史姣姣 曹曉航 唐震

摘 要：為了實現(xiàn)對頻譜資源的科學、有效管理，提高頻率利用率，設(shè)計并實現(xiàn)了基于Android平臺的智能頻譜感知可視化系統(tǒng)。采用MVC軟件模式進行系統(tǒng)框架設(shè)計，以實現(xiàn)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高內(nèi)聚、低耦合。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計包含監(jiān)測設(shè)備端、服務(wù)器端、客戶端、百度地圖4部分，服務(wù)器端對采集到的頻譜數(shù)據(jù)進行FFT（快速傅里葉變換），并保存在MySQL數(shù)據(jù)庫中，以方便用戶對歷史頻譜數(shù)據(jù)的查詢與分析。服務(wù)端與客戶端采用安全性較高的C/S模式進行數(shù)據(jù)交互，以保障頻譜信息的安全性。客戶端采用成熟的SurfaceView和Opengl ES技術(shù)繪制二維、三維頻譜圖，以豐富應(yīng)用程序的可視化功能，提升用戶體驗。實際應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運行效果良好，對監(jiān)測區(qū)域的頻譜使用情況能進行直觀的可視化呈現(xiàn)，可有效幫助監(jiān)管部門了解監(jiān)測范圍內(nèi)的頻譜占用情況。

關(guān)鍵詞：可視化管理;智能頻譜感知;數(shù)據(jù)庫;百度地圖

DOI：10. 11907/rjdk. 182767 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）007-0137-05

Design and Implementation of Intelligent Spectrum Sensing Visualization System

SHI Jiao-jiao， CAO Xiao-hang， TANG Zhen

（ College of Communication Engineering， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to realize scientific and effective visual management of spectrum resources and improve frequency utilization， an intelligent spectrum sensing visualization system based on Android platform is designed and implemented. The system framework is designed by MVC software mode to achieve high cohesion and low coupling of the overall system structure. The system architecture design includes four parts： monitoring equipment， server， client and baidu map. The server will carry out FFT （fast Fourier transform） on the spectrum data collected， and keep it in MySQL to facilitate the user to query and analyze the historical spectrum data. The server and the client use the highly secure C/S mode for data interaction， which ensures the security of spectrum information. The client uses the mature SurfaceView and Opengl ES technology to draw 2D and 3D spectrograms， enriching the visualization function of the application and increasing the user experience. Results of the real application show that the system has good effects.

Key Words： visual management; intelligent spectrum sensing; database; baidu map

作者簡介：史姣姣（1992-），女，杭州電子科技大學通信工程學院碩士研究生，研究方向為電磁環(huán)境可視化;曹曉航（1994-），男，杭州電子科技大學通信工程學院碩士研究生，研究方向為軟件無線電;唐震（1995-），男，杭州電子科技大學通信工程學院碩士研究生，研究方向為移動通信。

0 引言

在無線通信技術(shù)快速發(fā)展的背景下，無線網(wǎng)絡(luò)、通信基站與個人移動通信的業(yè)務(wù)需求量不斷增加[1-2]，無線通信對無線電頻譜也提出了更高要求。目前，靜態(tài)頻譜管理通常采用無線電頻譜管理方式，主要通過授權(quán)方式，固定用戶使用特定的頻譜資源，即使授權(quán)用戶不使用頻譜資源，其他用戶也不能占用該資源，從而導(dǎo)致頻譜資源分配不均勻、利用率低[3-5]。

為了實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)的頻譜共享以及對無線電頻譜的智能可視化管理，靜態(tài)管理方式逐漸轉(zhuǎn)向動態(tài)管理方式，智能頻譜感知可視化成為重要的研究方向。目前，我國研究人員已在無線電頻譜感知可視化分析方面開展了大量研究，并取得了一定成果，如聶俊嵐等[6]實現(xiàn)了對電磁信號的多維度特性進行交互式分析;方斌[7]設(shè)計并實現(xiàn)了一個頻譜分析軟件，通過仿真得到能量分布圖、頻譜占用圖與時頻圖等。目前我國雖然已能夠搭建起中等規(guī)模的頻譜感知可視化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]，但由于我國在無線電頻譜感知可視化方面起步較晚，與部分發(fā)達國家尚有很大差距。

