無(wú)線電干擾信號(hào)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)應(yīng)用分析

李 玲

（云南省無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650228）

0 引言

無(wú)線電通信技術(shù)日益發(fā)展，如今已經(jīng)被應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)、無(wú)線電廣播、飛行導(dǎo)航、智能交通、氣象服務(wù)等工作領(lǐng)域，但是也應(yīng)該注意到，不同無(wú)線電系統(tǒng)之間可能會(huì)出現(xiàn)干擾，導(dǎo)致電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，高效利用頻譜資源，捕獲和測(cè)量無(wú)線電干擾信號(hào)，維護(hù)頻譜資源使用秩序。文章從無(wú)線電干擾信號(hào)定位和監(jiān)測(cè)這兩個(gè)方面入手展開(kāi)研究。

1 無(wú)線電干擾信號(hào)研究

1.1 無(wú)線電干擾信號(hào)的分類

無(wú)線電干擾信號(hào)從本質(zhì)上講，屬于無(wú)線電通信系統(tǒng)中的無(wú)用能量，可能導(dǎo)致通信信號(hào)接收質(zhì)量下降，是由多種感應(yīng)、輻射、發(fā)射或其他組合而產(chǎn)生的，在無(wú)線電通信過(guò)程中可能導(dǎo)致信息丟失、性能下降、信息讀取誤解，甚至出現(xiàn)通信阻斷。干擾信號(hào)可能通過(guò)間接或直接耦合的方式進(jìn)入系統(tǒng)，按照干擾源分類，可以分為無(wú)線電噪聲干擾和無(wú)線電干擾，無(wú)線電噪聲干擾主要分為內(nèi)部干擾、人為干擾、自然干擾，其中，內(nèi)部干擾和自然干擾是不可控的；無(wú)線電干擾主要分為帶外干擾、互調(diào)干擾、鄰里干擾、同頻干擾，其中，干擾信號(hào)和人為噪聲干擾是可控的。

1.2 無(wú)線電干擾信號(hào)的特點(diǎn)

從無(wú)線電干擾信號(hào)的基本內(nèi)涵中和主要分類中可以發(fā)現(xiàn)，部分無(wú)線電干擾是可以控制的[1]，比如，阻塞干擾、互調(diào)干擾、帶外干擾、同頻干擾等。在硬件技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，噪聲對(duì)超短波通信影響可以忽略不計(jì)。在后續(xù)無(wú)線電設(shè)備使用中，為了提高通信質(zhì)量，在極高的密度布置環(huán)境中會(huì)設(shè)置宏基站。但是也應(yīng)該注意到，在擁擠的城區(qū)內(nèi)，多種公共通信系統(tǒng)基站設(shè)置，使得無(wú)線電磁環(huán)境十分密集，再加之IT技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微小移動(dòng)終端可以提供Wi-Fi熱點(diǎn)，城區(qū)電磁環(huán)境內(nèi)各系統(tǒng)之間必然出現(xiàn)相互干擾，并且該種干擾持續(xù)時(shí)間較短，具有移動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，干擾信號(hào)向高頻寬帶發(fā)展，并且信號(hào)隱藏在背景噪聲之中，可能導(dǎo)致無(wú)線電監(jiān)測(cè)接收機(jī)無(wú)法捕獲干擾信號(hào)。一般來(lái)講，這種通信干擾對(duì)于普通用戶只是時(shí)間上、經(jīng)濟(jì)上、效率上的損失，但是對(duì)于鐵路、民航等基礎(chǔ)交通領(lǐng)域來(lái)講，一旦出現(xiàn)無(wú)線電干擾，可能直接影響到旅客與群眾生命安全，因此，應(yīng)該對(duì)無(wú)線電干擾信號(hào)進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋。

2 無(wú)線電干擾信號(hào)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)

