WCDMA終端控制干擾技術研究與實現

熊志廣，張學飛

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96651部隊，北京 100085)

WCDMA終端控制干擾技術研究與實現

熊志廣1，張學飛2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍96651部隊，北京 100085)

針對WCDMA探測干擾系統對終端控制干擾技術的迫切需求，提出了WCDMA終端控制與干擾的總體方案。設計了WCDMA終端的小區重選算法和引導控制算法，構造了控制干擾信號，研制了WCDMA終端控制干擾原理樣機，實現了對WCDMA終端用戶身份標識的獲取及有效管控。利用測試手機和陸地WCDMA基站對算法進行了試驗驗證，證明了該控制干擾算法的可行性和有效性。

WCDMA；控制干擾；位置更新

0 引言

WCDMA技術以其高容量、高數據傳輸速率、高頻譜效率、標準化以及抗干擾等明顯優勢，成為了目前世界范圍內應用最廣泛的陸地移動通信技術，也在衛星移動通信等通信系統中使用[1]。

雖然WCDMA體制通信系統的安全機制較GSM網絡有了較大提升，但是在特定區域中WCDMA終端的監測控制仍有迫切需求[2]。WCDMA網絡采用了鑒權機制、完整性保護機制和加密機制，這使它無法像GSM網絡一樣，依靠假冒基站向終端發送假的信令和通過篡改終端與基站之間的信令來欺騙通信雙方，更不可能通過實時截獲并破解空中接口上傳輸的無線信號來獲取用戶的業務內容[3]。

本文提出的WCDMA 終端控制干擾技術利用WCDMA安全機制的漏洞實現對特定區域內用戶通信終端的有效管控，使終端主動上報身份標識信息，并持續發送信號，以達到干擾及定位的目的，同時確保管控范圍內的終端用戶無法通信。

1 WCDMA終端的控制干擾策略

WCDMA終端控制干擾技術通過構造偽WCDMA網絡，誘導移動終端發生位置更新。偽網絡發射導頻信道、同步信道、廣播信道及公共控制信道信號。其中，導頻信道的信號強度高于正?；緦ьl信道強度，位置區標識LAC(Link Access Control) 的設置與當前WCDMA基站不同。偽網絡信號覆蓋范圍內的移動終端將認定其跨越了位置區邊緣，從而啟動位置更新程序，請求接入該偽網絡。

在無線資源連接狀態下，公共控制信道(Common Control Channel，CCCH) 承載了RRC(Radio Resource Control)的連接請求消息(RRC connection request)[4]。偽網絡有效接收且解析出RRC 連接請求消息，則可捕獲移動終端的身份信息[5]。

WCDMA終端控制干擾流程主要包括2個階段：網絡參數偵察階段和控制干擾階段。

首先，偵察目標區域內WCDMA網絡協議參數，包括工作頻率、位置區編碼、主小區以及鄰小區列表等參數，依據偵察到的網絡參數建立偽WCDMA網絡，然后進入下一階段。使空閑狀態下的用戶終端進行小區重選，脫離原服務網絡，駐留到偽網絡中。

目標區域內的移動終端接入偽網絡后，利用WCDMA協議安全漏洞，對移動終端用戶的國際移動用戶識別號(IMSI)實施探測，捕獲用戶身份標識信息[6]。獲取用戶身份標識信息后，偽網絡繼續與目標移動終端進行信令交互，誘使移動終端持續發出接入請求信號，利用該持續信號對終端進行定位。WCDMA終端控制干擾流程如圖1所示。

圖1 WCDMA終端控制干擾流程

2 控制干擾算法

2.1 小區重選算法

在空閑模式下，當終端成功駐留到某一個小區后，會根據該小區系統消息的指示，進行無線信號測量[7]。測量的目的是監測當前小區和鄰區的信號質量，以選擇更好的小區提供服務[8]。

