無線電干擾信號網絡化監測與定位技術應用分析

李 玲

（云南省無線電監測中心，云南 昆明 650228）

0 引言

無線電通信技術日益發展，如今已經被應用于移動通信、衛星產業、無線電廣播、飛行導航、智能交通、氣象服務等工作領域，但是也應該注意到，不同無線電系統之間可能會出現干擾，導致電磁環境越來越復雜。因此，相關技術人員應該對無線電信號進行監測和管理，高效利用頻譜資源，捕獲和測量無線電干擾信號，維護頻譜資源使用秩序。文章從無線電干擾信號定位和監測這兩個方面入手展開研究。

1 無線電干擾信號研究

1.1 無線電干擾信號的分類

無線電干擾信號從本質上講，屬于無線電通信系統中的無用能量，可能導致通信信號接收質量下降，是由多種感應、輻射、發射或其他組合而產生的，在無線電通信過程中可能導致信息丟失、性能下降、信息讀取誤解，甚至出現通信阻斷。干擾信號可能通過間接或直接耦合的方式進入系統，按照干擾源分類，可以分為無線電噪聲干擾和無線電干擾，無線電噪聲干擾主要分為內部干擾、人為干擾、自然干擾，其中，內部干擾和自然干擾是不可控的；無線電干擾主要分為帶外干擾、互調干擾、鄰里干擾、同頻干擾，其中，干擾信號和人為噪聲干擾是可控的。

1.2 無線電干擾信號的特點

從無線電干擾信號的基本內涵中和主要分類中可以發現，部分無線電干擾是可以控制的[1]，比如，阻塞干擾、互調干擾、帶外干擾、同頻干擾等。在硬件技術飛速發展的背景下，噪聲對超短波通信影響可以忽略不計。在后續無線電設備使用中，為了提高通信質量，在極高的密度布置環境中會設置宏基站。但是也應該注意到，在擁擠的城區內，多種公共通信系統基站設置，使得無線電磁環境十分密集，再加之IT技術和移動互聯網技術的蓬勃發展，微小移動終端可以提供Wi-Fi熱點，城區電磁環境內各系統之間必然出現相互干擾，并且該種干擾持續時間較短，具有移動性、隨機性等特點，干擾信號向高頻寬帶發展，并且信號隱藏在背景噪聲之中，可能導致無線電監測接收機無法捕獲干擾信號。一般來講，這種通信干擾對于普通用戶只是時間上、經濟上、效率上的損失，但是對于鐵路、民航等基礎交通領域來講，一旦出現無線電干擾，可能直接影響到旅客與群眾生命安全，因此，應該對無線電干擾信號進行全天候監測，實現無縫覆蓋。

2 無線電干擾信號網絡化監測

2.1 無線電干擾信號監測的內容

無線電干擾監測內容主要包括監測已經獲得支配頻率的無線站，判斷其是否按照已經批準的技術參數工作[2]；監測不明無線電臺發射行為，測量目標電臺頻率偏差、諧波、場強和雜散輻射情況。其中，標準無線電頻率參數如表1所示。

表1 標準無線電頻率參數

根據標準無線電頻率參數，測量無線電頻譜頻段占用度，搜索并捕獲無線電干擾信號，確定干擾源并測向定位，分析監測數據，確定干擾源地理信息，測量干擾信號相關參數，提高頻譜資源利用率，尤其應該監測航空導航和水上導航無線電頻譜使用情況，對安全救險業務頻段進行重點保護和監測，對于大型重點活動監測全頻段，根據不同地理區域、不同業務、不同頻段，實現電磁環境的全面監測覆蓋，如果城市無線電電磁環境惡化，應該重點分析監測數據，對各頻段背景噪音進行分析，最后建立電磁環境數據檔案。

2.2 無線電干擾信號監測系統設計

文章主要以無線通信列車自動控制（CBTC）干擾信號網絡監測為例，一般來講，CBTC車地無線信號設備較為繁雜，普遍使用公共2.4 GHz頻段，無線通信系統容易受到干擾，可能出現列車緊急迫停現象，不僅影響城市軌道交通秩序，還關乎百姓生命財產安全。干擾信號一般分為鄰道信號、非協議信號、同頻信號、協議信號、瞬時信號和長時間持續信號，多個未知信號之間互不沖突，可能造成頻譜波形混合，對CBTC系統信號控制造成巨大威脅。因此，要想最大化監測無線電干擾信號，應該采用邊緣計算方式，利用無線電頻譜監測接收機，構建監測系統，通過云邊協同，設計整體規劃監測方案，主要包括以下幾個方面。

2.2.1 整體規劃

首先在無線頻譜監測的前端，設置邊緣無線監測接收器，負責本地智能、預處理和信號采集工作[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功能是負責數據預處理和計算，周期性的上傳數據。如果云端有特定需求，接收機將啟動相應算法，調取數據并回傳，之后構建云端服務平臺，將匯總信息和數據保存至頻譜數據庫，在數據接收之后，通過實時處理數據查詢、數據更新等方法，識別異常，搜索頻譜，實現頻譜特征的深度挖掘。

2.2.2 車內監測布局

通過外置模式，利用磁共振無線充電技術監測接收設備。與傳統電子器件監測方法有所不同，該種磁共振充電技術可以保證內外線圈相對面積最大化，無須像磁感應無線電充電技術那樣，因此當列車啟動時，充電發射線圈內置于車體內監測，設備電量將會得到補充，充電發射端可以自行啟動，避免人工拆卸等煩瑣工作，結構極其簡單，不會出現損壞。一般來講，每一節車廂內部署4~8個監測節點[4]，組成空間分布式接收傳感器系統，在5 GHz頻段上進行頻譜數據的預處理，或者將其升級成5G移動網絡上傳，避開傳統2.4 GHz頻段，大大提升系統傳輸效率，降低數據傳輸延遲。

