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        新型WSN系統(tǒng)在電磁頻譜監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用分析

        2023-11-03 07:28:25馬進(jìn)英
        中國新通信 2023年17期

        摘要:無線傳感器是近年來發(fā)展起來的一種新的無線頻譜監(jiān)測裝置,主要設(shè)置在無線電頻率使用和無線電臺(tái)(站)設(shè)置較少的區(qū)域,作為固定監(jiān)測站的補(bǔ)充,用于對固定臺(tái)(站)多任務(wù)執(zhí)行能力不強(qiáng)、固定臺(tái)(站)不能覆蓋的區(qū)域開展長時(shí)間的電磁環(huán)境監(jiān)測,以及對重點(diǎn)區(qū)域無線電發(fā)射源進(jìn)行7×24小時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

        關(guān)鍵詞:傳感器;固定監(jiān)測站;密集部署;重點(diǎn)區(qū)域

        一、引言

        新型無線傳感網(wǎng)(WSN)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用使得電磁頻譜監(jiān)測領(lǐng)域得到了前所未有的發(fā)展。無線電傳感器以其小巧輕便的特性和寬頻率監(jiān)測能力,解決了傳統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測設(shè)備無法滿足現(xiàn)今復(fù)雜多變的無線電環(huán)境監(jiān)控的問題。

        根據(jù)應(yīng)用場景、性能指標(biāo)等不同,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以劃分為兩種類型。一類傳感器在20~6000MHz波段內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測,主要應(yīng)用于全業(yè)務(wù)監(jiān)控,可以廣泛應(yīng)用于各種無線通信業(yè)務(wù)的監(jiān)測,包括但不限于移動(dòng)通信、微波通信、衛(wèi)星通信等,并能夠?qū)崟r(shí)捕捉和記錄在此頻段內(nèi)發(fā)生的所有無線電活動(dòng)。第二類傳感器在20~1300MHz波段內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測,主要用于對廣播電視臺(tái)(站),固定類臺(tái)(站)、基地類臺(tái)(站)進(jìn)行監(jiān)測。由于該頻段內(nèi)的無線電信號(hào)主要來自廣播電臺(tái)和基站等固定設(shè)備,因此這類傳感器特別適用于這些設(shè)備的日常管理和監(jiān)測,包括頻率使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、非法電臺(tái)的檢測以及干擾源的定位等。

        與傳統(tǒng)的靜態(tài)監(jiān)控設(shè)備相比,無線電傳感器布放靈活且功能完善。首先,無線電傳感器體積小,重量輕,安裝簡便,可以方便地布置在各種環(huán)境中,包括城市、鄉(xiāng)村、山區(qū)等。其次,無線電傳感器支持遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的無線電環(huán)境監(jiān)控。最后,無線電傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,可以在極寒、極熱、濕度大等各種環(huán)境下穩(wěn)定工作。

        新型無線電傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以滿足日常無線電管理的需求,更能為無線電環(huán)境保護(hù)、無線電資源合理利用等提供有力支持。在未來,無線電傳感器的技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展,提供更高效、更精準(zhǔn)的電磁頻譜監(jiān)測。

        二、WSN系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

        WSN系統(tǒng)包括兩大子系統(tǒng):數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過使用高性能的傳感器節(jié)點(diǎn)來完成信號(hào)采集和信息處理,能夠在專用網(wǎng)絡(luò)上統(tǒng)一存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和管理信號(hào)采集和處理后的各類數(shù)據(jù)。在控制網(wǎng)絡(luò)中,由計(jì)算機(jī)和控制芯片構(gòu)成的控制器能夠?qū)λ行畔⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以保證信息數(shù)據(jù)的安全性。

        目前,數(shù)字多用表(DDS)系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛、最成熟的無線傳感器系統(tǒng)之一,能夠通過一系列標(biāo)準(zhǔn)接口與現(xiàn)有或未來系統(tǒng)集成,并與其他現(xiàn)有或?qū)硇孪到y(tǒng)集成在一起,以實(shí)現(xiàn)無縫融合或替代功能。

        (一)維護(hù)成本低

        自設(shè)計(jì)出現(xiàn)以來,無線電傳感器就充分考慮在大量布放情況下的維修與穩(wěn)定問題,它能夠遠(yuǎn)程進(jìn)行巡檢、自動(dòng)升級(jí)設(shè)備以及自行修復(fù)故障,不需要頻繁地進(jìn)行現(xiàn)場檢修,在減少了人工維護(hù)的工作量的同時(shí),能夠按照無線電運(yùn)維費(fèi)正常規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)完成裝備和系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)工作。