小區重選遵循兩個準則，即所謂的S準則與R準則[9]。當服務小區的測量值滿足S準則后，則終端會啟動同頻、異頻和異系統測量。S準則的具體規則如下：

終端UE(User Equipment)執行小區重選測量的判斷準則：

Squal=Qqualmeas-Qqualmin，

Srelev=Qrxlevmeas-Qrxlevmin-Pcompensation，

式中，Qqualmeas為UE測量的服務小區的Ec/N0，Qqualmin為接入小區所需的最小信號質量，Qrxlevmeas為UE測量的服務小區的RSCP，Qrxlevmin為接入小區所需的最小電平標準。

Pcompensation=MAX(UE_TXPW_MAX_RACH- P_MAX,0)，式中，UE_TXPW_MAX_RACH為PRACH信道隨機接入過程中的最大發射功率，P_MAX為UE最大輸出功率。

當滿足以下條件時，UE開始執行同頻、異頻和異系統測量：

① 若Sx>Sintrasearch，UE不執行同頻小區測量；若Sx≤Sintrasearch，UE執行同頻小區測量；若Sintrasearch未在服務小區中發送，UE執行同頻小區測量。

② 若Sx>Sintersearch，UE不執行異頻小區測量；若Sx≤Sintersearch，UE執行異頻小區測量；若Sintersearch未在服務小區中發送，UE進行頻間測量。

③ 若Sx>SsearchRATm，UE不執行異系統的小區測量；若Sx≤SsearchRATm，UE執行異系統的小區測量；若SsearchRATm未在服務小區中發送，UE執行異系統的小區測量。

其中，Sx為Squal或Srelev。對頻分網絡時Sx=Squal；對時分網絡時Sx=Srelev。

觸發測量后，UE會從SIB11中讀取鄰區信息，并通過S準則篩選出6個候選小區，然后使用R準則對其進行排序。R準則具體計算公式如下：

Rs=Qmeas_s +Qhysts，

Rn=Qmeas_n -Qoffsets_N，

式中，Qmeas_s為服務小區接收信號測量值，Qmeas_n為鄰小區接收信號測量值，Qhysts為小區重選遲滯，Qoffsets_n為2個小區接收信號質量要求的差值。

在進行R準則時，信號的測量可以為RSCP或者Ec/N0，由系統消息指示。

如果在Treselection時間內，Rn一直大于Rs，終端將重新選擇到鄰小區上。

2.2 引導控制算法

由終端小區重選算法可知，終端重選到某個特定的小區，只要終端所在的原服務小區的重選參數設置的不是極限值，同時偽網絡小區發送信號質量較好，就能夠誘使終端進行小區重選。當終端重選到偽小區后，會發起接入流程，偽小區利用接入流程對手機進行身份探測，并誘使目標終端持續發送信號。

偽網絡小區的系統消息設計是引導控制算法的關鍵之一。偽網絡小區擾碼號要在終端當前服務小區的鄰區列表中，使得終端進行小區重選時可以直接選擇偽網絡小區進行駐留。當終端重選到偽小區之后，需要達到2個效果：一是終端不會重選到其他小區；二是終端持續發送信號。

確保終端駐留在偽小區有2種方法：一是增加偽小區的信號功率；二是修改偽小區的系統消息，提高小區重選的門限，迫使終端不能進行小區重選。

使終端持續發送信號可以從接入層(AS)和非接入層(NAS)2個層次實現。

在接入層，終端選擇偽小區之后，會發起RRC建立請求，首先會發送接入前導信號(PRACH Preamble)。在沒有收到小區發送的AICH響應之前，終端會一直周期性地重復發送PRACH Preamble。每一次請求中Preamble最大發送次數、Preamble功率爬坡步長和Preamble請求的最大周期數等都可以通過修改小區系統消息來進行設置，從而控制終端發送PRACH Preamble的頻率。