近年來，Android系統(tǒng)由于具有開源特性，并有著良好的用戶體驗，受到了廣大移動設(shè)備廠商與軟件開發(fā)人員的重點關(guān)注[9-11]。隨著移動終端不斷向智能化方向發(fā)展，其提供的信息服務(wù)更加豐富，使用也更加便捷。本文目標是基于Android移動終端強大的顯示功能，結(jié)合頻譜感知的技術(shù)需求及智能可視化發(fā)展方向，設(shè)計并實現(xiàn)一個智能頻譜感知可視化系統(tǒng)，對監(jiān)測區(qū)域的頻譜使用情況進行可視化呈現(xiàn)，從而幫助監(jiān)管部門更加直觀地了解監(jiān)測范圍內(nèi)的頻譜占用情況。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計的基于Android平臺的智能頻譜感知可視化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，共分為監(jiān)測設(shè)備端、服務(wù)器端、客戶端與百度地圖4部分。服務(wù)端主要用于接收與處理監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)牟杉畔ⅲ⑵浯鎯τ跀?shù)據(jù)庫中進行管理;客戶端主要根據(jù)選擇的頻段與時間段查詢數(shù)據(jù)庫，并將返回的頻譜數(shù)據(jù)進行多元化顯示與分析;最后調(diào)用百度地圖API，以配合監(jiān)測端進行地理位置及狀態(tài)展示。其中，使用JDBC技術(shù)作為服務(wù)器端與MySQL數(shù)據(jù)庫的交互技術(shù)，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的快速查詢，并提供標準API接口，同時采用基于TCP/IP 協(xié)議的socket技術(shù)和JSON數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)客戶端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)通信。

圖1 智能頻譜感知可視化系統(tǒng)架構(gòu)

該智能頻譜感知可視化系統(tǒng)采用MVC軟件開發(fā)模式進行應(yīng)用程序開發(fā)，以幫助開發(fā)者在開發(fā)過程中實現(xiàn)高內(nèi)聚、低耦合的軟件結(jié)構(gòu)[12]，便于后期開發(fā)。

1.2 相關(guān)概念與技術(shù)應(yīng)用

（1）智能頻譜感知。智能頻譜感知原理是在頻譜感知過程中對周圍環(huán)境進行多方位探測與感知[13-15]，采用智能、動態(tài)的頻譜感知技術(shù)采集監(jiān)測區(qū)域的無線電磁頻譜信息，然后根據(jù)對區(qū)域的了解與認知分析，在不影響其他授權(quán)用戶的前提下動態(tài)使用閑置頻譜，從而提高頻譜資源利用率。

（2）漸進色算法改進與應(yīng)用。漸進色算法主要用來描述顏色變化趨勢。本文采用一種簡化的漸進色算法，使其能夠高效、生動地應(yīng)用于系統(tǒng)中，并在客戶端繪制瀑布圖與三維時頻圖過程中發(fā)揮重要作用。利用漸進色算法構(gòu)建一個顏色值與頻譜幅值之間一一映射的連續(xù)函數(shù)，顏色值利用RGB三種顏色混合產(chǎn)生，而頻譜幅值是由時域信號經(jīng)過FFT變換后產(chǎn)生的。改進的漸進色算法代替了之前利用條件語句判斷選擇的函數(shù)，從而營造了更加平滑、動態(tài)的頻譜可視化效果，同時也便于用戶觀察分析頻譜圖。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計

智能頻譜感知可視化系統(tǒng)由頻譜信息采集模塊、頻譜數(shù)據(jù)交換模塊、頻譜可視化模塊、數(shù)據(jù)庫模塊以及百度地圖應(yīng)用模塊共5個模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)模塊框架如圖2所示。其中，服務(wù)端作為客戶端與監(jiān)測設(shè)備間的中樞紐帶，首先頻譜信息采集模塊負責頻譜數(shù)據(jù)的采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸，在不同監(jiān)測點設(shè)置相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備進行穩(wěn)定狀態(tài)下的信號監(jiān)測，并將采集到的經(jīng)緯度位置信息、時域頻譜等信息經(jīng)數(shù)據(jù)交換模塊實時傳輸?shù)椒?wù)端;然后服務(wù)端對采集的信息進行解析處理，將經(jīng)過FFT變換后的頻譜數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中;最后，服務(wù)端與客戶端采用TCP/IP socket方式進行數(shù)據(jù)交互，并且結(jié)合百度地圖應(yīng)用模塊，利用頻譜可視化模塊繪制頻譜圖表。本系統(tǒng)主要研究頻譜數(shù)據(jù)交互模塊與頻譜可視化模塊。

