一种基于无线链路监测的手机直连卫星业务捕获系统实现及应用

摘 要：手机直连卫星技术的发展将带来10亿量级的用户，给人们带来便利通信的同时，也给信息安全带来严重考验。针对此，设计了一套无线链路监测的卫星业务捕获系统，用以获取商用手机的卫星话音、短消息等业务。与地面移动系统DU-CU模式相似，系统射频和基带处理部分以分布式形式安装在室外信号塔，业务处理部分集中安装在机房，可完成多个无线接收点的业务处理。测试表明，系统能够正常截获卫星手机通话业务，并能存储和回放。

关键词：手机直连卫星；业务获取；话音存储；分布式处理

中图分类号：TN929.5；TP39 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）13-0010-05

Implementation and Application of One Mobile Phone Direct Connection Satellite Service Acquisition System Based on Wireless Link Monitoring

CHANG Douxing

（Ministry of Emergency Management Big Data Center， Beijing 100013， China）

Abstract： The development of mobile phone direct connection satellite technology will bring billions of users， which not only facilitates communication but also poses a serious challenge to information security. For this situation， a satellite service acquisition system for wireless link monitoring is designed to obtain satellite voice， short message and other services for commercial mobile phones. Similar to the DU-CU mode of ground mobile systems， the RF and baseband processing parts of the system are installed in a distributed form in outdoor signal towers， while the business processing part is centrally installed in the computer room to complete the business processing of multiple wireless receiving points. Tests have shown that the system can intercept satellite phone call services normally， and can store and replay them.

Keywords： mobile phone direct connection satellite; service acquisition; voice storage; distributed processing

0 引 言

卫星通信的显著特点在于可提供不受地面环境、气候条件限制的通信服务，其适用于地面通信网络覆盖不完善，或地面通信设施受损而无法提供正常服务时，是地面移动通信系统的补充和延伸，且卫星通信建设成本与距离无关，只要卫星终端与卫星间的信号传输满足技术要求，通信质量便有了保证，建设经费不因通信距离的拉远、自然条件恶劣而增加。

随着人们对卫星通信的需求越来越多，为满足大众的使用习惯，手机直连卫星已成为超越卫星互联网的又一个卫星通信领域关注热点和发展方向，是未来6G天地融合应用对终端统一的需求[1-2]。手机直连卫星带来数十亿量级的用户，手机直连卫星成为卫星移动通信进入大众市场的关键[3-5]。天通是我国自主研发的第一代卫星移动通信系统，2016年—2021年系统共发射3颗地球同步轨道卫星，覆盖面广，能够覆盖全国陆地及周围海域，实现海陆空无缝链接，支持话音、短消息、传真和数据业务。同时支持位置报告，视频传输，IP实时在线业务与应用，支持不同的用户优先级，并可实现互联互通。系统可支持250万个用户同时在线，服务对地域、海洋、空域的无缝覆盖[6]。系统应用终端形式以手持终端为主，兼有移动载体及嵌入式终端等。2023年9月，华为发布了国内首款消费类手机直连卫星手机，就是利用天通卫星实现的，且一机难求，将来带有卫星通信功能的消费类手机将会成为主流，真正提供天地一体，万物互联的通信服务。

目前对地面移动通信终端的业务获取，无论在国内还是国外都具有相应设备，包括2G至5G终端的话音监听。国外卫星移动通信卫星包括高轨同步卫星和低轨卫星，由于他们起步比较早且技术比较成熟，相应的监听和控守设备也持续发展，时刻跟踪卫星移动通信的演进。我国大众功能的卫星移动通信系统，处于刚起步阶段，其应用系统还未完善，而对该系统终端的监听和控守系统还是空白。为保障信息安全，跟踪手机直连卫星终端发展，需要研发区域卫星终端监测设备，对终端上行和下行信号进行接收解析，并存储，以备后续分析使用。

1 业务获取系统总体设计

1.1 整体设计

卫星移动通信系统采用的传输体制有别于地面任何通信体制，因此在信号捕获、跟踪、解调时须采用有针对性的新算法。卫星通信有较长的链路延迟，使得功率控制算法也有别于地面系统，同时卫星高层协议流程独特，接入层和非接入层均有别于地面移动通信系统，从而对整个协议栈的设计和实现产生重要影响。因此，业务获取系统需要解决与“天通一号”卫星移动通信系统同步的射频接收技术、调制解调技术、编译码技术、空口完整性保护和加解密技术，以及对应的无线信令和业务解析技术等，以完成信令分析及业务解析，并进行后续数据存储。

整个系统主要由天线单元、射频和基带处理单元、信令处理单元、业务处理单元、数据存储单元、主控单元构成。天线单元主要完成上行和下行无线信号的接收，能够捕获终端向卫星发射的上行信号，又能接收卫星发向终端的下行信号，进而进行信号的后续处理。由天线捕获的双向无线信号经过射频单元和基带单元处理后转换为数字信号，然后通过信令处理单元和业务处理单元完成终端上下行信令、状态以及相应的业务解析，最后通过主控单元向用户展示业务数据，并进行存储以备后续查阅[7]。系统原理如图1所示。

