便攜式多模移動通信信號壓制效能檢測評估系統(tǒng)

朱金玲，林 湘，陳詩韻，丘小春，韋尚作，覃偉峻

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引 言

隨著移動通信領(lǐng)域技術(shù)的迅速發(fā)展，手機(jī)使用普及率正在逐年提高。手機(jī)的通話、短信以及上網(wǎng)等功能，已成為人們現(xiàn)代生活中相互聯(lián)系及溝通的重要方式。在無線通信廣泛應(yīng)用的情況下，信息泄露和利用移動設(shè)備通信進(jìn)行作弊的事件層出不窮。且隨著通信行業(yè)的發(fā)展，保密場所及保密機(jī)構(gòu)因安全原因?qū)π盘柛蓴_的需求也在不斷增加。目前，市場上存在著各種各樣的移動通信信號干擾器，但是針對干擾效能評估的儀器基本空缺。經(jīng)過有關(guān)部門的市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場現(xiàn)有的防護(hù)效能檢測儀器只能簡單檢測干擾的信號強(qiáng)度，缺乏科學(xué)有效的評估。因此，擁有一套便攜式多模移動通信信號壓制效能檢測評估系統(tǒng)評估屏蔽器信號的屏蔽強(qiáng)度十分必要。

1 系統(tǒng)原理

1.1 測量方案

1.1.1 實(shí)際測量參數(shù)

目標(biāo)場景以設(shè)定的步長進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格為一個評估點(diǎn)。從所有評估點(diǎn)中選擇一部分點(diǎn)作為測試點(diǎn)，并利用信號采集器實(shí)際測量這些測試點(diǎn)在通信信號干擾器開啟前（即屏蔽前）和通信信號干擾器開啟后（即屏蔽后）的信號場強(qiáng)值。其中，干擾器開啟前測量的信號強(qiáng)度類型為峰值功率，干擾器開啟后測量的信號強(qiáng)度類型為最小值功率。

1.1.2 實(shí)際場景建模

在測量數(shù)據(jù)前要對實(shí)際場景進(jìn)行幾何建模。首先，選定一個存在各種運(yùn)營商移動通信信號的待測目標(biāo)場景，要求在該場景放入通信信號干擾器，但未開啟前僅存在原移動通信信號。當(dāng)通信信號干擾器開啟后，目標(biāo)場景中僅存在原信號和移動信號干擾器所發(fā)出的干擾信號。其次，使用米尺測量目標(biāo)場景的大小，并在后臺系統(tǒng)軟件的場景管理中輸入?yún)?shù)，從而生成一個對應(yīng)的帶坐標(biāo)的虛擬場景，而坐標(biāo)軸的步長在生成虛擬場景時進(jìn)行設(shè)定。最后，用坐標(biāo)軸步長將整個虛擬場景分為若干個網(wǎng)格（評估點(diǎn)），即將目標(biāo)場景對應(yīng)劃分為若干個評估點(diǎn)。

1.1.3 選定測量點(diǎn)

從所有的評估點(diǎn)中選擇一部分點(diǎn)作為測試點(diǎn)。在虛擬場景中構(gòu)建一個合理的測試點(diǎn)的布點(diǎn)方案，測試點(diǎn)的數(shù)量和位置均可選擇。測試點(diǎn)的布點(diǎn)數(shù)量和位置需根據(jù)目標(biāo)場景的大小合理選擇。測試點(diǎn)的數(shù)量越多且距離越近時，雖然后續(xù)預(yù)測和評估效果越好，但是會增加測試的工作量；測試點(diǎn)的數(shù)量越少且距離越遠(yuǎn)時，雖然工作量會減少，但是后續(xù)預(yù)測和評估效果越差。在較為規(guī)則的場景中，測試點(diǎn)的方案可選擇等距布點(diǎn)、均勻布點(diǎn)或菱形交叉布點(diǎn)等；在較為復(fù)雜的場景中，測試點(diǎn)的布點(diǎn)方案需結(jié)合場景和儀器精度進(jìn)行布點(diǎn)選擇。在后續(xù)預(yù)測過程中發(fā)現(xiàn)，預(yù)測精度欠佳需要通過增加測試點(diǎn)來提高預(yù)測精度時，可在原布點(diǎn)方案的基礎(chǔ)上增加測試點(diǎn)，以通過擴(kuò)大樣本量來提高預(yù)測精度，但原布點(diǎn)方案中的測試點(diǎn)不可改動。各個測試點(diǎn)的坐標(biāo)可根據(jù)步長換算成實(shí)際距離，使用米尺在實(shí)際場景中找出各個測試點(diǎn)并作標(biāo)記，但測試點(diǎn)的位置精度必須小于步長。

1.2 測量過程

根據(jù)干擾器的有效干擾半徑，合理選擇干擾器數(shù)量和放置位置。采用手持式全頻段移動通信信號采集終端和便攜式寬帶全向天線組合的方式，按照預(yù)設(shè)的布點(diǎn)方案采集每一個測試點(diǎn)在移動通信信號干擾器開啟前（屏蔽前）和移動通信信號干擾器開啟后（屏蔽后）的信號場強(qiáng)值數(shù)據(jù)。不打開通信信號干擾器時，信號采集器一次性采集19種通信制式的數(shù)據(jù)，得到屏蔽前的信號場強(qiáng)值數(shù)據(jù)。打開通信信號干擾器后，信號采集器也一次性采集19種通信制式的數(shù)據(jù)，得到屏蔽后的信號場強(qiáng)值數(shù)據(jù)。干擾器開啟前的測量值類型為峰值功率，干擾器開啟后的測量值類型為最小功率值。19種通信制式如表1所示。

1.3 檢驗(yàn)技術(shù)

