一種基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，包括如下步驟：A、在無(wú)線信號(hào)暗室中，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊采集不同信號(hào)源的RSS序列，并將其保存。B、采集到所需數(shù)量的RSSI序列后，提取標(biāo)記了信號(hào)源的RSSI序列的特征。C、根據(jù)提取的所述RSSI序列的特征選擇分類方法訓(xùn)練分類器。D、使用訓(xùn)練好的所述分類器識(shí)別無(wú)線信號(hào)的類型。本發(fā)明利用不同無(wú)線信號(hào)調(diào)制方式的不同，會(huì)使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的RSSI序列表現(xiàn)出不同的特征，在短時(shí)間內(nèi)僅通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集到的信息完成無(wú)線信號(hào)類型的識(shí)別，并且達(dá)到了與現(xiàn)有的長(zhǎng)時(shí)間識(shí)別方法相類似的準(zhǔn)確度。
【專利說(shuō)明】一種基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)淖越M織網(wǎng)絡(luò)，是無(wú)線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究方向，是現(xiàn)代信息技術(shù)一個(gè)新的發(fā)展領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，可以應(yīng)用到軍事、環(huán)境等領(lǐng)域，它把信息世界和物理世界聯(lián)系在一起，將改變?nèi)伺c自然的交互方式。正因?yàn)槿绱?，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率，主要適用于自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，目的是滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制。而隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大范圍的應(yīng)用到室內(nèi)系統(tǒng)中，比如空調(diào)控制系統(tǒng)，智能家居等應(yīng)用系統(tǒng)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是遵守IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范，它必須運(yùn)行在2.4GHz的頻段上。2.4GHz是工作在ISM頻段的一個(gè)頻段。ISM頻段是工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)用頻段。一般來(lái)說(shuō)世界各國(guó)均保留了一些無(wú)線頻段，以用于工業(yè)，科學(xué)研究，和微波醫(yī)療方面的應(yīng)用。應(yīng)用這些頻段無(wú)需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國(guó)的規(guī)定并不統(tǒng)一。而2.4GHz為各國(guó)共同的ISM頻段。由于2.4GHz是一個(gè)免費(fèi)的頻段，所以很多設(shè)備應(yīng)用于在這個(gè)頻段。在室內(nèi)環(huán)境中，常見(jiàn)的運(yùn)行在2.4GHz的無(wú)線技術(shù)包括:(I)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WiFi)，遵循IEEE802.11協(xié)議規(guī)范;(2)藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)，遵循IEEE802.15.1協(xié)議規(guī)范；(3)ZigBee，遵循IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范；(4)微波爐，微波不是一種通信信號(hào)，但是微波爐產(chǎn)生的微波信號(hào)的頻率卻于2.4GHz頻段產(chǎn)生了重疊，導(dǎo)致了干擾。
[0003]WiFi/802.11。無(wú)線局域網(wǎng)第一個(gè)版本發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問(wèn)接入控制層和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無(wú)線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞?，總?shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計(jì)為2Mbit/s。兩個(gè)設(shè)備之間的通信可以以自由直接(Ad-hoc)的方式進(jìn)行,也可以在基站(Base Station)或者訪問(wèn)點(diǎn)(Access Point)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。1999年，加上了兩個(gè)補(bǔ)充版本:802.1la定義了一個(gè)在5GHz ISM頻段上的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54Mbit/s的物理層，802.1 Ib定義了一個(gè)在2.4GHz的ISM頻段上但數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)llMbit/s的物理層。