无线电干扰信号网络化监测与定位技术应用分析

李 玲

（云南省无线电监测中心，云南 昆明 650228）

0 引言

无线电通信技术日益发展，如今已经被应用于移动通信、卫星产业、无线电广播、飞行导航、智能交通、气象服务等工作领域，但是也应该注意到，不同无线电系统之间可能会出现干扰，导致电磁环境越来越复杂。因此，相关技术人员应该对无线电信号进行监测和管理，高效利用频谱资源，捕获和测量无线电干扰信号，维护频谱资源使用秩序。文章从无线电干扰信号定位和监测这两个方面入手展开研究。

1 无线电干扰信号研究

1.1 无线电干扰信号的分类

无线电干扰信号从本质上讲，属于无线电通信系统中的无用能量，可能导致通信信号接收质量下降，是由多种感应、辐射、发射或其他组合而产生的，在无线电通信过程中可能导致信息丢失、性能下降、信息读取误解，甚至出现通信阻断。干扰信号可能通过间接或直接耦合的方式进入系统，按照干扰源分类，可以分为无线电噪声干扰和无线电干扰，无线电噪声干扰主要分为内部干扰、人为干扰、自然干扰，其中，内部干扰和自然干扰是不可控的；无线电干扰主要分为带外干扰、互调干扰、邻里干扰、同频干扰，其中，干扰信号和人为噪声干扰是可控的。

1.2 无线电干扰信号的特点

从无线电干扰信号的基本内涵中和主要分类中可以发现，部分无线电干扰是可以控制的[1]，比如，阻塞干扰、互调干扰、带外干扰、同频干扰等。在硬件技术飞速发展的背景下，噪声对超短波通信影响可以忽略不计。在后续无线电设备使用中，为了提高通信质量，在极高的密度布置环境中会设置宏基站。但是也应该注意到，在拥挤的城区内，多种公共通信系统基站设置，使得无线电磁环境十分密集，再加之IT技术和移动互联网技术的蓬勃发展，微小移动终端可以提供Wi-Fi热点，城区电磁环境内各系统之间必然出现相互干扰，并且该种干扰持续时间较短，具有移动性、随机性等特点，干扰信号向高频宽带发展，并且信号隐藏在背景噪声之中，可能导致无线电监测接收机无法捕获干扰信号。一般来讲，这种通信干扰对于普通用户只是时间上、经济上、效率上的损失，但是对于铁路、民航等基础交通领域来讲，一旦出现无线电干扰，可能直接影响到旅客与群众生命安全，因此，应该对无线电干扰信号进行全天候监测，实现无缝覆盖。

2 无线电干扰信号网络化监测

2.1 无线电干扰信号监测的内容

无线电干扰监测内容主要包括监测已经获得支配频率的无线站，判断其是否按照已经批准的技术参数工作[2]；监测不明无线电台发射行为，测量目标电台频率偏差、谐波、场强和杂散辐射情况。其中，标准无线电频率参数如表1所示。

表1 标准无线电频率参数

根据标准无线电频率参数，测量无线电频谱频段占用度，搜索并捕获无线电干扰信号，确定干扰源并测向定位，分析监测数据，确定干扰源地理信息，测量干扰信号相关参数，提高频谱资源利用率，尤其应该监测航空导航和水上导航无线电频谱使用情况，对安全救险业务频段进行重点保护和监测，对于大型重点活动监测全频段，根据不同地理区域、不同业务、不同频段，实现电磁环境的全面监测覆盖，如果城市无线电电磁环境恶化，应该重点分析监测数据，对各频段背景噪音进行分析，最后建立电磁环境数据档案。

2.2 无线电干扰信号监测系统设计

文章主要以无线通信列车自动控制（CBTC）干扰信号网络监测为例，一般来讲，CBTC车地无线信号设备较为繁杂，普遍使用公共2.4 GHz频段，无线通信系统容易受到干扰，可能出现列车紧急迫停现象，不仅影响城市轨道交通秩序，还关乎百姓生命财产安全。干扰信号一般分为邻道信号、非协议信号、同频信号、协议信号、瞬时信号和长时间持续信号，多个未知信号之间互不冲突，可能造成频谱波形混合，对CBTC系统信号控制造成巨大威胁。因此，要想最大化监测无线电干扰信号，应该采用边缘计算方式，利用无线电频谱监测接收机，构建监测系统，通过云边协同，设计整体规划监测方案，主要包括以下几个方面。

2.2.1 整体规划

首先在无线频谱监测的前端，设置边缘无线监测接收器，负责本地智能、预处理和信号采集工作[3]。主要有整流采样模块、本地频谱分析模块、FFT模块组成，其中频谱分析模块常规功能是负责数据预处理和计算，周期性的上传数据。如果云端有特定需求，接收机将启动相应算法，调取数据并回传，之后构建云端服务平台，将汇总信息和数据保存至频谱数据库，在数据接收之后，通过实时处理数据查询、数据更新等方法，识别异常，搜索频谱，实现频谱特征的深度挖掘。

2.2.2 车内监测布局

通过外置模式，利用磁共振无线充电技术监测接收设备。与传统电子器件监测方法有所不同，该种磁共振充电技术可以保证内外线圈相对面积最大化，无须像磁感应无线电充电技术那样，因此当列车启动时，充电发射线圈内置于车体内监测，设备电量将会得到补充，充电发射端可以自行启动，避免人工拆卸等烦琐工作，结构极其简单，不会出现损坏。一般来讲，每一节车厢内部署4~8个监测节点[4]，组成空间分布式接收传感器系统，在5 GHz频段上进行频谱数据的预处理，或者将其升级成5G移动网络上传，避开传统2.4 GHz频段，大大提升系统传输效率，降低数据传输延迟。

