基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)

摘? 要：基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)采用了干擾效率更高的新型數(shù)字?jǐn)_碼技術(shù)并結(jié)合光纖分布架構(gòu)的組網(wǎng)方式，區(qū)別于目前采用室內(nèi)分布系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)字屏蔽系統(tǒng)，它不需要建設(shè)復(fù)雜的天線室內(nèi)分布系統(tǒng)，降低了數(shù)字?jǐn)_碼屏蔽技術(shù)應(yīng)用的施工門檻，提升了系統(tǒng)組網(wǎng)能力，同時還能對末端屏蔽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在實(shí)現(xiàn)低輻射、全制式、不干擾基站、周界控制精準(zhǔn)的前提下還能降低系統(tǒng)造價，利于系統(tǒng)推廣。

關(guān)鍵詞：光纖;屏蔽;低輻射;軟件無線電;信號采集;智能

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0044-06

Mobile Phone Signal Shielding System Based on Optical Fiber Transmission System

DONG Wenfeng

（Fuzhou Radio Communication Technology Co.， Ltd.， Fuzhou? 350028， China）

Abstract： The mobile phone signal shielding system based on optical fiber transmission system adopts a new digital scrambling technology with higher interference efficiency and combined with the networking mode of optical fiber distribution architecture. It is different from the current digital shielding system based on indoor distribution system architecture. It does not need to build a complex antenna indoor distribution system， which reduces the construction threshold for the application of digital scrambling shielding technology. It not only improves the networking capacity of the system， but also remotely controls the end shielding nodes. On the premise of low radiation， full system， no interference with the base station and accurate perimeter control， it can also reduce the system cost and facilitate the promotion of the system.

Keywords： optical fiber; shield; low radiation; software radio; signal acquisition; intelligence

0? 引? 言

眾所周知目前移動互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)在給人們的生活帶來便利性的同時，也成為各個敏感和關(guān)鍵部門或者單位失密、竊密的主要渠道，尤其是隨著智能手機(jī)各項(xiàng)功能如錄音、錄像、拍照、上網(wǎng)及性能的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得教育機(jī)構(gòu)、科研院所、監(jiān)獄、軍隊(duì)、政府要害部門等具備保密要求的單位面臨一個日益嚴(yán)峻的難題：如何科學(xué)有效的管理好管控區(qū)域內(nèi)的智能手機(jī)？以及如何采取技術(shù)手段對違規(guī)違法使用手機(jī)行為進(jìn)行有效的管控 ？

基于當(dāng)前的手機(jī)信號管控現(xiàn)狀和形勢發(fā)展需要，針對諸如學(xué)校、監(jiān)獄、科研院所等涉密單位有必要部署一套手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)，這套系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)屏蔽區(qū)域的手機(jī)信號的精準(zhǔn)屏蔽，還需綠色低輻射，對人體無害，還不能對現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)造成干擾等不良影響，同時屏蔽系統(tǒng)還應(yīng)具備良好的組網(wǎng)架構(gòu)，適合大面積室內(nèi)屏蔽覆蓋等多重功能的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)。

1? 當(dāng)前手機(jī)信號屏蔽的幾種方法

1.1? 大功率噪聲壓制（白噪聲）模式

大功率噪聲壓制主要采用單音信號，以一定頻率對移動網(wǎng)絡(luò)的下行信號進(jìn)行循環(huán)掃描，如圖1所示，惡化電磁環(huán)境，使得手機(jī)無法正常解調(diào)基站信號，以實(shí)現(xiàn)信號阻斷，從而達(dá)到其屏蔽的目的。

這種屏蔽方式帶來了幾個缺點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)輻射功率很大，由于4G/5G系統(tǒng)中采用多路正交子載波方案，該方案對其干擾效果較差，如需對LTE/5G NR/WCDMA等寬帶碼分信號形成有效干擾，需在目標(biāo)頻段內(nèi)疊加大于當(dāng)前信號20 dB以上的功率信號才能達(dá)到信號干擾的效果，如圖2所示，因此屏蔽效率低，且設(shè)備輸出大信號干擾對人體輻射大，不環(huán)保;

