TWI396459B - 無線感測網路系統及其偵測方法 - Google Patents

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Tsang Yi Wang
Jian Lang Gao
Chao Tang Yu
Jwo Yuh Wu
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Univ Nat Sun Yat Sen
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無線感測網路系統及其偵測方法
本發明係有關於一種無線感測網路系統及其偵測方法，且特別係有關於可增進減少系統強健性之無線感測網路系統及其偵測方法。
現今，微型感測器可感應、無線通訊及處理資訊，以感應及偵測環境的目標物及其狀態改變，並可處理收集到的數據，再將處理過後的資料以無線傳輸的方式送到資訊融合中心(Fusion Center)或基地台(Base Station)。而無線感測網路(Wireless Sensor Networks)係由一或多個無線資料收集器以及多個感測器(Sensor)所構成的網路系統，其中無線感測網路中的通訊方式係採用無線通訊方式，因此，感測器或是無線資料收集器可方便地設置於任意位置，並可節省佈線費用。
以無線電感知系統為例，檢測器(感測器)可先對待測區域傳送的訊號做頻譜偵測的初步判斷。接著，檢測器將判斷結果傳送至一融合中心，以進行最後的事件判斷，其中習用的感知無線電網路一般係使用同一種類的頻譜檢測器。然而，在偵測的過程中，容易具有未知的干擾影響，因而增加系統的偵測錯誤率。
因此本發明之一方面係在於提供一種無線感測網路系統及其偵測方法，藉以在發生未知干擾時維持系統效能，以確保偵測強健性。
本發明之另一方面係在於提供一種無線感測網路系統及其偵測方法，藉以同時達到降低系統錯誤率以及抵抗干擾的效果。
根據本發明之實施例，本發明之無線感測網路系統包含至少一能量檢測器、至少一循環穩態檢測器及資訊融合中心。能量檢測器係用以接收第一觀測值，並根據第一觀測值的能量，來傳送出第一決策值。循環穩態檢測器係用以接收第二觀測值，並根據第二觀測值的循環穩態(Cyclostationarity)特性，來傳送出第二決策值。資訊融合中心備用以根據第一決策值和第二決策值，來判斷出決策結果。
又，根據本發明之實施例，本發明之無線感測網路系統的偵測方法包含：利用能量檢測器來接收第一觀測值，並根據第一觀測值的能量，來傳送出第一決策值；利用循環穩態檢測器來接收第二觀測值，並根據第二觀測值的循環穩態特性，來傳送出第二決策值；以及利用資訊融合中心來根據第一決策值和第二決策值，而判斷出決策結果。
因此，本發明之無線感測網路系統及其偵測方法可同時達到降低系統錯誤率以及抵抗干擾的效果，因而可具有較佳的系統強健性和效能。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，本說明書將特舉出一系列實施例來加以說明。但值得注意的係，此些實施例只係用以說明本發明之實施方式，而非用以限定本發明。
請參照第1圖，其顯示依照本發明之一實施例之資訊融合中心的結構示意圖。本實施例之無線感測網路系統100例如為分散式網路偵測系統，用以進行偵測一現象(Phenomenon)，其可應用於例如感知無線電(Cognitive Radio)網路系統中，藉以對感知無線電進行頻譜偵測。無線感測網路系統100包含至少一能量檢測器110、至少一循環穩態檢測器120及資訊融合中心130。能量檢測器110係用以接收第一觀測值，並根據此第一觀測值的能量，來傳送出第一決策值至資訊融合中心130。循環穩態檢測器120係用以接收第二觀測值，並根據此第二觀測值的循環穩態(Cyclostationarity)特性，來傳送出第二決策值至資訊融合中心130。資訊融合中心130可接收能量檢測器110所傳送的第一決策值以及循環穩態檢測器120所傳送的第二觀測值，並根據第一決策值和第二觀測值來判斷出最終的決策結果。其中，能量檢測器110和循環穩態檢測器120的設置數目可分別依據實際的使用情形而決定。在一實施例中，能量檢測器110的設置數目可相同於循環穩態檢測器120的設置數目。