1.2 设备布局和安装

系统的上行及下行两个天线的射频和基带处理单元与地面移动通信系统中射频部分安装方式相同，可一起安装在已建设的地面基站的信号塔上。为防止卫星与地面系统互相干扰，两个天线须安装在信号塔的最顶层，并与地面移动用天线间隔1米左右的距离。射频和基带处理单元与地面网络的射频处理单元（RRU）安装方式相同，安装在信号塔的天线下部，该设备和天线和之间采用射频线缆进行连接。设备安装示意图如图2所示。

信令处理单元、业务处理单元、数据存储单元、主控单元等通过与射频和基带处理单元连接的光纤拉远后安装到用户机房，并可通过屏幕实时监控。

1.3 区域内系统拓扑

整个区域（例如市、县）可进行分布式安装联合集中式处理，所有的室外天线、射频和基带处理单元安装在多个不同的信号塔上，这种实现方式和5G的DU部署相似[8]；信令、业务处理单元等集中安装在用户机房与5G的CU部署相似，每套信令和业务处理单元可对应多套室外天线、射频和基带处理单元，形成多对一布局。主控单元的用户监控中心安装到调度室等，用户可实时查看业务或者选择已存储的业务进行回放。

2 单元设计

2.1 射频处理单元设计

射频处理单元（RRU）、基带处理单元（BBU）及主控板卡（MCH）安装在一个机箱内组成射频和基带处理设备，安装在室外信号塔上。射频处理板卡完成S波段无线信号到数字基带信号之间的转换。射频处理板卡通过光纤接口和基带处理单元进行数据交换、控制指令交互，通过I2C总线、以太网总线、Rapid IO总线和主控板卡进行控制信道的交换。

射频处理板卡结构上采用uTCA标准架构[9]，主要由FPGA单元、射频通道、时钟处理、加载管理、MMC管理、电源管理、加载管理等部分组成。其中，FPGA程序包括太网接口、Rapid IO接口、CPRI接口、解调处理等。射频处理板卡功能框图如图3所示。

解调通道由模数转换器（ADC）、解调频率合成器、解调处理模块、分路器、放大器等组成，主要完成无线信号到基带信号的转换及解调预处理等过程；时钟处理模块为FPGA、ADC，以及高速收发器提供稳定的时钟，并将RRU时钟同步于BBU。时钟处理模块主要由晶体振荡器、时钟提取模块、鉴相器、环路滤波器、压控晶体振荡器、频率锁相源、分频器组成。

2.2 基带处理单元设计

基带处理单元结构上同样采用uTCA标准，主要由FPGA模块、DSP模块和CPU模块构成，各模块之间通过GE交换芯片进行控制信息交互，通过SRIO接口进行数据交换，板卡整体功能组成如图4所示。板卡中FPGA部分包括接口解析、多载波滤波、DDR、RAM等功能模块，用以完成载波滤波功能；DSP部分包括多载波符号映射、多载波解调、译码等功能模块，用以完成信号解调、译码等；CPU部分包括业务/信令预处理、数据解析等部分，以完成信令和数据业务的分离和帧预处理等功能[10]。

射频处理单元把经过A/D变换后的低中频信号通过IR接口传输到基带处理单元中的FPGA模块中，在FPGA内完成多载波信号的匹配滤波，并将滤波后的IQ数据通过SRIO接口传输到DSP模块，在DSP内完成多载波信号的同步、解调、译码和数据解析，并将恢复出的源比特信息通过SRIO接口传送到CPU中进行信令、业务帧预处理等，最后将处理后的数据通过SGMII接口分别传送到后续处理设备中。

2.3 信令/业务处理单元设计

系统室内部分由信令处理单元、业务处理单元、数据存储单元及主控单元等构成，其硬件平台均采用高性能服务器，在此平台上进行处理软件设计及开发[11-12]。

信令处理单元主要完成终端上下行信令的获取、匹配及解析，主要包括终端上行业务申请、下行资源分配、控制信道中各种信令等，包括无线资源管理信令、移动性管理信令、呼叫信令等，以及由信令信道承载的短消息业务和位置信息等。信令处理单元通过信令流程匹配终端号码生成呼叫列表，并把列表存储在业务处理单元中，由业务处理单元进行业务处理和匹配话音。业务处理单元完成终端短消息的解析，话音解析及解码等，并转发到数据存储单元进行备份。数据存储单元完成呼叫列表、话音、位置和短消息业务的储存备份。

2.4 主控单元设计

主控单元是整个系统的核心，主要完成设定/取消跟踪终端、终端位置跟踪、终端状态监测、终端业务获取、通信记录查阅、通信内容回放、自动告警提示等功能，功能构成如图5所示。

