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认知传感器网络中的鲁棒性协作频谱检测研究

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第34卷 第3期 2010年6月 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science&Engineering) Vo1.34 NO.3 June 2010 认知传感器网络中的鲁棒性协作频谱检测研究 胡富平 王 殊 (华中科技大学电子与信息工程系 武汉430074) 摘要:针对传感器节点易失效和恶意节点易伪装成合法节点的特点,提出了一种鲁棒性协作频谱 检测方法.实验仿真结果表明,该方法在对抗节点失效和恶意节点导致的错误检测结果时具有很 高的鲁棒性,同时在失效或恶意节点达到2O 时仍具有很好的检测性能. 关键词:无线传感器网络;认知无线电;频谱检测 中图法分类号:TN8 DOI:10.3963/j.issn.1006—2823.2010.03.020 近年来无线传感器网络(wireless sensor net 点,已受到广泛关注,但研究认知传感器网络的报 道还很少.Hung研究了WSN基于模糊逻辑系统 work,WSN)研究与应用迅速发展口].预计未来 10 a内,将出现同一区域内多个不同应用目的传 感器网络与现有传统无线网络共存现象 ].由于 (fuzzy logic system,FI S)的机会式频谱接入机 制l4 ;Han提出了WSN中基于谱相关的频谱检 测方法,但谱相关函数的复杂计算并不是很适合 硬件和能量等资源有限的WSN.欧盟第七框架计 划支助了Sensor Network aided Cognitive Radio 项目,并陆续有相关研究成果的报道_5]. 频谱资源的紧缺,这些共存的网络会出现严重的 频谱资源竞争. 虽然可以花费数巨额资金购买固定的频谱使 用权,但WSN通常强调低成本,因而这种做法并 不是很合理.而且授权频段也基本都已被分配完 毕,而免授权的ISM公用频段也变得越来越拥 挤.因此有必要研究为WSN寻求可用频谱资源 的新方法,解决其未来发展面临的频谱紧缺问题. 本文假设WSN需要寻找空闲授权频谱来完 成其自身数据通信.因为空闲频谱检测是传感器 网络利用这些空闲频谱的必要前提,因此本文重 点研究适用于WSN的频谱检测方法.经典的信 号检测方法主要有能量检测、匹配滤波检测和循 环平稳检测,它们对信号的先验知识具有不同的 1 相关背景与假设 FCC的实际测量表明:频谱资源非常紧缺的 背后是大量已授权频段在时间和空间上的利用率 很低.认知无线电(cognitive radio,CR)技术_3]被 要求,也各自其优缺点.近年来不少人提出了协作 频谱检测方法 来提高频谱检测性能. 与大多相关文献一样,假设节点具有频谱检 测能力,并通过公共控制信道(Common Control Channe1)相互交换频谱检测信息,公共控制信道 认为是提高频谱利用率、解决频谱资源紧缺问题 的有效技术之一.其基本原理是:未授权用户(称 具有理想的信道参数.由于WSN的分布式特性, 为次用户)检测一定范围内的授权频段,如果未检 测到授权用户(称为主用户)信号,则在不对主用 户造成干扰的前提下传输无线信号;当该频道上 本文所考虑的协作频谱检测可建模为图1所示的 模型.其中,当节点SN。需要作出检测判决时,它 同时也充当融合中心的角色.SN (i=1,2,…,m, 为SN。的邻居节点数目)为其邻居节点,d。和 出现主用户信号时,次用户退出对该频段的占用. 目前CR是无线通信和网络领域的研究热 收稿日期:2010—02—2 5 d 分别表示节点SN。和SN 的局部检测信息,d 胡富平(1983一):男,博士生,主要研究领域为认知无线电网络 第3期 胡富平,等:认知传感器网络中的鲁棒性协作频谱检测研究 ・5l1・ 表示节点SN。的最终检测判决. 图1 协作频谱检测的系统模型 2 加权因子合并法 与匹配滤波、循环平稳检测等经典方法相比, 能量检测虽然抗干扰能力一般,但其简单、便于实 现,更适用于WSN这种硬件、能量等资源受限的 网络.能量检测器以接收信号的能量作为检验统 计量,即: r K f∑ r(k)l H。 E—  lK l∑ l 一1 式中:r(k)为接收信号;s(k)为接收信号中的主用 户信号分量;w(k)为加性高斯白噪声(AwGN),k 为采样数,一般由检测器的时间带宽积确定. 本文提出了一种加权因子合并法(weightfactor combination,WFC),其核心是对每个节点 赋予一定的权值来衡量其检测结果的可靠性.假 设每个节点的权值为叫 ,所有节点检测到的信号 能量值的加权平均与判决阈值 比较,如果大于 或等于 则接受H 假设成立;否则接受H。假设 成立,如式(2)所示.其中叫 是归一化后的权值, 即满足>: 一1. f≥ J “ 接受H ^~ ,n、…  i = 0~ \\^I< ?