移動通信干擾設備類別及關鍵技術指標研究

北京市保密技術研究中心 石軍

一、前言

隨著半導體技術、移動通信技術的迅猛發展，LTE/4G/5G網絡部署規模的持續擴大，便攜式移動終端用戶的普及，來自移動終端泄密的風險正在迅速加大，為應對特定區域移動通信終端使用帶來的保密安全威脅，有必要對此區域內移動終端通信實施或阻斷或屏蔽等有效監管方式。目前，按照是否對基站信號進行檢測與估值，監管措施主要分為基于主動式的無線電信號壓制、基于被動式的（類似）偽基站智能管控等方式[1]，對于前者，由于對大功率無線電信號帶來的潛在風險普遍關注，在基站信號一定的情況下，主要存在有效阻斷與低功率干擾矛盾；對于后者，由于商用移動通信安全機制、頻帶/帶寬特點、無線信號抗干擾性設計等原因，主要存在如何使監管區域內移動終端有效選擇偽基站、解決EPS安全性設計及移動終端非（長時間）附著偽基站等技術難題，因此，目前實際上，并沒有安全有效可靠實用的移動通信監管措施。

二、信道容量理論基礎

設移動終端信道噪聲功率為Nn，接收基站下行信道信號功率為PBS_PT，信號頻帶為WJam_BS，干擾設備發射信號功率為PJam，α(0≤α≤1)為無線信道衰減因子，CJam_BS為有擾連續信道容量，在平均功率受限情況下，有Shannon公式可得：

有式（1）可知：

當PJam→+∞，Cjam_BS→0

所以，干擾設備戰技指標之一發射功率應使移動終端工作于圖1曲線上方或左邊。

圖1 歸一化信道容量與信噪比

三、移動干擾設備類別及功能

電磁干擾按用途可分為計算機（PC）視頻干擾設備、遙控爆炸裝置、汽車遙控裝置、考場作弊設備、移動終端干擾設備、衛星信號干擾設備、竊聽竊視干擾設備等。本節以移動終端通信干擾設備為例進行分類，主要是指可以接入移動通信網，有運營商（如中國移動、中國聯通、中國電信等股份公司）提供通信業務服務的移動信息網絡，包括常見的手機、借助于公網的無線電引爆裝置、竊聽竊視、汽車遙控裝置等，移動通信干擾設備類型如圖2所示。

圖2 移動通信常見干擾設備類別

（一）屏蔽類[2]

屏蔽主要指的是利用電磁波屏蔽材料對穿透其中的電磁波產生能量衰減過程，適用于（所有）無線通信信號的阻斷，常見有以下三類：

1、屏蔽袋

優點：電磁屏蔽效果良好；攜帶/使用方便；不影響移動基站正常工作，不會與其它電子設備產生電磁兼容難題，可以抵御任何遙控裝置控制，不受用電環境影響；價格低廉。

缺點：若在限定區域的手機數量大（如大于1000），則需配備的屏蔽袋數量需求量也相應增大（但可借助于多個（如5個）手機使用一個屏蔽袋的方式來解決），不適于大型區域的有效管理，可適用于少量重要人員管控。

2、屏蔽柜

優點：電磁屏蔽效果良好。

缺點：使用不方便，重量較重，若限定區域的手機數量大，則配備的數量也大，空域占比大，且離開時，容易造成擁擠；屏蔽柜單格容積需依據移動終端體積來確定，配置不便。

3、屏蔽室

優點：電磁屏蔽效果好。

缺點：造價（昂）貴；適用于較高安全等級區域防護。

（二）部件配置類[3]

此類工作方式主要是通過在移動終端上（中）配置軟硬部件來達到安全保密的目的，配置的軟硬件應滿足如通信信息阻斷、防止攝像錄音等各種所需安全保密功能，硬件配置需滿足智能終端各類接口標準要求，軟件可通過網絡釣魚及B/S或C/S架構等方式來實現。

優點：完全滿足電磁兼容要求，不會產生干擾；可以根據需要滿足不同安全保密需求，如能夠對移動終端音視頻信號及圖片拍攝等進行管理。

缺點：移動終端符合智能化設備要求；使用管理不便。

（三）信號干擾/壓制類

信號干擾設備基本工作原理：根據目標信號工作制式，把無線（掃頻）干擾信號調制在需干擾的（下行）頻段（點）內，經功率放大器通過無線以符合要求功率的形式向空域發射出去，在移動終端接收幀信息中形成亂碼/誤碼干擾，致使不能與基站建立正常連接，達到無線干擾阻斷效果。為避免對移動通信基站造成（明顯）干擾，需干擾其下行信號，從實現原理上來說，此種工作方式僅適用于上下行頻段不同的GSM、CDMA、WCDMA等 FDD制式移動通信系統，因此，實際使用的干擾設備有可能影響基站的正常工作。