圖2 系統(tǒng)模塊框架

2.2 系統(tǒng)需求分析

對智能頻譜可視化系統(tǒng)進行需求分析，可通過百度地圖定位方法進一步明確需求。智能頻譜可視化系統(tǒng)的客戶端應(yīng)具有四大功能，分別為：實時頻譜顯示、頻譜歷史數(shù)據(jù)查詢與分析、百度地圖定位資源、頻譜數(shù)據(jù)截屏與共享。

2.3 服務(wù)端與客戶端交互設(shè)計

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互模塊采用C/S（Client/Server）方式，監(jiān)測設(shè)備將采集到的頻譜信息傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器端將頻譜信息進行解析、處理后，再通過JDBC方式連接MySQL數(shù)據(jù)庫[16]進行分類存儲與管理，而客戶端主要完成部分頻譜信息的存儲與可視化繪制。兩者分工明確，既不會給服務(wù)器端造成過多壓力，也使客戶端具有一定操作權(quán)限，從而能在更大程度上發(fā)揮該應(yīng)用程序的功能。因此，本系統(tǒng)交互模式適合采用用戶群體穩(wěn)定、安全性較高的C/S方式[17]。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在本文系統(tǒng)設(shè)計中，為了實現(xiàn)客戶端的頻譜數(shù)據(jù)歷史查詢與分析功能，需要對頻譜數(shù)據(jù)進行長期保存，因此需要設(shè)計合理的存取方式，以保證頻譜數(shù)據(jù)的完整性、安全性及準確性。在該模塊中主要采用以下兩種方式存取數(shù)據(jù)：

（1）當天頻譜數(shù)據(jù)存取?；趯Ξ斕祛l譜數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計的業(yè)務(wù)需求，將該部分數(shù)據(jù)進行單獨存儲。該數(shù)據(jù)沒有很強的實時性傳輸需求，只需占用較小的存儲空間。在Android平臺上開發(fā)應(yīng)用程序時，一般使用Android系統(tǒng)自帶的SQlite數(shù)據(jù)庫[18]。該開發(fā)機制使開發(fā)者能夠更方便地對數(shù)據(jù)進行存儲操作。

（2）歷史頻譜數(shù)據(jù)存取?；诖罅繑?shù)據(jù)存儲、備份及分析的功能需求，將規(guī)模較大的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)端MySQL數(shù)據(jù)庫中，在客戶端進行數(shù)據(jù)分析時，可以快速獲取該部分數(shù)據(jù)。

2.5 智能頻譜感知可視化平臺設(shè)計

本文采用C/S模式（客戶端/服務(wù)器）設(shè)計智能頻譜感知可視化平臺的應(yīng)用程序架構(gòu)[19]，用戶與客戶端的界面交互是基于Android組件實現(xiàn)的。客戶端訪問服務(wù)器，再由服務(wù)器訪問MySQL數(shù)據(jù)庫獲得數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndroid界面進行顯示，從而實現(xiàn)對頻譜數(shù)據(jù)的二維與三維可視化展示。具體實現(xiàn)方式為將某一段時間內(nèi)具體監(jiān)測點特定頻段的頻譜數(shù)據(jù)以頻譜圖與對應(yīng)數(shù)據(jù)表的形式顯示出來。因此，客戶端需要調(diào)用百度地圖SDK接口的地圖展示與定位等功能，在百度地圖模塊，用戶點擊監(jiān)測點號，指示服務(wù)器端操作數(shù)據(jù)庫并返回該監(jiān)測點范圍內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)，從而將相關(guān)頻譜數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在客戶端。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 服務(wù)端與客戶端交互實現(xiàn)

本系統(tǒng)中服務(wù)器端通過使用java.net.ServerSocket類的構(gòu)造方法獲取一個端口[20]，同時偵聽客戶端數(shù)據(jù)請求?？蛻舳藙?chuàng)建TCPClient對象，根據(jù)IP地址與端口號連接服務(wù)器，連接成功后通過SendData方法向服務(wù)端發(fā)送頻譜數(shù)據(jù)請求。雙方成功建立連接后，使用I/O流進行數(shù)據(jù)交互，客戶端和服務(wù)端都有輸入流與輸出流，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)請求與頻譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

