电磁频谱监测领域中新型无线电传感器系统的应用

钟 洁，张新航，杜佳殷

（酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750）

0 引 言

电磁（Electro Magnetism，EM）频谱监测是将传统电子战技术用于新兴无线电通信和雷达技术的过程。EM 频谱监测可以监测无线电信号，包括发射频率、占空比以及功率等内容，被广泛用于电信、军事、民用等领域。传统的EM 频谱监测技术通常需要使用高端且昂贵的仪器和设备，如示波器、频谱分析仪、探头等，而且这些仪器使用不太方便。随着技术的进步，新型的无线电传感器系统被广泛应用于EM 频谱监测领域。

1 无线电传感器系统的主要特点

1.1 建设成本低

同等工程预算条件下，利用具有更高性能价格优势的无线传感器网络收集数据，可以大大提高网络资源收集的效率。

1.2 维护成本低且工作效率高

文章在设计无线传感器时，将部署大型无线电传感器时的维护性和稳定性问题纳入考量，能够实现远程巡检、自动升级、故障自恢复等功能，不需要频繁到现场进行维修，从而降低人工维修工作量，能够根据国家规定的正常运维费标准使用设备和系统。此外，采用高效的数据压缩技术，可以将4G 无线通信模式的数据量降低至1/100，并且可以实现4G无线通信，其传输费用仅为数字数据网（Digital Data Network，DDN）专线的1/50[1]。

1.3 易安装布置

无线传感器对其安装环境要求较低，室内外都可以布设，对电压和占地空间的要求也较低，选择220 V 市电和0.1 m2的占地面积即可。无线传感器可与电信运营商、公安、民航、铁路、广播电视、物业以及酒店等台站的客户共用办公地点。无线电传感器的保护级别为IP65，且安装时间不超过2 h，施工效率高。

2 无线电传感器系统的主要功能

2.1 基本监测功能

无线电传感器系统的基本监测功能如下：一是频谱监测，监测周围环境中的无线电信号，包括发射的频率、占空比和功率等信息，实现对整个EM 频谱的实时监测；二是监控发射源，通过定位信号源，确定信号的发射方位以及发射源的类型、频率、功率等信息，有助于识别未授权的信号源和干扰源，以保证安全和电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）；三是情报收集，根据监控数据分析目标，提取其中的信息和其他有用数据。这些数据可以用于电磁信号情报，以支持军事和国家安全的任务[2]。

2.2 无线电台（站）监测

电信领域中，无线电传感器系统可用于无线电台（站）监测。无线电台是由一个或者多个用于传输和接收信息的设备组成的系统，常见于无线电通信，尤其是在广播、卫星通信以及军用通信中频繁使用。然而，由于频谱资源的有限性，必须对电磁场进行监测，以便更好地协调和管理无线电信号的使用。

2.3 无线电波秩序监测

无线传感系统通过台站之间的数据对比，可以实时判定目标位置并掌握目标的发射时刻和接收强度，研究目标的发射规律，准确确定目标的位置，从而迅速检测目标信息并进行预警。此外，无线传感系统可以进行信号采样，可获取同相正交（In-phase/Quadrature，I/Q）数据、频谱数据、录音等信息，以便保存和分析。既可以人工收集，又可以自动收集。

3 传统无线传感器网络分析

3.1 网络体系结构

无线传感器网络的架构一般由多个具备通信和运算功能的感知节点，以人工布置、空投以及火炮发射的形式，随机分布于被监控对象，并以自组织的形式组成[3]。无线传感器网路中，通过最初的通信与谈判构成多跳数据网络，并通过多跳网络传送数据。在传送的同时，会有多个传感器节点处理这些由聚集节点通过因特网或卫星传送的信息，最终由管理中心分析和挖掘收集的信息，并通过界面向最终用户展示[4]。

3.2 拓扑结构

目前，无线传感器网络拓扑主要有星状网、网状网及混合网等。无线传感器网络的各种拓扑结构各有其优劣，因此无线传感器网络的布置需要依据具体的应用场合选择合适的拓扑。不同类型的的网络拓扑结构特点如为：

（1）星状型网络结构为单跳，节点间互不连通，只与节点间实现双向通信，节点与节点间无联系。

（2）网状型网络拓扑结构是一种具有多跳特性网络，各传感节点之间能够相互通信，且网络中的各个节点可以通过多条不同的路径通向其他节点，从而使网络具有更好的容错性能。

（3）混合混合网型网络拓扑结构具有星状网络的简单易控制和网状型网络的多跳自愈等优点，能够在同一时间完成对网络的构建、维护以及更新[5]。

4 传感网电磁频谱监测软件系统总体需求分析

4.1 用户管理

电磁波频谱是一种全国性的资源，其监控工作涉及保密问题，因此需要严格监控使用者，为各种角色设定对应的访问权限，以达到系统安全的要求。

4.2 网络管理

无线传感器网络是将系统部署在某一特定的区域，并提供各种服务。稳定的无线传感器网是监测电磁频谱的基础，因此要全方位监督和维护无线传感器网络，就必须建立一个良好的网络管理体系[6]。

