CN109818694A - 一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统及方法，它包括多个用于对监测区域的电磁频谱进行监测的监测节点以及与所述监测节点进行数据交互的控制中心；多个监测节点自组成多跳网络与所述控制中心进行数据交互。通过采用低成本无线自组网传输，实现监测数据向上级控制中心的传输，解决了对传统监测设备对基础设施依耐性较大的问题；能够有效掌握监测区域的电磁频谱环境，监测系统能够对出现的异常信号进行实时告警，快速定位发生区域，缩小排查范围，给监管人员的日常监测带来了便利。

Description

一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电磁频谱监测系统及方法，尤其涉及一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统及方法。

背景技术

我国国土面积大，地广人稀，在省际边界、边境线附近通常缺少电力、网络通信等基础设施，常规的电磁频谱监测设备对基础设施的依赖性较大，不便于安装，影响日常无线电监测工作的正常开展。

通常情况下，对于省际边界缺乏固定监测的地区，无线电干扰的排查是通过人员携带便携式监测设备，采用抵近测量的方式进行确认。对于交通不方便的边远山区，时效性较差，且耗时耗力，若在边远地区安装使用常规监测设备，则需要投入基础设施的建设，周期长，成本较大。如何克服常规设备对基础设施依赖性较大的缺点是现阶段需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统及方法，采用低成本无线自组网传输，实现监测数据向上级控制中心的传输，解决了对传统监测对基础设施依耐性较大的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统，它包括多个用于对监测区域的电磁频谱进行监测的监测节点以及与所述监测节点进行数据交互的控制中心；多个监测节点自组成多跳网络与所述控制中心进行数据交互。

所述的监测节点安装有集成为一体的监测设备，所述的监测设备内集成有接收天线、接收通道、采集处理模块、自组网模块和通信天线；

所述接收天线用于对空间电磁波信号的接收并将电磁波信号转化成所述接收通道可以处理的射频信号；

所述接收通道用于对接收到的射频信号进行频率变换，将高频信号转化为中频信号；

所述采集处理模块用于实现对所述接收通道转化得到的中频信号的采集，并进行分析处理；

所述自组网模块用于将所述采集处理模块传输的信息通过无线自组网络向外发送，以及将所述通信天线接收到外界的信息传输到所述采集处理模块，完成内外信息的传输交互；

所述通信天线用于接收外界的信息并发送到所述自组网模块。

所述的监测节点通过所述自组网模块和所述通信天线与该监测节点相邻的监测节点自组成无线多跳网络。

所述的监测节点包括自主任务和受控任务两种监测模式，所述受控任务监测模式优先级别高于所述自主任务监测模式。

一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，所述的监测方法包括每个监测节点在自主任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测。

每个监测节点在自主任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测之前还需要在监测区域安装集成为一体的监测设备，并通过所述监测设备与相邻监测节点中的监测设备自组成多跳网络与控制中心进行数据交互。

所述的监测设备在自主任务监测模式下的监测策略为：

电磁频谱扫描步骤：监测设备开机后对监测区域进行电磁频谱扫描；

频谱背景建立步骤：在监测设备上建立频谱背景，并同时向控制中心推送频谱数据，直到控制中心完成频谱背景的建立；

频谱数据对比步骤：将实时扫描到的全频段频谱数据与设备上的频谱背景进行对比。

所述的频谱背景建立步骤包括以下具体内容：

设备频谱背景建立：监测设备对周边电磁环境进行快速扫描，快速获取频段内对应频点的电平幅度，监测设备对指定次数快速扫描电平幅度取平均值作为频谱背景；

控制中心频谱背景建立：监测设备对自身建立的频谱背景进行分割成若干个小频段，将每个小频段的起始频点、结束频点、频率步进和对应的一组电平幅度值进行打包推送至控制中心，控制中心根据校验信息确认数据的正确性，若数据错误，则重发对应数据包，控制中心正确接收完所有数据后则完成频谱背景的建立。

所述的频谱数据对比步骤包括以下具体内容：

监测节点在进行快速扫描电磁频谱时，将每个频点的电平幅度值与存储的背景频点电平幅度值进行对比；

如果超过背景频点指定的幅度值则认为该频点电平异常，监测节点主动将告警信息向控制中心进行推送。

所述的监测方法还包括每个监测节点在受控任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测；

所述的监测设备在受控任务监测模式下的监测策略为：

监测设备接收控制中心通过无线自组网发送的指令，并对指令解析后进行参数设置；

对关注的频段和频点进行测量分析，并将测量分析结果缓存到监测设备，同时发送到控制中心进行显示。

本发明的有益效果是：一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统及方法，通过采用低成本无线自组网传输，实现监测数据向上级控制中心的传输，解决了对传统监测对基础设施依耐性较大的问题；能够有效掌握监测区域的电磁频谱环境，监测系统能够对出现的异常信号进行实时告警，快速定位发生区域，缩小排查范围，给监管人员的日常监测带来了便利。

