基于網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)的技術(shù)問題

云南省保山市工業(yè)和信息化局 嚴(yán)春明

無線電技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，作為一種長(zhǎng)距離信息傳輸技術(shù)，受空間因素限制比較小，可以在長(zhǎng)距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，達(dá)到訊號(hào)通信的目的。本文重點(diǎn)從網(wǎng)格無線電的若干技術(shù)問題及處理、以及怎樣解決無線電監(jiān)測(cè)的基本技術(shù)問題等方面對(duì)本章的主要課題作出了總結(jié)，意在與廣大同行交流及學(xué)習(xí)。

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和無線電信息的快速發(fā)展，對(duì)無線電傳輸數(shù)據(jù)的有效利用和管理提出了更高的技術(shù)要求，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的技術(shù)局限性日益突出。網(wǎng)格技術(shù)以網(wǎng)絡(luò)信息和數(shù)據(jù)的有效集成和資源共享為基礎(chǔ)，已成為現(xiàn)代無線電電子計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。網(wǎng)格作為現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域的新浪潮，其總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)計(jì)算信息資源、數(shù)據(jù)信息資源、數(shù)據(jù)庫信息資源、網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)資源等所需信息資源的有效整合和資源共享。在無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，網(wǎng)格探測(cè)主要是指采集傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)特征，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和匯總，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而產(chǎn)生不同的結(jié)論，滿足探測(cè)要求，從而使無人機(jī)的探測(cè)范圍更大，數(shù)據(jù)量更多，工作環(huán)境更長(zhǎng)。

1 云南網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的無線電裝置一般將高山頂、高樓頂作為最高點(diǎn)，在最高點(diǎn)的位置建造或者購買所需面積的房子用來配備無線電監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)控設(shè)備。建造對(duì)應(yīng)高度的無線電鐵塔，同時(shí)配備安全、通訊、電力等設(shè)備。在傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測(cè)和管理站，往往選擇高塔、高山、高樓等地。其裝置對(duì)電磁的環(huán)境要求非常高，周圍不能有影響無線電信號(hào)的設(shè)備存在，需要周圍環(huán)境較開闊并且沒有明顯的障礙物[1]。

(1)由于城市化進(jìn)程的加快，高樓林立，傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)不能覆蓋所有區(qū)域，不是城市的制高點(diǎn)了。在信號(hào)傳播的過程中，無線電信號(hào)經(jīng)過無數(shù)次高樓的反射和折射，信號(hào)變得很弱，嚴(yán)重的影響了無線電監(jiān)測(cè)的功能，有些無線電站點(diǎn)已經(jīng)失去了原有的定位功能。

(2)無線電面臨的頻譜環(huán)境漸漸變得復(fù)雜，無線電頻率已經(jīng)從之前單一的信號(hào)頻率變成大功率、大覆蓋的微蜂窩和數(shù)字信號(hào)。無線數(shù)字集群、WLAN等技術(shù)進(jìn)入了越來越多的家庭，總體出現(xiàn)了一種微功率、高速的發(fā)展趨勢(shì)。

(3)傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測(cè)裝置要求靈敏度很高，覆蓋的范圍也相應(yīng)的比較大，對(duì)無線電監(jiān)測(cè)的設(shè)備和技術(shù)要求都很高。另外，裝置的體積大需要另外建造較大面積的房子，需要有專門的看守，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、人工費(fèi)都很高。目前，具有測(cè)定方向位置的無線電裝置占總裝置成本的70%，但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，測(cè)定方位的裝置使用頻率確實(shí)最低的。

云南某無線電技術(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)網(wǎng)格驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目系統(tǒng)工程啟動(dòng)，選用CRFSLimited公司生產(chǎn)的RFeye設(shè)備。本項(xiàng)目選擇某新城作為典型檢測(cè)區(qū)域，部署了5套射頻網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)裝置。經(jīng)過前期聯(lián)網(wǎng)測(cè)試檢測(cè)，逐步確認(rèn)了電網(wǎng)用于無線電監(jiān)測(cè)的實(shí)際效果和使用價(jià)值，并總結(jié)積累了相應(yīng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[2]。

