发明所述的无线通信网络采用WiFi和3G网络，频谱监测传感器节点会根据用户当前所处的网络环境，自动智能的选择最优的无线传输网络，既可以在两种无线信道之间进行自动切换。比如：如果用户在室内，WiFi网络信号很好的情况下，频谱监测传感器的无线通信单元会切换到WiFi模式；如果用户出门在外，周围没有WiFi，那么频谱监测传感器的无线通信单元会切换到3G模式下。

本发明所述的频谱智能频谱在线管理平台由数据库服务器、Web服务器和数据处理服务器组成。所述数据库服务器采用MySQL数据库，因其体积小、速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点。所述Web服务器采用Apache服务器，因其快速、可靠、跨平台和良好的安全性被广泛使用。所述数据处理服务器接受感知设备传输过来的数据，进行分析处理。同时利用数据挖掘技术，对用户的频谱使用类型以及概率进行有效的分类预测。

本发明所述的频谱智能频谱在线管理平台的数据处理服务器采用了分布式构建决策树的ID3算法，该算法对海量频谱数据进行数据挖掘，对不同时间和地点的频率、场强大小进行分类统计，它是一种基于现有流行的云计算平台，使用MapReduce分布式框架设计的分布式算法。

本发明所述频谱智能频谱在线管理平台采用基于B/S的MVC三层架构模式，支持Web管理，登录频谱智能频谱在线管理平台有两个入口，分别为用户登录和管理员登录。

用户登录后，可以使用频谱智能频谱在线管理平台提供的以下功能，包括：

1)频谱信息查询：用户可以根据需要查询所需地区的频谱资源使用情况，以便申请所需的频谱资源；

2)频谱评估：平台可以通过对长时间持续收集的频谱信息(如频点、场强等)进行频谱使用情况的数据挖掘，以提取其中有效的数据信息，全面评估特定地区当前频谱资源情况；

3)使用建议：管理员登录管理员系统,根据用户的检测记录,对用户进行资源使用评估,给用户发送频谱报告,从而让用户可以选择适合自己的频谱资源；

4)管理员咨询：平台的网页页面提供了直接与管理员进行沟通的入口，通过该入口用户可以向管理员咨询相关的频谱资源申请问题。

管理员登录后，频谱智能频谱在线管理平台会提供以下功能，包括：

1)用户信息查询：管理员可以查看用户的相关信息，还可以输入关键字以提取某个用户、某个时间段或某个频点的数据，也可以根据不同的区域对用户进行分类，以便对用户使用频谱资源提供指导；

2)发送频谱报告：平台提供了若干种频谱报告的模板，管理员可以对它们进行填写和修改。管理员可以根据频谱监测节点监测到的数据,对特定区域的频谱资源进行评估,给用户发送频谱报告，以帮助用户了解该地区的频谱使用状况；

3)用户沟通：平台的网页页面提供了直接与用户进行沟通的入口，通过该入口管理员可以回答用户提出问题，同时也可以了解用户近期的频谱使用状况，能对用户使用频谱资源保持持续的关注，可以帮助指导他们合理的选择频点和使用频点的设备。

本发明还提供了一种智能无线频谱在线监测的系统的实现方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：频谱监管部门在所需监管的区域布置频谱监测节点；

步骤2：频谱监测传感器节点实时采集频谱数据，将这些数据送至频谱监测传感器中心节点，并对其进行分析处理；

步骤3：频谱监测传感器中心节点判断所处的网络环境，进行通信网络选择；

步骤4：频谱监测传感器中心节点把频谱数据和用户的位置信息通过无线网络发送到智能频谱在线监测平台；

步骤5：平台对这些数据进行分析，如果某一项频谱数据指标发生异常，就会通知管理员，如果正常就把这些数据存储到后台数据库；

步骤6：用户可以登录平台的网页，查看过去和最新的频谱数据，并且可以向管理员咨询频谱申请的问题；

步骤7：平台对海量频谱数据进行挖掘，以便对特定区域的频谱资源使用情况进行统计和预测，从而更好的对该地区的频谱资源进行布局决策。

本发明所述方法的平台为频谱智能频谱在线管理平台。

有益效果：

1、本发明能够实现对不同的用户个性化的无线频谱资源的使用提供各项相关的线上线下服务，无线频谱使用在线咨询指导平台可以嵌入本地的地理信息系统，提供基于本地地理信息系统支撑的频点分布图，以方便用户按使用区域实时查询频点使用情况。

2、本发明可以利用检测到的数据生成相应区域无线资源的网格化分布和组建无线资源频谱池。以满足用户对频谱使用局部细化的要求，进一步提升频谱利用效率。

3、本发明在线咨询指导平台将频谱资源以时间、地点和频点的三维动态实时监测图形，可以方便用户根据需要使用频谱资源。同时，该平台也可为当地政府服务统计当地频率资源使用状态；为运营商提供网络布局决策。

