唐力強,羅 冰,張一嘉

(中國電子科技集團公司 第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引言

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，加上政界、商界、反恐領(lǐng)域、科技領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域利益最大化需求，竊取機密資料的手法也在日益精密，竊聽竊視無疑是其中重要的組成部分。目前反竊聽竊視設(shè)備較多，其中比較常用的設(shè)備大部分為國外產(chǎn)品，在使用方面存在較多不足，包括發(fā)現(xiàn)可疑信號能力弱、不具備信號源定位能力等。因此，深入研究非合作室內(nèi)無源定位技術(shù)，對信息安全建設(shè)具有重大的現(xiàn)實意義。

1 室內(nèi)定位方法概述

室內(nèi)定位方法大致可以按照3種最基本的定位思路進行歸類，第一類是通過測量信號距離和角度來進行幾何計算得到輻射源位置，其中TOA通過測量時差計算距離差繪制雙曲線方程獲得輻射源位置，信號傳播模型則通過電波傳播理論建模，由測量幅度值映射為距離從而獲得輻射源位置，AOA通過定向天線或者陣列天線測量信號方向，多站交叉獲得輻射源位置[1]；第二類是通過物理量感知發(fā)現(xiàn)輻射源“靠近”傳感器，用傳感器的位置來估計輻射源位置，具有代表性的為最近節(jié)點法；第三類是利用對已知位置的各種測量值作為該位置的“指紋”特征，利用輻射源特征與已知位置特征匹配獲得輻射源位置，可利用幅度、信噪比等參數(shù)作為特征進行特征匹配，稱為位置指紋法[2]。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)比較

2 基于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無源定位

在室內(nèi)無線環(huán)境里，信號強度、信噪比都是比較容易測得的電磁特征。LEASE定位系統(tǒng)通過部署若干信號發(fā)射器，定期向外發(fā)射固定信號強度信息。在利用信號場景的定位技術(shù)中，信號強度的樣本數(shù)據(jù)集也被稱為位置指紋或者無線電地圖。本文在對室內(nèi)信號傳播建模的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了一種二維位置指紋定位方法，該方法實現(xiàn)了對室內(nèi)未知輻射源實施非合作的無源定位，下面將詳細說明理論依據(jù)和定位方法。

2.1 室內(nèi)信號傳播建模

不同的無線電波模型適用于不同環(huán)境，這些傳播模型都可以歸結(jié)為[3]：

A=k1+k2logf-k3logh1-k4loghr+10nlogd+x

(1)

式中，A為路徑損耗，k1,k2,k3,k4為傳播模型參數(shù)，f為載波頻率，hl，hr分別為信號源高度和觀測臺天線高度，n為路徑衰減因子，x(dB)為陰影衰落。當影響電波傳播環(huán)境固定不變時，上述參數(shù)在環(huán)境較為單一的情況下均為不變因子，路徑損耗A與距離d呈確定的對數(shù)關(guān)系。為了驗證上述理論在室內(nèi)環(huán)境下的傳播特性，本文對頻率分別為800 MHz、2.4 GHz以及4 GHz的單音信號輻射源進行了信號傳播建模實驗，在室內(nèi)的固定位置放置信號輻射源，在不同的距離測量偵收到的信號強度并進行記錄，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 信號在室內(nèi)傳播建模實驗

根據(jù)實驗結(jié)果，當輻射源距離接收點在3米以內(nèi)時，由于距離近時接收點主要接收輻射源的直達波，因此距離和幅度關(guān)系接近理論方程，接收信號幅度和輻射源距離呈理想的對數(shù)關(guān)系，輸入距離值，即可得到與之對應(yīng)的接收信號場強。當輻射源距離接收點大于3米時，由于多徑效應(yīng)影響，輻射源的反射、衍射和繞射波對信號接收影響較大，因此接收信號幅度和輻射源距離對數(shù)關(guān)系減弱，甚至無規(guī)律可循。

2.2 位置指紋室內(nèi)非合作無源定位

位置指紋定位方法主要分為六個步驟，分別為：布點、構(gòu)建位置指紋庫、掃描全頻段內(nèi)的信號位置指紋、基于位置指紋的定位算法、基于傳播模型的三維空間定位算法[5]。

