面向频谱地图构建的频谱态势生成技术研究

论文摘要

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新兴技术带动的新一轮科技革命和产业变革,新型无线多媒体业务量呈现爆炸式增长。非法利用频谱资源正在世界范围内成为新常态,并对我国经济建设和国家安全产生深远影响。频谱地图是对无线电环境的抽象表达,它可以直观、多维度地展现频谱态势信息,为频谱的动态接入、频谱共享、频谱监管提供可视化依据。其中,频谱态势是指电磁频谱环境的当前状态、综合形势和发展趋势。频谱态势生成实现了对频谱数据的整合与呈现,从时,频,空等多维度来刻画复杂的频谱信息,并以直观的可视化形式进行呈现,是频谱地图构建的关键技术。论文系统地研究了面向频谱地图构建的频谱态势生成技术,选题具有理论意义和应用价值。论文工作如下:1)设计并实现了基于深度学习的室内异常信号定位系统,对局域空间内的频谱态势进行生成。应用深度神经网络对指纹数据库内数据进行训练,基于深度学习的室内定位算法采用自动编码器、批正则化,随机梯度下降等方法有效地提高了深度神经网络的性能和计算速度,经过仿真对比,得出适合的参数设置。与传统的算法相比,该算法可以直接学习、提取数据隐含的结构特征,并且不需要预处理,而且可以有效避免过拟合等问题,提高网络泛化能力。2)设计并搭建起一套南航频谱监测平台,以南京航空航天大学江宁校区为监测地点,将频谱态势生成技术由室内推广到室外,从局域推广到广域。系统可分为以下三个部分:分别为频谱数据采集、数据集成与处理和可视化呈现。针对采集数据的缺失性问题,提出基于增广拉格朗日乘数法的矩阵重建算法,对缺失数据进行补全,最后融于地理信息系统形成南航校区的频谱地图,直观呈现校园内不同频段、不同时间段的频谱状态。3)设计并实现了基于卫星扫描的频谱大数据分析平台,将频谱态势生成技术由室内、室外、推广至卫星,从广域推广到太空。该平台由卫星运行演示模块、频谱态势生成模块、频谱态势预测模块、干扰源定位模块组成。提出了一种卫星频谱态势生成算法,将补全、预测产生的完整频谱数据,映射到地球表面具体位置上。将处理后的数据融于地理信息系统,进行数据可视化分析与预测平台构建,应用大数据存储和分析系统,提出大数据级解决方案。4)设计并搭建小巧轻便,能搭载在小型无人机上的数据采集硬件平台,为频谱数据采集奠定了硬件基础。该平台可利用成熟的模块迅速搭建,可实现对电磁频谱在三维空间上的动态监测,能够有效减少监测信号中断和多径的影响,提高了无线电监测的有效性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 频谱感知
•     1.2.2 频谱态势生成
•     1.2.3 频谱态势应用
•   1.3 论文主要工作和结构安排
• 第二章 局域频谱态势构建
•   2.1 引言
•   2.2 系统设计
•     2.2.1 系统总体架构
•     2.2.2 系统软件设计
•   2.3 基于深度学习的异常信号定位算法
•     2.3.1 深度学习基本模型
•     2.3.2 自动编码器
•     2.3.3 批正则化
•     2.3.4 激活函数
•     2.3.5 深度网络学习算法
•     2.3.6 算法具体步骤
•   2.4 仿真结果与分析
•   2.5 本章小节
• 第三章 广域频谱态势构建
•   3.1 引言
•   3.2 系统设计
•   3.3 矩阵重建算法
•     3.3.1 矩阵填充
•     3.3.2 主成分分析
•     3.3.3 基于SVT的矩阵填充算法
•     3.3.4 基于ALM的矩阵填充算法
•   3.4 仿真结果与分析
•     3.4.1 室外传播模型
•     3.4.2 算法性能比较
•     3.4.3 仿真结果
•   3.5 本章小节
• 第四章 扩展频谱态势构建
•   4.1 引言
•   4.2 平台设计
•   4.3 基于卫星的频谱态势生成算法
•     4.3.1 轨道计算模型
•     4.3.2 网格化分割和网格能量值的计算
•   4.4 仿真结果与分析
•     4.4.1 数据分析
•     4.4.2 仿真结果
•   4.5 平台实现
•     4.5.1 平台的软件系统架构
•     4.5.2 平台可视化呈现
•   4.6 本章小节
• 第五章 频谱数据采集硬件平台的构建
•   5.1 引言
•   5.2 平台总体设计
•   5.3 各模块介绍
•     5.3.1 AD9364 模块
•     5.3.2 FPGA处理模块
•     5.3.3 ESP8266 无线Wi-Fi模块
•   5.4 各模块的配置与连接
•     5.4.1 AD9364 模块配置
•     5.4.2 FPGA模块配置
•     5.4.3 ESP2866 模块配置
•   5.5 本章小节
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李竟铭

导师: 张小飞

关键词: 频谱地图,频谱态势,频谱态势生成,深度学习,矩阵重建

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术,自动化技术

单位: 南京航空航天大学

基金: 国家自然科学基金重点项目“广域动态频谱态势基础理论与关键技术研究,基金号(61631020)”

分类号: TP18;TN98;O441

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000556

总页数: 95

文件大小: 5347K

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