無線信號監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

向 巍

（杰創(chuàng)智能科技股份有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引 言

在不丟失或不失真的情況下采集復雜電磁環(huán)境的海量信息，是無線監(jiān)測網(wǎng)絡實現(xiàn)智能監(jiān)測的基礎，將數(shù)據(jù)無損耗地傳輸?shù)奖O(jiān)控子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘分析子系統(tǒng)是實現(xiàn)網(wǎng)格無線監(jiān)控網(wǎng)絡的關鍵。

1 無線信號監(jiān)測的概述

無線信號監(jiān)測主要對指定區(qū)域、指定頻段的無線信號參數(shù)、頻域、空間域或偏振域的特征進行監(jiān)控（中心頻率、功率、帶寬、場強度、頻譜幅值、信號發(fā)射時間以及調節(jié)數(shù)據(jù)等），對所測數(shù)據(jù)進行分析、整理和判斷，確認其是否具有法律效力，并采用無線監(jiān)測技術對其進行發(fā)現(xiàn)、查找和位置確定，以排除不正當?shù)男盘柡透蓴_等[1]。無線監(jiān)測的目的主要有以下幾個方面：第一，利用聯(lián)合檢測、單站監(jiān)測等手段判定干擾信號所涵蓋的區(qū)域，同時進行方位判斷和定位干擾，依法對非法的信號輻射進行打擊和處理；第二，保證有關單位或無線站的通信在合法許可的條件下能充分使用，合理測定和校正無線頻率的利用參數(shù)，充分利用無線服務；第三，向無線管理部門發(fā)送可靠的數(shù)據(jù)，協(xié)助有關方面對監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、頻帶利用率、磁波環(huán)境狀況等進行監(jiān)控；無線管理部門等執(zhí)法機關對違法的信號來源查找起到了輔助性的功能。無線監(jiān)測的類型按功能劃分，可劃分為2 種類型：常規(guī)監(jiān)測和特殊監(jiān)測。常規(guī)監(jiān)測由國家各級監(jiān)測點進行例行監(jiān)視，是無線電力系統(tǒng)的基本工作，對經(jīng)批準的、具有法律效力的無線站的各種指標和使用頻次進行監(jiān)控，并把這些數(shù)據(jù)存儲起來，建立一個資料庫。根據(jù)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，可以確定無線信號有無異常。特殊監(jiān)測主要是對常規(guī)監(jiān)測之外的國際監(jiān)測，監(jiān)控國外無線電站的信號頻率是否對我國的頻率造成影響[2]。通過對頻率的針對性監(jiān)測，可以幫助監(jiān)督機構將投訴報告?zhèn)魉徒o國際航空運輸協(xié)會（International Air Transport Association，IATA）或其他有關機構，有利于保護我國的頻率合法使用權，避免我國的頻率遭受干擾，維護國家安全。對其他國家地區(qū)和國際電聯(lián)中所有影響我國頻率擾動的問題進行無線監(jiān)測，以預防邊境區(qū)域的非法無線電干涉，完成國際電聯(lián)所授權的有關監(jiān)督工作[3]。

2 全過程無線實時監(jiān)控系統(tǒng)的建設

對于遠程數(shù)據(jù)傳輸，需要將各站設備的流量和壓力實時傳輸至當?shù)卣{度中心。利用底層智能設備的功能，如可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC、工業(yè)計算機應具有遠程編程、下載和調試功能，通過遠程協(xié)助快速分析故障和解決方案。由于工作條件和工廠規(guī)定的要求，內部局域網(wǎng)不能直接連接到外部網(wǎng)絡，因此壓力流量和其他數(shù)據(jù)只能通過無線方式傳輸。開發(fā)一個類似于PLC 模塊的采集單元，與PLC模塊的不同之處在于，能夠以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄軉卧?，遠程調試和下載功能可以通過遠程調試模塊實現(xiàn)，通過遠程協(xié)助多次幫助定位和處理故障，使得生產(chǎn)效率大大提高，也能夠保障設備的穩(wěn)定運行[4]。比如說，全過程無線實時監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器（專利產(chǎn)品）根據(jù)區(qū)間間隔，布置在隧道一級支線的內部或表面。當任何傳感器在監(jiān)測過程中滿足以下條件之一時，說明被測路段的隧道變形，會發(fā)出初步警告。在隧道無二次襯砌圍巖差（Ⅴ級圍巖）范圍內，沿隧道軸線方向每隔5 m 在隧道周圍設置預警監(jiān)測斷面，可根據(jù)現(xiàn)場情況及時調整。每個預警和監(jiān)測部分都有5 個傳感器，1個傳感器垂直安裝在初始鋼拱或鋼架的表面上，另外4 個傳感器分別放置在拱頂、2 側拱腰和2 側側壁的相應位置。隧道內安裝無線中繼器，用于傳輸傳感器收集的信號和預警信息，隧道入口處安裝無線監(jiān)控基站，可通過移動信號塔將隧道內接收到的數(shù)據(jù)和報警信息傳輸至互聯(lián)網(wǎng)[5]。