戈叉』』接受H0  在实际中,节点检测到的能量值在发送给邻 居节点之前一般需要量化,这是因为:(1)节点表 示数据的精度比较有限;(2)公用控制信道的带宽 非常有限,量化可以减小数据通信量.量化情况 下,除了用量化值取代非量化值外,WFC算法的 基本流程保持不变.第4节中分析了量化对检测 性能的影响. 3 加权因子的计算 为了减小故障节点或恶意提供的错误检测数 据对最终检测判决的影响,根据节点提供的局部 检测数据与最终检测判决的一致性,给每个节点 SN 赋予一个估计其检测数据可靠性的参数:可 靠度P ,其初始值为0.节点SN。每作出一次最终 检测判决,就对其邻居节点SN (i一1,2,…, ) 及其自身的可信度根据式(3)进行调整,其中符号 “&”表示逻辑与. flD 一 +1,if(d≥ &d ≥ ) J 。r( < &d < ) (3) l pi一1,otherwise 如果节点频繁提供与最终判决不一致的局部 检测信息,它的可信度将趋向于减小.规定若某节 点的可信度低于预定阈值,则该节点被认定为故 障节点或恶意节点,在最终判决时忽略该节点提 供的局部检测信息.基于上述定义的节点检测数 据的可信度,节点未归一化的权值w 定义为 f0 ≤h 一1 lmax(p h>^’,)一 pi“  式中:max(p )为各节点检测数据的可信度的均 值;h(<0)为预定阈值.h取负值是为了保证节点 由于受到噪声等干扰暂时性地(尤其是在初始阶 段)提供错误检测数据而被赋予略小于零的负值 可信度时,其检测数据仍然具有一定的权值. 归一化的权值叫 定义为式(5)所示. 训 一W /> W (5) 4 仿真分析 本文考虑两种类型的错误检测数据:AlwayS— Yes和Always-No.无论主用户信号是否真实存在, 对于Always-Yes错误,节点总是提供4倍于 的检 测值;而对于A1ways-No类型错误数据,节点总是提 供1/4倍于判决阈值 的检测值.假设100个节点随 机分布在500 mX500 m的方形区域中,在这100个 节点中存在一定数目的故障或恶意节点.节点被认 定为故障或恶意节点的可信度阈值h一一5.能量检 测器的时间带宽积设置为5. 首先,比较了100个节点中故障或恶意节点 数目从0到20以1为步长变化时,WFC方法与 未考虑检测数据错误(即每个节点的检测数据具 有相等的权值)情况下的检测概率.结果如图2所 示,从中可以看出,WFC方法能较好地降低故障 或恶意节点的错误检测数据对协作频谱检测性能  ・ 512 ・ 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2010年第34卷 的影响.随着故障或恶意节点的增加,WFC方法 的检测概率下降比较缓慢.未考虑检测数据错误 的情况下,对于Always—No类型数据错误,检测 概率回大幅下降;而对于Always—Yes类型数据 解 整 挪 焦 错误,检测概率并没有下降.这是因为Always— Yes类型数据会诱导节点更倾向于作出存在主用 户信号的判决,这虽然有利于提高检测概率,但同 时也会增大误警概率. 祷 斑 露 图2不同故障或恶意节点时的检测概率 其次,比较了故障或恶意节点比例为1O 时,WFC方法和未考虑检测数据错误情况下的互 补接收机工作特性曲线(complementary receiver operating characteristic,CROC).比较结果如图3 所示,可以看出,WFC方法的检测性能非常接近 于不存在故障或恶意节点情况下的检测性能,这 表明WFC方法能较好地减小故障或恶意节点的 错误检测数据对协作频谱检测性能的影响. 静 察 挪 嫘 误警概翠 图3互补接收机工作特性曲线比较 最后,分析了节点将接收信号能量信息发送 给邻居节点之前将其进行量化对检测性能的影 响.本文假设采用的是均匀量化器.图4所示是故 障或恶意节点比例为1o ,量化位数分别为2,3, 4时的漏警概率曲线图.可以看出,量化对检测性 能会有一定的负面影响.不过,量化情况下的通信 开销比较小,而且随着量化位数增加,检测性能逐 渐趋近与非量化情况下的检测性能. 图4 Always—Yes类型数据错误下量化的影响 结 束 语 利用认知无线电技术为传感器网寻找可用频 谱资源的方法,针对传感器节点易失效和恶意节 点易伪装为合法节点的特点,提出了一种鲁棒性 的协作频谱检测方法.根据各节点的局部检测数 据与最终检测判决是否一致,给每个节点赋予可 信度参数,并定义了每个节点的检测数据的权值 的计算方法.仿真结果表明,所提出检测方法能较 好地减小错误检测数据对检测性能的负影响.同 时,文章也分析了量化情况下的检测性能.量化情 况的检测性能有所下降,但具有较小通信开销的 优势. 参考文献 [1]Yick J,Mukherjee B,Ghosal D.Wireless sensor network survey[J].Computer Networks,2008, 52(12):2292—2330. 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[3]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].3版.