云南網(wǎng)格化管理無線電電子計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目的核心文化建設(shè)工作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究論證，主要有：在云南XX區(qū)域經(jīng)濟(jì)建立了5個(gè)具有TDOA功能和POA功能的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，形成了網(wǎng)格化管理監(jiān)測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 TDOA 測(cè)試環(huán)境搭建示意圖Fig.1 Schematic diagram of TDOA test environment setup

2 測(cè)試過程及結(jié)果分析

2.1 測(cè)試過程

電網(wǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離不等于實(shí)際安裝距離，而是通過將信號(hào)發(fā)射器移動(dòng)到電網(wǎng)區(qū)域來選擇不同的測(cè)試點(diǎn)。在地圖上，可以利用GPS定位的信息數(shù)據(jù)來統(tǒng)計(jì)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際工況，并與系統(tǒng)功能測(cè)試顯示的情況進(jìn)行對(duì)比，從而得出定位測(cè)量結(jié)果。信號(hào)傳輸系統(tǒng)采用SSMF100 A標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源設(shè)備提供的測(cè)試信號(hào)，由HG-2013000X-W天線（增益-15～3dbi）通過225～512 MHz 50W功率放大器傳輸。從所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)備中隨機(jī)選取三組網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)備，組成TDOA定位環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。三套被測(cè)器件排列成三角形，發(fā)射源在三角形內(nèi)管理和設(shè)置。通過TDOA定位系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程控制三個(gè)被測(cè)設(shè)備，并在市場(chǎng)上定位排放源。網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的距離依次為l1、l2和l3，定位結(jié)果與源之間的最大誤差距離為d，因此d應(yīng)滿足技術(shù)要求。TDOA定位，L1、L2、L3不小于800m，誤差結(jié)果D不大于200m。

2.2 結(jié)果分析

電網(wǎng)監(jiān)控演示并驗(yàn)證運(yùn)行期間系統(tǒng)設(shè)備的系統(tǒng)健康狀況，如下所示：

(1)系統(tǒng)投入使用后，系統(tǒng)實(shí)施跟蹤檢測(cè)，測(cè)量信息采用在檢測(cè)范圍內(nèi)隨機(jī)選擇區(qū)域，單頻點(diǎn)傳輸長(zhǎng)信息的方法。測(cè)量結(jié)果滿足信息采集和定位精度的要求。沒有發(fā)現(xiàn)由于建筑企業(yè)環(huán)境問題的復(fù)雜性（如系統(tǒng)性能分析和測(cè)試），環(huán)境檢測(cè)存在明顯的盲點(diǎn)。

(2)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行多波段數(shù)字掃描，記錄和分析觀測(cè)區(qū)域的電磁環(huán)境。系統(tǒng)工作中存在的主要問題：1）穩(wěn)定性。3G網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路較差，在該網(wǎng)絡(luò)中工作的節(jié)點(diǎn)設(shè)備經(jīng)常掉線。由于建筑產(chǎn)權(quán)和鋪設(shè)專線的成本，在一些企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)。4g通信系統(tǒng)在系統(tǒng)建設(shè)過程中仍處于試驗(yàn)階段，無法在本項(xiàng)目中使用。2）開關(guān)和一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)關(guān)機(jī)故障，經(jīng)檢查懷疑是環(huán)境過熱造成的。零件損壞由于熱監(jiān)測(cè)裝置通常需要放置在露天環(huán)境中，云南夏季高溫通常接近26℃，室外陽光直射區(qū)域地表溫度通常在30℃左右，裝置在工作過程中產(chǎn)生的持續(xù)熱能通常可以達(dá)到設(shè)定的工作環(huán)境溫度上限。

