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

摘要：無(wú)線傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的無(wú)線頻譜監(jiān)測(cè)裝置，主要設(shè)置在無(wú)線電頻率使用和無(wú)線電臺(tái)（站）設(shè)置較少的區(qū)域，作為固定監(jiān)測(cè)站的補(bǔ)充，用于對(duì)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(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及對(duì)重點(diǎn)區(qū)域無(wú)線電發(fā)射源進(jìn)行7×24小時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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

一、引言

新型無(wú)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(cè)領(lǐng)域得到了前所未有的發(fā)展。無(wú)線電傳感器以其小巧輕便的特性和寬頻率監(jiān)測(cè)能力，解決了傳統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)今復(fù)雜多變的無(wú)線電環(huán)境監(jiān)控的問(wèn)題。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、性能指標(biāo)等不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以劃分為兩種類(lèi)型。一類(lèi)傳感器在20～6000MHz波段內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(wú)線通信業(yè)務(wù)的監(jiān)測(cè)，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(wú)線電活動(dòng)。第二類(lèi)傳感器在20～1300MHz波段內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要用于對(duì)廣播電視臺(tái)（站），固定類(lèi)臺(tái)（站）、基地類(lèi)臺(tái)（站）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于該頻段內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)主要來(lái)自廣播電臺(tái)和基站等固定設(shè)備，因此這類(lèi)傳感器特別適用于這些設(shè)備的日常管理和監(jiān)測(cè)，包括頻率使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、非法電臺(tái)的檢測(cè)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(wú)線電傳感器布放靈活且功能完善。首先，無(wú)線電傳感器體積小，重量輕，安裝簡(jiǎn)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(wú)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(wú)線電環(huán)境監(jiān)控。最后，無(wú)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(wú)線電傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以滿(mǎn)足日常無(wú)線電管理的需求，更能為無(wú)線電環(huán)境保護(hù)、無(wú)線電資源合理利用等提供有力支持。在未來(lái)，無(wú)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(cè)。

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(guò)使用高性能的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)完成信號(hào)采集和信息處理，能夠在專(zhuān)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(lèi)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(cè)，并對(duì)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(wú)線傳感器系統(tǒng)之一，能夠通過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)接口與現(xiàn)有或未來(lái)系統(tǒng)集成，并與其他現(xiàn)有或?qū)?lái)新系統(tǒng)集成在一起，以實(shí)現(xiàn)無(wú)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(lái)，無(wú)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(wèn)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(chǎng)檢修，在減少了人工維護(hù)的工作量的同時(shí)，能夠按照無(wú)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(wú)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(wú)線4G傳輸方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸費(fèi)用大概是DDN傳輸專(zhuān)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(wú)線電傳感器節(jié)點(diǎn)由電子元器件構(gòu)成，這使得無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是在無(wú)源的環(huán)境中工作且有較高的抗干擾能力，所以對(duì)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(cè)時(shí)，需要了解所使用電磁波頻率。在監(jiān)測(cè)中，需要利用雷達(dá)、射電望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備測(cè)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(lái)說(shuō)，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(cè)到電磁輻射時(shí)，可采用其他途徑進(jìn)行測(cè)量。例如，可以利用電子羅盤(pán)等設(shè)備測(cè)量；也可以采用激光、微波、電磁波等方法進(jìn)行測(cè)量；還可利用無(wú)線技術(shù)對(duì)發(fā)射波頻率進(jìn)行自動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)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(zhuān)用的硬件來(lái)完成其工作，還需要專(zhuān)用的軟件環(huán)境來(lái)處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此WSN的硬件開(kāi)銷(xiāo)非常大。雖然傳統(tǒng)的WSN系統(tǒng)也能夠?qū)o(wú)線信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)、分析與測(cè)量，但主要依 賴(lài)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(duì)微機(jī)的監(jiān)控與測(cè)量。由此可見(jiàn)，新一代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)電磁頻譜的監(jiān)控有著特殊的優(yōu)勢(shì)。

三、WSN系統(tǒng)的主要功能

（一）電磁頻譜監(jiān)測(cè)

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(cè)量單元、射頻/微波組件和用戶(hù)輸入端。無(wú)線電傳感器被放置在目標(biāo)無(wú)線電設(shè)備附近，通過(guò)射頻器件將測(cè)量信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸部分，然后通過(guò)無(wú)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(hù)查看和分析。用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)以電子郵件地址傳輸?shù)接脩?hù)的界面地址和電子郵件地址，用戶(hù)可以使用該接口對(duì)電磁頻譜進(jìn)行分析，從而獲得電磁頻譜圖、無(wú)線電頻率和發(fā)射機(jī)參數(shù)等相關(guān)信息。當(dāng)需要對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行掃描，無(wú)線傳感器將對(duì)該發(fā)射機(jī)進(jìn)行掃描，并通過(guò)電子郵件通知用戶(hù)查看和下載相關(guān)資料；當(dāng)用戶(hù)掃描或接收到電磁頻譜圖時(shí)，可以使用鍵盤(pán)或鼠標(biāo)操作來(lái)查看或下載。

