CN105429718A - 基于多并发的无线频谱监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多并发的无线频谱监测方法，主要解决当前频谱监测系统中接收机只能支持与客户端单向连接，不支持多客户端向接收机同时发送命令，并且当前频谱分析方法要能够真实的反应出复杂的频谱态势越来越艰难的问题。其实现步骤为：(1)基于libevent框架，搭建支持1个主线程和4个工作线程的多并发服务器；(2)构建监测系统；(3)配置任务参数；(4)接收机进行数据采集；(5)多并发服务器采用插值法中的Multiquadric方法对接收机传输的频谱数据进行模拟；(6)通过颜色映射绘制频谱态势图。通过上述方案，本发明达到了操作简单，实施方便，安全可靠的目的，具有很高的使用价值和推广价值。

Description

基于多并发的无线频谱监测方法

技术领域

本发明涉及无线电通信领域，尤其涉及一种频谱监测方法，可用于对有限点强电磁环境的监测。

背景技术

无线频谱是一种有限的、可以重复利用的自然资源，同时也是宝贵的战略资源。随着无线通信技术的发展和人们对无线电通信业务需求的不断增长，电磁环境日趋复杂，频谱资源的管理工作也越来越重要。

常见的网络化小型频谱监测系统包括接收机与客户端，接收机收到客户端发送的命令后，依次进行命令解析，命令执行和数据采集。而客户端只能等待接收机将采集到的数据回传，在该频谱监测系统中接收机只能支持与客户端单向连接，不支持多客户端向接收机同时发送命令，即不具有并发性。

随着电磁环境越来越复杂，并且考虑到建立当前监测区域的空间传播损耗需要大量的测试数据来建模，而且这个模型对于当前区域的电磁环境相当敏感，要能够真实的反应出当前的电磁频谱态势越来越艰难。

综上所述，当前的监测频谱态势的方法在并发性和处理有限点的场强方面都有点欠缺。

发明内容

本发明的目的针对上述已有技术的不足，提出一种基于多并发的无线频谱监测方法，以提高无线频谱监测的并发性，以及在有限点场强下反映出当前电磁频谱态势的真实性。

本发明的技术方案是：通过并发服务器来支持多客户端向接收机发送不同的命令，使得多个频谱监测任务同时执行；利用监测区域中有限点的场强通过插值法中的Multiquadric方法得到监测区域的中任意一点的场强。其实现步骤包括如下：

(1)基于libevent框架，搭建支持1个主线程和4个工作线程的多并发服务器；

(2)将6个天线、6个接收机和客户端依次相连构成一个监测系统，并将该系统与多并发服务器相连，其中前3个天线固定在监测区域内，分别安置在3个不同的位置x_j，这3个天线所在位置接收到电场强度F(x_j)各不相同，j＝1,2,3，后3个天线随机分布在监测区域内，且可随意移动，后3个天线所在位置x_i接收到的电场强度为F(x_i)也各不相同，i＝4,5,6；

(3)在本地控制计算机上通过客户端向接收机配置任务参数，任务参数包括扫描参数、信号识别参数和数据回传时间间隔；

(4)给监测系统供电，使接收机正常工作，接收机根据分配的任务参数执行监测任务，即通过天线将接收的频谱数据实时传递给接收机，接收机在数据回传时间间隔内将收集到的频谱数据传递给多并发服务器；

(5)多并发服务器采用插值法中的Multiquadric方法对接收机传输的电磁频谱数据进行模拟，将模拟后的信号数据进行存储，并传递给客户端；

(6)客户端接收信号数据后，通过颜色映射方法在界面中绘制出频谱态势，并在地图中显示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:

1)本发明中使用了libevent框架，基于此框架，可以轻松设计出多并发服务器，通过多线程技术与此框架的结合，不同的接收机可以执行不同上位机发送的不同命令，从来提高了计算机资源的利用率和频谱监测的智能化。

2)本发明由于使用数值分析中的插值法Multiquadric方法，通过监测区域中有限的点的场强，来插值得到监测区域的任意一点的场强，可清楚反映电磁频谱态势，即使电磁环境越来越复杂，或者当前监测区域的空间存在严重损耗，或有一定的误差，也不会妨碍能够真实地反映出当前的电磁频谱态势。