(3)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備軟件功能不足，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法納入現(xiàn)有監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。造成這一問題的主要原因是我國(guó)無人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)的使用條件和習(xí)慣與國(guó)外有很大不同。軟件設(shè)計(jì)的功能分析問題也可以通過學(xué)生運(yùn)用技術(shù)應(yīng)用研發(fā)來有效解決。本次研發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，重點(diǎn)是測(cè)試云南網(wǎng)格系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性，計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的功能也將解決和實(shí)現(xiàn)。

3 網(wǎng)格化無線電的若干關(guān)鍵技術(shù)及處理

基于網(wǎng)格的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容包括頻譜感知、檢測(cè)管理、分析挖掘和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。網(wǎng)格化管理下無線電監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的每一項(xiàng)重大科技進(jìn)步，都會(huì)影響監(jiān)測(cè)管理水平和信息系統(tǒng)的學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力。因此，識(shí)別和管理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高效的無線電檢測(cè)和管理[3]。

3.1 信號(hào)定位技術(shù)

基于網(wǎng)格技術(shù)的無線電電子計(jì)量檢測(cè)管理系統(tǒng)用時(shí)差定位技術(shù)取代了測(cè)向天線聯(lián)合交叉定位系統(tǒng)。時(shí)差定位法（TDOA）是在信息接收機(jī)到達(dá)時(shí)間以上三個(gè)方面，對(duì)監(jiān)測(cè)站天線結(jié)構(gòu)單元的時(shí)差進(jìn)行分析和測(cè)量，從而對(duì)通信接收機(jī)進(jìn)行時(shí)間市場(chǎng)定位。與傳統(tǒng)的測(cè)向和交叉定位方法一樣，這種定位方法也需要精確地時(shí)基電路來確認(rèn)信號(hào)源的正確定位。也可以選擇GPS、北斗系統(tǒng)或自建精密授時(shí)系統(tǒng)，TDOA法的定位結(jié)果如圖2所示。

圖2 TDOA法的定位曲線圖Fig.2 Positioning curve diagram of TDOA method

通過分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出無線電系統(tǒng)信號(hào)到達(dá)檢測(cè)站A和B的具體時(shí)間，也就是說，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，到達(dá)兩個(gè)檢測(cè)站大致位置的信號(hào)的組合形成了曲線。當(dāng)電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中沒有傳感器節(jié)點(diǎn)具有測(cè)向功能時(shí)，時(shí)差技術(shù)還可以為系統(tǒng)定位信號(hào)源。和傳統(tǒng)的測(cè)向交會(huì)定位系統(tǒng)一樣，一般來說，使用這種新開發(fā)的定位技術(shù)也可以為企業(yè)實(shí)現(xiàn)更精確的定位性能。

3.2 信息處理及應(yīng)用技術(shù)

電網(wǎng)無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量將大大超過傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。“397”的數(shù)據(jù)信息將被分類，處理需求將賦予我們一個(gè)具有超強(qiáng)應(yīng)用功能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)處理能力的信息系統(tǒng)。這也是電網(wǎng)無線電監(jiān)測(cè)管理的必要工作條件。通過電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以利用分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息深度融合信息技術(shù)，將海量、冗余的信息數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為更加實(shí)用的頻率信息，并將這些信息提煉為知識(shí)，從而獲得更加準(zhǔn)確的頻率條件，從而進(jìn)行頻率管理和大數(shù)據(jù)分析。

3.3 網(wǎng)格化配置技術(shù)

基于網(wǎng)格的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都需要為企業(yè)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)工作。根據(jù)企業(yè)不同地理教學(xué)環(huán)境的特點(diǎn)，可以進(jìn)行監(jiān)控傳感器的選擇和建設(shè)，以滿足監(jiān)控任務(wù)的具體需求和網(wǎng)絡(luò)信息覆蓋規(guī)劃的要求，這是直接影響企業(yè)網(wǎng)格化管理無線電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)水平和功能設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題之一。在傳統(tǒng)的城市監(jiān)測(cè)方法中，城市地區(qū)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間隔通常為10公里。基于網(wǎng)格配置技術(shù)可將監(jiān)測(cè)范圍細(xì)分為多個(gè)重疊覆蓋的原理，系統(tǒng)定位技術(shù)與典型輻射源在縣城街道上的定位誤差可達(dá)100m左右，從而獲得監(jiān)測(cè)精度較高的無線電信息覆蓋。此外，教育的網(wǎng)格化設(shè)置需要與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理科技相結(jié)合，準(zhǔn)確掌握相應(yīng)教育設(shè)備可以使用的數(shù)據(jù)信息，提高學(xué)生對(duì)教育設(shè)備的利用率，保障學(xué)校無線電監(jiān)控安全系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