2.1 無(wú)線電干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

無(wú)線電干擾監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括監(jiān)測(cè)已經(jīng)獲得支配頻率的無(wú)線站，判斷其是否按照已經(jīng)批準(zhǔn)的技術(shù)參數(shù)工作[2]；監(jiān)測(cè)不明無(wú)線電臺(tái)發(fā)射行為，測(cè)量目標(biāo)電臺(tái)頻率偏差、諧波、場(chǎng)強(qiáng)和雜散輻射情況。其中，標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電頻率參數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電頻率參數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電頻率參數(shù)，測(cè)量無(wú)線電頻譜頻段占用度，搜索并捕獲無(wú)線電干擾信號(hào)，確定干擾源并測(cè)向定位，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定干擾源地理信息，測(cè)量干擾信號(hào)相關(guān)參數(shù)，提高頻譜資源利用率，尤其應(yīng)該監(jiān)測(cè)航空導(dǎo)航和水上導(dǎo)航無(wú)線電頻譜使用情況，對(duì)安全救險(xiǎn)業(yè)務(wù)頻段進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)和監(jiān)測(cè)，對(duì)于大型重點(diǎn)活動(dòng)監(jiān)測(cè)全頻段，根據(jù)不同地理區(qū)域、不同業(yè)務(wù)、不同頻段，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)覆蓋，如果城市無(wú)線電電磁環(huán)境惡化，應(yīng)該重點(diǎn)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各頻段背景噪音進(jìn)行分析，最后建立電磁環(huán)境數(shù)據(jù)檔案。

2.2 無(wú)線電干擾信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章主要以無(wú)線通信列車自動(dòng)控制（CBTC）干擾信號(hào)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)為例，一般來(lái)講，CBTC車地?zé)o線信號(hào)設(shè)備較為繁雜，普遍使用公共2.4 GHz頻段，無(wú)線通信系統(tǒng)容易受到干擾，可能出現(xiàn)列車緊急迫停現(xiàn)象，不僅影響城市軌道交通秩序，還關(guān)乎百姓生命財(cái)產(chǎn)安全。干擾信號(hào)一般分為鄰道信號(hào)、非協(xié)議信號(hào)、同頻信號(hào)、協(xié)議信號(hào)、瞬時(shí)信號(hào)和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)信號(hào)，多個(gè)未知信號(hào)之間互不沖突，可能造成頻譜波形混合，對(duì)CBTC系統(tǒng)信號(hào)控制造成巨大威脅。因此，要想最大化監(jiān)測(cè)無(wú)線電干擾信號(hào)，應(yīng)該采用邊緣計(jì)算方式，利用無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)，構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)云邊協(xié)同，設(shè)計(jì)整體規(guī)劃監(jiān)測(cè)方案，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.2.1 整體規(guī)劃

首先在無(wú)線頻譜監(jiān)測(cè)的前端，設(shè)置邊緣無(wú)線監(jiān)測(cè)接收器，負(fù)責(zé)本地智能、預(yù)處理和信號(hào)采集工作[3]。主要有整流采樣模塊、本地頻譜分析模塊、FFT模塊組成，其中頻譜分析模塊常規(guī)功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)預(yù)處理和計(jì)算，周期性的上傳數(shù)據(jù)。如果云端有特定需求，接收機(jī)將啟動(dòng)相應(yīng)算法，調(diào)取數(shù)據(jù)并回傳，之后構(gòu)建云端服務(wù)平臺(tái)，將匯總信息和數(shù)據(jù)保存至頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)接收之后，通過(guò)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)更新等方法，識(shí)別異常，搜索頻譜，實(shí)現(xiàn)頻譜特征的深度挖掘。

2.2.2 車內(nèi)監(jiān)測(cè)布局

通過(guò)外置模式，利用磁共振無(wú)線充電技術(shù)監(jiān)測(cè)接收設(shè)備。與傳統(tǒng)電子器件監(jiān)測(cè)方法有所不同，該種磁共振充電技術(shù)可以保證內(nèi)外線圈相對(duì)面積最大化，無(wú)須像磁感應(yīng)無(wú)線電充電技術(shù)那樣，因此當(dāng)列車啟動(dòng)時(shí)，充電發(fā)射線圈內(nèi)置于車體內(nèi)監(jiān)測(cè)，設(shè)備電量將會(huì)得到補(bǔ)充，充電發(fā)射端可以自行啟動(dòng)，避免人工拆卸等煩瑣工作，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)損壞。一般來(lái)講，每一節(jié)車廂內(nèi)部署4~8個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)[4]，組成空間分布式接收傳感器系統(tǒng)，在5 GHz頻段上進(jìn)行頻譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理，或者將其升級(jí)成5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳，避開(kāi)傳統(tǒng)2.4 GHz頻段，大大提升系統(tǒng)傳輸效率，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。