3)本发明操作简单，实施方便，安全可靠，符合实际需求，适合大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中的服务器并发子流程图；

图3是本发明的功能主界面图；

图4是本发明态势地图展示效果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，基于libevent框架，搭建支持1个主线程和4个工作线程的多并发服务器

libevent框架是指一个事件触发的网络库，该库内部使用select、epoll、kqueue、IOCP系统调用管理事件机制。

利用服务器内部使用的libevent框架，在一个线程池内设置4个工作线程，构成多并发服务器，该服务器可同时为多个客户端服务，如图2所示。不同的客户端可以同时向接收机发送不同的命令，而不会阻塞，多并发服务器会把不同的命令通过不同的线程对命令进行解析，然后发送给接收机。

步骤2，构建监测系统

将6个天线、6个接收机和客户端依次相连构成一个监测系统，并将该系统与多并发服务器相连，其中前3个天线固定在监测区域内，分别安置在3个不同的位置x_j，这3个天线所在位置接收到电场强度F(x_j)各不相同，j＝1,2,3，后3个天线随机分布在监测区域内，且可随意移动，后3个天线所在位置x_i接收到的电场强度为F(x_i)也各不相同，i＝4,5,6。

步骤3，配置任务参数

在本地控制计算机上通过客户端向接收机配置任务参数，该任务参数包括扫描参数、信号识别参数和数据回传时间间隔。如图3所示，接收机所在的位置为西安电子科技大学北校区的阶梯教室，西大楼，老科技楼，主楼，新科技楼，96号楼等。

步骤4，接收机进行数据采集

给监测系统供电，使接收机正常工作，天线将接收该区域内符合客户端配置的扫描参数要求的信号，并将接收到的信号传递给接收机，接收机将保存天线传递的信号，并在数据回传时间间隔内将收集到的数据传递给多并发服务器。

步骤5，多并发服务器采用插值法中的Multiquadric方法对接收机传输的电磁频谱数据进行模拟

(5a)在单自变量的情况下，选用差值函数如下：

$F\left(x\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_j{\[{(x-x_j)}^2+c^2\]}^{1/2}$

其中x_j是固定在监测区域内不同天线的位置，a_j表示方程系数，通过解联立方程组可得，x是方程未知变量，n为固定的天线的数量，c表示任意常数，但大量的计算表明，如果相对于数据点之间的距离，c的取值过大，则会导致病态的系数矩阵，影响了求解，在大多数情况下，c取值小些则结果较好，本实例中取c为2；

(5b)将后3个天线所在位置x_i和其对应的电磁强度为F(x_i)代入上式，得一组联立方程：

$\left\{\begin{array}{c}F\left(x_4\right)=a_1{\[{\left(x_4-x_1\right)}^2+4\]}^{1/2}+a_2{\[{\left(x_4-x_2\right)}^2+4\]}^{1/2}+a_3{\[{\left(x_4-x_3\right)}^2+4\]}^{1/2}\\ F\left(x_5\right)=a_1{\[{\left(x_5-x_1\right)}^2+4\]}^{1/2}+a_2{\[{\left(x_5-x_2\right)}^2+4\]}^{1/2}+a_3{\[{\left(x_5-x_3\right)}^2+4\]}^{1/2}\\ F\left(x_6\right)=a_1{\[{\left(x_6-x_1\right)}^2+4\]}^{1/2}+a_2{\[{\left(x_6-x_2\right)}^2+4\]}^{1/2}+a_3{\[{\left(x_6-x_3\right)}^2+4\]}^{1/2}\end{array}\right.$

求解此联立方程组，即可求出方程系数a₁,a₂,a₃的值；

(5c)通过求解到的方程系数，得到天线所在区域中任意点位置的场强值：

F(x)＝a₁[(x-x₁)²+4]^1/2+a₂[(x-x₂)²+4]^1/2+a₃[(x-x₃)²+4]^1/2。

步骤6，通过颜色映射绘制频谱态势图

通过颜色映射，将经过处理的原始数据转化为可供绘制的几何图素和属性，即综合运用颜色、透明度、形状以及其他属性表示出科学数据中人们感兴趣的性质和特点，以最有效的图形表示形式来揭示数据中隐含的各种现象和规律。为空间点的属性值映射包含颜色的特征值，通过调整颜色可以使不同的属性特征得到突出的表现。通常使用RGB模式表示颜色，其中R,G,B分别代表红，绿，蓝三原色，称为alpha值。其映射过程如下：