4 如何解決無線電監(jiān)測(cè)的技術(shù)問題

4.1 將認(rèn)知無線電技術(shù)與無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合起來

了解無線電信息技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)頻譜信息技術(shù)的重大突破，已獲得世界各國(guó)政府的認(rèn)證和授權(quán)。了解無線電信息技術(shù)與無線電監(jiān)測(cè)信息技術(shù)的融合，將有助于解決傳統(tǒng)無線電監(jiān)測(cè)站頻譜資源不足的問題。無線電監(jiān)測(cè)站的頻譜信息數(shù)據(jù)之所以能在這樣的情況下存在，是因?yàn)闊o線電監(jiān)測(cè)信息技術(shù)在實(shí)施無線電管制政策時(shí)，應(yīng)該為我國(guó)相關(guān)部門提供技術(shù)和經(jīng)濟(jì)支持[4]。兩者融合時(shí)，政府必須關(guān)注無線電信息技術(shù)的穩(wěn)定性，是否會(huì)對(duì)無法應(yīng)用無線電信息技術(shù)的用戶產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，理解無線電信息技術(shù)和無線電監(jiān)測(cè)信息技術(shù)的融合需要建立在政府客觀理解和監(jiān)測(cè)所有無線電頻率環(huán)境的基礎(chǔ)上。

4.2 將無線電監(jiān)測(cè)向網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)發(fā)展

與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)管理信息技術(shù)相比，網(wǎng)格無線電監(jiān)測(cè)信息技術(shù)更適合當(dāng)今社會(huì)的無線電管理。使用這些信息技術(shù)可以直接解決無線電管理問題，還可以產(chǎn)生更多的真實(shí)數(shù)據(jù)和更好的管理。因此，從目前的國(guó)家科技水平來看，不可能將網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)信息技術(shù)徹底應(yīng)用到無線電日常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理中。但是，對(duì)于我們的教師來說，可以從當(dāng)?shù)氐臒o線電覆蓋經(jīng)濟(jì)入手，進(jìn)行分析、測(cè)試和探討，從而逐步推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無線電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展。在高密度電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)容易受到外圍通信運(yùn)營(yíng)商、無線電臺(tái)等大功率數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的影響。管理必須采用的小型化監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備，在企業(yè)信息的處理技術(shù)上，可以選擇非線性提升濾波器噪底設(shè)定值的方式，使得同頻段監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析不統(tǒng)一，從而使企業(yè)數(shù)據(jù)容易丟失。由于信號(hào)數(shù)據(jù)處理技術(shù)受設(shè)備和器件工作原理的影響，采用不斷改進(jìn)算法的方案（如從系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件中選擇天線工作頻段）無法合理解決這一問題。因此，必須在系統(tǒng)設(shè)備上增加處理抗干擾問題的方法，如配置合適的帶通濾波器，以保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，減少系統(tǒng)性能的損失。

4.3 加強(qiáng)對(duì)無線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的日常維護(hù)

無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施管理的主要內(nèi)容包括硬件技術(shù)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用軟件服務(wù)設(shè)施、接收機(jī)、天線饋線和支架、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析，以及汽車和中央空調(diào)、電源、防雷等基礎(chǔ)設(shè)施。人們還需要根據(jù)上述設(shè)備的各種特性對(duì)其進(jìn)行日常維護(hù)，以某電臺(tái)無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)為例。

5 結(jié)語

隨著國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，城市無線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)的建立和覆蓋將不斷深化，將推動(dòng)國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。