非接入層可以將偽小區的LAC(Location Area Code)設置成與服務小區不同。終端選擇偽小區后，由于終端里存儲的本地小區的LAC與偽小區的不同，會觸發終端發起位置更新請求，進而觸發接入層發起RRC連接。在多次接入偽小區無果后，終端會進行小區重選，但由于偽小區信號質量好且切換門限高，致使終端又一次選擇偽小區，重新發起NAS層的請求，周而復始，終端處于持續發送信號過程。利用終端持續發送的信號，可以對終端進行定位。

3 WCDMA控制干擾信號設計

3.1 控制干擾信號信道設計

構造控制干擾信號是整個控制干擾系統重要的步驟。為了保證偽WCDMA網絡的控制干擾信號被移動終端識別，控制干擾信號的系統消息塊需要設計成與服務小區相似，擾碼號設計為終端服務小區相鄰小區的擾碼號[10]。

控制干擾信號涉及4個信道的信號，即公共導頻信道、同步信道、廣播信道和公共控制物理信道。只需構造這4個信道的信號，就可以完成對終端的控制干擾。另外，控制干擾信號要構造完整的系統廣播消息。若控制干擾信號發出的系統消息不符合3GPP標準，當終端被強導頻信號誘導到偽小區后，將無法解析系統廣播消息，從而不能進行小區重選[11]。

3.2 系統廣播消息設計

根據對地面WCDMA網絡系統廣播消息的解析，LAC信息位于SIB1系統信息塊中[12]?？刂聘蓴_信號中構造的SIB1系統信息塊要與原服務小區網絡廣播消息中的LAC值不同，終端才易于發起小區重選。

基站周期性地測量鄰小區的基站信號質量并對其進行排序，同時把排序列表和對應的鄰小區擾碼號在SIB11中進行廣播，而移動終端將在SIB11中接收到排序列表，并把排序第一的信號對應的小區作為當前服務小區[13]。因此，當設計的控制干擾系統可誘導移動終端識別并駐留偽小區時，則將控制干擾信號的擾碼號設置為原服務小區SIB11系統信息塊中信號質量排序第一的擾碼號。

4 硬件實現

圖2為WCDMA終端控制干擾樣機實現原理圖。

圖2 WCDMA終端控制干擾樣機原理圖

WCDMA終端控制干擾樣機主要分為天線、雙工器、變頻設備、偵察解調單元、協議分析單元、偽網絡建立單元、通信單元和顯控單元。

當樣機工作于網絡參數偵察階段時，天線和低噪聲放大器完成WCDMA下行信號的接收。偵察解調單元完成WCDMA下行信號的Rake接收、解擾和解擴，將處理結果傳輸到協議分析單元。協議分析單元完成對WCDMA信號的協議分析功能，得到WCDMA小區的網絡參數，并將得到的網絡參數傳輸到顯控單元。顯控單元將網絡參數傳輸到偽網絡建立單元，偽網絡建立單元完成偽網絡小區建立和WCDMA上行信號的處理，進而完成對WCDMA通信系統終端的控制干擾。

5 試驗驗證

5.1 測試方法

對目標終端進行控制干擾示意圖如圖3所示。

圖3 WCDMA終端控制干擾試驗示意圖

用測試手機作為目標終端，利用WCDMA終端控制干擾設備對地面WCDMA基站和測試手機進行試驗，利用TEMS路測軟件記錄測試手機的信令流程。

5.2 測試結果分析

試驗所在地WCDMA基站小區頻點為10 713，擾碼號為341。WCDMA控制干擾設備偽裝成同頻的偽小區，偽小區的擾碼號為250。偽小區誘使測試手機進行了小區重選，捕獲了測試手機的身份標識IMSI和IMEI，能夠使測試手機持續發送信號。利用專用軟件檢測測試手機的IMSI和IMEI與樣機捕獲的信息一致，可有效驗證本文終端控制干擾技術的正確性。