附图说明

图1为监测系统的架构图；

图2为监测设备的原理框图；

图3为自主任务监测模式的流程图；

图4为受控任务监测模式的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

如图1所示，一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统，它包括多个用于对监测区域的电磁频谱进行监测的监测节点以及与所述监测节点进行数据交互的控制中心；多个监测节点自组成多跳网络与所述控制中心进行数据交互。

进一步地，在无线自组网中，因为各监测节点的电磁频谱监测设备的通信覆盖范围有限，因此需要将多个监测节点中的监测设备沿线错开分布布置，以达到对某一区域的监测覆盖保证无线自组网网络的监测全面性；每个监测节点中监测设备的地位平等不分优先级，每个监测节点都具备路由器的功能，进而能够通过多跳网络实现与控制中心的数据交互。

如图2所示，所述的监测节点安装有集成为一体的监测设备，所述的监测设备内集成有接收天线、接收通道、采集处理模块、自组网模块和通信天线；

所述接收天线用于对空间电磁波信号的接收并将电磁波信号转化成所述接收通道可以处理的射频信号；

所述接收通道用对接收到的射频信号进行频率变换，将高频信号转化为中频信号；

所述采集处理模块用于实现对所述接收通道转化得到的中频信号的采集，并进行分析处理；

所述自组网模块用于将所述采集处理模块传输的信息通过无线自组网络向外发送，以及将所述通信天线接收到外界的信息传输到所述采集处理模块，完成内外信息的传输交互；

所述通信天线用于接收外界的信息并发送到所述自组网模块。

进一步地，接收天线为无源的宽带全向天线，采用频率覆盖范围为 20MHz~8000MHz；通信天线为无源天线，电磁频谱检测设备在安装之前，需要考察安装环境周边的电磁频谱资源使用情况，避开可能干扰的频点，设置适合自组网无线传输的频率，先用对应频率增益高的通信天线，使得无线自组网数据的传输达到最佳状态。

进一步地，采集处理模块通过充分开发利用FPGA芯片上的ARM内核，内嵌操作系统，完成对中频信号的采集和分析处理功能，因此电磁频谱监测设备不再需要额外增加嵌入式主板对数据进行分析处理，从而能够降低整机的功耗；而且自组网模块无信息交互时，处于静默状态，也能够有效避免能耗的浪费；通过将所有模块集成到一个监测设备中实现了监测设备的小型化以及低功耗的目的。

所述的监测节点通过所述自组网模块和所述通信天线与该监测节点相邻的监测节点自组成无线多跳网络。

所述的监测节点包括自主任务和受控任务两种监测模式，所述受控任务监测模式优先级别高于所述自主任务监测模式。

进一步地，自主任务监测模式适合对一个长期稳定的电磁频谱环境进行监测；受控任务监测模式则根据控制中心指令对关注的频段和频点进行测量，将测量结果进行上报；而对于长期用于电磁频谱环境的监测应用，电磁频谱背景较为稳定，通常依次获取频谱数据后便可长期使用，只有在异常情况下，电磁频谱背景才有变化；因此，为了充分利用无线自组网的传输带宽以及数据时效性，每个监测节点的监测设备长期处于自主任务监测模式下。

实施例2

一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，所述的监测方法包括每个监测节点在自主任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测。

每个监测节点在自主任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测之前还需要在监测区域安装集成为一体的监测设备，并通过所述监测设备与相邻监测节点中的监测设备自组成多跳网络与控制中心进行数据交互。

如图3所示，所述的监测设备在自主任务监测模式下的监测策略为：

电磁频谱扫描步骤：监测设备开机后对监测区域进行电磁频谱扫描；

频谱背景建立步骤：在监测设备上建立频谱背景，并同时向控制中心推送频谱数据，直到控制中心完成频谱背景的建立；

频谱数据对比步骤：将实时扫描到的全频段频谱数据与设备上的频谱背景进行对比。

进一步地，在扫描过程中，对接收的无线电波信号按小时进行统计（频率、调制样式、带宽、出现时间、结束时间、出现次数等），生成统计报表，发送至控制中心。在自主任务监测模式下，数据传输量小，带宽要求不高，网络带宽不超过10kB/s便可以正常运行，适合自组网模式使用。

所述的频谱背景建立步骤包括以下具体内容：

设备频谱背景建立：监测设备对周边电磁环境进行快速扫描，快速获取频段内对应频点的电平幅度，监测设备对指定次数快速扫描电平幅度取平均值作为频谱背景；其中，扫描电平幅度指定次数的数量根据具体电磁环境而定；