1)布點：根據(jù)室內(nèi)信號傳播建模的結(jié)論，按3～6米間隔布置節(jié)點，可根據(jù)房間大小在室內(nèi)布置4/8/16/32個傳感節(jié)點，如要對信號進行3維立體定位，也可在墻面上布置傳感節(jié)點，形成立方體的分布。

2)構(gòu)建位置指紋庫：傳感節(jié)點定期向外發(fā)射不同頻段的信標，其他傳感節(jié)點同時接收該信標，記錄本節(jié)點接收信標的能量值和信噪比值，作為當前頻段的位置指紋傳輸至服務(wù)器的位置指紋數(shù)據(jù)庫中。例如，位置6的傳感節(jié)點發(fā)射信標時，位置1～5和7～16號節(jié)點接收信標，測量信標能量和信噪比，并以發(fā)射信號的能量和信噪比值歸一化后記錄至數(shù)據(jù)庫中。記錄格式如表2所示，其中V=[1,Vf2,Vf3…Vfn]代表信號能量值，S=[Sf1,1,Sf3…Sfn]代表信號信噪比值，第一個下標表示標定信號頻率序號，第二個下標表示信標接收傳感節(jié)點的位置序號。在位置指紋建庫的基礎(chǔ)上，還可以利用信號室內(nèi)傳播模型，采用內(nèi)插的方法增加位置指紋數(shù)據(jù)庫的密度。

表2 位置指紋數(shù)據(jù)表示

3)掃描信號位置指紋：室內(nèi)傳感節(jié)點在不同的位置掃描測量相應(yīng)頻段內(nèi)信號的頻率f、幅度V和信噪比S，記為v=[vf1,vf2,vf3,…,vfn]和s=[sf1,sf2,sf3,…,sfn]，其中f為信號頻率。建立信號位置指紋數(shù)據(jù)庫后，通過軟件算法可快速、精確和低成本地獲得相應(yīng)頻段內(nèi)任意信號頻率、幅度和信噪比。

4)基于位置指紋的定位算法：匹配位置指紋包含兩部分內(nèi)容，頻率選擇和節(jié)點匹配。通過信號頻率f在位置指紋數(shù)據(jù)庫中尋找最接近的頻段的標定數(shù)據(jù)，例如，當測量信號頻率為1 727 MHz時，可選擇1 700 MHz標定的位置指紋數(shù)據(jù)進行匹配。信號的幅度測量值為v=[vf1,vf2,vf3,…,vfn]和信噪比測量值為s=[sf1,sf2,sf3,…,sfn]，其中最簡單直接的最近鄰法進行匹配定位，通過計算最短歐幾里得距離，求取各個傳感節(jié)點所對應(yīng)的信號幅度和信噪比的方差Δvs1…Δvsi…Δvsn，如式(2)所示。

(2)

其中:v和s向量為測量值，V和S為標定值，α為幅度和信噪比權(quán)重，可根據(jù)具體應(yīng)用場景控制幅度方差和信噪比方差對Δvsi的影響度，取所有方差的最小值Δvsmin，其所對應(yīng)的節(jié)點位置即為信號的匹配位置。也可以根據(jù)實際情況選擇其他定位算法，例如樸素貝葉斯法等。

5)基于傳播模型的三維空間定位算法：普通的室內(nèi)環(huán)境是一個三維空間，在完成基于位置指紋定位算法后，可獲得二維平面空間的位置，但無法獲取輻射源在室內(nèi)的高度，如圖2所示。在本文3.1室內(nèi)信號傳播建模章節(jié)中得到的結(jié)論，當輻射源距離傳感節(jié)點在3～4米以內(nèi)時可通過接收信號場強反推獲得輻射源距離。一般普通房間的單層層高為3米左右，恰好滿足此結(jié)論的應(yīng)用條件，因此可以基于傳播模型通過最近兩個傳感節(jié)點的信號場強幅度反推輻射源距離進行交叉定位。

