基于無線電指紋識(shí)別算法的無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)研究*

王 鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 710043， 西安∥高級(jí)工程師)

城市軌道交通線路沿線的無線電磁環(huán)境對(duì)無線調(diào)度、列車控制等的正常運(yùn)行至關(guān)重要。國內(nèi)各城市軌道交通線路均受到過不同程度的無線干擾，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致線路的停運(yùn)或降級(jí)運(yùn)行。

對(duì)現(xiàn)有無線電磁環(huán)境進(jìn)行測試的主要方法是在特定時(shí)間和地點(diǎn)開展一次性測試。該方式無法實(shí)時(shí)識(shí)別隨機(jī)產(chǎn)生的外部干擾。隨著全自動(dòng)運(yùn)行、智能化運(yùn)維、智慧地鐵等技術(shù)的全面應(yīng)用，軌道公司迫切需要研究一種自動(dòng)化的監(jiān)測手段來確保線路無線通信系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的安全。

1 傳統(tǒng)無線電磁環(huán)境監(jiān)測方法存在的問題

1.1 傳統(tǒng)無線電磁環(huán)境監(jiān)測的具體做法

城市軌道交通無線電磁環(huán)境測試分為建設(shè)期測試和運(yùn)營期測試。對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測的傳統(tǒng)做法多采用人工測試方法，即在項(xiàng)目建設(shè)期(單系統(tǒng)調(diào)試前)或運(yùn)營期，由軌道公司組建無線電磁環(huán)境測試團(tuán)隊(duì)進(jìn)行人工測試。測試的具體做法一般為：① 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取沿線合適的目標(biāo)點(diǎn)；② 制定測試規(guī)范，明確測試的時(shí)間、地點(diǎn)、高程、頻段范圍；③ 選擇測量的儀器、儀表；④ 采集各測試點(diǎn)的無線電磁環(huán)境數(shù)據(jù)。在階段性測試完成后進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)分析，必要時(shí)可重復(fù)上述測試過程。表1列舉了目前國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)涉及到的部分無線通信制式[1]。

1.2 傳統(tǒng)無線電磁環(huán)境監(jiān)測方法的問題分析

傳統(tǒng)的監(jiān)測方法存在以下問題：

1) 屬于離散型、一次性測試。測試方案僅針對(duì)特定的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行測試，無法長時(shí)間持續(xù)測試，且測試結(jié)果僅對(duì)本次測試采樣值負(fù)責(zé)。

表1 城市軌道交通線路無線通信的制式及頻段

2) 數(shù)據(jù)采集和分析過程分離，缺少數(shù)據(jù)收集、分析一體化設(shè)備。

3) 測試手段受限。除個(gè)別的制式信號(hào)測試配套了具有解調(diào)功能的測試儀，其他頻段的信號(hào)需要用基礎(chǔ)頻譜分析儀，對(duì)人員現(xiàn)場操作要求較高。因此，測試結(jié)論多與測試人員的理論水平和嚴(yán)謹(jǐn)程度密切相關(guān)。

4) 干擾識(shí)別度受限。對(duì)已運(yùn)營線路進(jìn)行測試時(shí)，難以直觀地識(shí)別同頻干擾信號(hào)，必要時(shí)還需配合開關(guān)本線路基站方可確認(rèn)干擾。

5) 測試成本較高。測試過程的費(fèi)用與數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位的數(shù)量、制式數(shù)量、測試頻次等有關(guān)，多點(diǎn)位、多頻次測量的測試費(fèi)用較高。