使用相應(yīng)的預(yù)測算法可以預(yù)測未知點(diǎn)的信號強(qiáng)度。本文使用基于K-近鄰非參數(shù)核回歸的預(yù)測算法進(jìn)行預(yù)測，即對預(yù)測點(diǎn)屏蔽前信號強(qiáng)度和屏蔽后信號強(qiáng)度分別采用K-近鄰非參數(shù)核回歸算法進(jìn)行預(yù)測，但不局限于該預(yù)測方法[1]。因?yàn)樾盘柌杉鳒y試輸出的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)表示為對數(shù)形式，所以求取屏蔽后信號和屏蔽前信號的比值即干信比。在單位相同的情況下，屏蔽后的場強(qiáng)值減去屏蔽前場強(qiáng)值的差值，即Sdef=Pa_min-Pb_max。其中，Pa_min為屏蔽后的信號場強(qiáng)值，Pb_max為屏蔽前的信號場強(qiáng)值。將屏蔽前后場強(qiáng)差值與預(yù)先設(shè)定的干擾防護(hù)效能差值分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，得到場景中各個評估點(diǎn)的干擾等級，如表2所示。

表1 19種通信制式

表2 干擾防護(hù)效能差值等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 系統(tǒng)功能

便攜式多模移動通信信號壓制保密防護(hù)效能檢測評估儀利用數(shù)據(jù)處理模塊處理手持式信號采集器采集的數(shù)據(jù)，使用信號采集器實(shí)測得到各個測試點(diǎn)的信號場強(qiáng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)無線傳輸至后臺軟件，后臺軟件將數(shù)據(jù)存儲到本地并對數(shù)據(jù)做預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理與預(yù)測模塊使用相應(yīng)的算法預(yù)測全平面的信號場強(qiáng)值，計(jì)算得到屏蔽差值，然后傳給干擾等級評估模塊。干擾等級評估模塊利用數(shù)據(jù)處理與預(yù)測模塊計(jì)算得到的屏蔽差值分析和評估目標(biāo)區(qū)域，同時將數(shù)據(jù)保存至本地，方便日后分析。該系統(tǒng)基于K-近鄰非參數(shù)核回歸的改進(jìn)預(yù)測算法能夠?qū)κ覂?nèi)復(fù)雜場景進(jìn)行科學(xué)客觀的預(yù)測和干擾防護(hù)效果評估，且收集的數(shù)據(jù)永久保留，隨時可以進(jìn)行再加載和再評估。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

便攜式多模移動通信信號干擾防護(hù)效能檢測評估系統(tǒng)主要由信號采集器、無線傳輸單元、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理模塊、干擾等級評估模塊、場景管理模塊以及結(jié)果顯示模塊組成，如圖1所示。信號采集器可以實(shí)測得到各個測試點(diǎn)的信號強(qiáng)度，然后無線數(shù)據(jù)傳輸單元將數(shù)據(jù)傳送入后臺軟件。場景管理模塊對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行幾何建模，用戶針對目標(biāo)區(qū)域設(shè)計(jì)一套對應(yīng)的布點(diǎn)方案，并將布點(diǎn)方案發(fā)送至信號采集器和干擾等級評估模塊。干擾等級評估模塊利用數(shù)據(jù)處理與預(yù)測模塊分析和評估目標(biāo)區(qū)域，最終在結(jié)果顯示模塊顯示評估結(jié)果[2]。系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成

4 產(chǎn)品優(yōu)勢

4.1 潛在競爭者競爭能力較弱

目前，國內(nèi)某些高校也在研制相關(guān)的無線通信信號干擾防護(hù)效能評估產(chǎn)品，但應(yīng)用領(lǐng)域不在屏蔽器或尚未有成品。提出的無線通信信號干擾防護(hù)效能檢測評估系統(tǒng)進(jìn)入市場并擁有一定的市場份額后，類似的產(chǎn)品進(jìn)入市場遇到的威脅會更強(qiáng)，因此潛在競爭者競爭能力較弱。

4.2 替代品的代替能力較弱

目前，率先研制出無線通信信號干擾防護(hù)效能檢測評估系統(tǒng)的成品僅僅依照信號前后強(qiáng)度差值來評估效能，缺乏科學(xué)依據(jù)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新的成本高，而本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品只需要對終端軟件進(jìn)行更新維護(hù)。此外，市面上普通的效能評估儀器的評估結(jié)果不能滿足保密工作的需要，因此替代品的代替能力較弱。

4.3 供應(yīng)商的議價(jià)能力較弱

信號收集器的元器件大多較為廉價(jià)，因此選擇外包元器件，自己組裝整個信號收集器。整個系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)是開發(fā)的終端軟件和算法實(shí)現(xiàn)，因此上游供應(yīng)商的威脅較弱。

圖2 系統(tǒng)界面

4.4 購買者的議價(jià)能力較弱

產(chǎn)品基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而有的特點(diǎn)，是以往評估方式不能實(shí)現(xiàn)的。市面上僅存唯一，且面向政府相關(guān)機(jī)構(gòu)推廣時會有試用和優(yōu)惠福利，因此購買者的議價(jià)能力較弱。

5 結(jié) 論

該新型評估系統(tǒng)以信號預(yù)測和信號干擾防護(hù)評估技術(shù)為載體，滿足在復(fù)雜和重復(fù)評估環(huán)境中獲取科學(xué)有效的防護(hù)效能數(shù)據(jù)，能夠?qū)鼍皟?nèi)的信號屏蔽程度做出可視化的科學(xué)評估。此外，它可以滿足政府機(jī)關(guān)和企業(yè)等在特殊保密場所的需求，帶給用戶更高性能的安全保障，具有廣闊的市場前景。