根據(jù)2.1節(jié)中傳播模型公式(1)，假設(shè)兩個不同位置的接收天線都能夠收到同一信號源發(fā)射的信號，且兩傳輸路徑有相同的傳播模型參數(shù)，設(shè)兩個接收天線到輻射源的路徑損耗分別為A1，A2，則兩路徑接收信號損耗差值為:

(3)

式中，d1，d2為信號源到接收天線1，2的距離，定義X′=X1-X2，則:

(4)

式中，反映陰影衰落的隨機變量X″=X′/10n是零均值的高斯隨機分布。假設(shè)信號源位置坐標為(x,y)，兩個接收天線位置坐標分別為(x1,y1)，(x2,y2)，則由式(4)可以得到:

(5)

對式(4)整理得:

(6)

式中，D12為兩接收天線之間的距離。于是兩個位置的接收天線之間的接收信號場強差就可以確定一個方程，求解所有的方程構(gòu)成的方程組，就可以得到輻射源的位置在高度平面上的距離，結(jié)合平面位置即可得到室內(nèi)空間的三維坐標。

綜上所述，通過基于位置指紋的定位算法確定輻射源室內(nèi)平面位置，通過基于傳播模型定位方法確定輻射源室內(nèi)的高度，兩種方法的結(jié)合可獲得輻射源室內(nèi)三維空間位置。

3 系統(tǒng)設(shè)計和組成

3.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由傳感節(jié)點、無線網(wǎng)絡(luò)和信息處理機三部分組成，其布置如圖2所示。

1)傳感節(jié)點:以Xilinx公司推出的SoC Zynq-7045作為主芯片，搭載2片ADI公司的AD9361射頻芯片，支持80 MHz～6 GHz的4收4發(fā)，若接4個天線則可支持4個傳感節(jié)點檢測，使用鋰電池供電。天線按照70 MHz～3 GHz和3～6 GHz兩段設(shè)計，兩根天線分別接兩路收發(fā)。

2)無線AP:采用802.11 ad無線通信協(xié)議，支持60 GHz的高速傳輸，既可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信又與偵測頻段相隔離，不影響傳感節(jié)點的信號檢測。

3)信息處理機:采用高性能工作站連接無線AP，接收來自各個傳感節(jié)點的信號和數(shù)據(jù)，通過軟件進行頻譜輻射源數(shù)據(jù)建庫、信號識別處理、室內(nèi)外判斷、室內(nèi)定位等算法處理。也可采用高性能筆記本電腦，通過軟件處理完成上述算法計算。

圖2 室內(nèi)傳感節(jié)點布置圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

信息處理機和傳感節(jié)點根據(jù)各自的任務(wù)分工對信號進行處理和分析，第一部分為信號識別算法，識別是否是商用信號，并對wifi、3 G、4 G等類型進行識別和分類，若非商用信號則識別其信號特征，包括調(diào)制樣式、帶寬、頻率等，并存儲記錄。第二部分算法為室內(nèi)外定位算法，將獲得的所有傳感節(jié)點幅度值與標定完的輻射地圖進行匹配，結(jié)合信號類型識別結(jié)果，綜合判斷信號是否在室內(nèi)。第三部分算法為室內(nèi)定位算法，當判定信號在室內(nèi)時，通過輻射源指紋識別算法，匹配計算輻射源位置，設(shè)備告警并給出室內(nèi)大致位置。

首先根據(jù)房間大小在室內(nèi)布置若干個傳感節(jié)點；然后傳感節(jié)點切換至建庫模式，每個傳感節(jié)點自動發(fā)射各個頻段的信號，其他節(jié)點接收該信號進行標定，將標定值通過無線AP傳輸至信息處理機，信息處理機建立數(shù)據(jù)庫并繪制輻射地圖，可設(shè)置間隔一定時間執(zhí)行一次；所有傳感節(jié)點切換至檢測模式進行全頻段掃描，當發(fā)現(xiàn)可疑輻射源信號，所有傳感節(jié)點對輻射源信號特征值進行測量，并將其傳輸至信息處理機進行識別與定位。

