无线跳频通信系统下无线接入点故障检测设备

黄晓杰， 陈宇磊， 傅伟清， 杨明来， 顾静波， 曹振丰*

(1.上海应用技术大学轨道交通学院，上海 201418；2.上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620；3.上海地铁维护保障有限公司通号分公司，上海 200235)

随着科学技术的不断发展，无线通信技术已经被广泛应用于各个领域。然而，由于无线通信无线电波传输信道的空间开放性，所发送和接收信号都是在暴露的电磁环境中进行的，这会导致信号的传输受到自然环境或者人为的干扰，可能造成无线通信直接中断。因此，增加抗干扰措施以保证己方无线通信正常且高质量地进行是非常有必要的。

跳频扩频通信是扩频通信的一个分支，继承了扩频通信的信号频谱宽、波形复杂、安全隐蔽的优点，又能有效地躲避跟踪式干扰和瞄准式干扰，被广泛应用于军事通信及轨道交通通信等领域。由于通信系统周围复杂电磁环境的干扰，无线通信系统会出现通信异常的情况。经过观察，无线接入点(access point，AP)的不稳定是造成通信故障的主要原因[1]。但是由于无法预知跳频通信的跳频序列，利用常规检测工具无法抓取关键通信设备AP的报文信息，进而无法获知AP设备的状态信息，这也为通信系统的维护带来挑战。

跳频通信的检测技术是检验AP设备故障，维护无线通信系统的必要手段。李硕等[2]提出了一种基于能量特征提取的检测算法，可用于准确判断信道内跳频信号的存在性；陈强[3]采用频域和时域检测相结合的反馈型检测方法对跳频信号进行实时检测，且效果良好；郑洋等[4]在时频分析检测方法基础上，提出了结合小波分解以及希尔伯特-黄变换的跳频信号检测方法，改善了跳频信号检测的准确性。

与跳频通信检测相比，在检测算法研究的基础上利用已有的硬件研究并设计了一套检测跳频通信的设备，可用于检测无线跳频通信系统下AP设备故障与否，适用于军事现场或地铁沿线无线跳频通信系统的运行维护。

在跳频通信802.11物理层协议的研究层面，基于 AD9371和现场编程逻辑门列阵(field programmable gate array,FPGA)设计一款用于抓取工作频段为ISM(industrial scientific medical，2.4～2.483 5 GHz)任意频点的检测设备，并利用该设备对通信系统空口数据的进行抓取，有效获取到AP设备的报文信息。通过分析抓取的空口数据，判断无线通信是否正常以及AP设备是否出现故障，实现对故障AP设备快速的修复与更换。

1 跳频通信原理和检测方法

1.1 跳频通信原理

目前，大部分通信系统采用的是基于802.11标准协议的无线通信，在某地铁沿线进行无线通信系统数据抓包时，通过使用Commview等常规检测软件工具可检测到部分信号，但无法采集到全部信号。这是该地铁沿线通信系统为了抵抗外界的干扰，其在基于802.11协议栈通信系统的基础上加入了跳频扩谱(frequency-hopping spread spectrum，FHSS)技术，使用常规的工具无法获知跳频序列和锁定相关频点，进而无法准确抓取和获知AP设备的全部报文信息。

跳频扩频通信，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，即载波频率受伪随机码的变化而发生跳变[5]。无线跳频通信系统整体原理如图1所示。

PN为伪随机码

无线通信信源的信息经频率合成器进行调制，得到射频信号。伪随机码控制载波频率，进行频率的跳变。在AP接收端，接收到来自信源发出的信号。这些信号经过高放滤波器送至混频器，发送端和接收端对应的频率有一频差，此频差正好为信号接收端的中频[6]。对中频信号解调，就可恢复出最初的信号源[7]。且附近的干扰信号以及外来信号由于不知道跳变规律，无法进入后续通道，不会对本源信号造成干扰，信号不会出现失真。

1.2 检测方法

由于通信协议是在802.11的基础上加入跳频技术，且跳频范围限定在ISM频段，因此为了能够顺利使用普通的WiFi接收机检测到无线跳频通信信号，需要通过设计的检测设备对跳频信号进行解跳，将跳频通信信号固定在一个频点上，该设备基本的设计思路如图2所示。