4.3 电磁频谱实时监测

传感网电磁频谱监测软件系统的核心功能是电磁频谱的实时监测。该系统需要满足单频扫描、频带扫描、离散扫描以及数字扫描等多种扫描模式。

5 传感网电磁频谱监测软件系统总体设计

5.1 系统总体结构设计

系统的总体结构分为3 个层次，分别是网络层、业务层以及前端展示层，每层都对对应的功能进行具体管理。其中：网络层主要承担的任务是与无线传感器网络可靠联接，并完成传输无线传感器网络的业务指令和频谱信息；服务层是联系网络层和显示层之间的纽带，主要根据设定好的通信协定，转化从网络层收到的原始频谱资料，然后把这些资料送到资料处理模组，供有关的服务使用；显示层能够给使用者提供一个简单易用的使用者界面，与使用者进行互动。

5.2 系统模块功能分解

提出一种基于电磁频谱的电磁频谱数据处理方法，将整个系统模块分为网络管理模块、电磁频谱实时监测模块以及电磁频谱数据重演模块。

5.2.1 网络管理模块

网络管理包括监控和管理2 个部分。设备状态监测包括监测每个传感器节点的网关媒体存取控制（Media Access Control，MAC）地址、设备MAC 地址、设备类型、设备状态、网络类型、互联网协议（Internet Protocol，IP）地址、信号强度、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）卫星个数、经度、纬度、高度以及GPS 时间。设备控制可以实现设备的重启动、休眠、删除节点、属性查询、变更网关、变更IP、数字采集复位以及设备属性主动汇报等功能[7]。

5.2.2 电磁频谱实时监测模块

首先，通过实时监测电磁信号，分析电磁信号的频谱特征，使用者可以在第一时间选取要执行电磁频谱实时监测任务的网关节点或感知节点。其次，设定各项扫描任务的参数信息，利用电磁频谱实时监测模块发出的命令控制执行任务的节点，采集数据。最后，将这些数据以频域图或瀑布图等方式展示出来。

5.2.3 电磁频谱数据重演模块

系统利用数据存储控制台，可以将网关节点或感知节点收集的频谱数据保存到数据库，并利用电磁频谱数据复演模块进行查询和回放。

6 无线电传感器系统应用案例

某市的无线监测站于2021 年建成新型无线传感系统并投入使用，全市共安装110 台无线传感装置，以满足每日无线监测的需要。2021 年8 月12 日16:40，该城市无线通信管理局在日常日常巡查中，于城关区的电台发现一种不正常的广播信号。城市管理局的技术人员立刻联系了2 个静止的监控站点，定位该异常信号。城市管理局的技术监控小组带着手提监控仪器，开车前往此位置，但到达目标地点后，没有查出原因。因此，技术监控小组通过智慧无线信息收集与应用平台的传感网建设工程，根据“同频率最大场强值”的显示，全面定位该异常信号，从而进一步减小监控区域。从最大磁场强度曲线可以看出（见图1），该市目标地区接收到的磁场强度最高。技术监察小组根据数据分析，于2021 年8 月12 日17:50确定了该信号的发送装置。经过核实，该装置位于某博览会，是博览会一个违建的电台，其传输能力为60 W。发射源发射状态记录如图2 所示。

图1 最大磁场强度曲线

图2 发射源发射状态记录

本系统充分展现无线传感器7×24 h 全波段监测的特征，可以迅速检测中小功率的发射源，并利用对历史监测数据的反演，完成对不明发射源的定位和分析[8]。

7 结 论

新型无线电传感器系统的应用为电磁频谱监测带来诸多优势和创新，能够大大提高频谱监测的效率、精度以及覆盖范围。新型无线电传感器系统采用先进的无线电传感技术，能够实时、远程地探测和监测电磁信号。相比传统的监测设备，新型系统具有更高的灵敏度和更广的监测范围，能够实时捕捉到更多的频谱信息，对无线电频谱的监管和管理工作更加准确和及时。新型无线电传感器系统具备智能化的特点，能够自动化地分析和处理监测数据。通过采用先进的数据处理算法和人工智能技术，系统能够根据监测数据自动识别和分类不同的信号类型，快速准确地判断信号的合法性。