（2）掃頻壓制方案邊帶功率不容易壓制，系統(tǒng)易造成上行鏈路干擾，如GSM上行易受到干擾，同時因?yàn)門D-LTE和5G NR系統(tǒng)是采用上下行同頻，采用模擬掃頻方案，無法做到下行時隙同步，會直接對基站上行造成干擾甚至基站癱瘓;

（3）容易造成越區(qū)干擾（2G），規(guī)模部署易對周邊電磁場造成嚴(yán)重變化，干擾周邊居民正常通訊，且設(shè)備功耗高（500瓦功耗以上），自身發(fā)熱較高，設(shè)備自損率也高，長時間工作設(shè)備可靠性也不高;

（4）部分制式屏蔽距離短（4G/5G），存在大量屏蔽死角和盲區(qū)。

綜上所述，大功率噪聲壓制模式主要依靠功率壓制，由于其干擾效率低，電磁輻射過大，不同制式干擾不一致，且邊界難以控制，目前已經(jīng)不適合在當(dāng)前的各個場景中使用。

1.2? 偽基站模式

所謂偽基站，是以公網(wǎng)基站為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿制的一款類似公網(wǎng)通信的基站，利用移動通信切換原理，將用戶欺騙到偽基站上來，從而達(dá)到阻斷通信的目的，如圖3所示。

這種屏蔽模式主要針對2G-GSM及4G制式手機(jī)用戶，對應(yīng)3G及5G手機(jī)用戶還是需要通過屏蔽方式來實(shí)現(xiàn)信號阻隔，同時針對華為、小米等具備防偽基站功能的手機(jī)來說，手機(jī)能夠甄別手機(jī)交互信令特征來判斷是偽基站而主動拒絕接入網(wǎng)絡(luò)，因此在很多場景當(dāng)中使用偽基站來實(shí)現(xiàn)屏蔽手機(jī)的效果也不是很理想。

1.3? 基于軟件無線電技術(shù)（信令屏蔽）的室內(nèi)分布精準(zhǔn)屏蔽系統(tǒng)

基于軟件無線電技術(shù)的室內(nèi)分布精準(zhǔn)屏蔽系統(tǒng)是近幾年才出現(xiàn)的新型數(shù)字屏蔽系統(tǒng)，它采用的是新型數(shù)字?jǐn)_碼技術(shù)，它通過軟件無線電技術(shù)對各制式信號進(jìn)行二次處理，產(chǎn)生對應(yīng)的干擾碼，然后進(jìn)行信道編碼調(diào)制輸出到下行鏈路進(jìn)行發(fā)射輸出，從而使手機(jī)無法與基站正常通信，達(dá)到阻斷通信的目的，其最大特點(diǎn)是只需要輸出比環(huán)境基站信號功率大2-6dB 便可達(dá)到屏蔽手機(jī)信號的效果，具有綠色低輻射、全制式高效率、周界控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

由于此種屏蔽產(chǎn)品結(jié)合了天線室內(nèi)分布系統(tǒng)如圖4所示，由接收天線、近遠(yuǎn)端設(shè)備、室內(nèi)分布系統(tǒng)組成，設(shè)備遠(yuǎn)端單元屏蔽信號輸出至室分天饋系統(tǒng)中，可以對屏蔽區(qū)域進(jìn)行全方位的信號屏蔽，并滿足屏蔽信號不外泄到圍墻外，不影響到圍墻外的手機(jī)用戶。

主要缺點(diǎn)有：

采用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)對應(yīng)用場所有比較高的施工技術(shù)要求，天饋系統(tǒng)的施工質(zhì)量會直接影響到系統(tǒng)的正常工作，同時由于屏蔽近端接收天線與遠(yuǎn)端天饋系統(tǒng)共址，遠(yuǎn)端發(fā)射的屏蔽信號若與屏蔽近端的接收天線距離太近，造成系統(tǒng)無線隔離度控制不好極易造成系統(tǒng)自激，影響設(shè)備可靠運(yùn)行。