測試的個(gè)別領(lǐng)域具有自動(dòng)化監(jiān)測或在線監(jiān)測的設(shè)備，如GSM-R(鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信)系統(tǒng)[2]，但僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)單一制式信號(hào)無線電磁環(huán)境的監(jiān)測。而且，該類型設(shè)備對(duì)同頻干擾的識(shí)別，或在基帶解調(diào)后通過基站或信令標(biāo)識(shí)符對(duì)比分析來實(shí)現(xiàn)，或通過數(shù)字熒光頻譜顯示等單純基于快速傅里葉變換(FFT)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。城市軌道交通線路的無線電磁環(huán)境復(fù)雜多變，若通過基帶解碼的方式實(shí)現(xiàn)干擾識(shí)別，則需配套完整的射頻和基帶設(shè)備，這會(huì)造成監(jiān)測設(shè)備軟件和硬件的規(guī)模巨大、成本昂貴；若采用數(shù)字熒光頻譜顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)干擾識(shí)別，其前提條件是要求干擾信號(hào)和授權(quán)信號(hào)在時(shí)域上不完全重合，且對(duì)干擾信號(hào)強(qiáng)度也有限制[3]。因此，上述具有自動(dòng)化監(jiān)測或在線監(jiān)測的方案仍存在嚴(yán)重的監(jiān)測漏洞。

2 無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)可全方位、實(shí)時(shí)地監(jiān)測城市軌道交通線路沿線的無線電磁環(huán)境，自動(dòng)化識(shí)別和分析干擾信號(hào)。該系統(tǒng)主要由中心設(shè)備、前端監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、電源設(shè)備等組成。

1) 中心設(shè)備。設(shè)置于線路的電磁環(huán)境監(jiān)測中心內(nèi)，負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的配置管理、設(shè)備狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)庫管理、告警信息管理，主要包括應(yīng)用服務(wù)器、工作站、數(shù)據(jù)無線收發(fā)單元等。

2) 前端監(jiān)測設(shè)備。作為該監(jiān)測系統(tǒng)的核心設(shè)備，設(shè)置于沿線軌旁。負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集所在區(qū)域的無線電信號(hào)，進(jìn)行樣本信號(hào)的預(yù)處理、采樣、變換、識(shí)別，并將初步分析后的數(shù)據(jù)和告警信息發(fā)送至監(jiān)測中心。

3) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。負(fù)責(zé)打通前端監(jiān)測設(shè)備和中心設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。

4) 電源設(shè)備。負(fù)責(zé)為中心設(shè)備和軌旁設(shè)備供電。本文采用交流電源遠(yuǎn)程供電，可共享地鐵沿線專有的供電線纜資源。

如圖1所示，在城市軌道交通線路沿線選取監(jiān)測地點(diǎn)以布放前端監(jiān)測設(shè)備。該在線監(jiān)測系統(tǒng)以實(shí)時(shí)在線的方式實(shí)現(xiàn)全運(yùn)營時(shí)段的無線電磁環(huán)境監(jiān)測、干擾識(shí)別分析、告警上報(bào)。該系統(tǒng)的主要特征如下：① 可同時(shí)在線監(jiān)測多個(gè)制式的無線通信信號(hào)；② 數(shù)據(jù)采集、分析實(shí)時(shí)化，可快速識(shí)別沿線的干擾信號(hào)并上報(bào)告警信息；③ 采用頻譜感知、無線電指紋識(shí)別算法，同頻干擾識(shí)別不依賴于基帶解調(diào)；④ 分布式監(jiān)測，多點(diǎn)協(xié)同感知；⑤ 基于軟件無線電架構(gòu)，易于將設(shè)備擴(kuò)展應(yīng)用至其他領(lǐng)域。

圖1 城市軌道交通線路無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)前端監(jiān)測設(shè)備的硬件架構(gòu)

將設(shè)置在軌旁的前端監(jiān)測設(shè)備設(shè)計(jì)為室外型產(chǎn)品，前端設(shè)備整體采用無風(fēng)扇自然散熱架構(gòu)。該設(shè)備內(nèi)部主要由射頻電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字電路、數(shù)據(jù)回傳模組等成，其硬件架構(gòu)如圖2所示。

注：CPLD——復(fù)雜可編程邏輯器件；DRAM——?jiǎng)討B(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器；CLK——時(shí)鐘；FPGA——現(xiàn)場可編程門陣列；ADC——模數(shù)轉(zhuǎn)換器；LNA——低噪聲放大器；LDO——低壓線性穩(wěn)壓器；DCDC——直流開關(guān)電源。