2.4GHz的ISM頻段為世界上絕大多數(shù)國(guó)家通用，因此802.1Ib得到了廣泛的應(yīng)用。1999年工業(yè)界成立了 WiFi聯(lián)盟，致力解決符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備兼容性問(wèn)題。IEEE802.11是現(xiàn)今無(wú)線局域網(wǎng)通用的標(biāo)準(zhǔn)，它是由國(guó)際電機(jī)電子工程學(xué)會(huì)(IEEE)所定義的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)。在802.1lb的基礎(chǔ)上，IEEE繼續(xù)提出了 802.1lg和802.1 In。IEEE802.1lg在2003年7月被通過(guò)。其載波的頻率為2.4GHz (跟802.1lb相同)，共14個(gè)頻段，原始傳送速度為54Mbit/s，凈傳輸速度約為24.7Mbit/s (跟802.1la相同)。802.1lg的設(shè)備向下與802.1lb兼容。IEEE802.lln，是由IEEE在2004年I月組成的一個(gè)新的工作組在802.11-2007的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，于2009年9月正式批準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)增加了對(duì)MMO的支持，允許40MHz的無(wú)線頻寬，最大傳輸速度理論值為600Mbit/s。現(xiàn)代的無(wú)線局域網(wǎng)里，通常運(yùn)行的是支持802.llb/g/n協(xié)議規(guī)范的設(shè)備。藍(lán)牙/802.15.1是一種無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(Wireless PAN)，最初由愛(ài)立信創(chuàng)制，后來(lái)由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟訂定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它是研究在移動(dòng)電話和其他配件間進(jìn)行低功耗、低成本無(wú)線通信連接的方法。
【發(fā)明者】希望為設(shè)備間的通訊創(chuàng)造一組統(tǒng)一規(guī)則(標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議)，以解決用戶間互不兼容的移動(dòng)電子設(shè)備。1997年前愛(ài)立信公司此概念接觸了移動(dòng)設(shè)備制造商，討論其項(xiàng)目合作發(fā)展，結(jié)果獲得支持。當(dāng)1.0規(guī)格推出以后，藍(lán)牙并未立即受到廣泛的應(yīng)用，除了當(dāng)時(shí)對(duì)應(yīng)藍(lán)牙功能的電子設(shè)備種類少，藍(lán)牙裝置也十分昂貴。2001年的1.1版正式列入IEEE標(biāo)準(zhǔn)，Bluetoothl.1即為IEEE802.15.1。同年，SIG成員公司超過(guò)2000家。過(guò)了幾年之后，采用藍(lán)牙技術(shù)的電子裝置如雨后春筍般增加，售價(jià)也大幅回落。為了擴(kuò)寬藍(lán)牙的應(yīng)用層面和傳輸速度，SIG先后推出了 1.2、2.0版，以及其他附加新功能,例如EDR (Enhanced Data Rate)配合2.0的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將最大傳輸速度提高到 3Mbps,A2DP (Advanced Audio Distribution Profile)一個(gè)控音軌分配技術(shù)，主要應(yīng)用于立體聲耳機(jī))，AVRCP (A/V Remote Control Profile)等。Bluetooth2.0將傳輸率提升至2Mbps、3Mbps,遠(yuǎn)大于1.x版的IMbps (實(shí)際約723.2kbps)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，底層是采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問(wèn)層與實(shí)體層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。IEEE802.15.4協(xié)議是IEEE802.15.4工作組為低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(WPN:Wireless Personal Area Network)制定的標(biāo)準(zhǔn),該工作組成立于2002年12月，致力于定義一種廉價(jià)的，固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的，低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的無(wú)線連接技術(shù)，并于2003年12月通過(guò)了第一個(gè)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)也得到了快速的發(fā)展。