一般情況下，對于商用移動通信信號來說，只要干擾信號頻段（帶寬）、幅值/功率高于目標信號帶寬、幅度/功率一定余量，就可以達到（較好的）干擾效果。正常情況下，只要移動通信信號誤碼率達到50%，就可以達到信息阻斷目的，因此，實際上不需要連續信號干擾。

優點：適用范圍廣，使用方便。

缺點：性能穩定性差；（可能）影響限定區域整體美觀；干擾效果有限（尤其距離通信基站較近等情況）

（四）蜂窩檢測類

根據無線通信信號阻斷方式不同，又可分為以下兩類：

1、設備本身阻斷通信

此類檢測設備又稱為偽基站類[4]，干擾技術工作過程：在滿足R&S重選規則的條件下，通過核心網發送并獲取移動終端ISMI等身份識別信息。可借助于設置偽基站宏級別發射功率以提供更好的信號質量、屏蔽正常基站等方式迫使通過2G、LTE接入偽基站LTE網絡，從而達到終端長時間附著偽基站目的。由于信號干擾類設備主要是大功率壓制、掃頻等工作方式，不符合用戶的使用需求，影響了用戶情緒，具有較好效果、性能及滿足用戶使用需求的偽基站工作方式才是未來干擾防護技術的突破口，最終得到廣泛認可。

優點：低功率干擾；對其它信息設備電磁干擾小，有利于信息設備間的電磁兼容；性價比高；可對目標實施信息攻擊，如發送各類提醒/欺騙短信息、振鈴騷擾等；可進行特殊用戶管理：偽基站除具有正常移動通信基站基本功能外，根據需要，還具有對所在目標區域正常通信系統無線參數搜索、捕獲、識別等功能。

缺點：本質（理論）上，偽基站工作方式依賴于正常基站重選規則的規劃，若在偽基站部署區，正常基站根據當前移動網絡優化需要需設置（一段時間）為禁止切換選項，則偽基站不能工作。

2、借助于公網基站阻斷通信

根據工作需要，該類蜂窩檢測設備應具有能夠檢測所有進入限定區域的移動終端號碼并有移動公司（或第三方與移動運行商有業務往來的單位）分配成“黑”、“白”名單，當手機發生呼叫/被叫時，移動公司根據設定可阻斷呼叫。

優點：可滿足特殊呼叫，在緊急狀態下，允許特定用戶（如醫療、火災、必須處理的其它事情等）實現呼叫/被叫功能。

缺點：限制呼叫區域邊界存在缺陷；需有運營商提供支持；無法限制沒報號碼的呼叫。

蜂窩檢測設備戰技指標要求：移動無線信號檢測及中斷呼叫建立時刻均應在移動終端響應前完成。

（五）信令干擾類

此類產品主要是通過對正常無線通信物理信道參數的搜索、捕獲、識別等操作，對物理某些（全部）信道（如BCH、PCCH、CCCH、DCCH等）的信令信息進行破壞，最終達到目標設備不能正常通信目的。理論上，信令干擾也可以制作成盲信號檢測設備，但由于干擾設備實際發射功率、正常無線移動通信工作制式多樣化及設備外觀尺寸等因素限制，同一地點單一設備難以實現，但可以作為科研用途研究。

由于信令傳輸信道采用了多種編碼技術，容錯機制強，因此，干擾設備發射功率應滿足一定技術要求才能阻斷移動終端與基站聯系。

四、技術實施

針對無線通信信號阻斷方式不同，可有以下兩種方式：

（一）屏蔽技術

需選用合適的屏蔽材料及制作工藝，可做成屏蔽體、金屬屏蔽罩。

屏蔽類設備最重要的戰技指標是屏蔽效能，滿足一定技術標準的屏蔽類產品只要能正確規范使用，就可以達到良好的阻斷目標通信的效果。

（二）信號干擾技術

非屏蔽類產品最重要的戰技指標之一是發射功率應滿足一定技術要求，否則，對目標設備的控制無從談起，干擾功率界限指標應滿足以下方程。

1、（大概率）有效干擾距離與接收到的基站信號功率和干擾設備發射功率關系

參考ITU-R P.1411及P.1238等相關技術要求，室內無線信道電波傳播路徑損耗為：

式中L為無線電波傳播損耗；d0近地參考距離，設為1m；N為距離損耗系數，16≤N≤44；n為樓層數目，若 n=0，則Lf(n)=0。

設干擾設備輸出功率為PJam_toyal，測得d0處功率為PJam，移動終端接收基站發射信號功率為PBS_PT,接收干擾設備發射信號功率為PJam_PT，有效干擾效果干信比閾值為J/BSH，則有上式可知，