無(wú)線電傳感器是通過(guò)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(cè)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(wú)需其他探測(cè)設(shè)備和分析工具。

（二）通信技術(shù)

在電磁頻譜監(jiān)控中，無(wú)線傳感器是一種普遍使用的通信方式，針對(duì)WSN的特點(diǎn)，提出了一種基于WSN的WSN模型。由于不同類(lèi)型的無(wú)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以確保信號(hào)在傳輸過(guò)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(wú)線傳感器之間或與其他無(wú)線傳感器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。由于無(wú)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(wú)線傳感器與其他無(wú)線感測(cè)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(lái)進(jìn)行無(wú)線傳感器和其他無(wú)線感知系統(tǒng)的通信。

微波天線是一種通過(guò)發(fā)送和接電磁波相互影響來(lái)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(wú)線傳感器中，可以使其從無(wú)源檢測(cè)變成有源檢測(cè)，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(wú)線傳感器的電磁干擾效應(yīng)。

同時(shí)，針對(duì)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(shì)及亮點(diǎn)

無(wú)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(jiǎn)單方便，而WSN系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)是無(wú)需布線即可在任何地點(diǎn)和時(shí)間完成對(duì)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(cè)

在WSN系統(tǒng)中，無(wú)線電傳感器設(shè)備和監(jiān)測(cè)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(cè)，可以用來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全天候7×24的采集和分析。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間和多設(shè)備進(jìn)行原始數(shù)據(jù)積累，從而了解無(wú)線電波的運(yùn)行規(guī)律和變化趨勢(shì)，并規(guī)避可能存在的盲時(shí)和盲區(qū)。例如，可以通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的檢索、自動(dòng)采集信號(hào)樣本等方式探測(cè)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(guò)對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)每一掃描過(guò)程中探測(cè)到的信號(hào)與臺(tái)（站）數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)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(duì)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(wèn)題；對(duì)于監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的未知信號(hào)，可以對(duì)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(lái)對(duì)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(duì)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(cè)報(bào)告[1] 。

（三）使用場(chǎng)強(qiáng)泛定位功能實(shí)現(xiàn)對(duì)不明信號(hào)的監(jiān)測(cè)定位

通過(guò)對(duì)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(cè)站進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)向的能力受到限制。因此加強(qiáng)對(duì)城市重點(diǎn)區(qū)域、電磁環(huán)境復(fù)雜區(qū)域的無(wú)線電信號(hào)的監(jiān)測(cè)，可通過(guò)密集部署無(wú)線電傳感器來(lái)增強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力，借助多臺(tái)設(shè)備對(duì)相同信號(hào)的監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò)分析信號(hào)到達(dá)不同監(jiān)測(cè)設(shè)備的時(shí)間差異來(lái)確定信號(hào)源位置的方法?；陔p曲線特性，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備的重點(diǎn)位置。如果有三個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以確定三條雙曲線，而信號(hào)源的位置恰好滿(mǎn)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(cè)設(shè)備同時(shí)監(jiān)測(cè)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(méi)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(chēng)為到達(dá)功率定位，是一種利用不同監(jiān)測(cè)設(shè)備接收到的發(fā)射源信號(hào)強(qiáng)度來(lái)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(cè)設(shè)備能夠同時(shí)接收相同發(fā)射源信號(hào)，這就對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的布置能夠滿(mǎn)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(cè)設(shè)備可以同步接收相同信號(hào)，這對(duì)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(cè)設(shè)備時(shí)，可以通過(guò)分析之前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)迅速選擇接收信號(hào)質(zhì)量最好的設(shè)備。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)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(lái)越小型化。因此，傳統(tǒng)的固定監(jiān)測(cè)站用于采集空間電磁頻譜數(shù)據(jù)，無(wú)論在監(jiān)測(cè)覆蓋面范圍、靈敏度上、還是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息維度上，都無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)無(wú)線技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的新要求。

為了更好地管理無(wú)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(cè)設(shè)備的缺陷與短板，并滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)某個(gè)階段的監(jiān)測(cè)需求。

作者單位：馬進(jìn)英 甘肅省無(wú)線電監(jiān)測(cè)站甘南監(jiān)測(cè)站

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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