一種基于無線鏈路監測的手機直連衛星業務捕獲系統實現及應用

摘 要：手機直連衛星技術的發展將帶來10億量級的用戶，給人們帶來便利通信的同時，也給信息安全帶來嚴重考驗。針對此，設計了一套無線鏈路監測的衛星業務捕獲系統，用以獲取商用手機的衛星話音、短消息等業務。與地面移動系統DU-CU模式相似，系統射頻和基帶處理部分以分布式形式安裝在室外信號塔，業務處理部分集中安裝在機房，可完成多個無線接收點的業務處理。測試表明，系統能夠正常截獲衛星手機通話業務，并能存儲和回放。

關鍵詞：手機直連衛星；業務獲取；話音存儲；分布式處理

中圖分類號：TN929.5；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0010-05

Implementation and Application of One Mobile Phone Direct Connection Satellite Service Acquisition System Based on Wireless Link Monitoring

CHANG Douxing

（Ministry of Emergency Management Big Data Center， Beijing 100013， China）

Abstract： The development of mobile phone direct connection satellite technology will bring billions of users， which not only facilitates communication but also poses a serious challenge to information security. For this situation， a satellite service acquisition system for wireless link monitoring is designed to obtain satellite voice， short message and other services for commercial mobile phones. Similar to the DU-CU mode of ground mobile systems， the RF and baseband processing parts of the system are installed in a distributed form in outdoor signal towers， while the business processing part is centrally installed in the computer room to complete the business processing of multiple wireless receiving points. Tests have shown that the system can intercept satellite phone call services normally， and can store and replay them.

Keywords： mobile phone direct connection satellite; service acquisition; voice storage; distributed processing

0 引 言

衛星通信的顯著特點在于可提供不受地面環境、氣候條件限制的通信服務，其適用于地面通信網絡覆蓋不完善，或地面通信設施受損而無法提供正常服務時，是地面移動通信系統的補充和延伸，且衛星通信建設成本與距離無關，只要衛星終端與衛星間的信號傳輸滿足技術要求，通信質量便有了保證，建設經費不因通信距離的拉遠、自然條件惡劣而增加。

隨著人們對衛星通信的需求越來越多，為滿足大眾的使用習慣，手機直連衛星已成為超越衛星互聯網的又一個衛星通信領域關注熱點和發展方向，是未來6G天地融合應用對終端統一的需求[1-2]。手機直連衛星帶來數十億量級的用戶，手機直連衛星成為衛星移動通信進入大眾市場的關鍵[3-5]。天通是我國自主研發的第一代衛星移動通信系統，2016年—2021年系統共發射3顆地球同步軌道衛星，覆蓋面廣，能夠覆蓋全國陸地及周圍海域，實現海陸空無縫鏈接，支持話音、短消息、傳真和數據業務。同時支持位置報告，視頻傳輸，IP實時在線業務與應用，支持不同的用戶優先級，并可實現互聯互通。系統可支持250萬個用戶同時在線，服務對地域、海洋、空域的無縫覆蓋[6]。系統應用終端形式以手持終端為主，兼有移動載體及嵌入式終端等。2023年9月，華為發布了國內首款消費類手機直連衛星手機，就是利用天通衛星實現的，且一機難求，將來帶有衛星通信功能的消費類手機將會成為主流，真正提供天地一體，萬物互聯的通信服務。

目前對地面移動通信終端的業務獲取，無論在國內還是國外都具有相應設備，包括2G至5G終端的話音監聽。國外衛星移動通信衛星包括高軌同步衛星和低軌衛星，由于他們起步比較早且技術比較成熟，相應的監聽和控守設備也持續發展，時刻跟蹤衛星移動通信的演進。我國大眾功能的衛星移動通信系統，處于剛起步階段，其應用系統還未完善，而對該系統終端的監聽和控守系統還是空白。為保障信息安全，跟蹤手機直連衛星終端發展，需要研發區域衛星終端監測設備，對終端上行和下行信號進行接收解析，并存儲，以備后續分析使用。