北京:高等教 育出版社,2002. [4]Hills D A,Nowell D,Sackfield.Mechanics of elastic contact[M].Oxford:Butterworth Heinemann Lt, 1993. [5]Johnson K I .Contact mechanics[M].Combridge: Cambridge University Press,1985. E6]许小强,赵洪伦.过盈联接应力的接触非线性有限元 分析[J].机械设计与研究,2000(1):79—82. [1]张松,艾兴.高速主轴过盈联接特性研究[J].制 [7]王勖成,邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法 [M].2版.北京:清华大学出版社,1997. 造技术与机床,2003(10):55—59. Numerical Analysis of Propeller Shaft and Bushing Linking Tight Stress He Chunyong Liu Zhenglin Wu Zhuxin Wei Yingchun Zhou Jianhui (School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China) Abstract:Elastic theory and ANSYS finite element method are used tO solve the contact stress of pro— peller shaft and bushing linking tight,stress distribution of shaft and bushing linking tight are ob— rained respectively.Studies have shown that comprehensive stress in bushing is much larger than that in propeller shaft;Comprehensive stress in shaft and bushing will also be greater in the place where outer radius of bushing is larger.Finite element method takes into account edge effects of shaft and bushing.The solution of the stress value is slightly larger than the calculation result of elasticity theo— ry,which is closer to the actual situation. Key words:elastic theory;finiteelement method;stress;edge effect p 、 (上接第512页) Robust Cooperative Spectrum Sensing For Cognitive Wireless Sensor Networks Hu Fuping Wang Shu (Department of Electronics&Information Engineering,HUST,Wuhan 430074,China) Abstract:An alternate method based on Cognitive Radio is explored tO capturing spectrum for WSN. Considering that sensor nodes are prone to be a ma1functioning node or that a malicious node can easy disguise as a legitimate node,a robust cooperative spectrum sensing technique is proposed.The simu— lation results demonstrate that the proposed method properly defense the adversely effect incorrect sensing report provided by malfunctioning or malicious nodes. And the proposed method works quite well up to 2O%ma1functioning or malicious nodes. Key words:wireless sensor network;cognitive radio;spectrum sensing 

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