利用WCDMA控制干擾設備對15部手機進行控制干擾測試，記錄30 s內設備捕獲的手機數量，結果如表1所示。共進行5次測試，捕獲手機總數量為68，捕獲概率為90.7%，具備工程實用性。

表1 終端捕獲測試表

6 結束語

本文在分析WCDMA網絡安全機制基礎上，提出了WCDMA終端控制干擾算法，設計了WCDMA 誘導控制信號，研制了控制干擾原理樣機，并進行了試驗驗證。能夠利用構造的WCDMA 偽網絡，誘導移動終端進行小區重選，捕獲移動終端的身份信息，并使移動終端持續發送信號，進而可以實現對終端的精確定位。WCDMA 終端控制干擾算法的研究和實現，對于特定場合下移動終端的監控管理具有重要的實際應用價值,該控制干擾方法在公共安全等領域也具有廣泛的應用前景。

[1] 莊云勝，王力男，孫 凱.WCDMA體制衛星通信系統抗衰落技術研究 [J].無線電工程，2013(3)：27-29.

[2] 3G TS 25.331：Technical Specification Group Radio Access Network;Radio Resource Control(RRC)(FDD) [S].

[3] 藺 萌，陳樂然，劉正軍.WCDMA系統安全機制研究 [J].通信技術，2007(4)：51-53.

[4] 章 力，徐 穎.3G(WCDMA)架構和網絡承載技術 [J].遼寧工程技術大學學報，2006，25(3)：415-417.

[5] 王增鑫，邱 玲.一種同頻異構網中上行干擾集中調度方案 [J].無線電工程，2015,45(11)：1-3.

[6] 韓 星，張華沖，熊志廣，等.全數字高速OQPSK信號解調技術分析 [J].無線電工程，2011，41(12)：18-21.

[7] 李世鴻，李方偉.3G移動通信中的安全改進 [J].重慶郵電大學學報，2002，14(4)：24-27.

[8] 鄧 巍.WCDMA移動網新建基站網絡質量評估研究 [J].移動通信，2013(13)：11-15.

[9] 3G TS 25.212：Multiplexing and Channel Coding(FDD) [S].[10] 3G TS 25.213：Spreading and Modulation(FDD) [S].

[11] 朱 靜，錢建波，于正永.移動通信基站安防系統的研發 [J].無線電工程，2013(1)：50-52.

[12] 顧明超，李 倩.基于FPGA實現的WCDMA上行Rake接收機 [J].無線電通信技術，2013，39(5)：72-75.

[13] 趙 俊，翁明俊.WCDMA虛擬多載波的實現研究[J].移動通信，2015，39(9)：69-72.

Research and Implementation of WCDMA Terminal Controlled Jamming Technique

XIONG Zhi-guang1,ZHANG Xue-fei2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China； 2.Unit 96651,PLA,Beijing 100085,China)

To meet the significant requirement of user controlled jamming technology by the WCDMA detection and jamming system,a controlled jamming algorithm for the WCDMA terminal is designed.A cell reselection algorithm and a novel identification guidance algorithm are designed,and the jamming signal is constructed.The terminal’s identification is captured with the help of the constructed signal from the pseudo base station.Moreover,by using the terminal for the testing,the feasibility and effectiveness of the controlled jamming algorithm are verified.

WCDMA;controlled jam;location update

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.22

熊志廣，張學飛. WCDMA終端控制干擾技術研究與實現[J].無線電通信技術,2017,43(3): 91-94.

[XIONG Zhiguang, ZHANG Xuefei. Research and Implementation of WCDMA Terminal Controlled Jamming Technique. [J].Radio Communications Technology, 2017,43(3):91-94.]

2016-11-22

國家部委基金資助項目

熊志廣(1984—)，男，工程師,主要研究方向：通信協議分析、通信對抗、信號處理；張學飛(1985—)，男，工程師，主要研究方向：通信系統、裝備管理。

TN911

A

1003-3114(2017)03-91-4