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了在個(gè)人區(qū)域網(wǎng)中通過(guò)射頻方式在設(shè)備間進(jìn)行互連的方式與協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)使用避免沖突的載波監(jiān)聽(tīng)多址接入以方式作為媒體訪問(wèn)機(jī)制，同時(shí)支持星型與對(duì)等型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中指定了兩個(gè)物理頻段和的直接擴(kuò)頻串行物理層頻段:868/915MHz和2.4GHz的直接串行擴(kuò)頻(DSSS)物理層頻段。2.4GHz的物理層支持空氣中250kb/s的速率，而868/915MHz的物理層支持空氣中20kb/s和40kb/s的傳輸速率。由于數(shù)據(jù)包開(kāi)銷和處理延遲，實(shí)際的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)小于規(guī)定的比特率。作為支持低速率、低功耗、短距離無(wú)線通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，802.15.4在無(wú)線電頻率和數(shù)據(jù)率、數(shù)據(jù)傳輸模型、設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)工作方式、安全等方面都做出了說(shuō)明。并且將協(xié)議模型劃分為物理層和媒體接入控制層兩個(gè)子層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。微波爐是一種用微波加熱食品的現(xiàn)代化烹調(diào)灶具。微波是一種電磁波。微波爐由電源，磁控管，控制電路和烹調(diào)腔等部分組成。雖然微波本身不是通信的信號(hào)，但是由于產(chǎn)生了電磁波，在室內(nèi)環(huán)境中會(huì)對(duì)其他通信技術(shù)產(chǎn)生干擾。即使在微波爐上裝有防護(hù)罩，其泄露出來(lái)的能量也是不容忽視的，會(huì)對(duì)室內(nèi)狹小空間內(nèi)的通信技術(shù)產(chǎn)生干擾。
[0004]正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)是IEEE802.llg/n規(guī)定的同學(xué)調(diào)制方法，也是現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境WiFi最常使用的一直調(diào)制技術(shù)。實(shí)際上OFDM是多載波調(diào)制(Mult1-Carrier Modulation，MCM)的一種。其主要思想是:將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾ICI。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。802.llg/n使用了 OFDM作為調(diào)制方式，運(yùn)行在
2.402GHz?2.482GHz頻率。它將2.4GHz頻段劃分為13個(gè)信道，每個(gè)信道22MHz帶寬，定義的中心頻率請(qǐng)參見(jiàn)圖1。一般認(rèn)為信道1，6，11是干擾比較小的3個(gè)信道，大部分設(shè)備會(huì)優(yōu)先選取這三個(gè)信道工作。直接序列擴(kuò)頻(direct-sequence spread spectrum, DSSS)簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DS)，是一種調(diào)制技術(shù)。就是在發(fā)送端，直接用高碼率的擴(kuò)頻碼序列去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列將信號(hào)解擴(kuò)，把展寬的信號(hào)還原到原始狀態(tài)。其名稱中的“擴(kuò)頻”來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即載波信號(hào)發(fā)生設(shè)備的發(fā)射頻率充滿了整個(gè)帶寬(頻譜)。DSSS由于采用全頻帶傳送數(shù)據(jù)，速度較快，未來(lái)可開(kāi)發(fā)出更高傳輸頻率的潛力也較大。DSSS技術(shù)適用于固定環(huán)境中、或?qū)鬏斊焚|(zhì)要求較高的應(yīng)用，因此，無(wú)線廠房、無(wú)線醫(yī)院、網(wǎng)絡(luò)社區(qū)、分校連網(wǎng)等應(yīng)用，大都采用DSSS無(wú)線技術(shù)產(chǎn)品。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范IEEE802.15.4規(guī)定了 DSSS作為ZigBee的調(diào)制方式。ZigBee將2.4GHz頻段劃分成16個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬 5MHz。跳頻擴(kuò)頻(Frequency-hopping spread spectrum, FHSS)是擴(kuò)頻技術(shù)的一種；經(jīng)由載波快速在不同頻率中切換，并在接收與發(fā)射端使用一種偽隨機(jī)(PseudoRandom)的過(guò)程。。跳頻技術(shù)是通過(guò)收發(fā)雙方設(shè)備無(wú)線傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定算法或者規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說(shuō)，無(wú)線通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，“跳頻技術(shù)”是一種用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。