CN113891278B - 一种基于多跳协作的数据采集与传输方法及系统 - Google Patents

一种基于多跳协作的数据采集与传输方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多跳协作的数据采集与传输方法及系统，属于通信技术领域，所述方法包括：通过不同节点采集频谱数据，对所述频谱数据进行信噪分离得到采集信号；分别在不同节点中建立一套本地的信号库，并对所述采集信号分类；分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，并对比不同节点的冗余度，让要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点：数据传输成功后，分别更新不同节点的信号库。本发明将采集信号分类进行差量采集，仅采集感兴趣的敏感信号，并利用“爬山搜索”算法在节点间多跳传输，解决节点存储能力不足，传输带宽窄的难题。

Description

一种基于多跳协作的数据采集与传输方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于多跳协作的数据采集与传输方法及系统。
背景技术
在边远区域移动通信信号覆盖不足的环境下，利用固定节点和移动节点组成的监测网络，部分监测数据或环境采集数据需要回传指挥中心，如图1所示，目前的方法是利用卫星互联网和4G网络互为备份，进行数据回传，但是无线电监测数据由于采集频段宽，频谱数据量大。卫星通信带宽不足，全频段实时数据传输无法实现，而移动的数据采集节点其本身存储能力有限，使数据的采集和存储成为重要瓶颈，严重制约着我国掌握边远地区电磁环境态势感知能力。解决上述问题常见方法是：1.提升采集节点的数据存储量的同时，加强边缘节点的处理能力，在监测站点存储信号处理的结果，而不存储原始数据；2.引入数据压缩算法，使用数据压缩算法对监测数据进行压缩，主要分成两种类型，一种叫做无损压缩，另一种叫做有损压缩，其中，无损压缩算法数据能完全恢复，但是压缩率非常有限，有损压缩对在对噪声数据压缩的同时，也会造成敏感信号的失真。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中边远区域信号盲区的数据采集和存储存在的问题，提供了一种基于多跳协作的数据采集与传输方法及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
提供一种基于多跳协作的数据采集与传输方法,所述方法包括：
通过不同节点采集频谱数据，对所述频谱数据进行信噪分离得到采集信号；
分别在不同节点中建立一套本地的信号库，并对所述采集信号分类；
分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，并对比不同节点的冗余度，让要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点；
数据传输成功后，分别更新不同节点的信号库。
作为一选项，所述不同节点包括监控中心节点、固定锚节点、专用移动节点和通用移动节点。
作为一选项，所述冗余度的计算公式为：
Fi=Pis/Pi+Pj，
其中，Pis表示节点i剩余空间，Pi表示节点i的总存储空间，Pj表示节点j的总存储空间。
作为一选项，所述对采集信号分类，包括：
将采集信号与本地的信号库比对，如果采集信号特征无异常，则归为白名单信号，如果采集信号是非法敏感信号，则归为黑名单信号，如果采集信号为未知的信号，则归为灰名单信号。
作为一选项，所述分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，包括：
对参与交换的两个节点，整合两节点的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号，提取需要传输的黑名单信号和灰名单信号。
作为一选项，所述分别更新不同节点的信号库，包括：
将整合后的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号分别添加到各节点的信号库中。
作为一选项，所述分别更新不同节点的信号库，还包括：
将固定锚节点、专用移动节点和通用移动节点的数据汇集到监控中心节点；
如果黑名单信号或灰名单信号，经过核实或长期跟踪，证明为合法信号，则转为白名单信号；
如果灰名单信号中包含在多个节点中频率特征相同的信号，则转为黑名单信号。
本发明还提供一种基于多跳协作的数据采集与传输系统，所述系统包括：
多个节点；
采集模块，用于在不同节点采集频谱数据，并对所述频谱数据进行信噪分离得到采集信号；
设于不同节点中的本地的信号库；
