基于网格分簇的WSN能量感知路由协议
认知无线电中频谱感知技术研究+Matlab仿真
毕业设计（论文）题目：认知无线电中频谱感知技术研究专业： 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 指导单位： 日期：年月日至年月日
摘要 无线业务的持续增长带来频谱需求的不断增加，无线通信的发展面临着前所未有的挑战。无线电频谱资源一般是由政府统一授权分配使用，这种固定分配频谱的管理方式常常会出现频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这与日益严重的频谱短缺问题相互矛盾。认知无线电技术作为一种智能频谱共享技术有效的缓解了这一矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱环境，自动搜寻已授权频段的空闲频谱并合理利用，达到提高现有频谱利用率的目的。频谱感知技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。 本文首先介绍了认知无线电的基本概念，对认知无线电在 WRAN 系统、UWB 系统及 WLAN 系统等领域的应用分别进行了讨论。在此基础上，针对实现认知无线电的关键技术从理论上进行了探索，分析了影响认知网络正常工作的相关因素及认知网络对授权用户正常工作所形成的干扰。从理论上推导了在实现认知无线电系统所必须面对的弱信号低噪声比恶劣环境下，信号检测的相关方法和技术，并进行了数字滤波器的算法分析，指出了窗函数的选择原则。接着详细讨论了频谱检测技术中基于发射机检测的三种方法：匹配滤波器检测法、能量检测法和循环平稳特性检测法。为了检验其正确性，借助 Matlab 工具，在Matlab 平台下对能量检测和循环特性检测法进行了建模仿真，比较分析了这两种方法的检测性能。研究结果表明：在低信噪比的情况下，能量检测法检测正确率较低，检测性能远不如循环特征检测。 其次还详细的分析认知无线电的国内外研究现状及关键技术。详细阐述了频谱感知技术的研究现状和概念，并指出了目前频谱感知研究工作中受到关注的一些主要问题，围绕这些问题进行了深入研究。 关键词：感知无线电；频谱感知；匹配滤波器感知；能量感知；合作式感知；
无线传感器网络路由协议
无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。路由协议: 数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端,因此路由选择算法就是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两个方面的功能: 1、寻找源节点与目的节点间的优化路径。 2、将数据分组沿着优化路径正确转发。 无线传感器与传统的无线网络协议不同之处,它受到能量消耗的制约,并且只能获取到局部拓扑结构的信息,由于这两个原因,无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性,不同应用中的路由协议差别很大,没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点: （1）能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（2）基于局部拓扑信息。WSN为了节省通信能量,通常采用多跳的通信模式,因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息与资源有限的情况下实现简单高效的路由机制,这就是WSN的一个基本问题。 （3）以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识与路由的依据,而WSN由于节点的随机分布,所关注的就是监测区域的感知数据,而不就是具体哪个节点获取的信息,要形成以数据为中心的消息转发路径。（4）应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。 现介绍几种常见的路由协议(平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议): 一、平面路由协议 平面路由协议中,逻辑结构时平面结构,节点间地位平等,通过局部操作与反馈信息来生成路由。当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据,其中的数据不能采用全局统一的ID,而就是要采用基于属性的命名机制进行描述。平面路由的优点就是结构简单、鲁棒性(即路由机制的容错能力)较好,缺点就是缺乏对通信资源的优化管理,对网络动态变化的反应速度较慢。其中典型的平面路由协议有以下几种: 1、1、洪泛式路由(Flooding): 这就是一种传统的网络通信路由协议。这种算法不要求维护网络的拓扑结构与相关路由的计算,仅要求接受到信息的节点以广播形式转发数据包。例如:S节点要传送一段数据给D节点,它需要通过网络将副本传送给它每一个邻居节点,一直到传送到节点D为止或者为该数据所设定的生存期限为零为止。优点在于:实现简单;不需要为保持网络拓扑信息与实现复杂路由发现算法消耗计算资源;适用于鲁棒性较高的场合。但同时也有相应的缺点:一个节点可能得到一个数据的多个副本;存在部分重叠,如果相邻节点同时对某件事作出反应,则两个节点的邻居节点将收到两份数据副本;盲目使用资源,无法作出自适应的路由选择。 为克服Flooding算法这些固有的缺陷,S、Hedetniemi等人提出闲聊式(Gossiping)策略。这种算法采用随机性原则,即节点发送数据时不再采用广播形式,而就是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本(避免了消息爆炸的结果)。