2.2.3 頻譜識(shí)別系統(tǒng)

為了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)頻譜識(shí)別系統(tǒng)，應(yīng)該將各類頻譜數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，通過(guò)公有頻段信號(hào)，對(duì)樣本進(jìn)行采集，掃描每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將相鄰的10個(gè)時(shí)間點(diǎn)組成完整頻譜，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備前端進(jìn)行預(yù)處理，得出該頻點(diǎn)頻率密度極大值，然后對(duì)比噪聲前后波形和頻譜，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣。采樣時(shí)t=5 s，fs=10000 Hz，信號(hào)頻譜識(shí)別代碼如下（部分）。

clear ;clc;

%讀取信號(hào)

[origin_ signal,fs]= audioread( 'wave.waw ');%讀取音頻，PYR為信號(hào)，fs為采樣頻率

t=length(origin_ signal)/fs; %計(jì)算音頻長(zhǎng)度

sample_ points=[1/fs:1/fs:t]; %計(jì)算采樣點(diǎn)橫坐標(biāo)

freq_ signal=fft（origin_signal）;%計(jì)算頻譜信號(hào)

freq_ signal=fftshift(freq_ signal)%頻譜搬遷

%加入單頻噪聲

cos_ fs=4000; %余弦信號(hào)頻率

COS_ noise=0.01*cos(2*pi*cos_ fs*sample_ points;添加振幅0.01余弦信號(hào)

COS_ noise=cos_ noise';

signal_ with_ CoS_ noise=origin_ signal+cos_noise;%疊加噪聲

sound( signal_ _with_ COS_ noise,fs)

freq_ signal=fft(signal_ with_ COS

freq_ signal=fftshift(freq_ signa

%繪制信號(hào)時(shí)域波形

subplot(211 );

plot(sample_ points, signal_ with_

title( 'Time domain' )

xlabel( ' Time/s' );

ylabel( ' Amplitude' );

在經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，消除個(gè)別持續(xù)時(shí)間較短的信號(hào)，對(duì)比頻譜數(shù)據(jù)的信號(hào)頻率、信號(hào)帶寬和波形，發(fā)現(xiàn)不完整信號(hào)波段，之后借助邊緣計(jì)算思想，成功濾除干擾信號(hào)。

3 無(wú)線電干擾信號(hào)定位技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化分布式信號(hào)監(jiān)測(cè)法，可以測(cè)定無(wú)線電干擾信號(hào)，如今該種監(jiān)測(cè)方式應(yīng)用越來(lái)越普及，在發(fā)現(xiàn)干擾之后，相關(guān)部門通過(guò)無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的地理位置進(jìn)行確定，由相關(guān)管理機(jī)構(gòu)及時(shí)排除干擾，這對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精確度有著更高要求，在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作中使用最廣泛的是干涉儀側(cè)向體制，在網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，也可以采用多點(diǎn)定位方式將網(wǎng)絡(luò)化節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，經(jīng)過(guò)無(wú)線電干擾信號(hào)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡(luò)定位和移動(dòng)平臺(tái)定位，獲取相關(guān)位置信息?；诰W(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位，其定位方式為利用網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)位置提取位置相關(guān)信息，計(jì)算出無(wú)線電發(fā)射機(jī)詳細(xì)位置，通過(guò)定位算法找到基站接收目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)，該種定位方式不會(huì)帶來(lái)額外的資源開(kāi)銷，同時(shí)與雷達(dá)等方式相比，不需要發(fā)射無(wú)線電波，屬于無(wú)源定位，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，以網(wǎng)絡(luò)式系統(tǒng)實(shí)施全天候監(jiān)聽(tīng)，具體定位方式包括到達(dá)時(shí)間差定位、蜂窩小區(qū)標(biāo)識(shí)無(wú)線終端定位、GPS輔助定位、到達(dá)角定位、到達(dá)時(shí)間定位、信號(hào)接收強(qiáng)度定位。本文主要以蜂窩小區(qū)標(biāo)識(shí)無(wú)線終端定位、GPS輔助定位、到達(dá)角定位、到達(dá)時(shí)間差定位為例。