2.2.3 频谱识别系统

为了构建网络频谱识别系统，应该将各类频谱数据作为训练样本，通过公有频段信号，对样本进行采集，扫描每个时间节点数据，将相邻的10个时间点组成完整频谱，对监测设备前端进行预处理，得出该频点频率密度极大值，然后对比噪声前后波形和频谱，对语音信号进行采样。采样时t=5 s，fs=10000 Hz，信号频谱识别代码如下（部分）。

clear ;clc;

%读取信号

[origin_ signal,fs]= audioread( 'wave.waw ');%读取音频，PYR为信号，fs为采样频率

t=length(origin_ signal)/fs; %计算音频长度

sample_ points=[1/fs:1/fs:t]; %计算采样点横坐标

freq_ signal=fft（origin_signal）;%计算频谱信号

freq_ signal=fftshift(freq_ signal)%频谱搬迁

%加入单频噪声

cos_ fs=4000; %余弦信号频率

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

COS_ noise=cos_ noise';

signal_ with_ CoS_ noise=origin_ signal+cos_noise;%叠加噪声

sound( signal_ _with_ COS_ noise,fs)

freq_ signal=fft(signal_ with_ COS

freq_ signal=fftshift(freq_ signa

%绘制信号时域波形

subplot(211 );

plot(sample_ points, signal_ with_

title( 'Time domain' )

xlabel( ' Time/s' );

ylabel( ' Amplitude' );

在经过预处理之后，消除个别持续时间较短的信号，对比频谱数据的信号频率、信号带宽和波形，发现不完整信号波段，之后借助边缘计算思想，成功滤除干扰信号。

3 无线电干扰信号定位技术应用

通过网络化分布式信号监测法，可以测定无线电干扰信号，如今该种监测方式应用越来越普及，在发现干扰之后，相关部门通过无线电监测系统对干扰信号的地理位置进行确定，由相关管理机构及时排除干扰，这对无线电监测系统精确度有着更高要求，在传统监测工作中使用最广泛的是干涉仪侧向体制，在网络化无线电监测系统中，也可以采用多点定位方式将网络化节点相结合，经过无线电干扰信号网络化监测系统，基于网络定位和移动平台定位，获取相关位置信息。基于网络的无线定位，其定位方式为利用网络中多个位置提取位置相关信息，计算出无线电发射机详细位置，通过定位算法找到基站接收目标发射的信号，该种定位方式不会带来额外的资源开销，同时与雷达等方式相比，不需要发射无线电波，属于无源定位，充分利用网络资源实现射频传感器网络的全面覆盖，以网络式系统实施全天候监听，具体定位方式包括到达时间差定位、蜂窝小区标识无线终端定位、GPS辅助定位、到达角定位、到达时间定位、信号接收强度定位。本文主要以蜂窝小区标识无线终端定位、GPS辅助定位、到达角定位、到达时间差定位为例。

GPS辅助定位也被称为A-GPS定位，只要网络和移动终端之间可以实现正常通信，就可以利用该种技术进行无线电干扰信号定位，定位精准度较高，可以达到5~10 m，其次GPS辅助定位也可以将首次捕获GPS信号的时间缩短到3~10 s。但是技术人员也应该注意到，利用该种方式，需要辅助网络通信和目标卫星通信的支持，并且辅助设备和硬件设备配置成本较高，因此不适合常规无线电监测系统使用。

蜂窝小区标识无线终端定位：利用蜂窝小区识别无线通信网络进行终端地理定位。蜂窝小区中根据移动终端所在的位置来提供移动端提供定位信息，每个基站都有唯一的小区识别，只需要查明移动台处于哪一区，就可以根据小区位置判定移动台所处位置。该种方法定位时间较短，并且不需要移动台额外开销，但是也应该注意到，与GPS辅助定位方式相比，该种定位可能存在较大误差，精度较低，尤其当移动台处于两个小区边界时，定位精准度只能维持在几十米到几十千米之间，受到小区半径影响较大。

到达角定位：与无线电测向类似，该种定位方法利用基站接收机，得到无线电信号入射角，获得两个基站间的方位线，以±a为侧向精度，通过交叉计算，经过交汇定位产生一个区域，该种定位技术即使在空旷的地区仍然可以维持一定的精准度，干扰信号发出的移动终端在交汇区的概率较大。但是也应该注意到，到达角定位技术建立在智能天线基础上，与无线电测向类似，对硬件要求较高，并且如果监测区域障碍物较多，可能影响定位精准性。

到达时间差定位：在到达角定位技术的基础上组成信号源轨迹方程，根据不同接收机时间差，通过定位算法确定信号源位置，不会增加对定位目标额外负担，与到达角定位技术相比，该种方法不需要接收端和信号源之间的同步，是一种被动的无源定位技术，需要3个或以上射频传感器接收信号，利用相应算法得出传感器时间差定位方程。该种技术不需要设置庞大的天线阵，不存在测量监测信号模糊问题，对硬件设备要求较为简单，同时也不会存在天线互耦问题，可以实现无线电信号的全覆盖、全检测，受电波传播距离影响较小，同时可扩展网络无线电定位范围，精度较高，即使是跳频信号、突发信号、带宽信号也可以进行定位监测。

4 结束语

综上所述，通过以上方式可以对无线电干扰信号进行全天候监测，实现无缝覆盖，因此，相关技术人员应该根据实际工作需要，选择合适的监测和定位方法，高效利用频谱资源，维护无线电信号使用安全性。■