1 業務獲取系統總體設計

1.1 整體設計

衛星移動通信系統采用的傳輸體制有別于地面任何通信體制，因此在信號捕獲、跟蹤、解調時須采用有針對性的新算法。衛星通信有較長的鏈路延遲，使得功率控制算法也有別于地面系統，同時衛星高層協議流程獨特，接入層和非接入層均有別于地面移動通信系統，從而對整個協議棧的設計和實現產生重要影響。因此，業務獲取系統需要解決與“天通一號”衛星移動通信系統同步的射頻接收技術、調制解調技術、編譯碼技術、空口完整性保護和加解密技術，以及對應的無線信令和業務解析技術等，以完成信令分析及業務解析，并進行后續數據存儲。

整個系統主要由天線單元、射頻和基帶處理單元、信令處理單元、業務處理單元、數據存儲單元、主控單元構成。天線單元主要完成上行和下行無線信號的接收，能夠捕獲終端向衛星發射的上行信號，又能接收衛星發向終端的下行信號，進而進行信號的后續處理。由天線捕獲的雙向無線信號經過射頻單元和基帶單元處理后轉換為數字信號，然后通過信令處理單元和業務處理單元完成終端上下行信令、狀態以及相應的業務解析，最后通過主控單元向用戶展示業務數據，并進行存儲以備后續查閱[7]。系統原理如圖1所示。

1.2 設備布局和安裝

系統的上行及下行兩個天線的射頻和基帶處理單元與地面移動通信系統中射頻部分安裝方式相同，可一起安裝在已建設的地面基站的信號塔上。為防止衛星與地面系統互相干擾，兩個天線須安裝在信號塔的最頂層，并與地面移動用天線間隔1米左右的距離。射頻和基帶處理單元與地面網絡的射頻處理單元（RRU）安裝方式相同，安裝在信號塔的天線下部，該設備和天線和之間采用射頻線纜進行連接。設備安裝示意圖如圖2所示。

信令處理單元、業務處理單元、數據存儲單元、主控單元等通過與射頻和基帶處理單元連接的光纖拉遠后安裝到用戶機房，并可通過屏幕實時監控。

1.3 區域內系統拓撲

整個區域（例如市、縣）可進行分布式安裝聯合集中式處理，所有的室外天線、射頻和基帶處理單元安裝在多個不同的信號塔上，這種實現方式和5G的DU部署相似[8]；信令、業務處理單元等集中安裝在用戶機房與5G的CU部署相似，每套信令和業務處理單元可對應多套室外天線、射頻和基帶處理單元，形成多對一布局。主控單元的用戶監控中心安裝到調度室等，用戶可實時查看業務或者選擇已存儲的業務進行回放。

2 單元設計

2.1 射頻處理單元設計

射頻處理單元（RRU）、基帶處理單元（BBU）及主控板卡（MCH）安裝在一個機箱內組成射頻和基帶處理設備，安裝在室外信號塔上。射頻處理板卡完成S波段無線信號到數字基帶信號之間的轉換。射頻處理板卡通過光纖接口和基帶處理單元進行數據交換、控制指令交互，通過I2C總線、以太網總線、Rapid IO總線和主控板卡進行控制信道的交換。

射頻處理板卡結構上采用uTCA標準架構[9]，主要由FPGA單元、射頻通道、時鐘處理、加載管理、MMC管理、電源管理、加載管理等部分組成。其中，FPGA程序包括太網接口、Rapid IO接口、CPRI接口、解調處理等。射頻處理板卡功能框圖如圖3所示。

解調通道由模數轉換器（ADC）、解調頻率合成器、解調處理模塊、分路器、放大器等組成，主要完成無線信號到基帶信號的轉換及解調預處理等過程；時鐘處理模塊為FPGA、ADC，以及高速收發器提供穩定的時鐘，并將RRU時鐘同步于BBU。時鐘處理模塊主要由晶體振蕩器、時鐘提取模塊、鑒相器、環路濾波器、壓控晶體振蕩器、頻率鎖相源、分頻器組成。

