新型WSN系统在电磁频谱监测领域的应用分析

摘要：无线传感器是近年来发展起来的一种新的无线频谱监测装置，主要设置在无线电频率使用和无线电台（站）设置较少的区域，作为固定监测站的补充，用于对固定台（站）多任务执行能力不强、固定台（站）不能覆盖的区域开展长时间的电磁环境监测，以及对重点区域无线电发射源进行7×24小时的实时监测。

关键词：传感器；固定监测站；密集部署；重点区域

一、引言

新型无线传感网（WSN）系统的研发和应用使得电磁频谱监测领域得到了前所未有的发展。无线电传感器以其小巧轻便的特性和宽频率监测能力，解决了传统静态监测设备无法满足现今复杂多变的无线电环境监控的问题。

根据应用场景、性能指标等不同，无线传感器网络可以划分为两种类型。一类传感器在20～6000MHz波段内进行监测，主要应用于全业务监控，可以广泛应用于各种无线通信业务的监测，包括但不限于移动通信、微波通信、卫星通信等，并能够实时捕捉和记录在此频段内发生的所有无线电活动。第二类传感器在20～1300MHz波段内进行监测，主要用于对广播电视台（站），固定类台（站）、基地类台（站）进行监测。由于该频段内的无线电信号主要来自广播电台和基站等固定设备，因此这类传感器特别适用于这些设备的日常管理和监测，包括频率使用情况的实时监控、非法电台的检测以及干扰源的定位等。

与传统的静态監控设备相比，无线电传感器布放灵活且功能完善。首先，无线电传感器体积小，重量轻，安装简便，可以方便地布置在各种环境中，包括城市、乡村、山区等。其次，无线电传感器支持远程控制和数据传输，可以实现远程的无线电环境监控。最后，无线电传感器具有良好的环境适应性，可以在极寒、极热、湿度大等各种环境下稳定工作。

新型无线电传感器系统的应用不仅可以满足日常无线电管理的需求，更能为无线电环境保护、无线电资源合理利用等提供有力支持。在未来，无线电传感器的技术将会进一步发展，提供更高效、更精准的电磁频谱监测。

二、WSN系统的主要特点

WSN系统包括两大子系统：数据收集子系统和控制网络。数据采集子系统通过使用高性能的传感器节点来完成信号采集和信息处理，能够在专用网络上统一存储、转换和管理信号采集和处理后的各类数据。在控制网络中，由计算机和控制芯片构成的控制器能够对所有信息进行实时监测，并对其数据进行处理，以保证信息数据的安全性。

目前，数字多用表（DDS）系统是应用最广泛、最成熟的无线传感器系统之一，能够通过一系列标准接口与现有或未来系统集成，并与其他现有或将来新系统集成在一起，以实现无缝融合或替代功能。

（一）维护成本低

自设计出现以来，无线电传感器就充分考虑在大量布放情况下的维修与稳定问题，它能够远程进行巡检、自动升级设备以及自行修复故障，不需要频繁地进行现场检修，在减少了人工维护的工作量的同时，能够按照无线电运维费正常规定的标准完成装备和系统的运行维护工作。

另外，无线电传感器还利用有效的数据压缩技术，将数据传输量大概减少到原始数据的1%，也可以支持无线4G传输方式，网络传输费用大概是DDN传输专线的五十分之一左右。

（二）性能稳定与可靠

WSN系统的性能主要取决于其所采用的元器件和电路结构。在WSN系统中，各部分部件是由计算机和控制器两部分组成的，计算机部分要实现所有控制功能；而控制器是由处理器、存储器控制器等组成的。无线电传感器节点由电子元器件构成，这使得无线传感器能够适用于各种严酷的环境。

因此，WSN的稳定性与可靠性表现为：其一，在使用寿命期内能正常工作；其二，在发生故障时，不会发生严重的破坏事故；其三，当遇到意外情况时，能够迅速恢复系统运转；其四，设备运行中出现故障时可以及时解决；其五，如果遇到突发事件，设备能够及时响应并做出相应的措施。