        另外,無線電傳感器還利用有效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),將數(shù)據(jù)傳輸量大概減少到原始數(shù)據(jù)的1%,也可以支持無線4G傳輸方式,網(wǎng)絡(luò)傳輸費(fèi)用大概是DDN傳輸專線的五十分之一左右。

        (二)性能穩(wěn)定與可靠

        WSN系統(tǒng)的性能主要取決于其所采用的元器件和電路結(jié)構(gòu)。在WSN系統(tǒng)中,各部分部件是由計(jì)算機(jī)和控制器兩部分組成的,計(jì)算機(jī)部分要實(shí)現(xiàn)所有控制功能;而控制器是由處理器、存儲(chǔ)器控制器等組成的。無線電傳感器節(jié)點(diǎn)由電子元器件構(gòu)成,這使得無線傳感器能夠適用于各種嚴(yán)酷的環(huán)境。

        因此,WSN的穩(wěn)定性與可靠性表現(xiàn)為:其一,在使用壽命期內(nèi)能正常工作;其二,在發(fā)生故障時(shí),不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞事故;其三,當(dāng)遇到意外情況時(shí),能夠迅速恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn);其四,設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)解決;其五,如果遇到突發(fā)事件,設(shè)備能夠及時(shí)響應(yīng)并做出相應(yīng)的措施。

        (三)抗干擾能力強(qiáng)

        無線電傳感器的抗干擾能力強(qiáng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

        首先,由于無線電傳感器節(jié)點(diǎn)所使用的電子元器件一般都是高集成度、低功耗產(chǎn)品,其工作頻率較高,所以能承受較強(qiáng)的電磁干擾。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是在無源的環(huán)境中工作且有較高的抗干擾能力,所以對于電磁干擾具有較好的防護(hù)能力。在進(jìn)行電磁頻譜監(jiān)測時(shí),需要了解所使用電磁波頻率。在監(jiān)測中,需要利用雷達(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備測量電磁波強(qiáng)度,但電磁波本身不會(huì)產(chǎn)生任何輻射或感應(yīng)作用。一般來說,電磁監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)該在不受任何干擾的條件下工作;當(dāng)檢測到電磁輻射時(shí),可采用其他途徑進(jìn)行測量。例如,可以利用電子羅盤等設(shè)備測量;也可以采用激光、微波、電磁波等方法進(jìn)行測量;還可利用無線技術(shù)對發(fā)射波頻率進(jìn)行自動(dòng)跟蹤監(jiān)測等等。

        其次,傳統(tǒng)的WSN系統(tǒng)通常由電腦、通信界面、應(yīng)用程序、外設(shè)等組成,這些設(shè)備需要專用的硬件來完成其工作,還需要專用的軟件環(huán)境來處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),因此WSN的硬件開銷非常大。雖然傳統(tǒng)的WSN系統(tǒng)也能夠?qū)o線信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測、分析與測量,但主要依 賴于外部設(shè)備,這些外部設(shè)備的價(jià)格昂貴且復(fù)雜,如果將其與微機(jī)聯(lián)機(jī)使用,將難以實(shí)現(xiàn)對微機(jī)的監(jiān)控與測量。由此可見,新一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對電磁頻譜的監(jiān)控有著特殊的優(yōu)勢。

        三、WSN系統(tǒng)的主要功能

        (一)電磁頻譜監(jiān)測

        WSN系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)共三個(gè)部分組成,其中,傳感器包括電磁頻譜測量單元、射頻/微波組件和用戶輸入端。無線電傳感器被放置在目標(biāo)無線電設(shè)備附近,通過射頻器件將測量信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸部分,然后通過無線設(shè)備將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)上,以供用戶查看和分析。用戶輸入數(shù)據(jù)以電子郵件地址傳輸?shù)接脩舻慕缑娴刂泛碗娮余]件地址,用戶可以使用該接口對電磁頻譜進(jìn)行分析,從而獲得電磁頻譜圖、無線電頻率和發(fā)射機(jī)參數(shù)等相關(guān)信息。當(dāng)需要對發(fā)射裝置進(jìn)行掃描,無線傳感器將對該發(fā)射機(jī)進(jìn)行掃描,并通過電子郵件通知用戶查看和下載相關(guān)資料;當(dāng)用戶掃描或接收到電磁頻譜圖時(shí),可以使用鍵盤或鼠標(biāo)操作來查看或下載。