本系統(tǒng)規(guī)定客戶端與服務(wù)端通信采用Json數(shù)據(jù)格式，其格式用例為：

第一個對象的含義是幅度值ampl=22.56。

第二個對象的含義是頻譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間，精確到秒。

第三個對象的含義是監(jiān)測設(shè)備的IP地址為192.168.1.7。

第四個對象的含義是當前頻率值。

服務(wù)端每次接收到客戶端的頻段請求命令后，連接并查詢數(shù)據(jù)庫，并返回相應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)。每次發(fā)送2 048個數(shù)據(jù)，并以“end”作為結(jié)束符。

當客戶端收到服務(wù)端的回復(fù)時，將接收的Json格式數(shù)據(jù)解封裝為String，對解封裝后的數(shù)據(jù)進行解析，分別得到監(jiān)測點IP地址、頻率、頻率點對應(yīng)幅值、頻譜產(chǎn)生時間，并在繪圖表程序中調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)頻譜的可視化功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

不論在MySQL數(shù)據(jù)庫還是客戶端的SQlite數(shù)據(jù)庫，均需要對頻譜信息進行存儲，因此設(shè)計以下兩張數(shù)據(jù)表：

（1）監(jiān)測設(shè)備信息表。該數(shù)據(jù)庫記錄了智能頻譜感知可視化系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的基本信息表，以便頻譜管理人員查閱。該表具體實現(xiàn)內(nèi)容包含監(jiān)測點ID號、經(jīng)度、緯度、監(jiān)測點IP地址與監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)。監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)分為忙碌、閑置兩種。1代表忙碌，說明監(jiān)測設(shè)備正在運行中;0代表閑置，說明監(jiān)測設(shè)備處于未檢測狀態(tài)。

（2）頻譜數(shù)據(jù)表。記錄監(jiān)測設(shè)備的日常數(shù)據(jù)，包含實時頻譜數(shù)據(jù)與部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)。存儲由監(jiān)測設(shè)備收集到的時域數(shù)據(jù)經(jīng)FFT（快速傅里葉變換）處理后獲得頻率值及對應(yīng)幅值，存儲在頻譜數(shù)據(jù)表中。本系統(tǒng)中頻譜數(shù)據(jù)表具體內(nèi)容包括頻率點、對應(yīng)幅值、監(jiān)測點IP地址和時間。

3.3 智能頻譜感知可視平臺實現(xiàn)

（1）主界面實現(xiàn)。本系統(tǒng)界面風格力求美觀、簡潔?？蛻舳酥鹘缑孀髠?cè)欄羅列出本可視化平臺實現(xiàn)的主要功能;界面右上方是搜索設(shè)置按鈕，可進行特定頻段與時間段設(shè)置以及頻譜數(shù)據(jù)查詢;界面正中為地圖控制臺，在百度地圖背景下，呈現(xiàn)用戶實時定位以及監(jiān)測設(shè)備的地理位置與工作狀態(tài)。圖表顯示功能需點擊按鈕跳轉(zhuǎn)到下一界面，從而增大了頻譜顯示范圍，方便用戶進行操作控制。

（2）頻譜可視化功能實現(xiàn)。本應(yīng)用程序主要功能是實現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)的二維、三維可視化展示，可將某一段時間具體監(jiān)測點特定頻段的頻譜數(shù)據(jù)以頻譜圖與對應(yīng)數(shù)據(jù)表的形式進行顯示。頻譜二維可視化顯示包含全景頻譜圖、單頻點頻譜圖、瀑布圖、數(shù)據(jù)表4部分內(nèi)容，如圖3所示。

圖3 頻譜二維可視化界面

全景頻譜圖選取的頻段范圍均為0～300MHZ的圖例，平均劃分為4個頻段范圍，分別用紅黃藍綠4種顏色進行描述繪制，以增強視覺對比度，使用戶得到更好的體驗。

瀑布圖在本系統(tǒng)中的含義是指幅值在一定判別門限下，隨著時間推移，以瀑布上顏色變化的方式顯示出頻譜幅值分布形式，不同幅值對照漸進色算法賦予不同顏色。瀑布圖的呈現(xiàn)形式為橫坐標代表頻率，縱坐標代表時間，顏色代表幅值大小，并在界面右側(cè)設(shè)置滑動條，可以上下滑動。因此，瀑布圖具有時間記憶功能，方便用戶進行分析，并輕松了解頻譜隨時間變化的規(guī)律。