無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)前端監(jiān)測設(shè)備的硬件架構(gòu)主要包括：

1) 射頻電路。主要包括監(jiān)測天線、濾波器、低噪放、混頻器等，負(fù)責(zé)采集目標(biāo)頻段內(nèi)的電磁波，實(shí)現(xiàn)射頻解調(diào)。該在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場景配置多通道的射頻電路，以適配于多制式信號(hào)。

2) 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。主要包括ADC及其匹配電路，負(fù)責(zé)完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換。該監(jiān)測系統(tǒng)選用位寬不小于11 bit、采樣率不小于200 MHz的高速ADC產(chǎn)品。

3) 數(shù)字電路。主要由CPLD、FPGA、DRAM、CLK及電源模塊等組成，以實(shí)現(xiàn)樣本信號(hào)的FFT、干擾識(shí)別、告警信息生成等。其中：① CPLD負(fù)責(zé)前端設(shè)備內(nèi)小系統(tǒng)的啟動(dòng)。② FPGA實(shí)現(xiàn)FFT算法，對(duì)采集的樣本信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域變換；通過能量域感知算法進(jìn)行頻譜變化預(yù)分析，進(jìn)而得到樣本信號(hào)的特征參數(shù)(包括中心頻點(diǎn)、帶寬、幅度等)；對(duì)同頻干擾信號(hào)進(jìn)行無線電指紋的提取、分類、對(duì)比；實(shí)現(xiàn)與電磁環(huán)境監(jiān)控中心通信接口數(shù)據(jù)的處理；在前端監(jiān)測設(shè)備內(nèi)預(yù)置全線授權(quán)無線通信系統(tǒng)空口參數(shù)及各基站、終端設(shè)備的無線電指紋白名單，便于系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確識(shí)別干擾信號(hào)的類別，并提供初步的干擾分析結(jié)果；算法模塊具備動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)能力，可對(duì)內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。③ CLK提供模擬和數(shù)字芯片所需的各種時(shí)鐘信號(hào)，包括射頻本振、晶體振蕩器等。④ 電源模塊進(jìn)行AC、DC供電模式的轉(zhuǎn)換，再通過LDO和DCDC轉(zhuǎn)換出所需的5.0 V、3.3 V、1.2 V等多種電壓。

4) 回傳模組。負(fù)責(zé)將前端設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至電磁環(huán)境監(jiān)控中心。該系統(tǒng)采用的是基于運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸方案，可最大程度地降低現(xiàn)場施工量，且利于設(shè)備位置的靈活調(diào)整。

4 無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)前端監(jiān)測設(shè)備的核心算法

4.1 算法的理論基礎(chǔ)

與其他電磁環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備相比，本文提出的無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要特征在于具備同頻干擾信號(hào)識(shí)別能力。該功能的實(shí)現(xiàn)主要通過無線電指紋識(shí)別算法提取無線電信號(hào)中的雜散成分，以達(dá)到無線電設(shè)備個(gè)體識(shí)別的目的[4]。

無線電指紋識(shí)別算法的成功率高低取決于指紋提取算法的選取及分類器的設(shè)計(jì)。由于雜散信號(hào)具有非線性、非平穩(wěn)的特點(diǎn)，而HHT(希爾伯特-黃變換)在提取非線性、非平穩(wěn)信號(hào)特征方面具有較高的準(zhǔn)確率，因此本文選擇HHT實(shí)現(xiàn)無線電指紋識(shí)別算法的提取，并通過MATLAB軟件仿真其特征提取效果。HHT包括EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)和HT(希爾伯特變換)兩部分內(nèi)容。

4.1.1 EMD

EMD通過對(duì)輸入信號(hào)與其包絡(luò)均值重復(fù)迭代求差，得到若干個(gè)IMF(固有模態(tài)函數(shù))。將得到的IMF函數(shù)線性穩(wěn)態(tài)信號(hào)作為希爾伯特變換的輸入，原始的輸入信號(hào)s(t)被分解為：