4 系統(tǒng)實驗

4.1 基于傳播模型的GSM信號室內(nèi)外判別實驗

1)試驗概述：按圖3布置天線陣，被測手機分別在房間的天線陣內(nèi)的4個區(qū)域和房間外進行通話，通話時采集記錄4個天線的信號，通過數(shù)據(jù)采集和分析對GSM手機進行室內(nèi)外的判斷。

圖3 測試區(qū)域

2)試驗步驟：

a)將設(shè)備按照試驗框圖進行連接；

b)通道一致性校正；

c)天線放置于辦公室4角；

d)將手機分別放置在采樣點，開機打電話產(chǎn)生信號；

e)將1 727 MHz射頻變頻至70 MHz頻率20 MHz帶寬的中頻信號

f)采集設(shè)備分別記錄4個天線的信號原始數(shù)據(jù)；

g)信號處理算法進行幅度計算。

3)數(shù)據(jù)分析：室外實驗時，衰減30 dB后已檢測不到信號，在未衰減30 dB情況下，可測到手機信號值如表3所示。

表3 實測室外值

室內(nèi)實驗結(jié)果如表4所示，表中為最小值歸一化后的幅度比值。

表4 實測室內(nèi)各個區(qū)域值

4)結(jié)果分析：在一定衰減值下，室外信號無法被定向天線偵測到，信號幅度高低可作為室內(nèi)外信號的判據(jù)之一。當降低衰減值時，各個天線可接收室外信號，歸一化后接近于1(如表4所示)，因此接近于1的幅度比值也可作為判據(jù)之一。在1、2、3、44個區(qū)域均可根據(jù)幅度比值進行匹配，并給出大致區(qū)域。采用非標定的比幅方法，不但可區(qū)別室內(nèi)外信號，還可對室內(nèi)信號進行粗定位，雖精度不高，但是穩(wěn)定可靠。

圖4 幅度歸一化直方圖

綜上所述，要判斷是否在室內(nèi)外，可通過設(shè)定信號幅度絕對閾值和幅度相對閾值進行判斷和篩選。

4.2 基于位置指紋的Wifi信號定位實驗

本文實驗使用了12個傳感節(jié)點、1個無線AP和1臺信息處理機。在長方形房間內(nèi)每隔5米布置一個傳感節(jié)點(如圖2所示)，對2.4 GHz信號進行建庫和定位。首先由各個傳感節(jié)點發(fā)射頻率為2.4 GHz幅度為-10 dbm的單音信號進行標定和建庫，其中建庫數(shù)據(jù)如表3所示，數(shù)據(jù)表格中橫軸S1-S12為不同位置傳感節(jié)點發(fā)射標定信號，縱軸為在不同位置傳感節(jié)點的去直流分量后的接收幅度值。

從表中可以看到不同位置的輻射源，在12個點的接收幅度值均有較大差別，利用信號強度均方差可較清晰的區(qū)分相鄰輻射源的特征。通過對表中的建庫幅度值采用最近鄰法進行匹配定位，實際測試結(jié)果均能較好地獲得2.4 GHz頻段內(nèi)的各種輻射源的位置，定位精度可達到3米。在此基礎(chǔ)上還可利用近距離傳播模型進行插值建模，在插值的基礎(chǔ)上增加位置指紋模型庫的密度，可進一步提高定位精度。

5 結(jié)論

本文在通過分析各種室內(nèi)定位算法的基礎(chǔ)上，提出了基于傳播模型和位置指紋的三維室內(nèi)無源定位方法，該方法通過位置指紋定位平面位置，通過傳播模型定位高度，兩者結(jié)合可獲

表5 2.4 GHz信號建庫數(shù)據(jù)表

得室內(nèi)三維位置，在基于建庫數(shù)據(jù)插值和信號信噪比建庫的基礎(chǔ)上，進行信噪比和幅度多重位置指紋建庫與匹配算法研究，通過數(shù)據(jù)插值進一步提高了定位精度。結(jié)合該算法模型，提出了系統(tǒng)的組成與設(shè)計，并基于該系統(tǒng)完成了實際定位試驗，在傳感節(jié)點間隔5米的情況下，定位精度可達到3米。

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