單頻頻譜圖是根據(jù)界面右上角設(shè)置窗口中頻率與頻段的參數(shù)選擇進行頻譜繪制的，用戶可根據(jù)實際需要自由選擇頻段范圍，查看并分析特定頻段的頻譜占用情況，從而避免全景頻譜圖顯示范圍的限制。

數(shù)據(jù)表中包含實時傳來的監(jiān)測點IP、頻率、幅值、時間4部分內(nèi)容，當前界面顯示兩行內(nèi)容，表格右側(cè)設(shè)置滑動條，用戶可以上下滑動以查看頻譜數(shù)據(jù)，方便后期進行頻譜數(shù)據(jù)分析。

考慮到三維狀態(tài)下的頻譜圖更有利于用戶查看并分析頻譜占用情況，故在本應(yīng)用程序中調(diào)用OpenGL ES庫繪制了三維頻譜圖。頻譜三維可視化顯示主要以單頻點時頻圖顯示功能為例，如圖4所示。單頻點時頻圖顯示重點在于實時獲取一段時間內(nèi)特定頻域的信號幅值，將其動態(tài)變化過程使用三維直方圖方式動態(tài)展示出來。為了增強頻譜圖的三維立體體驗感，本系統(tǒng)中用戶可對三維時頻圖進行手勢360°旋轉(zhuǎn)、移動、縮放等操作，從而對頻譜信息進行多角度觀察分析。

圖4 三維時頻圖

4 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)需要實現(xiàn)的4個功能進行測試分析，由于系統(tǒng)實現(xiàn)部分已展示出應(yīng)用程序的頻譜可視化功能，所以本部分主要進行頻譜歷史數(shù)據(jù)查詢與分析、百度地圖定位以及頻譜截屏與共享的功能測試。

4.1 頻譜歷史數(shù)據(jù)查詢與分析

頻譜歷史數(shù)據(jù)查詢與分析具體測試過程如圖5所示。在圖5（a）中，用戶通過點擊二維頻譜圖界面右上方的選擇窗口，選擇時間段與頻段范圍，TCP服務(wù)器端接收到客戶端的數(shù)據(jù)請求，即向客戶端發(fā)送2018-11-15 15：56～2018-11-15 16：26時間內(nèi)，頻段范圍為[158，162]MHz的頻譜數(shù)據(jù)。圖5（b）為客戶端收到數(shù)據(jù)后的頻譜顯示界面。

（a） 頻段與時段設(shè)置

（b）客戶端界面

圖5 頻譜歷史查詢與分析

4.2 百度地圖定位

百度地圖定位測試用例如圖6所示，本應(yīng)用程序首先用紅色標簽將頻譜資源監(jiān)測設(shè)備的位置信息顯示在地圖上，其次用底部圓圈顏色區(qū)分監(jiān)測設(shè)備當前狀態(tài)，紅色說明處于忙碌狀態(tài)，綠色說明處于閑置狀態(tài)，從而使用戶直觀、清晰地了解設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)，并且每次點擊監(jiān)測點按鈕都會通過彈框提醒與用戶當前距離，讓用戶對地理位置具有明確認識。在界面右上角的設(shè)置窗口里，用戶可以自由切換地圖類型與定位模式，且界面較為美觀，方便用戶操作。

圖6 百度地圖定位資源

4.3 頻譜截屏與共享

頻譜數(shù)據(jù)截屏與共享功能是頻譜資源實現(xiàn)持久化保存，以及用戶間分享資源的重要方式。Android為每個圖表界面都提供了截屏與共享的功能控件，經(jīng)過測試，該客戶端能有效實現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)的截屏與共享功能。

5 結(jié)語

本文以智能頻譜感知理論為基礎(chǔ)，根據(jù)對智能頻譜感知系統(tǒng)使用者需求的分析，建立智能頻譜感知系統(tǒng)架構(gòu)，然后對系統(tǒng)進行整體設(shè)計，并對系統(tǒng)中的客戶端應(yīng)用程序進行測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行效果良好，可對監(jiān)測區(qū)域的頻譜使用情況進行直觀的可視化呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)對頻譜資源科學、有效的管理。本文是對智能頻譜感知可視化系統(tǒng)在移動終端環(huán)境下的創(chuàng)新嘗試，系統(tǒng)設(shè)計不同于傳統(tǒng)無線頻譜感知系統(tǒng)，因此可為后續(xù)研究提供一定參考，并有著廣闊的應(yīng)用前景。

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（責任編輯：黃 健）