如第1圖所示，在本實施例中，假設在環境中特定頻譜的使用狀態為兩種，一種為主要使用者(Primary User，PU)正在使用頻譜中(H 1 )，而另一種則為沒有主要使用者在使用頻譜(H 0 )。當事件或現象發生時，不同檢測器110、120所分別收到的觀測值為O 1 、O 2 ，而檢測器110、120收到觀測值後，即根據其所使用的檢測法則，而做出不同的決策值u 1 和u 2 。
在本實施例中，檢測器110、120可根據觀測值O 1 、O 2 來做出判斷，並將判斷結果量化成1個位元(bit)來傳送至資訊融合中心130，以減少整體通訊量。當檢測器110、120判斷事件H 1 發生時，檢測器可傳送決策值”1”至資訊融合中心120，當檢測器110、120判斷事件H 0 發生時，檢測器可傳送決策值”0”至資訊融合中心120。
請參照第2圖，其顯示依照本發明之一實施例之無線感測網路系統之偵測方法的方法流程圖。當進行本實施例之無線感測網路系統100的檢測方法時，首先，利用能量檢測器110來接收第一觀測值O 1 ，並根據第一觀測值O 1 的能量來進行判斷，並傳送出第一決策值u 1 至資訊融合中心130(步驟S201)。
以下進一步說明能量檢測器110的決策過程。
令y [k ]接收信號y (t )的取樣值，k =0，N -1，N 為取樣總數。
其可表示成如下式的二元檢定問題：
其中，雜訊n [k ]假設為高斯白雜訊(additive white Gaussian noise)，平均數(mean)為0，變異數(variance)為。至於PU的信號取樣值x [k ]之變異數假設為。將所有的取樣值平方相加後即為能量檢測器110的決策統計量(decision statistic)T ，如下式(2)：
接著，將決策統計量T 與預設門檻值(threshold)比較，如下式(3)：
當取樣總數N 足夠多的時候，根據中央極限定理(central limit theorem)，T 在檢定H 0 和檢定H 1 下都會收斂成高斯隨機變數，如下式(4)：
接著，應用概似比法(Likelihood Ration Test，LRT)，可作為能量檢測器110的判斷法則，如下式(5)：
其中，P 0 是事件H 0 的事前機率值。
接著，利用循環穩態檢測器120來接收第二觀測值O 2 ，並根據第二觀測值O 2 的循環穩態特性來進行判斷，並傳送出第二決策值u 2 至資訊融合中心130(步驟S202)。一般而言，調變信號其自相關函數在時間軸上為週期函數，可稱之具有循環穩態特性，而不同調變方式的信號會具有不同的循環穩態特性。因此，循環穩態檢測器120可經由所接收到之觀測信號O 2 的循環穩態特性來進行判斷。
以下進一步說明循環穩態檢測器120的決策過程。
(a)提供一延遲(lag)τ，且q =T d /T s ，而可以計算出一列矩陣
(b)將減去本身的平均數後得到。
(c)計算變異數矩陣(covariance matrix)如下式(6)：
其中，z ( k , τ ) (s )=y (k +sT d )‧y (k +sT d +τ)且z ( j , r ) (s )=y (j +sT d )‧y (j +sT d +γ)。
(d)由上述(b)和(c)可得循環穩態檢測器120的決策統計值，H 表示為矩陣轉置符號。
(e)當給定一假警報機率(probability of false alarm)P fa 時，可得一個門檻值Γ，使得。
( f)若是，宣告PU存在的。反之，則PU為不存在。
實際上，可使用x 2 檢驗來取代LRT。
x 2 檢驗用以處理二元檢定的問題如下式(7)：
其中，藉由給定P fa 可得到門檻值Γ，如下式(8)：
P fa =P r (u i =1|H 0 )=P r (Y >Γ|H 0 )..................(8)
在x 2 檢驗下，當取樣總數趨近無限大時，則偵測機率P d =P r (u i =1|H 1 )近似1。
接著，利用資訊融合中心130來根據能量檢測器110的第一決策值u 1 以及循環穩態檢測器120的第二決策值u 2 ，而判斷出最終的決策結果u 0 (步驟S203)。此時，能量檢測器110和循環穩態檢測器120分別傳送決策值u 1 、u 2 至資訊融合中心130，而資訊融合中心130再根據LRT融合法則來求得最終決策結果u 0 ，如下式(9)：