例如，CAM-GX5 無線信號檢測器是一款手持式多頻帶蜂窩信號檢測器，適用于最新一代的5G 設備（以及與現(xiàn)有2G、3G 和4G 設備具有兼容性）和Wi-Fi/藍牙設備。該設備可用于檢測和定位來自基于移動電話的設備傳輸，包括移動電話、智能手機、車輛跟蹤器、Wi-Fi 熱點、全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）、無線電等漏洞以及隱蔽的無線攝像頭[6]。完整的重新設計意味著CAM-GX5 具有全球多頻帶覆蓋，可用于檢查任何禁止移動設備的環(huán)境，也可以檢查辦公室、檢查室、醫(yī)院或監(jiān)獄是否使用未經(jīng)授權的手機，并定位車輛中最新的隱藏跟蹤設備。CAM-GX5 還具有一個單獨的2.4 GHz 頻段和一個新的5 GHz 頻帶檢測器，以應對Wi-Fi 設備快速增長帶來的威脅。它提供了前所未有的檢測能力，并記錄其范圍內的所有信號活動。根據(jù)信號強度和周圍基站的環(huán)境條件，新的強大的高增益電磁頻率（Radio Frequency，RF）天線可確保高達50 m 的探測距離。CAM-GX5 還具有單獨的2.4 GHz和新5 GHz 無線檢測模式，檢測來自使用頻帶的最新一代無線設備的威脅，例如藍牙和Wi-Fi 這種設備可以長時間記錄音頻，然后以短的規(guī)則信號傳輸，如圖1 所示，它還能夠檢測使用這些頻帶的其他設備，如無線攝像機。復雜的算法分析檢測到的信號，可以幫助識別信號類型，如藍牙、Wi-Fi，或其他2.4 GHz、5 GHz 信號。2.4 GHz 和5 GHz 檢測模式可存儲最后24 h 的活動，可以圖形方式查看，供以后分析[7]。

圖1 傳輸示意圖

3 射頻安全技術的建設

多年來，設備、黑客和秘密監(jiān)控產(chǎn)品變得越來越復雜，射頻安全技術也在不斷發(fā)展，只要有敏感信息可用，監(jiān)控和反監(jiān)控運營商就會找到新的解決方案。低成本、易用且功能強大的無線通信技術的廣泛使用，使得政府、公司甚至個人部署監(jiān)控設備、傳輸敏感信息和破壞無線信號環(huán)境變得相對簡單。隨著技術監(jiān)視對策（Technical Surveillance Countermeasures，TSCM）和電磁頻率（Radio Frequency，RF）安全要求變得越來越復雜，傳統(tǒng)的掃描技術必須由連續(xù)不斷的信號覆蓋補充?，F(xiàn)代監(jiān)控設備可以存儲信息，并能夠在正常辦公時間以外的短時間內傳輸信息，許多監(jiān)控設備還使用跳頻或低功率信號進一步降低檢測概率。現(xiàn)有的手持式和低成本實時頻譜分析儀通常無法覆蓋檢測所需的頻率范圍和帶寬。這種情況下，用戶可以考慮軟件定義的頻譜監(jiān)測方法的優(yōu)點[8]。