认知无线电频谱感知之功率检测matlab代码
能量检测仿真实验代码： clear all;clc; n = 5; ps = 1; SNR1 = -5; SNR2 = -8; SNR3 = -10; % Sim_Times=10000; %Monter-Carlo times % m=5; T=0.001; % 信号带宽W W=5*10^4; % 采样频率 Fs = 2*W; m = T*W; n = 2*T*W; % F0=W; % Fs=2; % Sig=sqrt(2)*sin(2*pi*F0/Fs*t); %single tone samples, Fs=2F0 % 实际信噪比 snr1 = 10.^(SNR1/10); snr2 = 10.^(SNR2/10); snr3 = 10.^(SNR3/10); pn = (1/snr1)*ps; mu0 = n*pn; sigma0 = sqrt(2*n)*pn; mu = n*(pn+ps); sigma = sqrt(2*n*(pn^2+2*pn*ps)); % [noi,x0,mu0,sigma0,m0] = cnoi( n,pn ); % sig = randn(n,1); sig = 1; % 重复次数 count = 5000; % 能量检测判决门限 lambda = [200:20:600]; lambda1 = [500:20:900]; lambda2 = [700:30:1300]; % 置信度判决参数 % tt = [-5:0.4:3]; % cc = 10.^tt; % tt1 = [-1:0.1:1]; % cc1 = 10.^tt; % cc2 = [-0.01:0.001:0.01];
无线传感器网络典型路由协议分类比较
无线传感器网络典型路由协议 摘要：本文主要以节点的传播方式为出发点，分析集中典型的路由协议。 关键字：无线网络路由协议性能 1. 引言 随着微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，多功能传感器快速发展，进而使无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）成为目前研究热点。WSN 是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，形成一个多跳的自组织网络系统，使其在小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信等功能，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并提供给终端用户。本文首先简要说明衡量路由协议的四个标准，然后就WSN 中路由协议的几种路由协议提出新的分类方法。 2. 路由协议的衡量标准 无线传感器网络的路由协议不同于传统网络的协议，它具有能量优先、基于局部的拓扑信息、以数据为中心和应用相关四个特点，因而，根据具体的应用设计路由机制时，从四个方面衡量路由协议的优劣： （1）能量高效 （2）可扩展性 （3）健壮性 （4）快速收敛性 3. 路由协议的分类 针对不同传感器网络的应用，研究人员提出了不同的路由协议，目前已有的分类方式主要有两种：按网络结构可以分为平面路由协议、分级网络路由协议和基于位置路由协议；按协议的应用特征可以分为基于多径路由协议、基于可靠路由协议、基于协商路由协议、基于查询路由协议、基于位置路由协议和基于QoS 路由协议。本文就各个协议的不同侧重点提出一种新的分类方法，把现有的代表性路由协议按节点的传播方式划分为广播式路由协议、坐标式路由协议和分簇式路由协议。下面进行详细的介绍和分析。 4. 广播式路由协议
能量感知路由协议的改进算法