從時(shí)域上來(lái)看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上來(lái)看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)跳變的。其中:跳頻控制器為核心部件，包括跳頻圖案產(chǎn)生、同步、自適應(yīng)控制等功能；頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率；數(shù)據(jù)終端包含對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)控制。與定頻通信相比，跳頻通信比較隱蔽也難以被截獲。只要對(duì)方不清楚載頻跳變的規(guī)律，就很難截獲我方的通信內(nèi)容。同時(shí)，跳頻通信也具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點(diǎn)被干擾，仍能在其他未被干擾的頻點(diǎn)上進(jìn)行正常的通信。由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)，它易于與其他的窄帶通信系統(tǒng)兼容，也就是說(shuō)，跳頻電臺(tái)可以與常規(guī)的窄帶電臺(tái)互通，有利于設(shè)備的更新。
[0005]藍(lán)牙使用了 HlSS技術(shù)，將2.4GHz頻段分成了 79個(gè)信道，每個(gè)信道有IMHz的帶寬。藍(lán)牙以每秒1600的跳頻速度進(jìn)行偽隨機(jī)跳頻。2.4GHz的ISM頻段有如此多的技術(shù)，各種技術(shù)之間的干擾日益嚴(yán)重。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的ZigBee由于其發(fā)射功率小，更加容易受到其他干擾?，F(xiàn)有一些方法和技術(shù)可以盡量避免其他技術(shù)對(duì)ZigBee的干擾，但是這些方法和技術(shù)都需要知道當(dāng)前存在的干擾類型，才能更好的進(jìn)行干擾避免。所以干擾的識(shí)別技術(shù)對(duì)于在室內(nèi)部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，是非常重要的。但是，現(xiàn)有的干擾識(shí)別技術(shù)存在著比較明顯的缺陷:(I)、判斷時(shí)間過(guò)久，導(dǎo)致識(shí)別出的干擾類型不能代表現(xiàn)在存在的干擾類型，使干擾避免方法失效；(2)、依賴強(qiáng)大的硬件設(shè)備來(lái)解決缺陷(I )，為了達(dá)到精確且實(shí)時(shí)的識(shí)別當(dāng)前的干擾類型，有些方法使用了強(qiáng)大的或者定制的硬件設(shè)備來(lái)獲取更多的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于通過(guò)一種基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，來(lái)解決以上【背景技術(shù)】部分提到的問(wèn)題。
[0007]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:[0008]一種基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，其包括如下步驟:
[0009]A、在無(wú)線信號(hào)暗室中，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊采集不同信號(hào)源的接收信號(hào)能量強(qiáng)度(Received Signal Strength Indicator, RSSI)序列，并將其保存；
[0010]B、采集到所需數(shù)量的RSSI序列后，提取標(biāo)記了信號(hào)源的RSSI序列的特征；
[0011]C、根據(jù)提取的所述RSSI序列的特征選擇分類方法訓(xùn)練分類器；
[0012]D、使用訓(xùn)練好的所述分類器識(shí)別無(wú)線信號(hào)的類型。
[0013]特別地，所述步驟A具體包括:在無(wú)線信號(hào)暗室中，依次放入ZigBee節(jié)點(diǎn)、WiFi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point，AP)和WiFi設(shè)備、支持藍(lán)牙傳輸?shù)闹悄苁謾C(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)以及微波爐，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊采集ZigBee信號(hào)、WiFi信號(hào)、藍(lán)牙信號(hào)以及微波爐產(chǎn)生的電磁波的RSSI序列，并將其保存。
[0014]特別地，所述步驟A中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)修改了 TinyOS底層通信模塊的驅(qū)動(dòng)程序和通信模塊與微控制器間通信總線的時(shí)鐘頻率，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)快速采集高分辨率的RSSI序列。