4、本发明使用方便，界面友好，对用户的培训成本低。由于智能无线频谱在线监测平台采用基于B/S的架构模式，支持Web管理，具有分布性特点，可以随时随地进行查询和浏览。只要是会正常上网的人员，都能在很短的时间内熟悉对平台页面的操作与交互，非常方便用户学习。

5、本发明减少了乒乓效应，降低切换阻塞率及切换延时，实现同构、异构网络的无缝切换，提高了网络间切换的效率。

6、本发明能够高效地构建决策树，快速有效地完成医疗系统中的预测工作，具有很好的高效性和可扩展性，有效地处理了大规模频谱数据。

附图说明

图1为本发明的系统整体结构图。

图2为本发明的频谱监测控制模块结构图。

图3为本发明的3G网络和WiFi网络之间切换的流程图。

图4为本发明的提供给用户的功能示意图。

图5为本发明的提供给管理员的功能示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

本发明的系统的用户能通过手机或电脑等只要是能用浏览器的终端，随时随地获得任意时间、任意地点的频谱使用状况信息，并可以根据自身所处的环境向管理员进行咨询。同时平台提供了先进的数据挖掘技术，可以根据日常采集的各种频谱数据进行隐藏的数据挖掘，能够对某地区的频点使用情况以及概率进行有效的分析，快速有效的完成频谱监测系统中的预测工作，有利于用户对频谱资源的了解，减少不合理利用频谱资源的情况，最终还可以有效的提高对频谱资源的利用率。

如图1所示，本发明提供了一种智能无线频谱在线监测的系统，该系统包括无线频谱精细化网格监测分系统、无线通信网络分系统和智能频谱在线管理平台。无线频谱精细化网格监测系统负责采集所在地的频谱数据，并通过无线通信网络把这些数据发送到智能频谱在线管理平台，平台为用户提供频谱资源的查看、咨询和申请等服务。

无线频谱精细化网格监测分系统由频谱感知模块和监测控制模块两部分构成，如图2所示，其中频谱感知模块分为频谱收发器模块、频谱监测汇聚节点和ZigBee模块，监测控制模块内有定位装置、数据处理模块、系统控制模块和网络控制模块。频谱感知模块即为一个小的频谱监测节点，这些频谱监测节点按照精细化网格频谱监测的理论分别被布置在不同的区域，其分布需要根据实际频谱使用密度和地理情况等因素精心设计，每个节点将对应区域内的频谱捕获数据经过处理，根据给定时间间隔发送至频谱监测汇聚节点，由主模块对数据进行分析、处理和汇总，最后通过无线通信单元把数据上传发送到上层的平台数据库。

无线通信网络采用WiFi和3G网络，频谱监测汇聚节点会根据用户当前的环境，自动智能的选择最优的无线传输网络，即可以在两种无线信道之间进行自动切换。比如：如果用户在室内，WiFi网络信号很好的情况下，频谱监测传感器的无线通信单元会切换到WiFi模式；如果用户出门在外，周围没有WiFi，那么频谱监测传感器的无线通信单元会切换到3G模式下。

智能频谱在线管理平台如图1所述，由数据库服务器、Web服务器和数据处理服务器组成。所述数据库服务器采用MySQL数据库，因其体积小、速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点。所述Web服务器采用Apache服务器，因其快速、可靠、跨平台和良好的安全性被广泛使用。所述数据处理服务器接收频谱监测汇聚节点传输过来的数据，进行分析处理，再不要说我情况下发出报警信息。同时利用数据挖掘技术，对特定区域或者用户所使用的通信设备以及概率进行有效的分类预测。

智能频谱在线管理平台采用基于B/S的MVC三层架构模式，支持Web管理，登录平台有两个入口，分别为用户登录和管理员登录。常用的登录设备有笔记本电脑、台式机、智能手机，只要是能安装浏览器的设备，都能随时随地登录平台页面，与平台进行交互。

图3为3G网络和WiFi网络之间切换的流程图，本发明使用基于位置信息的水平切换和垂直切换算法，由移动速度及方向角信息，区分切换类型，设置可变入界、出界距离，并以接收信号强度值辅助比较判决切换，减少了乒乓效应，降低切换阻塞率及切换延时，实现同构、异构网络的无缝切换，能提高网络间切换的效率。否则极易造成切换效率低下，信令开销大，无线资源浪费等等。当在两种异构网络中进行切换处理时，可根据不同的切换场景采取不同的切换策略，区分切换类型。

在WiFi热点覆盖区域和3G蜂窝网络大范围覆盖的情况下，腕式感知器可能处于以下几种模式：从3G网络进入某WiFi网络，简称“In”模式。从WiFi网络切换到3G网络，简称“Out”模式。从3G网络穿越WiFi网络并回到原3G网络，简称“Pass”模式。