对比模块，用于对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，并对比不同节点的冗余度；
数据传输模块，用于将要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点；
数据更新模块，用于在数据传输成功后，分别更新不同节点的信号库。
作为一选项，所述数据传输模块包括设置在节点间的无线传感器。
作为一选项，所述系统还包括广播模块，所述广播模块用于将更新的数据广播到各节点。
需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征在不冲突的情况下可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
（1）本发明对采集信号进行分类标识，并比不同节点的信号库，减少数据采集量，通过节点间的协作，使采集信号自动向存储空间大，存储压力更小的节点流动，解决了通信盲区的节点存储能力不足，数据传输阻塞的问题，并最大限度的采集了重要信号的监测数据。
（2）对参与交换的两个节点，整合两节点的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号，提取需要传输的黑名单信号和灰名单信号，能够采集较为敏感和关键的信息，做到精确采集，缩小采集量。
（3）通过建立本地数据库以及更新数据库，能够记录信号的原始数据以及实时更新数据，保证数据的完整性。
（4）通过广播的形式将重要信号特征反馈给所有节点，由于信号特征信息数据量极小，不会造成网络拥堵。
附图说明
图1为本发明现有技术的示意图；
图2为本发明一种基于多跳协作的数据采集与传输方法的流程示意图；
图3为本发明节点间数据传输的示意图；
图4为本发明方法具体实施的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明主要通过对对采集信号进行分类标识，并比不同节点的信号库，减少数据采集量，通过节点间的协作，使采集信号自动向存储空间大，存储压力更小的节点流动，解决了通信盲区的节点存储能力不足，数据传输阻塞的问题，并最大限度的采集了重要信号的监测数据，达到采集、传输两便利的目的。
实施例1
在于示例性实施例中，提供一种基于多跳协作的数据采集与传输方法,如图2所示，所述方法包括：
通过不同节点采集频谱数据，对所述频谱数据进行信噪分离得到采集信号；
分别在不同节点中建立一套本地的信号库，并对所述采集信号分类；
分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，并对比不同节点的冗余度，让要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点；
数据传输成功后，分别更新不同节点的信号库。
进一步地，所述不同节点包括监控中心节点、固定锚节点、专用移动节点和通用移动节点。
具体地，边远区域信号盲区监测网络由四类节点组成：监控中心节点，固定锚节点，专用移动节点和通用移动节点。四类节点其存储能力各不相同，其中，监控中心节点数据存储能力和传输带宽很强，可实现大量数据的实时传输，作为数据融合处理和传输的中心；固定锚节点传输能力较强，具备一定的数据存储能力；专用移动节点活动区域较大，数据存储能力和传输能力均较强；通用移动节点，数量最大，但是其存储能力和传输能力均非常有限。
进一步地，具体地，固定节点和移动监测节点开启扫描频谱数据，根据背景噪声数据，高于背景噪声3dB的数据即记为采集信号，各节点依据已存储的信号对全局敏感的采集信号进行分类处理，实现精确采集，然后根据不同节点的数据存储能力和传输能力，对比不同节点的冗余度，冗余度高的节点，存储能力强，让要传输的敏感数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点，实现数据向存储压力更小的节点流动，实现更加精确的数据采集，解决了数据传输的阻塞问题，并最大限度的采集了重要信号的监测数据。
实施例2
基于实施例1，给出具体的实现方案，具体地，如图4所示，首先进行数据采集，并构建信号库和数据分类，对采集信号分类，包括：
将采集信号与本地的信号库比对，如果采集信号特征无异常，则归为白名单信号，即为合法信号，如果采集信号是非法敏感信号，则归为黑名单信号，如果采集信号为未知的信号，则归为灰名单信号。然后在每个节点维护一套本地的信号库。
进一步地，对每次采集发现的信号，与本地信号库比对，如果为白名单信号，则忽略不予存储；如果为黑名单信号，则记录所有信号原始数据，含频谱、音频和方向等，增加在本地信号库的黑名单信号中；对新发现的信号，增加在灰名单信号中（白名单信号和黑名单信号列表中都没有的未知信号），如果为瞬时杂波，则记录该信号特征，如果为宽带的雷达信号，或是未知的通信信号，则记录信号再数据库中，同时完整记录该信号的原始数据（频谱，音频，IQ数据），保证特征的完整性。