[0015]特別地,所述步驟B中RSSI序列的特征包括傳輸時(shí)間(On-air Time)、最小包間隔時(shí)間(Minimum Packet Interval, MPI)、峰值-均值能量比(Peak to Average PowerRatio，PAPR)、低于噪聲信號(hào)(Under Noise Floor，UNF)。
[0016]特別地，所述步驟C中使用決策樹作為分類器。
[0017]本發(fā)明提供的基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法利用不同無(wú)線信號(hào)調(diào)制方式的不同，會(huì)使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的RSSI序列表現(xiàn)出不同的特征，在短時(shí)間內(nèi)僅通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集到的信息完成無(wú)線信號(hào)類型的識(shí)別，并且達(dá)到了與現(xiàn)有的長(zhǎng)時(shí)間識(shí)別方法相類似的準(zhǔn)確度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為2.4GHz W1-Fi信道與帶寬分配示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法流程圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的ZigBee信號(hào)的RSSI序列；
[0021]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的WiFi信號(hào)的RSSI序列；
[0022]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)牙信號(hào)的RSSI序列；
[0023]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波爐產(chǎn)生的電磁波的RSSI序列；
[0024]圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的決策樹。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0026]請(qǐng)參照?qǐng)D2所示，圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法流程圖。
[0027]本實(shí)施例中基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法具體包括如下步驟:
[0028]步驟S201、在無(wú)線信號(hào)暗室中，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊采集不同信號(hào)源的接收信號(hào)能量強(qiáng)度(Received Signal Strength Indicator, RSSI)序列，并將其保存。
[0029]在可控的環(huán)境中，依次放入不同的信號(hào)源:(1)無(wú)信號(hào)源；(2)ZigBee節(jié)點(diǎn)；(3)WiFi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point，AP)和WiFi設(shè)備；(4)支持藍(lán)牙傳輸?shù)闹悄苁謾C(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)；(5)微波爐。在不同的信號(hào)源存在的情況下，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊采集ZigBee信號(hào)、WiFi信號(hào)、藍(lán)牙信號(hào)以及微波爐產(chǎn)生的電磁波的RSSI序列，并將其保存，供后續(xù)步驟使用。
[0030]因?yàn)橛行┬蛄械奶卣髦挥性诟叻直媛实腞SSI序列下才能體現(xiàn)出來(lái)，所以快速采集高分辨率的RSSI序列對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。這里高分辨率指時(shí)間粒度，即一次采樣時(shí)間要非常的短。為了實(shí)現(xiàn)上述要求，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)修改了 TinyOS底層通信模塊的驅(qū)動(dòng)程序和通信模塊與微控制器間通信總線的時(shí)鐘頻率，達(dá)到了快速的采集和緩存采樣值，獲取到了高分辨率的RSSI序列。于本實(shí)施例，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)選用Tiny0S2.1.2，其中通信模塊和微控制器通信總線由SPI總線實(shí)現(xiàn)，將SPI的時(shí)鐘頻率提高了 4倍，并修改了相應(yīng)的通信模塊驅(qū)動(dòng)，使得采樣頻率從默認(rèn)的128微秒/采樣點(diǎn)，提高到32微秒/采樣點(diǎn)。其中，TinyOS是加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼操作系統(tǒng)，專為嵌入式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。SPI是Serial Peripheral interface的縮寫,是高速同步串行口，一種標(biāo)準(zhǔn)的四線同步雙向串行總線。