2.2 基帶處理單元設計

基帶處理單元結構上同樣采用uTCA標準，主要由FPGA模塊、DSP模塊和CPU模塊構成，各模塊之間通過GE交換芯片進行控制信息交互，通過SRIO接口進行數據交換，板卡整體功能組成如圖4所示。板卡中FPGA部分包括接口解析、多載波濾波、DDR、RAM等功能模塊，用以完成載波濾波功能；DSP部分包括多載波符號映射、多載波解調、譯碼等功能模塊，用以完成信號解調、譯碼等；CPU部分包括業務/信令預處理、數據解析等部分，以完成信令和數據業務的分離和幀預處理等功能[10]。

射頻處理單元把經過A/D變換后的低中頻信號通過IR接口傳輸到基帶處理單元中的FPGA模塊中，在FPGA內完成多載波信號的匹配濾波，并將濾波后的IQ數據通過SRIO接口傳輸到DSP模塊，在DSP內完成多載波信號的同步、解調、譯碼和數據解析，并將恢復出的源比特信息通過SRIO接口傳送到CPU中進行信令、業務幀預處理等，最后將處理后的數據通過SGMII接口分別傳送到后續處理設備中。

2.3 信令/業務處理單元設計

系統室內部分由信令處理單元、業務處理單元、數據存儲單元及主控單元等構成，其硬件平臺均采用高性能服務器，在此平臺上進行處理軟件設計及開發[11-12]。

信令處理單元主要完成終端上下行信令的獲取、匹配及解析，主要包括終端上行業務申請、下行資源分配、控制信道中各種信令等，包括無線資源管理信令、移動性管理信令、呼叫信令等，以及由信令信道承載的短消息業務和位置信息等。信令處理單元通過信令流程匹配終端號碼生成呼叫列表，并把列表存儲在業務處理單元中，由業務處理單元進行業務處理和匹配話音。業務處理單元完成終端短消息的解析，話音解析及解碼等，并轉發到數據存儲單元進行備份。數據存儲單元完成呼叫列表、話音、位置和短消息業務的儲存備份。

2.4 主控單元設計

主控單元是整個系統的核心，主要完成設定/取消跟蹤終端、終端位置跟蹤、終端狀態監測、終端業務獲取、通信記錄查閱、通信內容回放、自動告警提示等功能，功能構成如圖5所示。

功能介紹如下：1）目標管理。用戶可手動選擇需要實時獲取業務的號碼，當該號碼通信時，實時獲取其話音、短消息或位置；當不需要再跟蹤時手動刪除該號碼即可轉入后臺業務獲取；2）業務管理。設定目標后，用戶同步收聽終端通話的話音，或者查看短消息，位置等；3）業務查詢。用戶可從數據庫中調取已有的通話記錄，播放對應的通話話音，以及查看某號碼收發的短消息等；4）軌跡查詢。在GIS地圖上回放某號碼的運動軌跡。

3 業務流程及測試

3.1 業務流程

上行天線處于值守狀態，當收到終端上行ALOHA信號后，由射頻和基帶處理單元完成信號的解調，并把其內容發送到信令處理單元；信令處理單元解析終端上行業務申請指令，并記錄終端ID，同時通知射頻和基帶處理單元捕獲下行AGCH信道，以獲得下行應答。

下行天線捕獲應答信號后由射頻和基帶處理單元完成解調處理獲得資源分配應答幀，并發送給信令處理單元；信令處理單元解析下行資源分配指令，并與上行業務申請的終端ID進行匹配，獲得上下行信令信道參數，然后配置到射頻和基帶處理單元。