进一步地，判断节点冗余度，所述冗余度的计算公式为：
Fi=Pis/Pi+Pj，
其中，Pis表示节点i剩余空间，Pi表示节点i的总存储空间，Pj表示节点j的总存储空间。
对于两个节点，如果两者的距离在一定的区域范围内（约10km），则此时可利用无线传感器进行数据传输，冗余度低的将缓存数据传输至冗余度高的节点。如果节点
Figure 703697DEST_PATH_IMAGE001
，则表示数据从节点j传输至节点i中，通常监控中心节点的冗余度最大，移动通用节点的冗余度最小，通用移动节点和固定锚节点之间的要根据实际情况进行比较。
对比节点之间的信号库，所述分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，包括：
对参与交换的两个节点，整合两节点的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号，提取需要传输的黑名单信号和灰名单信号。
具体地，先比较白名单中的信号
Figure 648519DEST_PATH_IMAGE002
，再比较两节点的灰名单中的信号，根据
Figure 1003DEST_PATH_IMAGE003
，确定两节点的灰名单信号库，如果节点i的“灰名单”在节点j的白名单中，则删掉该灰名单信号，再确定白名单库，确定原始数据传输量：
Figure 943551DEST_PATH_IMAGE004
。
最后比较两节点黑名单中的信号，
Figure 707719DEST_PATH_IMAGE005
。确定黑名单信号库
Figure 128336DEST_PATH_IMAGE006
。
根据确定的冗余函数，确定节点流向，以节点j传输数据至i节点为例，传输数据为
Figure 663222DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 776672DEST_PATH_IMAGE008
。
进一步地，所述分别更新不同节点的信号库，包括：
将整合后的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号分别添加到各节点的信号库中，具体地，数据传输成功后，按照
Figure 701902DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 739260DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 800757DEST_PATH_IMAGE011
，分别更新两节点信号库的白名单、灰名单和黑名单。通过提取需要传输的黑名单信号和灰名单信号，能够采集较为敏感和关键的信息，做到精确采集，缩小采集量。
进一步地，所述分别更新不同节点的信号库，还包括：
如图3所示，将固定锚节点、专用移动节点和通用移动节点的数据汇集到监控中心节点，所有节点采集的数据最终汇集到监控中心节点，监控中心节点进行统一融合处理，融合数据包含基于信号数据库的白名单、黑名单和灰名单。
如果黑名单信号或灰名单信号，经过核实或长期跟踪，证明为合法信号，则转为白名单信号；
如果灰名单信号中包含在多个节点中频率特征相同的信号，如持续雷达信号、能解调的通信信号等，则转为黑名单信号。
对监控中心节点的黑名单信号和白名单信号根据节点汇总数据不断更新。最终将更新之后的信号库广播给所有节点。上述白名单信号库每小时更新一次，黑名单信号库变化之后，实时更新，更新方式都是采用监控中心广播。
监控中心节点将此信号特征（含频率，带宽，场强，调制方式）广播至所有节点，由于信号特征信息数据量极小，不会造成网络拥堵。
进一步地，如图4所示，当一个节点传输的下一节点不是监控中心节点时，继续更新数据库，继续进行数据传输。
实施例3
在一示例性实施例中，本发明还提供一种基于多跳协作的数据采集与传输系统，所述系统包括：
多个节点；
采集模块，用于在不同节点采集频谱数据，并对所述频谱数据进行信噪分离得到采集信号；
设于不同节点中的本地的信号库；
对比模块，用于对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，并对比不同节点的冗余度；
数据传输模块，用于将要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点；
数据更新模块，用于在数据传输成功后，分别更新不同节点的信号库。
进一步地，所述数据传输模块包括设置在节点间的无线传感器。