控制中心频谱背景建立：监测设备对自身建立的频谱背景进行分割成若干个小频段，将每个小频段的起始频点、结束频点、频率步进和对应的一组电平幅度值进行打包推送至控制中心，控制中心根据校验信息确认数据的正确性，若数据错误，则重发对应数据包，控制中心正确接收完所有数据后则完成频谱背景的建立。

所述的频谱数据对比步骤包括以下具体内容：

监测节点在进行快速扫描电磁频谱时，将每个频点的电平幅度值与存储的背景频点电平幅度值进行对比；

如果超过背景频点指定的幅度值（如10dB）则认为该频点电平异常，监测节点主动将告警信息向控制中心进行推送。

所述的监测方法还包括每个监测节点在受控任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测；

如图4所示，所述的监测设备在受控任务监测模式下的监测策略为：

监测设备接收控制中心通过无线自组网发送的指令，并对指令解析后进行参数设置；

对关注的频段和频点进行测量分析，并将测量分析结果缓存到监测设备，同时发送到控制中心进行显示。

其中，对异常信号区域快速定位的步骤如下：

控制中心根据异常信号告警信息获取监测节点位置，由异常信号使用频点选取典型通信设备，控制中心根据异常信号电平幅度自动预测可疑区域；

同时可选取周边数个监测节点测量异常信号电平幅度，多个疑似范围交叉区域则为异常信号缩小后的定位区域。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统，其特征在于：它包括多个用于对监测区域的电磁频谱进行监测的监测节点以及与所述监测节点进行数据交互的控制中心；多个监测节点自组成多跳网络与所述控制中心进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统，其特征在于：所述的监测节点安装有集成为一体的监测设备，所述的监测设备内集成有接收天线、接收通道、采集处理模块、自组网模块和通信天线；

所述接收天线用于对空间电磁波信号的接收并将电磁波信号转化成所述接收通道可以处理的射频信号；

所述接收通道用于对接收到的射频信号进行频率变换，将高频信号转化为中频信号；

所述采集处理模块用于实现对所述接收通道转化得到的中频信号的采集，并进行分析处理；

所述自组网模块用于将所述采集处理模块传输的信息通过无线自组网络向外发送，以及将所述通信天线接收到外界通过无线自组网传输的信息到所述采集处理模块，完成内外信息的传输交互；

所述通信天线用于接收外界通过无线自组网传输的信息并发送到所述自组网模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统，其特征在于：所述的监测节点通过所述自组网模块和所述通信天线与该监测节点相邻的监测节点自组成无线多跳网络。

4.根据权利要求2所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统，其特征在于：所述的监测节点包括自主任务和受控任务两种监测模式，所述受控任务监测模式优先级别高于所述自主任务监测模式。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，其特征在于：所述的监测方法包括每个监测节点在自主任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，其特征在于：每个监测节点在自主任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测之前还需要在监测区域安装集成为一体的监测设备，并通过所述监测设备与相邻监测节点中的监测设备自组成多跳网络与控制中心进行数据交互。

7.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，其特征在于：所述的监测设备在自主任务监测模式下的监测策略为：

电磁频谱扫描步骤：监测设备开机后对监测区域进行电磁频谱扫描；

频谱背景建立步骤：在监测设备上建立频谱背景，并同时向控制中心推送频谱数据，直到控制中心完成频谱背景的建立；

频谱数据对比步骤：将实时扫描到的全频段频谱数据与设备上的频谱背景进行对比。

8.根据权利要求7所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，其特征在于：所述的频谱背景建立步骤包括以下具体内容：

设备频谱背景建立：监测设备对周边电磁环境进行快速扫描，快速获取频段内对应频点的电平幅度，监测设备对指定次数快速扫描电平幅度取平均值作为频谱背景；

控制中心频谱背景建立：监测设备对自身建立的频谱背景进行分割成若干个小频段，将每个小频段的起始频点、结束频点、频率步进和对应的一组电平幅度值进行打包推送至控制中心，控制中心根据校验信息确认数据的正确性，若数据错误，则重发对应数据包，控制中心正确接收完所有数据后则完成频谱背景的建立。

9.根据权利要求7所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，其特征在于：所述的频谱数据对比步骤包括以下具体内容：

监测节点在进行快速扫描电磁频谱的时候，将每个频点的电平幅度值与存储的背景频点电平幅度值进行对比；

如果超过背景频点指定的幅度值则认为该频点电平异常，监测节点主动将告警信息向控制中心进行推送。

10.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网的电磁频谱监测系统的监测方法，其特征在于：所述的监测方法还包括每个监测节点在受控任务监测模式下对监测区域的电磁频谱进行监测；

所述的监测设备在受控任务监测模式下的监测策略为：

监测设备接收控制中心通过无线自组网发送的指令，并对指令解析后进行参数设置；

对关注的频段和频点进行测量分析，并将测量分析结果缓存到监测设备，同时发送到控制中心进行显示。