例如，Irainbow 實時頻譜分析儀監(jiān)控系統(tǒng)提供了目前TSCM 和RF 安全應用所需的性能、多功能性和便攜性，具有9 kHz ～8 GHz 的頻率范圍、100 MHz的瞬時流帶寬以及28 GHz·s-1的掃描速率。實時頻譜分析儀和監(jiān)控系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡遠程部署，如圖2所示，以實現(xiàn)連續(xù)、全天候的信號覆蓋。來自靜態(tài)和漫游設備的信息可以發(fā)送到集中位置進行分析，而實時警報和觸發(fā)器可以配置專業(yè)人員未經(jīng)授權或未知的信號，用戶通過創(chuàng)建一個信號庫來記錄數(shù)據(jù)以供以后分析和生成報告。除了TSCM 專業(yè)人員的定期頻率掃描外，這種方法不僅提供了更大的覆蓋范圍，而且確保用戶對頻譜環(huán)境保持全面了解，能夠識別運行在6 GHz 以上的新Wi-Fi 6E 設備的未知信號[9,10]。

圖2 實時頻譜分析儀

4 物聯(lián)網(wǎng)與無線信號監(jiān)控系統(tǒng)的建設

物聯(lián)網(wǎng)盡可能將相關設備數(shù)字化，與互聯(lián)網(wǎng)和其他設備連接構成一個龐大的網(wǎng)絡，收集和共享關于設備使用方式、周圍環(huán)境以及各種數(shù)據(jù)的操作，提高生產(chǎn)、生活和人類社會的綜合效率。物聯(lián)網(wǎng)技術涉及生物傳感器、可穿戴設備、各種網(wǎng)絡通信技術、系統(tǒng)以及云服務。例如，無線監(jiān)測系統(tǒng)能夠利用無線上傳數(shù)據(jù)，普通車間可以監(jiān)控溫濕度、粉塵、物料制冷空間溫度。對于生產(chǎn)車間的清潔度要求，監(jiān)測懸浮顆粒和大氣壓差，智能傳感器具有數(shù)據(jù)保存功能，避免因通信中斷導致數(shù)據(jù)丟失。同時，能夠監(jiān)測車間光線、噪音、灰塵、溫度和濕度、清潔度、大氣壓力等環(huán)境參數(shù)，適用于生產(chǎn)車間和物料儲存空間等對生產(chǎn)環(huán)境環(huán)境參數(shù)要求較高的場合，也適用于各級潔凈車間環(huán)境的參數(shù)監(jiān)測。

數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)基于XIoT 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，獲取機器運行數(shù)據(jù)、邊緣計算、平臺建模計算、分析和數(shù)據(jù)可視化，實時顯示機器的生產(chǎn)運行狀態(tài)、機器性能狀態(tài)以及生產(chǎn)效率數(shù)據(jù)。無線電監(jiān)控系統(tǒng)配置方案可以描述復雜電磁環(huán)境的參數(shù)，實時統(tǒng)計頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，記錄和回放海量數(shù)據(jù)，為突發(fā)信號的監(jiān)測和攔截以及雷達信號分析帶來技術改進，也有助于改進新一代無線電監(jiān)測系統(tǒng)。除此之外，它可以快速截獲2.4 ～2.5 GHz 范圍內的跳頻遙控信號，并進行橫向檢查；在北斗/GPS 和測向系統(tǒng)的支持下，能夠監(jiān)測系統(tǒng)自身位置，顯示信號方向的電子地圖。在無線移動通信網(wǎng)絡中，當用戶終端（User Equipment，UE）連接到網(wǎng)絡時，它需要持續(xù)監(jiān)控無線鏈路以實現(xiàn)可靠通信，此過程也被稱為無線鏈路監(jiān)控（Radio Link Monitoring，RLM）。系統(tǒng)應用和數(shù)據(jù)存儲服務器是綜合腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)的管理核心，由高性能專業(yè)服務器和系統(tǒng)軟件組成。作為儀表部分光纖通信（Optical Fiber Communication，OFC）信號集中轉換和處理的核心，腐蝕通信集中轉換器可以有效地將變送器信號集中并轉換到同一網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)服務器，用于現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)處理和供電。

5 結 論

文章對全過程無線實時監(jiān)控系統(tǒng)的建設、射頻安全技術的建設、物聯(lián)網(wǎng)與無線信號監(jiān)控系統(tǒng)的建設展開具體探究，旨在完善無線信號監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，實現(xiàn)技術的創(chuàng)新應用，也使得信息傳輸變得更加便捷，減少成本投入。