(1)

式中：

t——時(shí)間變量；

k——待處理分量的數(shù)量；

Ii(t)——IMF函數(shù)各分量；

rk(t)——分解后的余項(xiàng)。

4.1.2 希爾伯特變換

希爾伯特變換是通過將輸入實(shí)信號(hào)變換至采用復(fù)函數(shù)域處理的方式，用以提取其瞬時(shí)頻率、相位、振幅等特征信息。希爾伯特變換過程定義為：

(2)

式中：

τ——積分變量；

H[s(t)]——經(jīng)希爾伯特變換后的目標(biāo)值。

4.2 構(gòu)建仿真模型

以城市軌道交通TETRA下行發(fā)射設(shè)備為例，構(gòu)造工作在855 MHz下的仿真信號(hào)。授權(quán)設(shè)備信號(hào)f(t)的計(jì)算式為：

f(t)=f1(t)+f2(t)+f3(t)

(3)

其中：

f1(t)=50 cos(2πF1t+φn-1+Δφn);

f2(t)=10 cos(2πF2t);

f3(t)=0.8 cos(2πF3t+π/4)。

式中：

f1(t)——模擬授權(quán)信號(hào)第1個(gè)分量，mV；

f2(t)——模擬授權(quán)信號(hào)第2個(gè)分量，mV；

f3(t)——模擬授權(quán)信號(hào)第3個(gè)分量，mV；

F1——模擬授權(quán)信號(hào)第1個(gè)分量工作頻點(diǎn)，取為855 000 030 Hz；

F2——模擬授權(quán)信號(hào)第2個(gè)分量工作頻點(diǎn)，取為855 002 000 Hz；

F3——模擬授權(quán)信號(hào)第3個(gè)分量工作頻點(diǎn)，取為855 020 000 Hz；

n——授權(quán)調(diào)制信號(hào)的碼元序號(hào)；

φn-1——第n-1個(gè)碼元的相位，(°)；

Δφn——TETRA標(biāo)準(zhǔn)π/4DQPSK調(diào)制信號(hào)中第n-1個(gè)碼元和第n個(gè)碼元的相位差[5]，(°)。

同頻的干擾信號(hào)x(t)的計(jì)算式為：

x(t)=x1(t)+x2(t)+x3(t)

(4)

其中：

x1(t)=40 cos(2πX1t+φm-1+Δφm);

x2(t)=8 cos(2πX2t);

x3(t)=0.5 cos(2πX3t+π/2)。

式中：

x1(t)——模擬干擾信號(hào)第1個(gè)分量，mV；

x2(t)——模擬干擾信號(hào)第2個(gè)分量，mV；

x3(t)——模擬干擾信號(hào)第3個(gè)分量，mV；

X1——模擬干擾信號(hào)第1個(gè)分量工作頻點(diǎn)，取為855 000 090 Hz；

X2——模擬干擾信號(hào)第2個(gè)分量工作頻點(diǎn)，取為855 008 000 Hz；

X3——模擬干擾信號(hào)第3個(gè)分量工作頻點(diǎn)，取為855 080 000 Hz；

m——干擾調(diào)制信號(hào)的碼元序號(hào)；

φm-1——第m-1個(gè)碼元的相位，(°)；

Δφm——TETRA標(biāo)準(zhǔn)π/4DQPSK調(diào)制信號(hào)中第m-1個(gè)碼元和第m個(gè)碼元的相位差，(°)。

信源采用偽隨機(jī)函數(shù)輸入。仿真過程附著10 dB高斯白噪聲。f(t)和x(t)經(jīng)過HHT處理后得到的時(shí)頻特征值譜分別如圖3、圖4所示。提取每個(gè)樣本信號(hào)高頻組合分量的歸一化特征值，將其作為其無線電指紋特征。選擇支持向量機(jī)算法對(duì)該指紋特征進(jìn)行分類和對(duì)比，以便設(shè)備自動(dòng)化識(shí)別樣本個(gè)體差異，有效分辨出與授權(quán)設(shè)備同頻的干擾設(shè)備。