2.2.3 頻譜識別系統

為了構建網絡頻譜識別系統，應該將各類頻譜數據作為訓練樣本，通過公有頻段信號，對樣本進行采集，掃描每個時間節點數據，將相鄰的10個時間點組成完整頻譜，對監測設備前端進行預處理，得出該頻點頻率密度極大值，然后對比噪聲前后波形和頻譜，對語音信號進行采樣。采樣時t=5 s，fs=10000 Hz，信號頻譜識別代碼如下（部分）。

clear ;clc;

%讀取信號

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

t=length(origin_ signal)/fs; %計算音頻長度

sample_ points=[1/fs:1/fs:t]; %計算采樣點橫坐標

freq_ signal=fft（origin_signal）;%計算頻譜信號

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

%加入單頻噪聲

cos_ fs=4000; %余弦信號頻率

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

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

%繪制信號時域波形

subplot(211 );

plot(sample_ points, signal_ with_

title( 'Time domain' )

xlabel( ' Time/s' );

ylabel( ' Amplitude' );

在經過預處理之后，消除個別持續時間較短的信號，對比頻譜數據的信號頻率、信號帶寬和波形，發現不完整信號波段，之后借助邊緣計算思想，成功濾除干擾信號。

3 無線電干擾信號定位技術應用

通過網絡化分布式信號監測法，可以測定無線電干擾信號，如今該種監測方式應用越來越普及，在發現干擾之后，相關部門通過無線電監測系統對干擾信號的地理位置進行確定，由相關管理機構及時排除干擾，這對無線電監測系統精確度有著更高要求，在傳統監測工作中使用最廣泛的是干涉儀側向體制，在網絡化無線電監測系統中，也可以采用多點定位方式將網絡化節點相結合，經過無線電干擾信號網絡化監測系統，基于網絡定位和移動平臺定位，獲取相關位置信息。基于網絡的無線定位，其定位方式為利用網絡中多個位置提取位置相關信息，計算出無線電發射機詳細位置，通過定位算法找到基站接收目標發射的信號，該種定位方式不會帶來額外的資源開銷，同時與雷達等方式相比，不需要發射無線電波，屬于無源定位，充分利用網絡資源實現射頻傳感器網絡的全面覆蓋，以網絡式系統實施全天候監聽，具體定位方式包括到達時間差定位、蜂窩小區標識無線終端定位、GPS輔助定位、到達角定位、到達時間定位、信號接收強度定位。本文主要以蜂窩小區標識無線終端定位、GPS輔助定位、到達角定位、到達時間差定位為例。

GPS輔助定位也被稱為A-GPS定位，只要網絡和移動終端之間可以實現正常通信，就可以利用該種技術進行無線電干擾信號定位，定位精準度較高，可以達到5~10 m，其次GPS輔助定位也可以將首次捕獲GPS信號的時間縮短到3~10 s。但是技術人員也應該注意到，利用該種方式，需要輔助網絡通信和目標衛星通信的支持，并且輔助設備和硬件設備配置成本較高，因此不適合常規無線電監測系統使用。

蜂窩小區標識無線終端定位：利用蜂窩小區識別無線通信網絡進行終端地理定位。蜂窩小區中根據移動終端所在的位置來提供移動端提供定位信息，每個基站都有唯一的小區識別，只需要查明移動臺處于哪一區，就可以根據小區位置判定移動臺所處位置。該種方法定位時間較短，并且不需要移動臺額外開銷，但是也應該注意到，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，尤其當移動臺處于兩個小區邊界時，定位精準度只能維持在幾十米到幾十千米之間，受到小區半徑影響較大。

到達角定位：與無線電測向類似，該種定位方法利用基站接收機，得到無線電信號入射角，獲得兩個基站間的方位線，以±a為側向精度，通過交叉計算，經過交匯定位產生一個區域，該種定位技術即使在空曠的地區仍然可以維持一定的精準度，干擾信號發出的移動終端在交匯區的概率較大。但是也應該注意到，到達角定位技術建立在智能天線基礎上，與無線電測向類似，對硬件要求較高，并且如果監測區域障礙物較多，可能影響定位精準性。

到達時間差定位：在到達角定位技術的基礎上組成信號源軌跡方程，根據不同接收機時間差，通過定位算法確定信號源位置，不會增加對定位目標額外負擔，與到達角定位技術相比，該種方法不需要接收端和信號源之間的同步，是一種被動的無源定位技術，需要3個或以上射頻傳感器接收信號，利用相應算法得出傳感器時間差定位方程。該種技術不需要設置龐大的天線陣，不存在測量監測信號模糊問題，對硬件設備要求較為簡單，同時也不會存在天線互耦問題，可以實現無線電信號的全覆蓋、全檢測，受電波傳播距離影響較小，同時可擴展網絡無線電定位范圍，精度較高，即使是跳頻信號、突發信號、帶寬信號也可以進行定位監測。

4 結束語

綜上所述，通過以上方式可以對無線電干擾信號進行全天候監測，實現無縫覆蓋，因此，相關技術人員應該根據實際工作需要，選擇合適的監測和定位方法，高效利用頻譜資源，維護無線電信號使用安全性。■