若干擾信號與被干擾信號調制方式一致（相干解調），設J/BSH取典型值為0，結合某一類型符合保密安全使用要求的干擾設備實際測試結果并進行數據擬合，可得N=38.2，可得：

由圖3可知：

圖3 干擾設備有效干擾半徑與接收到的基站信號功率和干擾設備發射功率關系

（1）接收移動信號強的位置（如≥-20dBm），增大干擾設備發射功率對干擾的有效距離影響不大；

（2）接收移動信號弱的位置（如≤-20dBm），隨著干擾設備發射功率的增大，有效干擾距離隨之指數增大。

這為設計實用的干擾設備戰技指標提供了理論支持。

2、干擾設備發射功率限值

由于干擾僅局限于一定限定區域內，干擾和目標設備一般均在視距范圍內，無線電波傳播損耗可視為自由空間傳播損耗，則由Friis電波傳播損耗公式可得：

式中：Los是電波傳播損耗，d是干擾設備和目標設備距離，f是干擾設備發射頻率。

由于電波傳播過程中會受到各種阻擋物影響，因此，一般情況下，實際應用中損耗比計算值要大（很多）。設干擾設備（近地參考距離發射功率為PJam），至目標設備距離RJm，發射頻率FJam，則干擾信號至目標設備的功率：

同理，設基站發射功率（包括天線增益）為PBS_total,基站至目標設備距離為RBS,信號頻率為FBS,則基站至目標設備功率：

若干擾信號與通信工作信號調制方式一致，有效干擾效果干信比閾值為J/BSH,則

由此可知，有效干擾功率至少應為

由上式可知，在一定限定區域內，有效干擾功率與干擾源調制方式有關，根據有效干擾干信比值，可計算出干擾設備發射的（最小）有效干擾功率值（需有一定余量），在實際應用中，需結合式（5）得出拐點，取得最佳結果。

五、應用案例[5]

在某些重要區域，最基本的電磁防護方式是不帶/限制移動終端的使用區域，否則，應根據工作需要，基于無線/有線局域網，按一定規則部署一定數量的監測、干擾設備/系統，實現對目標信號的無縫全天候監測并把監測數據實時傳輸到控制中心，此類分布式監測設備應有一定的頻率覆蓋范圍、體積小、安裝方便、功耗低等特點，其部署組成結構如圖4所示。單兵（機動）式電磁監測系統主要配置在重要區域關鍵部位或（臨時）盲區，優點是機動性強，可以實時跟蹤捕獲目標控制人員。單兵和分布式監測系統相結合，可以實現無線電信號快速可靠地截獲，精準分析，為干擾系統提供頻率引導。

圖4 重要區域監管系統部署組成結構框圖

根據工作需要，在一定制高點或合適位置區域，根據監測系統偵測結果，向目標設備發射干擾電磁波（信號），從而使目標設備性能失效或不能正常工作，以達到對重要區域的安全管控。

該監管系統的所有設備均可實現無人值守，各個設備的控制信息和數據信息通過網絡傳送至控制中心，再有控制中心進行所有操作。

六、結論

干擾設備只有信號滿足時域、空域、頻域及能域條件下才能工作正常，其有效工作距離與其發射功率及干擾目標接收有用信號功率限值密切相關，文中給出的計算結果不僅適用于移動通信干擾設備研究，也適用于視頻干擾設備、各類非移動公網無線電信號作弊干擾設備、無線通信觸發方式（如無線電臺、衛星、各類遙控裝置等）炸彈干擾設備等研制，滿足一定技術標準的干擾設備，不僅能夠有效可靠地在一定半徑內阻斷目標設備的通信，而且也能有效地破壞錄音錄像設備/部件的正常工作，對于重要區域的反竊聽竊視等電磁安全防護具有重要意義。

干擾設備存在電磁防護邊界難以界定問題，選擇合適類型的天線也是保障干擾設備有效工作的重要方面，后期可考慮采用漏泄電纜工作方式，解決既能有效阻斷目標設備通信又能控制防護邊界等技術難題。