基于軟件無線電和云計算技術的無線電監管體系

2012-01-01 00:00:00葉永平

中興通訊技術 2012年3期

中圖分類號：TN929 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 (2012) 03-0049-05

摘要：文章提出了運用軟件無線電、有線及無線高速網絡、云計算等技術等3項新技術相結合的全新的無線電監測系統的設想、框架及應用模式，一改傳統無線電監測基礎思想和模式，為新一代的無線電監管技術及體系的發展提供參考。

關鍵詞：軟件無線電；無線電監測；云計算

Abstract: This paper describes a new radio monitoring system that is different to traditional radio monitoring systems. In this paper， the architecture and application model are discussed. The radio monitoring system combines software-defined radio (SDR)， wired and wireless high-speed network， and cloud computing technologies. It is a reference for new-generation radio monitoring technology and system development.

Key words: software-defined radio(DSR); radio monitoring; cloud computing

隨著無線電通信應用的日益廣泛、電磁環境日趨復雜，無線電監管的工作難度也在持續不斷地增加。無線電監管工作的有效性直接影響著無線電頻譜資源的有效使用、民用日常通信需求的保障、國家機器的正常運轉，甚至在戰時環境下會決定軍隊及國家的安危，因此世界各國都非常重視無線電監管工作。當代無線通信的復雜性和設備的廣泛性對監管工作的有效性提出了更高的要求，因此各國都建有自己的監管機構和技術體系，如：美國設有一個監控中心、13個監測站；中國設立中央、省、地市3級管理和監測建制機構，并建有短波、衛星、超短波3張監測網，部分監測網設有多個遙控監測站[1]。小到一場考試、中到舉辦一場活動的（如北京奧運會、上海世博會等）保障、大到國家安全保衛均納入無線電監管行為中。

當前用于無線電監管的主要設備有掃頻儀、寬頻接收機、定向天線等（衛星監測除外），主要對無線電發射的基本參數，如對頻率、電平、示向度、仰角、測向質量等系統地進行測量、傳輸；調查、記錄有關干擾源、背景噪聲等電磁環境情況；判明并解決干擾問題；保護合法無線電臺站用戶的權益；查處非法無線電臺站的干擾等。這樣的傳統模式鑒于歷史傳承及技術發展水平的限制，目前通常只記錄結果數據，而不是監測到的某個信號的原始數據，如果一個信號從此消失，而監測系統卻無法對其進行解碼時，則會存在無法回溯等不利情況的發生。

目前，有基于軟件無線電的無線電監測模式[2-3]，也有基于遙測站類型的網絡化監管體系，但它們均基于“結果”的應用模式。如圖1所示，如果能在現場采集被監測信號的“原始樣子”，再把該信號數據直接送到監測中心存儲，并使用大型計算機對其進行分析，甚至可以在任何需要時對采集到的信號數據進行二次、三次分析，就能夠徹底解決傳統模式中受限于設備、不可回溯等重要缺陷，使無線電監管體系上升到一個前所未有的高度。這種設想目前在全球范圍內仍是一個空白。

隨著高性能的軟件無線電接收機、越來越廣泛和高速的互聯網絡、能提供強大的存儲和計算能力的云服務的誕生，這種全新的監管模式將逐漸成為一種可能。傳統無線電監測模式和設想的云無線電監測模式對比如表1所示。

1 監測模式架構設想

基于上述設想可以看出：使用高性能的軟件無線電接收機可以得到目標現場信號的完整采樣，通過超高速互聯網可以將將信號的原始采樣數據送往強大的存儲和計算能力的云服務，這樣以來原始采樣數據就能夠完全存儲，并利用軟件無線電的處理思想進行后期分析。無線電監控將會實現從“分散的結果樣本”到“原始的數字底片”+“強大的后期分析”的質的跨越。

在信號處理上，傳統的無線電監測是讀取監測儀器的處理結果而不是得到信號的原始信息，新模式獲取的是信號的原始采樣結果。這好比數碼相機是輸出一張已經在相機內部處理和壓縮過的JPG圖片，還是一張RAW圖像之間的區別。很顯然，獲取到最原始的信息則會更有利于后期的處理，并且能夠得到更準確的結果。

全系統由網絡無線電監測傳感、高速互聯網絡、云存儲、云計算構成，其中主要的分析處理由云計算中心完成，包括不明信號發現、監測定位、測量信號的頻率、場強、帶寬、調制方式、發射源位置、頻譜圖等信號特征數據分析。根系結束后可將結果即時傳送到相關機構或者人員，以便進行進一步處理，如圖2所示。