圖3 授權(quán)設(shè)備發(fā)射信號(hào)f(t)的HHT時(shí)頻特征值譜截圖

圖4 干擾設(shè)備發(fā)射信號(hào)x(t)的HHT時(shí)頻特征值譜截圖

5 無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

如圖5所示，以采用1.8 GHz的LTE-M系統(tǒng)為例，闡述該監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)城市軌道交通線路沿線無線電干擾識(shí)別和分析的處理流程。該系統(tǒng)對(duì)線路電磁環(huán)境的監(jiān)測過程可分為6個(gè)工作步驟：

1) 在城市軌道交通沿線軌旁以500 m左右的間隔布放前端監(jiān)測設(shè)備。

2) 設(shè)置中心設(shè)備及前端設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)。設(shè)備的掃頻范圍限定于規(guī)范要求的1 785～1 805 MHz。將地方無線電管理部門授權(quán)本城市軌道交通工程的中心頻點(diǎn)、頻段寬度，以及預(yù)先提取的本工程基站和終端設(shè)備的無線電指紋等信息配置到前端設(shè)備內(nèi)。

圖5 無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)處理流程

3) 對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行射頻信號(hào)處理，得到樣本信號(hào)的中心頻點(diǎn)、頻段寬度、幅度、功率積分等特征信息；將特征信息與授權(quán)信號(hào)數(shù)據(jù)庫比對(duì)，判斷樣本信號(hào)是否為鄰頻信號(hào)或同頻信號(hào)。

4) 將經(jīng)過初步分析處理后的樣本信號(hào)推送至干擾分析流程。對(duì)于同頻信號(hào)，通過HHT算法提取其無線電指紋并進(jìn)行分類，并與授權(quán)設(shè)備指紋白名單進(jìn)行比對(duì)，判斷該同頻信號(hào)是否為非授權(quán)設(shè)備發(fā)出。

5) 將干擾識(shí)別和初步分析的結(jié)果回傳至電磁環(huán)境監(jiān)控中心。LTE(長期演進(jìn))小區(qū)間的干擾可等效于離散的窄帶干擾，因此LTE以同頻組網(wǎng)為主[6]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，LTE-M的同頻干擾保護(hù)比一般不小于15 dB[7]。對(duì)于鄰頻干擾，主要評(píng)判帶外阻塞的影響。在不考慮隔離度時(shí)，只要鄰頻干擾信號(hào)不大于16 dBm/(20 MHz)即可[8]滿足城市軌道交通無線通信系統(tǒng)正常工作要求。電磁環(huán)境監(jiān)測中心根據(jù)城市軌道交通無線通信系統(tǒng)沿線場強(qiáng)分布圖，通過量化干擾程度，明確干擾的強(qiáng)度，用以判斷是否會(huì)對(duì)城市軌道交通無線通信系統(tǒng)造成損害，并得出最終結(jié)論。

6) 記錄無線干擾事件出現(xiàn)的時(shí)間及地點(diǎn)等信息，并附有干擾分析和量化的結(jié)果。

6 結(jié)語

城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行和智能運(yùn)維場景的實(shí)施對(duì)其無線通信系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性有著極高的要求。本文提出的無線電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)識(shí)別同頻和鄰頻信號(hào)干擾，而不需依賴基帶信號(hào)的解調(diào)。該監(jiān)測系統(tǒng)集干擾信號(hào)的監(jiān)測、識(shí)別、分析等功能于一體，可為城市軌道交通線路的安全運(yùn)營提供強(qiáng)有力的保障。同時(shí)，由于該監(jiān)測系統(tǒng)基于軟件無線電架構(gòu)和統(tǒng)一算法平臺(tái)設(shè)計(jì)，可延伸應(yīng)用于高速鐵路及民用航空領(lǐng)域，具有較高的產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。