由於能量檢測器110和循環穩態檢測器120係分別根據各自的觀測值O 1 、O 2 來做出決策，因而滿足條件獨立關係，而上式(9)可改寫成：
此時，無線感測網路系統100的系統錯誤率可表示成：
請參照第3圖，其顯示依照本發明之一實施例之無線感測網路系統的示意圖。當使用本實施例的無線感測網路系統100於存在有未知干擾的頻譜偵測環境中時，檢測器110、120所接收到的訊號定義為：
其中是個參數為p 的白努利分佈，p 定義為檢測器110、120進入干擾(PU 2 )影響範圍的機率，其中x 1 (t )和x 2 (t )分別為PU 1 和PU 2 的傳送訊號。
請參照第4圖，其顯示習用之無線感測網路系統與本發明之無線感測網路系統與的模擬比較圖。在一模擬實驗中，假設τ=0、q =8、S =500，且能量檢測器110(ED)和循環穩態檢測器120(CD)的總取樣數皆為4000。如第4圖所示，在事件H 0 之事前機率p 0 為0.5的情形下，曲線101、102分別為習用之使用相同種類之檢測器(例如僅使用能量型檢測器，或者僅使用循環穩態型檢測器)的系統效能，曲線103為本發明之同時使用能量檢測器110和循環穩態檢測器120的系統效能。由第4圖可得知，在未知干擾存在的情形下，相較於習用的系統，本發明的系統100可具有較低的系統錯誤率P e ，因而可具有較佳的系統強健性(Robust)，而可有效地抵抗干擾。
由上述本發明的實施例可知，本發明之無線感測網路系統及其偵測方法可結合不同種類的檢測器來進行偵測，以同時達到降低系統錯誤率以及抵抗干擾的效果，因而可具有較佳的系統強健性。
綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
101、102、103．．．曲線
100．．．無線感測網路系統
110．．．能量檢測器
120．．．循環穩態檢測器
130．．．資訊融合中心
S201．．．接收第一觀測值，並傳送出第一決策值
S202．．．接收第二觀測值，並傳送出第二決策值
S203．．．根據第一決策值和第二決策值來判斷出決策結果
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：
第1圖顯示依照本發明之一實施例之資訊融合中心的結構示意圖。
第2圖顯示依照本發明之一實施例之無線感測網路系統之偵測方法的方法流程圖。
第3圖顯示依照本發明之一實施例之無線感測網路系統的示意圖。
第4圖顯示習用之無線感測網路系統與本發明之無線感測網路系統與的模擬比較圖。
100．．．無線感測網路系統
110．．．能量檢測器
120．．．循環穩態檢測器
130．．．資訊融合中心

Claims (4)

  1. 一種無線感測網路系統，包含：至少一能量檢測器，用以接收一第一觀測值，並根據該第一觀測值的能量，來傳送出一第一決策值；至少一循環穩態檢測器，用以接收一第二觀測值，並根據該第二觀測值的一循環穩態(Cyclostationarity)特性，來傳送出一第二決策值；以及一資訊融合中心，用以根據該第一決策值和該第二決策值，來判斷出一決策結果，其中該資訊融合中心係根據一概似比(Likelihood Ration Test，LRT)融合法則來求得該決策結果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測網路系統，其中該無線感測網路系統為一感知無線電網路系統。
  3. 一種無線感測網路系統的偵測方法，其中該無線感測網路系統包含至少一能量檢測器、至少一循環穩態檢測器及一資訊融合中心，該方法包含：利用該能量檢測器來接收一第一觀測值，並根據該第一觀測值的能量，來傳送出一第一決策值；利用該循環穩態檢測器來接收一第二觀測值，並根據該第二觀測值的一循環穩態特性，來傳送出一第二決策值；以及利用該資訊融合中心來根據該第一決策值和該第二決策值，而判斷出一決策結果，其中該資訊融合中心係根據一概似比(Likelihood Ration Test，LRT)融合法則來求得該決策結果。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該無線感測網 路系統為一感知無線電網路系統。
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