图2 检测设备模块

采用射频收发机(AD9371)接收无线通信系统传输的信号，接收机的信道带宽为100 MHz(2 395～2 495 MHz)，接收机采集到100 MHz的射频信号，信号经过射频接收机下变频为频率为100 MHz基带信号，量化之后的数字信号送入到FPGA中。在FPGA中，信号被分为两个通路，其中一个通路经过一个FFT(fast fourier transformation)模块，将时域信号转为频域信号，在频域上就可以清晰地看到跳频通信信号的频点随时间在不停地跳变。经过FFT模块生成的频域信号，还需要经过一个起止频点检测模块，在该模块，将会检索任意时刻信号在频域区间的起止频点。另一路信号经过一个延时模块，该延时模块的延时时长等于FFT模块与起止频点检测模块的延时之和。信号经过延时后，这一路信号会经过一个数字下变频模块，该下变频模块的数字本振频率等于另一路信号路径中起止频点获取模块得到的起始频点，经过数字下变频模块变频得到的信号变为零频基带信号。零频基带信号再通过AD9371上变频到ISM频段，该信号馈入WiFi接收机，通过WiFi接收机与Commview软件即可对无线通信的数据进行抓包处理。

2 硬件模块设计

2.1 射频收发机AD9371

AD9371是一款宽带射频收发器，提供了双通道发射与接收、集成合成器以及数字信号处理的基本功能，相对于上一代产品AD9361增加了反馈通道和频率侦听通道。AD9371的工作频率为300 MHz～6 GHz，支持高达100 MHz 的接收器带宽和250 MHz的发送器带宽，满足大多数无线通信系统工作频段的要求，采用SPI通信协议来驱动运行，并通过ARM9(Linux)进行参数的配置。AD9371可以实现模数信号转换和上下变频的功能，上行和反馈可以接受通信数据，下行可以实现发送数据。所设计的检测设备系统中AD采样率设置为4 MHz，将采集到的模拟信号转换为14 Bit位、二进制补码形式的数字信号，采用4 096点数运算，运算时间必须小于4 096/4 000=1.024 ms，一般的DSP芯片很难达到这样的运算时间，因此，需要连接FPGA来实现快速的运算。

2.2 基于FPGA的功能模块设计

2.2.1 FPGA开发环境

FPGA的开发环境选择VMware虚拟机，操作系统采用CentOS-6.2，编译交叉工具选择arm-2009q1系列，对环境进行配置和程序的烧写。

2.2.2 检测信号的快速傅里叶变换

快速傅里叶变换(FFT)主要将时域信号变换成为频域信号，采用FPGA实现对无线通信信号进行时频变换，相比于常规采用软件或DSP实现的方式，具有运算速度快和程序编写简易的优点。由于该无线通信系统采用跳频技术(FHSS)的方式，要求检测设备具有较高的信号处理能力，FPGA功能模块采用按时间抽选的基-2FFT算法，相比简单傅里叶变换，运算速度更快，能满足通信数据快速抓包的功能[8]。设模块工作序列点数为2L，对侦听到的无线通信信号在时域上按奇偶抽取分解可以得到：

(1)

令

经整理得：

(2)

2.2.3 起止频点检测模块

在一个子帧内，有多个物理下行控制信道(PDCCH)。用户设备(UE)需要首先解调PDCCH中的下行链路控制信息(DCI)，然后才能够在相应的资源位置上解调出属于用户设备的下行共享信道(PDSCH)[9]。根据上下行链路对带宽的要求，可以进行起止频点的检测。起止频点检测模块工作原理：以当前载波频率为中心频点，测量一个活动下行链路子帧所持续的时间。即检测在一个下行链路子帧持续的时间内的任意时刻，该信号所处频域区间的起、止频点。将FFT 变换后的频域数据根据预设的门限进行二值化处理，在时域和频域范围内搜索二值化处理后值为1的跳频信号，记录下跳频信号的时域及频域信息，这样就可以具体得到所有起、止频点的信息，并根据上下边界频率差计算出带宽。该起止频点检测单元可在不知道跳频序列的情况下，获取跳动频点的时域及频域信息，且始频点频率可以作为数字下变频单元的本振频率。

2.2.4 数字下变频模块设计

数字下变频(DDC)模块包括数字混频器、数字控制振荡器(NCO)、低通滤波器(LPF)以及采样判决器[10]。目前该地铁沿线无线通信系统工作的高频段(2.4～2.483 5 GHz)无法实现对信号的选频，因此需要通过数字下变频模块将通信信号搬移到更低的频率上，其原理如图3所示。