图4为平台提供给用户的功能示意图，用户可以与平台进行交互操作，具体如下：

1)用户通过浏览器打开登录界面login.php，输入账号、密码信息，点击“登录”按钮，则会提交到平台的Web服务器，Web服务器中的动态页面loginController.php会到MySQL数据库服务器进行查询验证，如果验证匹配成功则跳转到交互界面。否则，会停留在登录界面，并且有红字提示错误原因，如密码错误、验证码错误等。

2)如果用户没有账号，则可以在登录界面点击“注册”按钮，页面转到register.php，填写账号、邮箱、密码及确认密码信息，点击“提交”进行注册。用户注册成功后提供“返回”按钮，返回到登录界面进行登录；如果用户忘记密码，则可以点击登录界面的“找回密码”超链接，页面跳转到forget.php，填写账号、邮箱等密保信息，再输入新密码，点击“提交”按钮，就可以重置密码。

3)进入交互界面main.php，用户就可以使用平台提供的功能了。用户可以进入个人中心，查看或更新姓名，年龄，紧急联系人的电话号码等个人信息、进行修改密码的操作。

4)用户可以进入频谱中心页面，该页面是查看各个频谱数据的入口，可以选择频点、地点、场强等，就可以随时随地查看所需地区的相应的频谱资源使用情况的最新的和历史数据，如果超出预设的阈值，则会以红色标出，便于分析和查看。除了以表格显示某时某刻的数据外，平台还提供了直观的三维动态图形显示频谱数据，用户可以一目了然的看到空间任意一点的场强大小。

5)用户可以进入管理员页面，在该页面用户可以向管理员进行咨询相关频谱资源申请方面的问题，并且该页面也提供了频谱报告查询功能，用户可以根据需要查询频谱报告。管理员根据用户的需求进行评估，给用户发送特定地区申请频谱相应的法律法规。

图5为平台提供给管理员的功能示意图，管理员系统有三个功能模块：频点使用法规、频谱报告和个人信息管理模块，管理员可以与平台进行交互操作，具体如下：

1)在平台用户模块，管理员可以查看用户的频谱信息、接受用户的咨询，以便能更好的了解用户目前所处的环境，对其给予使用哪个频点和通信设备等方面提出建议，并且可以随时解答用户的疑惑，帮助他们合理使用频谱资源。

2)在频谱报告模块，管理员可以对特定地区、特定环境进行频谱评估，根据对监测节点的发送过来的数据记录编辑频谱报告，并且发送给所需的用户。管理员还可以对平台提供的现有的频谱报道模板进行管理，进行增删改查的操作，以便对不同的地区不同的用户指定频谱报告模板。管理员也可以查看发送过的历史报告，对其进行更新、修改。

3)在个人信息管理模块，管理员可以管理自己的个人信息，平台提供个人信息查看和修改功能，并且还提供登录密码修改功能。

管理员除了可以查看平台监测的频谱数据外，还可以得到平台的数据处理服务器对海量频谱数据进行数据挖掘的结果，以便对特定区域或者用户所使用的通信设备以及概率进行有效的分类预测。本发明采用了分布式构建决策树的ID3算法，可以高效地构建决策树，快速有效地完成频谱管理系统中的预测工作。该算法是基于现有流行的云计算平台，使用MapReduce分布式框架设计的分布式算法。运行环境是一个6个节点组成的Hadoop集群，各个节点的硬件配置完全相同，每一个含有2.13GHz Intel处理器，16G内存，各个节点运行CentOS Linux操作系统。该算法从数据库服务器中随机抽取n组数据，这些数据的记录为特定区域的频谱信息。该算法具有很好的高效性和可扩展性，能够有效地处理大规模频谱数据。

Claims (1)

1.一种智能无线频谱在线监测系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：频谱监管部门在所需监管的区域布置频谱监测节点；

步骤2：频谱监测节点实时采集频谱数据，将这些数据送至频谱监测汇聚节点，并对其进行分析处理；

步骤3：频谱监测汇聚节点判断所处的网络环境，进行通信网络选择；

步骤4：频谱监测汇聚节点把频谱数据和用户的位置信息通过通信网络发送到智能频谱在线监测平台；

步骤5：智能频谱在线监测平台对这些数据进行分析，如果某一项频谱数据指标发生异常，就会通知管理员，如果正常就把这些数据存储到后台数据库；

步骤6：用户可以登录智能频谱在线监测平台的网页，查看过去和最新的频谱数据，并且向管理员咨询频谱申请的问题；

步骤7：智能频谱在线监测平台对海量频谱数据进行挖掘，以便对特定区域的频谱资源使用情况进行统计和预测，从而对本地区的频谱资源进行布局决策；

智能无线频谱在线监测系统包括无线频谱精细化网格监测分系统、通信网络分系统和智能频谱在线监测平台；所述频谱精细化网格监测系统将采集到的频谱数据通过通信网络把这些数据发送到智能频谱在线监测平台，所述智能频谱在线监测平台为用户提供查看所需地的频谱资源使用情况；