GPS輔助定位也被稱為A-GPS定位，只要網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端之間可以實(shí)現(xiàn)正常通信，就可以利用該種技術(shù)進(jìn)行無(wú)線電干擾信號(hào)定位，定位精準(zhǔn)度較高，可以達(dá)到5~10 m，其次GPS輔助定位也可以將首次捕獲GPS信號(hào)的時(shí)間縮短到3~10 s。但是技術(shù)人員也應(yīng)該注意到，利用該種方式，需要輔助網(wǎng)絡(luò)通信和目標(biāo)衛(wèi)星通信的支持，并且輔助設(shè)備和硬件設(shè)備配置成本較高，因此不適合常規(guī)無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用。

蜂窩小區(qū)標(biāo)識(shí)無(wú)線終端定位：利用蜂窩小區(qū)識(shí)別無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行終端地理定位。蜂窩小區(qū)中根據(jù)移動(dòng)終端所在的位置來(lái)提供移動(dòng)端提供定位信息，每個(gè)基站都有唯一的小區(qū)識(shí)別，只需要查明移動(dòng)臺(tái)處于哪一區(qū)，就可以根據(jù)小區(qū)位置判定移動(dòng)臺(tái)所處位置。該種方法定位時(shí)間較短，并且不需要移動(dòng)臺(tái)額外開(kāi)銷，但是也應(yīng)該注意到，與GPS輔助定位方式相比，該種定位可能存在較大誤差，精度較低，尤其當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于兩個(gè)小區(qū)邊界時(shí)，定位精準(zhǔn)度只能維持在幾十米到幾十千米之間，受到小區(qū)半徑影響較大。

到達(dá)角定位：與無(wú)線電測(cè)向類似，該種定位方法利用基站接收機(jī)，得到無(wú)線電信號(hào)入射角，獲得兩個(gè)基站間的方位線，以±a為側(cè)向精度，通過(guò)交叉計(jì)算，經(jīng)過(guò)交匯定位產(chǎn)生一個(gè)區(qū)域，該種定位技術(shù)即使在空曠的地區(qū)仍然可以維持一定的精準(zhǔn)度，干擾信號(hào)發(fā)出的移動(dòng)終端在交匯區(qū)的概率較大。但是也應(yīng)該注意到，到達(dá)角定位技術(shù)建立在智能天線基礎(chǔ)上，與無(wú)線電測(cè)向類似，對(duì)硬件要求較高，并且如果監(jiān)測(cè)區(qū)域障礙物較多，可能影響定位精準(zhǔn)性。

到達(dá)時(shí)間差定位：在到達(dá)角定位技術(shù)的基礎(chǔ)上組成信號(hào)源軌跡方程，根據(jù)不同接收機(jī)時(shí)間差，通過(guò)定位算法確定信號(hào)源位置，不會(huì)增加對(duì)定位目標(biāo)額外負(fù)擔(dān)，與到達(dá)角定位技術(shù)相比，該種方法不需要接收端和信號(hào)源之間的同步，是一種被動(dòng)的無(wú)源定位技術(shù)，需要3個(gè)或以上射頻傳感器接收信號(hào)，利用相應(yīng)算法得出傳感器時(shí)間差定位方程。該種技術(shù)不需要設(shè)置龐大的天線陣，不存在測(cè)量監(jiān)測(cè)信號(hào)模糊問(wèn)題，對(duì)硬件設(shè)備要求較為簡(jiǎn)單，同時(shí)也不會(huì)存在天線互耦問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線電信號(hào)的全覆蓋、全檢測(cè)，受電波傳播距離影響較小，同時(shí)可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)無(wú)線電定位范圍，精度較高，即使是跳頻信號(hào)、突發(fā)信號(hào)、帶寬信號(hào)也可以進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)以上方式可以對(duì)無(wú)線電干擾信號(hào)進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋，因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工作需要，選擇合適的監(jiān)測(cè)和定位方法，高效利用頻譜資源，維護(hù)無(wú)線電信號(hào)使用安全性?！?/p>