由于屏蔽系統(tǒng)近端和遠(yuǎn)端采用1/2射頻饋線連接，因此對于面積較大的建筑必須設(shè)計多臺屏蔽系統(tǒng)近端機(jī)，否則屏蔽遠(yuǎn)端機(jī)會因?yàn)?/2饋線的遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致系統(tǒng)無法輸出額度功率，影響屏蔽效果。同時由于必須配合室內(nèi)天線分布系統(tǒng)工作，系統(tǒng)當(dāng)中需要配置除1/2饋線以外的功分器、耦合器和天線材料，大大增加了系統(tǒng)造價成本和實(shí)施難度，不利于規(guī)模應(yīng)用。

2? 基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 設(shè)計要求

設(shè)計要求主要有以下幾點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)采用軟件無線電（信令）新型數(shù)字?jǐn)_碼屏蔽技術(shù)，干擾效率高，輸出干擾信號只需比環(huán)境基站信號大2～6 dB便可達(dá)到屏蔽手機(jī)信號的效果，綠色低輻射、全制式高效率;

（2）具備強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，采用光纖分布式架構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)一個學(xué)校/監(jiān)獄/涉密單位只需要一臺智能全屏蔽近端通過光纖鏈路組網(wǎng)方式完成全部教室/獄舍/會議室的手機(jī)信號屏蔽覆蓋，降低系統(tǒng)成本;

（3）系統(tǒng)需支持目前中國移動、中國電信、中國聯(lián)通、中國廣電四家運(yùn)營商的2G/3G/4G/5G全部移動通信網(wǎng)絡(luò)頻段，對2G/3G語音及4G/5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具備完全屏蔽能力;

（4）自適應(yīng)智能化：能自動偵測外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化，偵測屏蔽輸出的功率自適應(yīng)可調(diào)，提高覆蓋范圍的精度，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行;

（5）全區(qū)域全制式，無盲點(diǎn)無死角：解決其他屏蔽方式在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度超過-50 dBm 場景和 4G/5G 屏蔽困難的問題，實(shí)現(xiàn)全制式屏蔽;

（6）高精度：管控周界精度控制在8米內(nèi)，不產(chǎn)生外界干擾;

（7）下行時隙同步：TDD 同步工作，確保TD-LTE及5G NR系統(tǒng)上行不干擾基站;

（8）網(wǎng)管平臺：通過主從通訊實(shí)現(xiàn)末端節(jié)點(diǎn)屏蔽設(shè)備的運(yùn)行管理功能，如運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置，頻段工作控制，故障上報，定時開關(guān)等。

2.2? 設(shè)計方案

2.2.1? 數(shù)字（信令）屏蔽近端（IAU）設(shè)計

本方案信號處理流程如圖5所示，通過室外的信號采集天線，將部署地點(diǎn)空間的基站信號接收下來，經(jīng)過低噪放輸入后經(jīng)射頻端的下變頻到中頻（分為10個處理頻段： 700 M、 800 M、 900 M、1 800 M、 1 900 M、 2 000 M、 2 100 M、2 300 M、2 600 M、3 500 M，然后輸入 AD，將模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入FPGA，再進(jìn)行抽取，濾波，NCO下變頻搬移至0頻，進(jìn)行基帶的解調(diào)算法，解析出同步信號，小區(qū)信息，導(dǎo)頻信道等等，然后通過自產(chǎn)生的干擾碼與相關(guān)的信道信息重新打包，編碼調(diào)制輸出，最后通過濾波算法，數(shù)字上變頻及D/A 輸出到射頻鏈路。

屏蔽移動通信網(wǎng)絡(luò)制式要求：

需要支持目前國內(nèi)三大運(yùn)營商2/3/4/5G網(wǎng)絡(luò)頻段，如表1所示。

2.2.2? 數(shù)字（信令）屏蔽光纖擴(kuò)展單元（IEU）設(shè)計

數(shù)字屏蔽光纖擴(kuò)展單元（IEU）如圖6所示，前端數(shù)字（信令）屏蔽近端（IAU）的射頻干擾信號通過1/2饋線從射頻輸入口進(jìn)入到光電轉(zhuǎn)換模塊，將射頻電信號轉(zhuǎn)化為光波信號，再經(jīng)過一分16路光功分模塊將信號分為16路，實(shí)現(xiàn)16路遠(yuǎn)端組網(wǎng)能力。