1.1 基于軟件無線電的監測網絡

傳感器

軟件無線的電定義為：一個無線電系統中，天線以后就數字化，對信號的所有的、必要的處理都由存放在高速數字信號處理器中的軟件來完成。采用數字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義可以實現無線電臺的各部分功能，包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。軟件無線電的主要特征是將天線接收到的信號盡早地完成模擬到數字的轉換，之后主要依靠軟件來實現信號的處理和應用[4-7]。軟件無線電接收機具有很高的靈活性、大動態范圍、高靈敏度、快速掃描（如：1 GHz/S）、高精度等性能，不僅可以作為通用接收機、更可以作為高速搜索接收機和測量接收機等，如圖3所示。

在該方案設計中，單運用軟件無線電的這些固有特性還是不夠的，重要的是需要將模數轉換(A/D)后的數據直接送往云計算平臺，以實現采集到的原始信息數據“原封不動”地被中心獲取到，而不是已經被現場監測設備“處理過”的結果。

在傳統的軟件無線電接收機的A/D級后增加了網絡通信模塊，直接將A/D后的結果數據通過網絡通信模塊發送到承載網絡上。另外，網絡無線電監測傳感需要能接受控制中心的按需監測需求，諸如智能波束天線的指向、監測頻段帶寬、數據傳送上級站等全系統控制參數，如圖4中所示。

一個能輸出原始信號采樣信息、監測參數受控的軟件無線電接收機，可以代替傳統的監測設備，這就是我們需要的無線電監測的網絡傳感器。我們可以將它放置在我們想要放置的地方，同時接受中心的控制進行檢測，并為監測中心“如實”地送回了監測目標現場原始信號的完整采樣信息，從而被稱為監測體系中的“千里眼”。

1.2 承載監管系統的互聯網絡傳輸

鏈路

要將實時高速的監測原始結果數據送到云端，需要有高速可靠的網絡承載整個監測體系中各個模塊的互連任務。

計算機網絡技術經過四十多年的發展，系統和系統之間、區域間的互聯從起初的很困難到廣域、城域網的廣泛，接入方式和接口形式從起初的五花八門到現在以以太網為主，速度從幾K提升到10 Mbit/s、100 Mbit/s、1000 Mbit/s、10 Gbit/s、并將步入40/100 Gbit/s[8]，無線局域網絡技術也有了高速的發展，速度在802.11 n上已經能達到300 Mbit/s并且開始展望600 Mbit/s，可以預期在不久的將來無線局域網將會有更高的接入速度，如圖5中所示。

目前主流的千兆以太網和802.11n 300 Mbit/s無線局域網的實際有效傳輸的帶寬為900 Mbit/s以及80 Mbit/s左右。使用無線網絡足夠本地局域范圍內的幾路軟件無線電監測網絡傳感器無線連接，而到了有線千兆網絡后足以承載多達數十路匯聚后的傳輸任務。

1.3 監管體系云計算平臺

云計算，是一種基于互聯網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計算機和其他設備。云計算的核心思想是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶按需服務[9-10]。

本方案設計中云計算承擔著全監測網監測管控、高速數據存儲、監測分析等主要功能，在整個監測網絡中大量的軟件無線電監測網絡傳感器會生成大量的監測原始信號采樣信息送往云計算中心，由一個控制中心加若干個云計算節點來完成整大負荷計算及分析任務。

其中，海量監測原始數據保存可能會成為系統最大的瓶頸。隨著中央處理器(CPU)及周邊芯片組和高速大容量存儲器件的發展，新一代的內存數據庫容量可以達到TB級、吞吐速度可以達到每秒GB級，高于傳統磁盤陣列幾個數量級。數據存儲可以采用內存數據庫來完成高速的實時數據收集，并根據需要直接在內存數據庫中進行高速分析，最后將有效的信息數據轉存到實體磁盤存儲陣列，如圖6所示。

1.4 監管控制系統及監測分析軟件群

由一個或多個云計算節點擔負監測網的監測分析任務，可以采用由市級計算中心擔負，或省、市兩級計算中心擔負，甚至國家、省、市3級計算中心聯合擔負的組合方式。

全網監測工作受控并協調于監測控制中心的系統控制軟件，各個分節點可以分開承擔不同區域的無線電監測網絡傳感器的數據存儲、計算工作，也可以擔負前期實時分析或后續分析等不同階段的分析任務等。