图3 数字下变频原理

设备接收到的通信信号与本地振荡信号相乘，得到的射频信号通过混频器下变频到中频频段，经过滤波整形及采样判决，得出所需的频率，公式如式(3)所示：

xb(t)=xa(t)e2πfct

(3)

式(3)中：xa(t)为通信信号；fc为载波频率，当fc为负值即可实现对高频信号进行下变频，得到中频信号；滤波器对选频后的频段进行滤波，允许低频通过，高频截止，得到低频信号。受到工艺和材料的限制，目前电磁频率段滤波器的Q(品质因数)有限，多数不能达到100，现在普遍公认Q较高的大体积高阶腔体滤波器的Q也只能到500左右，导致滤波器的分辨能力较低，因此在RF频段无法完成信号的选频工作。而在低频区间，滤波器的Q普遍较高，适合完成窄带信号的选频。综上所述，需要采用混频器将射频信号下变频至100～300 MHz，再对信号进行滤波。

3 现场测试结果分析

某地铁沿线采用无线跳频通信系统作为车地通信手段，但由于周围环境因素的干扰，经常出现通信异常情况，容易造成沟通不畅、联动失效等问题，影响工作效率[1]。虽然采用冗余覆盖通信，但往往在覆盖同一区域的AP均失效的情况下，才会出现通信失效报警，这时故障已经发生，维护工作很被动。AP失效往往隐藏较深，在多数情况下，表现的是“假死”，即设备基本状态正常，但已经无法正常通信。这种情况下，一旦相邻两个AP均处于“假死”状态，故障出现已经是必然结果。通过设计的检测设备对各个AP设备进行故障检测，在设备故障早期就能够发现问题，实现即时维修，可大大降低故障频次，达到维护无线通信系统的目的。

该地铁沿线一共分布700多个AP通信设备，每一台AP通信设备都具有相应的编号，对其进行检测，得到的报文信息包括AP设备的编号、MAC地址、IP地址及信号强度等信息，并以此进行数据分析可以初步判断AP设备工作正常与否。

利用无线跳频通信系统下AP故障检测设备对跳频信号进行检测，跳频信号在经过FFT模块之后，用MATLAB软件进行仿真，得到的部分时频信息如图4所示，从图4中可以清晰地看到信号在不断跳变，且经过起止频点检测模块得到所有频点的时域及频域信息。

图4 跳频信号时频

在跳频信号经过信号处理被电脑上的Commview软件进行抓包处理之后，得到的报文信息数据如图5所示。

图5 捕获部分报文格式

对其中4个AP设备的有效十六进制报文信息进行报文数据帧信息进行分析处理，可提取得到以下AP设备的基本通信数据信息如表1所示。

测试结果表明，设备可以有效获取无线跳频通信系统下AP设备的编号、MAC地址、IP地址及信号强度等报文信息，对于每个AP设备，如果使用本装置无法获取其MAC地址以及IP地址，说明此AP设备出现通信故障；如果检测得到的信号强度出现异常过高或者异常过低，则初步说明此AP设备出现通信异常。遇到以上情况，需要对AP设备进行检查维修，防止无线通信系统出现故障。

表1 测试所得部分数据

从硬件方面切入，利用AD9371以及FPGA来固定跳频频点，再通过已有的通信数据检测软件进行数据采集。相比前期研究利用跳频检测算法解析出跳频序列，进行跳频通信的存在性判断以及单一时频图像呈现，所采集数据经数据处理后了解每个AP设备的基本状态信息，应用于实际无线跳频通信现场，判断关键通信设备AP故障与否，对于无线跳频通信系统的日常维护具有重要作用。

4 结论

提出了一种AP故障检测设备，用于无线跳频通信系统的实时检测。采用AD9371射频收发机与FPGA相结合的方式，将跳频通信信号固定在一个频点上，再利用PC机上的Commview软件对数据进行抓包，通过对得到的数据进行分析可了解到AP设备的状态信息。

基于无线跳频通信进行研究的目的是对通信系统中的AP设备状态信息进行获取。其中得到的AP设备的状态信息可以结合无线通信系统的日志信息作后期大数据分析，完成对无线跳频通信故障预测算法的研究，这对无线跳频通信系统的运营维护有着重要意义。