能量感知路由协议的改进算法 修龙亭、李光、梁晓 计算机学院 摘要：本文主要探讨了无线传感器网络中路由协议的设计，对无线传感器网络中的能量感知路由协议进行了分析研究，讨论了其优点以及不足，提出了带有能量门限的感知路由协议。在该协议中，汇聚节点通过对邻居节点能量情况的探测生成能量门限，通过广播路径建立消息，利用能量门限和最少跳数方法生成路由树，并通过周期性的广播来进行路径的维护。 关键字：无线传感器网络 路由协议 汇聚节点 1、能量路由 能量路由是最早提出的传感器网络路由机制之一，它根据节点的可用能量或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径，节点的可用能量就是节点的当前剩余能量。能量路由算法示意图如下： 能量路由策略主要有以下几种： （1） 最大PA 路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点PA 之和最大的 路径。在上图中选择路径：源节点-F-E-汇聚节点。 （2） 最小能量消耗路由：从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点耗能之和 最少的路径。 （3） 最少跳数路由：选取冲数据源到汇聚节点的所有路径中跳数最少的路径。 （4） 最大最小PA 节点路由：每条路径上有多个节点，且节点的可用能量（PA ） 不同，从中选取每条路径中可用能量最小的节点表示这条路径的可用能
量。最大最小PA节点路由策略就是选择路径可用能量最大的路径。 上述能量路由算法需要节点知道整个网络的全局信息。由于传感器网络存在资源约束，节点只能获取局部信息，因此能量路由算法只是理想情况下的路由策略。其中的最少跳数路由是比较容易实现的路由策略。 最少跳数路由的优点显而易见，它构建路由的过程迅速，数据传输过程中能量消耗小，然而它的缺陷是数据传送往往走单一路径，容易使路径上的节点能量耗尽，当大部分节点还处在活动状态时，个别关键节点能量耗尽，从而影响网络的连通性，限制了整个网络的生存期。特别是初始状态时，加入各个节点的初始能量随机分布，该算法没有考虑到对初始能量较低节点的保护，从而加大了某些关键位置节点能量耗尽的可能。 2、能量多路径路由 能量多路径路协议包括路径建立，数据传播，路由维护三个过程。路径建立过程是该协议的重点内容。每个节点需要知道到达汇聚节点的所有下一跳节点，并计算选择每个下一跳节点传输数据的概率。概率的选择是根据节点到汇聚节点的通信代价来计算的。因为每个节点到达汇聚节点的路径很多，所以这个代价值是各路径的加权平均值。能量多路径路由的主要过程描述如下： (1)汇聚节点向邻居节点广播路径建立消息，路径建立消息中包含一个代价 域，表示发出该消息的节点到汇聚节点的代价，初始值设为0； (2)当节点收到邻居节点转发的路径建立消息时，相对发送该消息的邻居节 点，只有当距离源节点更近，距离汇聚节点更远才转发该消息，否则丢弃。 (3)如果节点决定转发路径建立消息，需要重新计算代价值来替换原来的代 价值。当路径建立消息从节点Ni发送到节点Nj时，该路径的通信代价为节点Ni的代价加上这两个节点的通信消耗，具体如公式所示： 其中，C N j ，Ni 表示节点N j 到达汇聚节点的代价，其中Metric（Nj，Ni）表示 节点Nj到节点Ni的通信能量消耗，计算公式如下： 这里e ij 表示Nj和节点Ni直接通信的能量消耗，Ri表示节点Nj的剩余能量。 (4)节点要放弃代价太大的路径，节点Nj将节点Ni加入本地路由表FTj中的条件如公式所示： (5)节点将为路由表中的每个下一跳节点计算选择概率，该概率与下一跳节点的代价成反比。计算下一跳节点选择概率公式如下：
无线传感器网络路由协议研究报告
无线传感器网络路由协议的研究 摘 要：对无线传感器网络及其特点进行了学习归纳，指出了无线传感网络 WSN的路由协议分类 2011年11月07日14:03 来源：本站整理作者：秩名我要评论(0) 目前国内外科研人员已设计了多种面向WSN的路由协议，将其分为四类：以数据为中心的、分层次的、基于位置的、基于数据流模型和服务质量（QoS）要求的。 （1）以数据为中心的路由协议 此类路由协议是基于查询和目标数据命名之上的，通过数据融合减少冗余的数据传输。 ①Flooding协议和Gossiping协议：这是两个最经典和简单的传统网络路由协议，在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播。该协议具有严重缺陷：内爆（implosiON），节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据；交叠（overlap），节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据；资源利用盲目（resource blindness），节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。Gossiping协议是对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，避免 了内爆，但增加了时延。这两个协议不需要维护路由信息，也不需要任何算法，简单但扩展性很差。 ②SPIN协议：SPIN（sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation）协议节点利用三种消息进行通信：数据描述ADV、数据请求REQ和数据DATA。该协议以抽象的元数据对数据进行命名，命名方式没有统一标准。节点产生或收到数据后，用包含元数据的ADV 消息向邻节点通告，需要数据的邻节点用REQ消息提出请求，然后将DATA消息发送到请求节点。