功能介绍如下：1）目标管理。用户可手动选择需要实时获取业务的号码，当该号码通信时，实时获取其话音、短消息或位置；当不需要再跟踪时手动删除该号码即可转入后台业务获取；2）业务管理。设定目标后，用户同步收听终端通话的话音，或者查看短消息，位置等；3）业务查询。用户可从数据库中调取已有的通话记录，播放对应的通话话音，以及查看某号码收发的短消息等；4）轨迹查询。在GIS地图上回放某号码的运动轨迹。

3 业务流程及测试

3.1 业务流程

上行天线处于值守状态，当收到终端上行ALOHA信号后，由射频和基带处理单元完成信号的解调，并把其内容发送到信令处理单元；信令处理单元解析终端上行业务申请指令，并记录终端ID，同时通知射频和基带处理单元捕获下行AGCH信道，以获得下行应答。

下行天线捕获应答信号后由射频和基带处理单元完成解调处理获得资源分配应答帧，并发送给信令处理单元；信令处理单元解析下行资源分配指令，并与上行业务申请的终端ID进行匹配，获得上下行信令信道参数，然后配置到射频和基带处理单元。

上下行天线捕获信令信号后由射频和基带处理单元解调后获得信令帧，发送到信令处理单元；信令处理单元完成上下行信令解析，把终端的状态、位置信息等参数发送到主控单元显示，把上下行业务信道参数配置到射频和基带处理单元，并配置业务处理单元进行数据配对等过程；上下行天线捕获业务信号后由射频和基带处理单元解调后获得业务帧，发送到业务处理单元；业务处理单元完成所监测终端的业务预处理，并在信令处理单元控制下完成业务配对，转发到数据存储单元进行备份，并把用户指定的终端业务发送到主控单元进行实时显示。业务流程如图6所示。

3.2 系统测试及分析

测试时，两部测试手机和系统天线部分安置在室外，其他设备安装在室内，两者之间通过射频线缆进行连接，如图7所示。手机首先开机接入卫星网络，达到能够正常打电话状态，然后在远控界面配置相应的两个手机号码，使设备实时监测两部手机的通信状态。

手机A拨打手机B多次，在远控界面查看系统获取的通话记录和话音，并可通过播放操作收听对应的话音，测试结果如图8所示。

由图8可见，手机之间打电话时可通过本系统截获，并生成了通话记录列表，包括主被叫号码、速率、通话时间等，同时对应存储了相应的通话语音，可选择进行播放，实现了卫星手机的业务截获。通过测试发现，每次业务存储的数据较大，容易造成磁盘空间不足，因此实际使用时需要加大磁盘阵列容量，并定期更换新硬盘，以便保留更多历史数据。

4 结 论

随着手机直连卫星的发展，越来越多的手机加入卫星通信功能，给信息安全带来一定挑战。本系统能够获取终端的位置、短消息、话音等业务，实时监测周围区域终端信息，保障信息安全。系统的天线和射频基带单元可布置多个在室外，其余单元布置在室内，形成多对一连接以监测多个地点。室外部分可根据需求安装多套，扩展监测区域。

参考文献：

[1] 吴晓文，焦侦丰.面向6G的星地融合标准化研究进展 [J].移动通信，2024，48（1）：2-12.

[2] 张平，陈岩，吴超楠.6G：新一代移动通信技术发展态势及展望 [J].中国工程科学，2023，25（6）：1-8.

[3] 郝才勇.手机直连卫星业务发展现状与挑战 [J].中国无线电，2023（12）：36-38.

[4] 陈宏.全球手机直连卫星应用发展与思考 [J].卫星应用，2023（11）：37-43.

[5] 肖永伟，卢山，宋艳军.“手机直连卫星”发展及关键技术 [J].国际太空，2024（1）：20-27.

[6] 崔万照，陈翔，李军，等.手机卫星通信的保障——天通一号卫星载荷中的无源互调关键技术 [J].宇航学报，2024，45（2）：325-331.

[7] 陈文洁，梁先明，史高翔.一种基于协同侦收的卫星上/下行信号关联方法 [J].电讯技术，2021，61（7）：839-844.

[8] 孙军帅.面向多样性需求的无线网络架构及功能设计方法研究 [D].西安：西安电子科技大学，2022.

[9] 钟旻.3GPP关于5G若干技术规范辑录（四）：基站射频设备规范 [J].数字通信世界，2022（8）：8-16.

[10] 祝毅，郑斌，曾令昕，等.卫星通信基带数字前端融合设计 [J].通信技术，2023，56（7）：828-834.

[11] 沈哲，王祎萌.基于移动终端的电力安全监控系统设计 [J].网络安全和信息化，2023（11）：44-47.

[12] 林俊.基于物联网技术的电力监控终端安全在线管控系统设计 [J].自动化与仪器仪表，2022（4）：198-201.

作者简介：常斗兴（1979.02—），男，汉族，山西晋中人，高级工程师，本科，研究方向：应急管理。