进一步地，所述系统还包括广播模块，所述广播模块用于将更新的数据广播到各节点。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多跳协作的数据采集与传输方法，其特征在于，所述方法包括：
通过不同节点采集频谱数据，对所述频谱数据进行信噪分离得到采集信号；
分别在不同节点中建立一套本地的信号库，并对所述采集信号分类；所述对所述采集信号分类，包括：
将采集信号与本地的信号库比对，如果采集信号特征无异常，则归为白名单信号，如果为白名单信号，则忽略不予存储，如果采集信号是非法敏感信号，则归为黑名单信号，如果采集信号为未知的信号，则归为灰名单信号；
分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，并对比不同节点的冗余度，让要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点；
所述冗余度的计算公式为：
Fi=Pis/Pi+Pj，
其中，Pis表示节点i剩余空间，Pi表示节点i的总存储空间，Pj表示节点j的总存储空间；
所述分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，包括：
对参与交换的两个节点，整合两节点的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号，提取需要传输的黑名单信号和灰名单信号；如果冗余度级别低的节点中的灰名单信号在冗余度级别高的节点的白名单中，则删除冗余度级别低的节点中的灰名单信号，并将冗余度级别低的节点中剩余的灰名单信号和黑名单信号传输到冗余度级别高的节点中；
数据传输成功后，分别更新不同节点的信号库；
所述不同节点包括监控中心节点、固定锚节点、专用移动节点和通用移动节点，其中监控中心节点将黑名单信号特征广播至所有节点，所述信号特征包括频率、带宽、场强和调制方式。
2.根据权利要求1所述的一种基于多跳协作的数据采集与传输方法，其特征在于，所述分别更新不同节点的信号库，包括：
将整合后的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号分别添加到各节点的信号库中。
3.根据权利要求2所述的一种基于多跳协作的数据采集与传输方法，其特征在于，所述分别更新不同节点的信号库，还包括：
将固定锚节点、专用移动节点和通用移动节点的数据汇集到监控中心节点；
如果黑名单信号或灰名单信号，经过核实或长期跟踪，证明为合法信号，则转为白名单信号；
如果灰名单信号中包含在多个节点中频率特征相同的信号，则转为黑名单信号。
4.一种基于多跳协作的数据采集与传输系统，其特征在于，所述系统包括：
多个节点；
采集模块，用于在不同节点采集频谱数据，并对所述频谱数据进行信噪分离得到采集信号；
设于不同节点中的本地的信号库，分别在不同节点中建立一套本地的信号库，并对所述采集信号分类；所述对所述采集信号分类，包括：
将采集信号与本地的信号库比对，如果采集信号特征无异常，则归为白名单信号，如果为白名单信号，则忽略不予存储，如果采集信号是非法敏感信号，则归为黑名单信号，如果采集信号为未知的信号，则归为灰名单信号；
对比模块，用于对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，并对比不同节点的冗余度；让要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点；
所述冗余度的计算公式为：
Fi=Pis/Pi+Pj，
其中，Pis表示节点i剩余空间，Pi表示节点i的总存储空间，Pj表示节点j的总存储空间；
分别对比不同节点的信号库，得出要传输的数据，包括：
对参与交换的两个节点，整合两节点的白名单信号、黑名单信号和灰名单信号，提取需要传输的黑名单信号和灰名单信号；如果冗余度级别低的节点中的灰名单信号在冗余度级别高的节点的白名单中，则删除冗余度级别低的节点中的灰名单信号，并将冗余度级别低的节点中剩余的灰名单信号和黑名单信号传输到冗余度级别高的节点中；
数据传输模块，用于将要传输的数据从冗余度级别低的节点传输至冗余度级别高的节点；
数据更新模块，用于在数据传输成功后，分别更新不同节点的信号库；
所述不同节点包括监控中心节点、固定锚节点、专用移动节点和通用移动节点，其中监控中心节点将黑名单信号特征广播至所有节点，所述信号特征包括频率、带宽、场强和调制方式。
5.根据权利要求4所述的一种基于多跳协作的数据采集与传输系统，其特征在于，所述数据传输模块包括设置在节点间的无线传感器。
6.根据权利要求4所述的一种基于多跳协作的数据采集与传输系统，其特征在于，所述系统还包括广播模块，所述广播模块用于将更新的数据广播到各节点。
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