该协议的优点是ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题；与Flooding 协议和Gossiping协议 https://www.wendangku.net/doc/8310802229.html,/article/11-09/422921315975560.html 频谱感知，是指认知用户通过各种信号检测和处理手段来获取无线网络中的频谱使用信息。从无线网络的功能分层角度看，频谱感知技术主要涉及物理层和链路层，其中物理层主要关注各种具体的本地检测算法，而链路层主要关注用户间的协作以及对本地感知、协作感知和感知机制优化3 个方面。因此，目前频谱感知技术的研究大多数集中在本地感知、协作感知和感知机制优化3个方面。文章正是从这3个方面对频谱感知技术的最新研究进展情况进行了总结归纳，分析了主要难点，并在此基础上讨论了下一步的研究方向。 1 本地感知技术 1.1 主要检测算法 本地频谱感知是指单个认知用户独立执行某种检测算法来感知频谱使用情况，其检测性能通常由虚警概率以及漏检概率进行衡量。比较典型的感知算法包括： 能量检测算法，其主要原理是在特定频段上，测量某段观测时间内接收信号的总能量，然后与某一设定门限比较来判决主信号是否存在。由于该算法复杂度较低，实施简单，同时不需要任何先验信息，因此被认为是CR系统中最通用的感知算法。 匹配滤波器检测算法，是在确知主用户信号先验信息(如调制类型，脉冲整形，帧格式)情况下的最佳检测算法。该算法的优势在于能使检测信噪比最大化，在相同性能限定下较能量检测所需的采样点个数少，因此处理时间更短。 循环平稳特征检测算法，其原理是通过分析循环自相关函数或者二维频谱相关函数的方法得到信号频谱相关统计特性，利用其呈现的周期性来区分主信号与噪声。该算法在很低的信噪比下仍具有很好的检测性能，而且针对各种信号类型独特的统计特征进行循环谱分析，可以克服恶意干扰信号，大大提高检测的性能和效率。 协方差矩阵检测算法，利用主信号的相关性建立信号样本协方差矩阵，并以计算矩阵最大、最小特征值比率的方法做出判决。文献[1]提出基于过采样接收信号或多路接收天线的盲感知算法。通过对接收信号矩阵的线性预测和奇异值分解(QR)得到信号统计值的比率来判定是否有主用户信号。 以上这些算法都是对主用户发射端信号的直接检测，基本都是从经典的信号检测理论中移植过来的。此外，近期一些文献从主用户接收端的角度提出了本振泄露功率检测和基于干扰温度的检测。有些文献对经典算法进行了改进，如文献[2]提出了一种基于能量检测-循环特征检测结合的两级感知算法。文献[3]研究了基于频偏补偿的匹配滤波器检测、联合前向和参数匹配的能量检测、多分辨率频谱检测和基于小波变换频谱检测等。表2归纳了文献中提及较多的一些感知算法，并对其优缺点进行了比较。 认知无线电的频谱感知技术研究 0 引言 随着无线通讯业务的增长，可利用的频带日趋紧张，频谱资源匾乏的题目日益严重。世界各国现行的频率使用政策除分配极少的ISM频段之外，大多采用许可证制度。而获得许可的用户，并非全部都是全天候占用许可频段，一些频带部分时间内并没有用户使用，另有一些偶然才被占用，即使系统频谱使用率低，仍无法将空间的频谱分配给其他系统使用，即无法实现频谱共享。怎样才能进步频谱利用率，在不同区域和不同时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常关注的技术题目。为了解决该题目，Joseph Mito1a于1999年在软件无线电的基础上提出了认知无线电(Cognitive Radio，简称CR)的概念，要实现动态频谱接进，首先要解决的题目就是如何检测频谱空穴，避免对主用户的干扰，也就是频谱感知技术。CR用户通过频谱感知检测主用户是否存在，从而利用频谱空穴。 1 匹配滤波器检测(Matched Filtering) 匹配滤波器是一种最优的信号检测法，由于在输出端它能够使信号的信噪比达到最大。匹配滤波器最大的优点就是能够在短时间里获得高处理增益。但是使用匹配滤波器进行信号检测必须知道被检测的主用户信号的先验知识，比如调制方式、脉冲波形、数据包格式等，假如这些信息不正确就会严重影响其性能，同时匹配滤波器计算量也较大。因此它可以用来检测一些特定的信号，但是每类主用户认知无线电都要有一个专门的接收器，这就增加了系统的资源耗费量和复杂度。 2 能量检测(Energy Detector—Based Sensing) 能量检测是一种较简单的信号非相干检测方法。根据基本假设模型，在高斯加性白噪声(AWGN)信道情况下，采用能量检测法进行主用户信号检测的性能。在AWGN信道非衰落的环境中，可知信道增益h是确定的。在H1下，当接收到的信号超过判决门限进时，判定主用户信号存在。在H0下，当接收信号超过判决门限时，则会作出错误的判定。分别用Pd 和Pf，来表示检测到主用户的概率(检测概率)和错误判定警报的(虚警)概率，对H．Urkowitz 的研究结果进行简化，可以得到通过无衰落的AWGN信道检测的概率和虚警概率的近似表达式为 其中：γ是信噪；σ是一个正数；r0，r(，g)是方差；是完整和不完整Gamma函数；Qm是普遍马库姆(Marcum)函数，其定义为WSN协议分类
频谱感知
认知无线电学习笔记三-频谱感知技术研究