（三）抗干扰能力强

无线电传感器的抗干扰能力强主要表现在两个方面。

首先，由于无线电传感器节点所使用的电子元器件一般都是高集成度、低功耗产品，其工作频率较高，所以能承受较强的电磁干扰。无线传感器网络通常是在无源的环境中工作且有较高的抗干扰能力，所以对于电磁干扰具有较好的防护能力。在进行电磁频谱监测时，需要了解所使用电磁波频率。在监测中，需要利用雷达、射电望远镜等设备测量电磁波强度，但电磁波本身不会产生任何辐射或感应作用。一般来说，电磁监视系统应该在不受任何干扰的条件下工作；当检测到电磁辐射时，可采用其他途径进行测量。例如，可以利用电子罗盘等设备测量；也可以采用激光、微波、电磁波等方法进行测量；还可利用无线技术对发射波频率进行自动跟踪监测等等。

其次，传统的WSN系统通常由电脑、通信界面、应用程序、外设等组成，这些设备需要专用的硬件来完成其工作，还需要专用的软件环境来处理和存储数据，因此WSN的硬件开销非常大。虽然传统的WSN系统也能够对无线信号进行实时地监测、分析与测量，但主要依 赖于外部设备，这些外部设备的价格昂贵且复杂，如果将其与微机联机使用，将难以实现对微机的监控与测量。由此可见，新一代无线传感器网络对电磁频谱的监控有着特殊的优势。

三、WSN系统的主要功能

（一）电磁频谱监测

WSN系统由传感器、数据传输和存储共三个部分组成，其中，传感器包括电磁频谱测量单元、射频/微波组件和用户输入端。无线电传感器被放置在目标无线电设备附近，通过射频器件将测量信息传输到数据传输部分，然后通过无线设备将数据信号传送到计算机上，以供用户查看和分析。用户输入数据以电子邮件地址传输到用户的界面地址和电子邮件地址，用户可以使用该接口对电磁频谱进行分析，从而获得电磁频谱图、无线电频率和发射机参数等相关信息。当需要对发射装置进行扫描，无线传感器将对该发射机进行扫描，并通过电子邮件通知用户查看和下载相关资料；当用户扫描或接收到电磁频谱图时，可以使用键盘或鼠标操作来查看或下载。

无线电传感器是通过射频技术扫描发射装置并将数据传输到计算机中进行分析和存储，这种射频技术与常规的微波扫描不同，它不需要人员参与、只监测单个发射设备上的电磁波信号，并且只需要发出一次信号，无需其他探测设备和分析工具。

（二）通信技术

在电磁频谱监控中，无线传感器是一种普遍使用的通信方式，针对WSN的特点，提出了一种基于WSN的WSN模型。由于不同类型的无线传感器使用不同的频段，接收的信号也不一样。因此，为了保证信号在正常传输中不会出现错杂现象，因此在进行数据传输之前，需要对数据进行处理，以确保信号在传输过程中不会出现错杂现象。

接收技术是指利用某种通信技术在无线传感器之间或与其他无线传感器之间进行数据传输的技术。由于无线传感器与其携带的发射接收装置之间存在通信距离，因此在使用资料传送技术之前，需要计算每个无线传感器与其他无线感测系统之间的通讯距离。目前，最有效的方法是使用微波天线等微波技术来进行无线传感器和其他无线感知系统的通信。

微波天线是一种通过发送和接电磁波相互影响来工作的装置，由金属衬底、馈线和射频电缆等组成。微波频段是一种很好的信息传输方式，可以实现高效、高速的数据传输。将微波天线引入无线传感器中，可以使其从无源检测变成有源检测，降低其受到的各种干扰，并且使用大功率、低成本的微波天线可以降低无线传感器的电磁干扰效应。

同时，针对多个WSN和不同WSN之间的通信方式，提出了一种可以实现多个WSN间和不同WSN之间高速数据交换的方法，并且该方法具有成本低、效率高和易實现的特点。

四、WSN系统的优势及亮点

无线电传感器具有体积小、重量轻、功耗低的特点，安装和使用简单方便，而WSN系统的主要优势是无需布线即可在任何地点和时间完成对电磁频谱数据的采集工作。

（一）可实现高效率的常态化监测

在WSN系统中，无线电传感器设备和监测数据分析系统都可以实现全天候7×24的频段监测，可以用来对监测数据进行全天候7×24的采集和分析。通过长时间和多设备进行原始数据积累，从而了解无线电波的运行规律和变化趋势，并规避可能存在的盲时和盲区。例如，可以通过对历史数据的检索、自动采集信号样本等方式探测夜间或凌晨时段容易出现的“黑广播”信号[1]。