(6a)制作一个与节点对应的颜色信息RGB分量表，即每个节点是由不同的RGB分量值构成，其中R的取值范围为0.0～1.0，G的取值范围为0.0～1.0,B的取值范围为0.0～1.0；

(6b)将步骤(5)模拟处理后的电磁频谱数据转化为R,G,B分量,并在RGB分量表中查到对应的节点，在界面中显示该节点颜色；

(6c)逐步将整个区域内每个点的数据都经过颜色映射方法处理，从RGB分量表中得出这些对应的节点，实现在地图上显示频谱的态势结果，如图4所示；图4通过颜色的深浅显示频谱分布规律，具有更强的频谱分辨能力。

Claims (5)

1.基于多并发的无线频谱监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于libevent框架，搭建支持1个主线程和4个工作线程的多并发服务器；

(2)将6个天线、6个接收机和客户端依次相连构成一个监测系统，并将该系统与多并发服务器相连，其中前3个天线固定在监测区域内，分别安置在3个不同的位置x_j，这3个天线所在位置接收到信号强度F(x_j)各不相同，j＝1,2,3，后3个天线随机分布在监测区域内，且可随意移动，后3个天线所在位置x_i接收到的信号强度为F(x_i)也各不相同，i＝4,5,6；

(3)在本地控制计算机上通过客户端向接收机配置任务参数，任务参数包括扫描参数、信号识别参数和数据回传时间间隔；

(4)给监测系统供电，使接收机正常工作，接收机根据分配的任务参数执行监测任务，即通过天线将接收的频谱数据实时传递给接收机，接收机在数据回传时间间隔内将收集到的频谱数据传递给多并发服务器；

(5)多并发服务器采用插值法中的Multiquadric方法对接收机传输的频谱数据进行模拟，将模拟后的信号数据进行存储，并传递给客户端；

(6)客户端接收信号数据后，通过颜色映射方法在界面中绘制出频谱态势，并在地图中显示。

2.根据权利要求1所述的基于多并发的无线频谱监测方法，其特征在于，步骤(1)中的libevent框架，是指一个事件触发的网络库，该库内部使用select、epoll、kqueue、IOCP系统调用管理事件机制，支持多线程编程。

3.根据权利要求1所述的基于多并发的无线频谱监测方法，其特征在于，步骤(1)中搭建支持1个主线程和4个工作线程的多并发服务器，是利用服务器内部使用的libevent框架，在一个线程池内设置4个工作线程，以同时为多个客户端服务。

4.根据权利要求1所述的基于多并发的无线频谱监测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，多并发服务器采用插值法中的Multiquadric方法对接收机采集到的电磁频谱数据进行模拟处理，按如下步骤进行:

4(a)在单自变量的情况下，选用差值函数如下：

其中x_j是固定在监测区域内不同天线的位置，a_j表示系数，c表示任意常数，本实例c取值2，x是变量，n为固定的天线的数量；

4(b)将后3个天线所在位置x_i和其对应的信号强度F(x_i)代入上式，得一组联立方程：

求解此组联立方程，即可求出系数a₁,a₂,a₃；

4(c)通过求解到的系数，得到天线所在区域中任意点位置的信号强度值：

F(x)＝a₁[(x-x₁)²+4]^1/2+a₂[(x-x₂)²+4]^1/2+a₃[(x-x₃)²+4]^1/2。

5.根据权利要求1所述的基于多并发的无线频谱监测方法，其特征在于，步骤(6)中客户端接收信号数据后，通过颜色映射方法在界面中显示出频谱态势结果，按如下步骤进行：

(5a)制作一个与节点对应的颜色信息RGB分量表，即每个节点是由不同的RGB分量值构成，其中，R,G,B分别代表红、绿、蓝三原色分量，R,G,B的取值范围分别为0.0～1.0，0.0～1.0，0.0～1.0；

(5b)将步骤(5)模拟处理后的频谱数据转化为R,G,B分量,并在RGB分量表中查到对应的节点，在界面中显示该节点颜色，颜色的深浅更能显示频谱分布规律，具有更强频谱的分辨能力，从而地图上显示频谱态势结果。