上下行天線捕獲信令信號后由射頻和基帶處理單元解調后獲得信令幀，發送到信令處理單元；信令處理單元完成上下行信令解析，把終端的狀態、位置信息等參數發送到主控單元顯示，把上下行業務信道參數配置到射頻和基帶處理單元，并配置業務處理單元進行數據配對等過程；上下行天線捕獲業務信號后由射頻和基帶處理單元解調后獲得業務幀，發送到業務處理單元；業務處理單元完成所監測終端的業務預處理，并在信令處理單元控制下完成業務配對，轉發到數據存儲單元進行備份，并把用戶指定的終端業務發送到主控單元進行實時顯示。業務流程如圖6所示。

3.2 系統測試及分析

測試時，兩部測試手機和系統天線部分安置在室外，其他設備安裝在室內，兩者之間通過射頻線纜進行連接，如圖7所示。手機首先開機接入衛星網絡，達到能夠正常打電話狀態，然后在遠控界面配置相應的兩個手機號碼，使設備實時監測兩部手機的通信狀態。

手機A撥打手機B多次，在遠控界面查看系統獲取的通話記錄和話音，并可通過播放操作收聽對應的話音，測試結果如圖8所示。

由圖8可見，手機之間打電話時可通過本系統截獲，并生成了通話記錄列表，包括主被叫號碼、速率、通話時間等，同時對應存儲了相應的通話語音，可選擇進行播放，實現了衛星手機的業務截獲。通過測試發現，每次業務存儲的數據較大，容易造成磁盤空間不足，因此實際使用時需要加大磁盤陣列容量，并定期更換新硬盤，以便保留更多歷史數據。

4 結 論

隨著手機直連衛星的發展，越來越多的手機加入衛星通信功能，給信息安全帶來一定挑戰。本系統能夠獲取終端的位置、短消息、話音等業務，實時監測周圍區域終端信息，保障信息安全。系統的天線和射頻基帶單元可布置多個在室外，其余單元布置在室內，形成多對一連接以監測多個地點。室外部分可根據需求安裝多套，擴展監測區域。

參考文獻：

[1] 吳曉文，焦偵豐.面向6G的星地融合標準化研究進展 [J].移動通信，2024，48（1）：2-12.

[2] 張平，陳巖，吳超楠.6G：新一代移動通信技術發展態勢及展望 [J].中國工程科學，2023，25（6）：1-8.

[3] 郝才勇.手機直連衛星業務發展現狀與挑戰 [J].中國無線電，2023（12）：36-38.

[4] 陳宏.全球手機直連衛星應用發展與思考 [J].衛星應用，2023（11）：37-43.

[5] 肖永偉，盧山，宋艷軍.“手機直連衛星”發展及關鍵技術 [J].國際太空，2024（1）：20-27.

[6] 崔萬照，陳翔，李軍，等.手機衛星通信的保障——天通一號衛星載荷中的無源互調關鍵技術 [J].宇航學報，2024，45（2）：325-331.

[7] 陳文潔，梁先明，史高翔.一種基于協同偵收的衛星上/下行信號關聯方法 [J].電訊技術，2021，61（7）：839-844.

[8] 孫軍帥.面向多樣性需求的無線網絡架構及功能設計方法研究 [D].西安：西安電子科技大學，2022.

[9] 鐘旻.3GPP關于5G若干技術規范輯錄（四）：基站射頻設備規范 [J].數字通信世界，2022（8）：8-16.

[10] 祝毅，鄭斌，曾令昕，等.衛星通信基帶數字前端融合設計 [J].通信技術，2023，56（7）：828-834.

[11] 沈哲，王祎萌.基于移動終端的電力安全監控系統設計 [J].網絡安全和信息化，2023（11）：44-47.

[12] 林俊.基于物聯網技術的電力監控終端安全在線管控系統設計 [J].自動化與儀器儀表，2022（4）：198-201.

作者簡介：常斗興（1979.02—），男，漢族，山西晉中人，高級工程師，本科，研究方向：應急管理。