[0031]本實(shí)施例中采集到的不同的信號(hào)源的RSSI序列如圖3-圖6所示。注意這里提到的采集的RSSI序列都是由普通的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的。圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的ZigBee信號(hào)的RSSI序列；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的WiFi信號(hào)的RSSI序列；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)牙信號(hào)的RSSI序列；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的微波爐產(chǎn)生的電磁波的RSSI序列。
[0032]步驟S202、采集到所需數(shù)量的RSSI序列后，提取標(biāo)記了信號(hào)源的RSSI序列的特征。本實(shí)施例提取了比較大的特征集合，逐一篩選，這里列出選定的可用于識(shí)別技術(shù)的幾種特征并給出其可用于識(shí)別技術(shù)的原因。
[0033]—、傳輸時(shí)間(On-air Time)。不同的無(wú)線技術(shù)擁有不同的傳輸時(shí)間。根據(jù)其底層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以得知:ZigBee的傳輸時(shí)間為[608 μ s, 4256 μ s] ；WiFi的傳輸時(shí)間根據(jù)802.1ln的規(guī)范是[194 μ S，542 μ s];藍(lán)牙的傳輸時(shí)間是366 μ s ;微波爐的傳輸時(shí)間是由微波爐的工作模式?jīng)Q定的，[2ms，10ms]。不同技術(shù)的有效傳輸時(shí)間范圍是由各自協(xié)議規(guī)范規(guī)定的傳輸速率和有效包的大小決定的。因此可以用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的識(shí)別。
[0034]二、最小包間隔時(shí)間(Minimum Packet Interval,MPI)。MPI的定義為兩個(gè)連續(xù)的傳輸信號(hào)直接的最小間隔時(shí)間。ZigBee的MPI是由傳輸層的協(xié)議定義規(guī)范的,一般取決于ACK的往返時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)在的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，ZigBee的MPI是2.8ms。WiFi的包間隔時(shí)間是由802.11協(xié)議規(guī)范的,兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)包發(fā)送之間至少間隔DIFS (DCF Inter-Frame Space)時(shí)間。即WiFI的MPI是28 μ S。由于藍(lán)牙使用的是偽隨機(jī)跳頻，在同一個(gè)頻率上的兩個(gè)連續(xù)的包的時(shí)間間隔是沒(méi)有定值的，即藍(lán)牙的MPI不存在。而微波爐的MPI就是微波爐周期性工作的關(guān)閉階段的時(shí)間。即微波爐的MPI是IOms (在電源的頻率是50Hz的情況下)。
[0035]三、峰值-均值能量比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)。由于不同的物理層調(diào)制方式，不同的無(wú)線技術(shù)有不同的能量抖動(dòng)。PAPR就是用于衡量能量的抖動(dòng)程度的指標(biāo)。計(jì)算方法為:峰值能量/平均能量。WiFi使用的調(diào)制技術(shù)是OFDM。如背景介紹中提到的，OFDM是一種多信道的調(diào)制方法，接收到的信號(hào)時(shí)各個(gè)正交的子信道的相加。因此，各個(gè)子信道上的波動(dòng)也被相加了，導(dǎo)致OFDM比起單信道的傳輸，能量波動(dòng)大很多。所以WiFi的PAPR —般≥1.9。而ZigBee使用的DSSS是單信道的調(diào)制模式，所以ZigBee的PAPR —般(1.3。藍(lán)牙使用的rass也是一個(gè)單信道的擴(kuò)頻的調(diào)制模式，因此其PAPR—般也是≤1.3。微波爐產(chǎn)生的微波是一種電磁波，根據(jù)測(cè)量，它的波動(dòng)非常大，原因可能是是微波爐的周期性開(kāi)關(guān)工作模式。微波爐的PAPR —般≥2.9。
[0036]四、低于噪聲信號(hào)(Under Noise Floor，UNF)。這里定義UNF作為一個(gè)指示變量:如果RSSI序列存在RSSI值低于噪聲IOdBm,則UNF為真(TRUE);否則UNF為假(FALSE)。此指示變量是用于區(qū)分微波爐與其他無(wú)線技術(shù)。因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)驗(yàn)觀察，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)微波爐的工作時(shí)，總是以一個(gè)低于噪聲信號(hào)很多的RSSI值起始，如圖6，所以UNF可以指明信號(hào)是否是由微波爐產(chǎn)生的。除了微波爐的信號(hào)的UNF為TRUE，其他無(wú)線技術(shù)都不會(huì)導(dǎo)致這種現(xiàn)象，因此其他無(wú)線信號(hào)的UNF都是FALSE。
[0037]步驟S203、根據(jù)提取的所述RSSI序列的特征選擇分類方法訓(xùn)練分類器。