        無線電傳感器是通過射頻技術(shù)掃描發(fā)射裝置并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行分析和存儲(chǔ),這種射頻技術(shù)與常規(guī)的微波掃描不同,它不需要人員參與、只監(jiān)測單個(gè)發(fā)射設(shè)備上的電磁波信號(hào),并且只需要發(fā)出一次信號(hào),無需其他探測設(shè)備和分析工具。

        (二)通信技術(shù)

        在電磁頻譜監(jiān)控中,無線傳感器是一種普遍使用的通信方式,針對WSN的特點(diǎn),提出了一種基于WSN的WSN模型。由于不同類型的無線傳感器使用不同的頻段,接收的信號(hào)也不一樣。因此,為了保證信號(hào)在正常傳輸中不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)雜現(xiàn)象,因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以確保信號(hào)在傳輸過程中不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)雜現(xiàn)象。

        接收技術(shù)是指利用某種通信技術(shù)在無線傳感器之間或與其他無線傳感器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。由于無線傳感器與其攜帶的發(fā)射接收裝置之間存在通信距離,因此在使用資料傳送技術(shù)之前,需要計(jì)算每個(gè)無線傳感器與其他無線感測系統(tǒng)之間的通訊距離。目前,最有效的方法是使用微波天線等微波技術(shù)來進(jìn)行無線傳感器和其他無線感知系統(tǒng)的通信。

        微波天線是一種通過發(fā)送和接電磁波相互影響來工作的裝置,由金屬襯底、饋線和射頻電纜等組成。微波頻段是一種很好的信息傳輸方式,可以實(shí)現(xiàn)高效、高速的數(shù)據(jù)傳輸。將微波天線引入無線傳感器中,可以使其從無源檢測變成有源檢測,降低其受到的各種干擾,并且使用大功率、低成本的微波天線可以降低無線傳感器的電磁干擾效應(yīng)。

        同時(shí),針對多個(gè)WSN和不同WSN之間的通信方式,提出了一種可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)WSN間和不同WSN之間高速數(shù)據(jù)交換的方法,并且該方法具有成本低、效率高和易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

        四、WSN系統(tǒng)的優(yōu)勢及亮點(diǎn)

        無線電傳感器具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn),安裝和使用簡單方便,而WSN系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是無需布線即可在任何地點(diǎn)和時(shí)間完成對電磁頻譜數(shù)據(jù)的采集工作。

        (一)可實(shí)現(xiàn)高效率的常態(tài)化監(jiān)測

        在WSN系統(tǒng)中,無線電傳感器設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)全天候7×24的頻段監(jiān)測,可以用來對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全天候7×24的采集和分析。通過長時(shí)間和多設(shè)備進(jìn)行原始數(shù)據(jù)積累,從而了解無線電波的運(yùn)行規(guī)律和變化趨勢,并規(guī)避可能存在的盲時(shí)和盲區(qū)。例如,可以通過對歷史數(shù)據(jù)的檢索、自動(dòng)采集信號(hào)樣本等方式探測夜間或凌晨時(shí)段容易出現(xiàn)的“黑廣播”信號(hào)[1]。

        (二)可同時(shí)進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)分析

        通過對目標(biāo)不一致性進(jìn)行綜合分析,WSN系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)分析和儲(chǔ)存工作,還可以根據(jù)所返回的頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù),對每一掃描過程中探測到的信號(hào)與臺(tái)(站)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析,并判斷哪些是已知的臺(tái)(站)信號(hào),哪些是暫時(shí)未知的信號(hào)。對于暫時(shí)已知的合法臺(tái)(站)信號(hào),可以判斷現(xiàn)階段臺(tái)(站)的基本發(fā)射狀態(tài)情況或是否存在超標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射等問題;對于監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的未知信號(hào),可以對其出現(xiàn)的時(shí)間、接收的強(qiáng)度、信號(hào)帶寬與信噪比等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。WSN系統(tǒng)還可以用來對公眾移動(dòng)通信信號(hào)的頻段占用度進(jìn)行分析,也可以利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對其他頻帶或者頻道的占用情況進(jìn)行基本分析,最終生成監(jiān)測報(bào)告[1] 。