（二）可同时进行多维度数据分析

通过对目标不一致性进行综合分析，WSN系统可以实现多维度的数据分析和储存工作，还可以根据所返回的频谱监测数据，对每一扫描过程中探测到的信号与台（站）数据库数据进行比对分析，并判断哪些是已知的台（站）信号，哪些是暂时未知的信号。对于暂时已知的合法台（站）信号，可以判断现阶段台（站）的基本发射状态情况或是否存在超标准发射等问题；对于监测发现的未知信号，可以对其出现的时间、接收的强度、信号带宽与信噪比等数据进行统计。WSN系统还可以用来对公众移动通信信号的频段占用度进行分析，也可以利用现有的基础数据对其他频带或者频道的占用情况进行基本分析，最终生成监测报告[1] 。

（三）使用场强泛定位功能实现对不明信号的监测定位

通过对目标不一致性进行分析，WSN系统可以实现多维度的数据分析和储存。在城市人口密集区，由于发射功率较小、发射天线不高、发射源容易受到城市建筑物的影响，利用固定监测站进行监测测向的能力受到限制。因此加强对城市重点区域、电磁环境复杂区域的无线电信号的监测，可通过密集部署无线电传感器来增强监测能力，借助多台设备对相同信号的监测结果进行全面分析，并结合“泛定位”功能，快速判断震源的大致位置。

（四）通过TDOA/POA方式快速定位发射源

1.TDOA定位

TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）是一种通过分析信号到达不同监测设备的时间差异来确定信号源位置的方法。基于双曲线特性，通过计算两个监测设备时间间隔的统计数据，可以推断信号源必须位于双曲线的中心点，即两个监测设备的重点位置。如果有三个监测设备，可以确定三条双曲线，而信号源的位置恰好满足这三条双曲线的交点。因此，使用TDOA/POA方法可以快速定位信号源。

需要注意的是，TDOA定位需要具备以下条件：其一，至少需要3个或多个监测设备同时监测指定发射源，并具有一定规模的信噪比；其二，发射源是单一的，没有同频多址现象；其三，信号具有调制特征，即在不同的时刻存在差异。

2.POA 定位

POA定位又被称为到达功率定位，是一种利用不同监测设备接收到的发射源信号强度来反推发射源的位置的定位方法。在POA定位中，需要多个监测设备能够同时接收相同发射源信号，这就对监测装置的布置能够满足此要求。例如，在密集布放的WSN系统中，由于有多个监测设备可以同步接收相同信号，这对于使用TDOA/POA方法进行信号定位非常有利。此外，在选择参与定位的监测设备时，可以通过分析之前的监测数据来迅速选择接收信号质量最好的设备。

五、结束语

随着无线通信技术的高速发展，无线通信设备具有高带宽、高速率和泛在性等特点，并且越来越小型化。因此，传统的固定监测站用于采集空间电磁频谱数据，无论在监测覆盖面范围、灵敏度上、还是监测数据的信息维度上，都无法满足人们对无线技术应用发展的新要求。

为了更好地管理无线频谱资源，有效地维护空中电波的秩序，构建一种新型的自动化频谱数据采集系统，以弥补传统监测设备的缺陷与短板，并满足当前和未来某个阶段的监测需求。

作者单位：马进英 甘肃省无线电监测站甘南监测站

参  考  文  献

[1]李巍.新型无线电传感器系统在电磁频谱监测领域的应用探究[J].中国无线电，2022（12）：35-37.

[2]张献，邢子瑶，薛明，等.无线电能传输系统异物检测技术研究综述[J].电工技术学报，2022，37（04）.

[3]张宸，牛刚.“互联网+传感器”自动化无线电数据采集平台在无线电频谱监测管理中的应用[J].中国无线电，2021（04）：94-97.

[4]日本开发复合无线电和光电传感器系统增加探测范围[J].航天电子对抗，2020，36（02）：24.

[5]冯旭，高强，尹志锋，等.多传感器系统无线电能传输装置设计与分析[J].传感器与微系统，2019，38（10）：76-78，81.

[6]基于TDOA无线电定位系统的接收机要求——罗德与施瓦茨用于TDOA网络的传感器技术（一）[J].中国无线电，2014（04）：72-73.

马进英（1996-），男，本科，助理工程师，研究方向：无线电监测，无线电频率台站管理。