[0038]經(jīng)過(guò)對(duì)多種分類器作為分類方法的測(cè)試，本實(shí)施例中使用決策樹作為分類器。決策樹是一個(gè)預(yù)測(cè)模型；它代表的是對(duì)象屬性與對(duì)象值之間的一種映射關(guān)系。樹中每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示某個(gè)對(duì)象，而每個(gè)分叉路徑則代表的某個(gè)可能的屬性值，而每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)則對(duì)應(yīng)從根節(jié)點(diǎn)到該葉節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的路徑所表示的對(duì)象的值。決策樹僅有單一輸出，若欲有復(fù)數(shù)輸出，可以建立獨(dú)立的決策樹以處理不同輸出。數(shù)據(jù)挖掘中決策樹是一種經(jīng)常要用到的技術(shù)，可以用于分析數(shù)據(jù)，同樣也可以用于做預(yù)測(cè)。本實(shí)施例中使用步驟S201中采集到的9萬(wàn)條RSSI序列作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練決策樹。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，生成的決策樹如圖7所示。
[0039]步驟S204、使用訓(xùn)練好的所述分類器識(shí)別無(wú)線信號(hào)的類型。
[0040]當(dāng)進(jìn)行識(shí)別時(shí)，將待識(shí)別的RSSI序列輸入到?jīng)Q策樹，根據(jù)決策樹的判斷條件進(jìn)行判斷并轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的分支，當(dāng)?shù)竭_(dá)葉子節(jié)點(diǎn)時(shí)，即可得到相應(yīng)的無(wú)線信號(hào)類型。如果落入了“Unknown”，則屬于本發(fā)明無(wú)法判斷的輸入，該部分可能是由于失真的RSSI采樣導(dǎo)致。實(shí)際上，訓(xùn)練數(shù)據(jù)中并沒(méi)有該部分的數(shù)據(jù)，Unknown的存在只是為了保證決策樹的完整性。本實(shí)施例中使用9萬(wàn)條訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行了交叉驗(yàn)證，對(duì)決策樹的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)下表。
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，其特征在于，具體包括如下步驟: A、在無(wú)線信號(hào)暗室中，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊采集不同信號(hào)源的接收信號(hào)能量強(qiáng)度(Received Signal Strength Indicator, RSSI)序列，并將其保存; B、采集到所需數(shù)量的RSSI序列后，提取標(biāo)記了信號(hào)源的RSSI序列的特征； C、根據(jù)提取的所述RSSI序列的特征選擇分類方法訓(xùn)練分類器； D、使用訓(xùn)練好的所述分類器識(shí)別無(wú)線信號(hào)的類型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟A具體包括:在無(wú)線信號(hào)暗室中，依次放入ZigBee節(jié)點(diǎn)、WiFi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point, AP)和WiFi設(shè)備、支持藍(lán)牙傳輸?shù)闹悄苁謾C(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)以及微波爐，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信模塊采集ZigBee信號(hào)、WiFi信號(hào)、藍(lán)牙信號(hào)以及微波爐產(chǎn)生的電磁波的RSSI序列，并將其保存。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟A中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)修改了 TinyOS底層通信模塊的驅(qū)動(dòng)程序和通信模塊與微控制器間通信總線的時(shí)鐘頻率，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)快速采集高分辨率的RSSI序列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟B中RSSI序列的特征包括傳輸時(shí)間(On-air Time)、最小包間隔時(shí)間(Minimum PacketInterval, MPI)、峰值-均值能量比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)、低于噪聲信號(hào)(Under Noise Floor, UNF)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的基于能量模式的無(wú)線信號(hào)類型識(shí)別方法，其特征在于，所述步驟C中使用決策樹作為分類器。
【文檔編號(hào)】H04B17/00GK103580762SQ201310574670
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】鄭霄龍, 曹志超, 劉云浩 申請(qǐng)人:無(wú)錫儒安科技有限公司