2.2.3? 數(shù)字（信令）屏蔽光纖遠(yuǎn)端單元（IRU）設(shè)計

數(shù)字屏蔽光纖遠(yuǎn)端單元（IRU）如圖7所示，前級光纖擴(kuò)展單元（IEU）的光信號通過內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)樯漕l信號后，再經(jīng)過功率分配電路將恢復(fù)出的射頻信號分配至700 M、800 M、900 M、1 800 M、1 900 M、2 000 M、2 100 M、2 300 M、2 600 M、3 500 M這10個頻段上，分別經(jīng)過對應(yīng)頻段的聲表濾波器（SAW）濾波、信號放大后輸出至發(fā)射天線，完成數(shù)字屏蔽信號的覆蓋。

數(shù)字屏蔽光纖遠(yuǎn)端單元（IRU）針對不同場景應(yīng)用還預(yù)留了Wi-Fi頻段的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz干擾頻段的發(fā)射電路，并且通過上行檢測電路（sniffer）接收目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境信號，能夠支持手機(jī)信號偵測功能，可實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測并實(shí)行自動運(yùn)行的功能。

2.2.4? 基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)拓?fù)?/p>

基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)由數(shù)字屏蔽近端（IAU）、數(shù)字屏蔽光纖擴(kuò)展單元（IEU）、數(shù)字屏蔽光纖遠(yuǎn)端單元（IRU）和網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)控（OMC）平臺組成， 信號屏蔽系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖8所示。

數(shù)字屏蔽近端（IAU）射頻接收端口連接一根信號采集（偵聽）天線，輸出端口通過1/2射頻饋線、功分器或耦合器連接數(shù)字屏蔽光纖擴(kuò)展單元（IEU）（在射頻鏈路損耗允許范圍內(nèi)數(shù)字屏蔽光纖擴(kuò)展單元可以最多連接8臺），數(shù)字屏蔽光纖擴(kuò)展單元（IEU）再與數(shù)字屏蔽光纖遠(yuǎn)端單元（IRU）通過光纖連接，1臺數(shù)字屏蔽光纖擴(kuò)展單元（IEU）最多可以連接16臺數(shù)字屏蔽光纖遠(yuǎn)端單元（IRU），整個系統(tǒng)通過以上組網(wǎng)方式最多可以實(shí)現(xiàn)1臺數(shù)字屏蔽近端（IAU）帶128臺數(shù)字屏蔽光纖遠(yuǎn)端單元（IRU）的組網(wǎng)能力。

2.3? 與現(xiàn)有屏蔽技術(shù)方案設(shè)備形態(tài)比較

基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)與現(xiàn)有幾種屏蔽技術(shù)的設(shè)備形態(tài)比較，如表2所示。

2.4? 與現(xiàn)有屏蔽技術(shù)方案技術(shù)功能比較

基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)與現(xiàn)有幾種屏蔽技術(shù)的功能比較，如表3所示。

3? 結(jié)? 論

本文所設(shè)計基于光纖傳輸系統(tǒng)的手機(jī)信號屏蔽系統(tǒng)，已經(jīng)開始在部隊(duì)武警、學(xué)校考場、司法監(jiān)獄、公安看守所、保密等場景當(dāng)中應(yīng)用，在實(shí)際的現(xiàn)場測試表明，此系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)屏蔽器，其采用光纖傳輸在系統(tǒng)組網(wǎng)容量及控制天饋系統(tǒng)隔離度方面較傳統(tǒng)室分型數(shù)字屏蔽系統(tǒng)有明顯提高，這樣大大降低了應(yīng)用實(shí)施成本，縮短了建設(shè)周期。同時，此系統(tǒng)將末端屏蔽單元有源化后（相對于室分型數(shù)字屏蔽系統(tǒng)），賦予了智能監(jiān)測和控制功能，用戶可根據(jù)具體環(huán)境需求設(shè)置設(shè)備工作策略（如管控全屏蔽模式、分區(qū)精準(zhǔn)屏蔽等），提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化，可以讓手機(jī)信號屏蔽管控更加簡單，運(yùn)營更加高效且多樣化。

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作者簡介：董文峰（1982.03—）男，漢族，福建南平人，工程師，本科，研究方向：移動通信設(shè)備系統(tǒng)開發(fā)。