        (三)使用場強(qiáng)泛定位功能實(shí)現(xiàn)對不明信號(hào)的監(jiān)測定位

        通過對目標(biāo)不一致性進(jìn)行分析,WSN系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)分析和儲(chǔ)存。在城市人口密集區(qū),由于發(fā)射功率較小、發(fā)射天線不高、發(fā)射源容易受到城市建筑物的影響,利用固定監(jiān)測站進(jìn)行監(jiān)測測向的能力受到限制。因此加強(qiáng)對城市重點(diǎn)區(qū)域、電磁環(huán)境復(fù)雜區(qū)域的無線電信號(hào)的監(jiān)測,可通過密集部署無線電傳感器來增強(qiáng)監(jiān)測能力,借助多臺(tái)設(shè)備對相同信號(hào)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行全面分析,并結(jié)合“泛定位”功能,快速判斷震源的大致位置。

        (四)通過TDOA/POA方式快速定位發(fā)射源

        1.TDOA定位

        TDOA(Time Difference of Arrival,到達(dá)時(shí)間差)是一種通過分析信號(hào)到達(dá)不同監(jiān)測設(shè)備的時(shí)間差異來確定信號(hào)源位置的方法?;陔p曲線特性,通過計(jì)算兩個(gè)監(jiān)測設(shè)備時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),可以推斷信號(hào)源必須位于雙曲線的中心點(diǎn),即兩個(gè)監(jiān)測設(shè)備的重點(diǎn)位置。如果有三個(gè)監(jiān)測設(shè)備,可以確定三條雙曲線,而信號(hào)源的位置恰好滿足這三條雙曲線的交點(diǎn)。因此,使用TDOA/POA方法可以快速定位信號(hào)源。

        需要注意的是,TDOA定位需要具備以下條件:其一,至少需要3個(gè)或多個(gè)監(jiān)測設(shè)備同時(shí)監(jiān)測指定發(fā)射源,并具有一定規(guī)模的信噪比;其二,發(fā)射源是單一的,沒有同頻多址現(xiàn)象;其三,信號(hào)具有調(diào)制特征,即在不同的時(shí)刻存在差異。

        2.POA 定位

        POA定位又被稱為到達(dá)功率定位,是一種利用不同監(jiān)測設(shè)備接收到的發(fā)射源信號(hào)強(qiáng)度來反推發(fā)射源的位置的定位方法。在POA定位中,需要多個(gè)監(jiān)測設(shè)備能夠同時(shí)接收相同發(fā)射源信號(hào),這就對監(jiān)測裝置的布置能夠滿足此要求。例如,在密集布放的WSN系統(tǒng)中,由于有多個(gè)監(jiān)測設(shè)備可以同步接收相同信號(hào),這對于使用TDOA/POA方法進(jìn)行信號(hào)定位非常有利。此外,在選擇參與定位的監(jiān)測設(shè)備時(shí),可以通過分析之前的監(jiān)測數(shù)據(jù)來迅速選擇接收信號(hào)質(zhì)量最好的設(shè)備。

        五、結(jié)束語

        隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展,無線通信設(shè)備具有高帶寬、高速率和泛在性等特點(diǎn),并且越來越小型化。因此,傳統(tǒng)的固定監(jiān)測站用于采集空間電磁頻譜數(shù)據(jù),無論在監(jiān)測覆蓋面范圍、靈敏度上、還是監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息維度上,都無法滿足人們對無線技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的新要求。

        為了更好地管理無線頻譜資源,有效地維護(hù)空中電波的秩序,構(gòu)建一種新型的自動(dòng)化頻譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的缺陷與短板,并滿足當(dāng)前和未來某個(gè)階段的監(jiān)測需求。

        作者單位:馬進(jìn)英 甘肅省無線電監(jiān)測站甘南監(jiān)測站

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

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        [3]張宸,牛剛.“互聯(lián)網(wǎng)+傳感器”自動(dòng)化無線電數(shù)據(jù)采集平臺(tái)在無線電頻譜監(jiān)測管理中的應(yīng)用[J].中國無線電,2021(04):94-97.

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        馬進(jìn)英(1996-),男,本科,助理工程師,研究方向:無線電監(jiān)測,無線電頻率臺(tái)站管理。

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