監測分析軟件群需具備可加載、組件化、可組裝等特性，以實現對被監測無線電信號的全方位、多角度分析。組件需包含：用于數據接收和存儲的數據采集軟件；基于頻譜掃描、頻譜分析、頻率活動特性分析等各種基帶信號分析軟件；用于基礎信號處理的降噪處理軟件、數字變頻軟件等；用于信號解調的調制模式識別軟件、各種模式解調插件等；用于結果信號的降噪處理軟件、信號變換軟件等；同時需要有用于結果記錄及分析統計的后續結果數據處理軟件等；基于分析結果應用的結果通信、分發、指令指揮等軟件[11-12]。

全套的軟件架構和通信、監測傳感器構成了完整的監測系統。

2監測應用模式格局

在實現基于軟件無線電網絡監測傳感器、高速互聯網絡和云計算平臺的無線電監管體系網絡后，無線電監測工作將會一改依賴于傳統的監測設備多點布設困難、設備投入大、受“結論”限制等困惑。我們可以將一個或多個軟件無線電網絡監測傳感器放置在有利于進行監測的地點，進而可以通過網絡將監測到的原始信號數據送回監測中心，并依托中心強大的存儲和計算平臺對原始信號完整采樣信息進行綜合分析并實現監測。

2.1 局部保障應用模式

傳統的局部小范圍保障，如考場監測、小型活動保障等，基本采用無線電移動監測車作為臨時中心、多個監測人員使用便攜監測設備配合的方式來完成，這種模式的缺點是顯而易見的，如：移動監測車因為現場安排原因可能無法進入現場的最佳位置；監測工作主要依靠人員的臨場判斷完成，如考試一類的活動往往于多場地之間同時開展，監測車、檢測設備以及監測人員等卻難以滿足保障需求等等。

在本設計方案中，可采用多個無人值守網絡無線電監測傳感器合理布置在現場合適的位置，如房頂的某幾個有利監測的角落等，移動監測車可以停留在外圍，擔負網絡無線電監測傳感器的通信橋接和現場信號的初級處理。甚至可以無需移動監測車，而將多個網絡無線電監測傳感器的通信直接匯聚到現場的某個互聯接入點上，實現和監測中心的聯網工作。現場處置人員可以由相關部門執法人員去完成。一方面監測工作質量可以得到有效保障，另一方面可以節省大量的人力和物力，使資源消耗降到最低。

圖7、圖8分別為局部臨時保障區域系統工作原理示意圖和現場布置圖，其中假設現場不允許或不方便使用有線連接，這時則可以使用高速無線網橋來橋接各個網絡無線電監測傳感器和移動監測車之間的信號通信。

2.2 區域監測應用模式

在區域中的合適位置設置多個相對固定的網絡無線電監測傳感器，可以對整個監測區域進行日常不間斷監測，也會使某些臨時任務變得更為簡單、有效。包括：日常無線電波監聽、測量、測向和定位、電臺識別、干擾識別、電磁環境監測等；驗證正常的無線電臺站的技術參數和操作特性，確定是否遵守執照核定的項目；監測有關頻譜的占用情況，進行有關頻率、發射功率、天線增益、調制類型、占用帶寬、信道載荷和占用度、場強等的測量，進行有關的信號與系統分析等。在以計算機系統集中處理、軟件為主的模式下這一切功能需求的實現將會得到有效支撐。如圖9所示，在地級市臺州市范圍內的幾個制高點部署無線電監測傳感器，在市無線電管理中心即可實現全市范圍內無線電監測。

2.3 應用展望

監測區域的大小和網絡無線電監測傳感器的性能指標、數據存儲的I/O指標和計算中心的處理能力成比例關系，當需要將這種模式布置到更大的范圍時，可以預見的是需要有大量的網絡無線電監測傳感器、覆蓋更為廣泛的互聯接入服務、更為龐大的數據存儲能力、更為強大的計算能力以及更高效的無線電監控算法和龐大的軟件系統。

3結束語

隨著無線電應用的日益廣泛、電磁環境的日趨復雜，無線電監管的工作難度也在持續不斷地增加，基于目標現場的信號完整采樣、并將原始采樣數據完全存儲、以軟件無線電的處理思想進行后期分析，都將會給無線電監管工作帶來質的改變。這種全新的監管模式隨著高性能的軟件無線電接收機、超高傳輸速度的網絡、能提供強大的存儲和計算能力的云服務的誕生將逐漸成為一種可能。

4 參考文獻

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