无线频谱精细化网格监测分系统由频谱感知模块和监测控制模块两部分构成，频谱感知模块分为频谱收发器模块和ZigBee模块，监测控制模块内有定位装置、数据处理模块、系统控制模块和网络控制模块，频谱感知模块即为一个小的频谱监测节点，根据实际频谱使用密度和地理情况因素,将这些频谱监测节点按照精细化网格频谱监测的理论分别布置在不同的区域，每个频谱监测节点将对应区域内的频谱捕获数据经过处理，根据给定时间间隔发送至频谱监测汇聚节点，由主模块对数据进行分析、处理和汇总，最后通过通信网络把数据上传发送到智能频谱在线监测平台数据库；

所述通信网络分系统采用WiFi和3G网络，频谱监测汇聚节点会根据用户当前所处的网络环境，自动智能地选择最优的通信网络，即在两种无线信道之间进行自动切换；

所述智能频谱在线监测平台由数据库服务器、Web服务器和数据处理服务器组成，采用基于B/S的MVC三层架构模式，支持Web管理，登录智能频谱在线监测平台有两个入口，分别为用户登录和管理员登录；

所述的WiFi和3G网络之间自动智能地切换，使用基于位置信息的水平切换和垂直切换算法，由移动速度及方向角信息，区分切换类型，设置可变入界、出界距离，并以接收信号强度值辅助比较判决切换；

所述数据库服务器采用MySQL数据库；所述Web服务器采用Apache服务器；所述数据处理服务器接受频谱监测汇聚节点传输过来的数据，进行分析处理，同时利用数据挖掘技术，对用户的频谱使用类型以及概率进行分类预测；

所述的智能频谱在线监测平台的数据处理服务器采用了分布式构建决策树的ID3算法，该算法使用MapReduce分布式框架设计，对不同时间和地点的频率、场强大小进行分类统计；

用户登录智能频谱在线监测平台后实现的功能包括：频谱信息查询、频谱评估、使用建议、管理员咨询；管理员登录智能频谱在线监测平台后实现的功能包括：用户信息查询、发送频谱报告、用户沟通；所述的智能无线频谱在线监测系统为提供基于本地地理信息系统支撑的频点分布图，清晰直观，用户查询使用环境内的频率资源分布数据状况，同时所述智能频谱在线监测平台对数据实现实时更新，以满足用户对实时数据查询的需求，从而获取需要的频点，此外所述平台可对历史数据进行查询，相关管理部门对某一地区频谱资源使用情况进行统计分析，从而进行布局与决策；

管理员系统有三个功能模块：智能频谱在线监测平台用户模块、频谱报告模块和个人信息管理模块，管理员可以与平台进行交互操作，包括：

1)在智能频谱在线监测平台用户模块，管理员可以查看用户的频谱信息、接受用户的咨询，以便能更好的了解用户目前所处的环境，对其给予使用哪个频点和通信设备方面提出建议，并且可以随时解答用户的疑惑，帮助他们合理使用频谱资源；

2)在频谱报告模块，管理员可以对特定地区、特定环境进行频谱评估，根据对频谱监测节点的发送过来的数据记录编辑频谱报告，并且发送给所需的用户，管理员还可以对智能频谱在线监测平台提供的现有的频谱报道模板进行管理，进行增删改查的操作，以便对不同的地区不同的用户指定频谱报告模板，管理员也可以查看发送过的历史报告，对其进行更新、修改；

3)在个人信息管理模块，管理员可以管理自己的个人信息，智能频谱在线监测平台提供个人信息查看和修改功能，并且还提供登录密码修改功能；

管理员除了可以查看智能频谱在线监测平台监测的频谱数据外，还能得到智能频谱在线监测平台的数据处理服务器对海量频谱数据进行数据挖掘的结果，以便对特定区域或者用户所使用的通信设备以及概率进行有效的分类预测，能高效地构建决策树，快速有效地完成频谱管理系统中的预测工作，该算法是基于云计算的智能频谱在线监测平台，运行环境是一个6个频谱监测节点组成的Hadoop集群，各个频谱监测节点的硬件配置完全相同，每一个含有2.13GHz Intel处理器，16G内存，各个频谱监测节点运行CentOS Linux操作系统，该算法从数据库服务器中随机抽取n组数据，这些数据的记录为特定区域的频谱信息，该算法具有很好的高效性和可扩展性，能够有效地处理大规模频谱数据。