GSM移动通信网无线干扰的侦测与定位

兰州大学 硕士学位论文 GSM移动通信网无线干扰的侦测与定位 姓名：帅建利 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信 指导教师：李柏年;魏万军 20081101 摘 要 无线电技术是信息产业发展的重要先导技术，随着我国经济和社会的高速发展，各类 无线电业务已经进入了社会经济生活的各个领域。随着无线电业务的广泛开展，各种无线 电干扰也随之产生，干扰会影响正常无线电通信业务的开展。所以，帮助合法用户解决无 线电干扰是无线电管理部门的一项重要工作。本文通过对GSM无线干扰侦测、定位方法的 分析研究，出一些新的和方法，并由此延伸到全频段的无线电干扰的监测定位， 以便能够做到快速、高效的查处干扰源。 由于无线电频段范围较宽，所以本文只选取了社会广泛应用且具有一定代表性的GSM 通信系统无线干扰进行重点介绍；第一章主要介绍GSM信号及其干扰，第二章主要介绍了 常规无线电信号的监测方法、监测设备及监测手段等，第三章主要介绍了GSM的监测以及 GSM无线干扰的侦测和定位方法等。以上章节主要为后续章节研究GSM无线干扰的定位 方法提供理论依据。 第四章首先选取了一起较为典型的GSM干扰案例进行介绍，并通过对该干扰查处过程 的分析，在现有方法的基础上，总结出查找类似干扰的新方法，并提出了新的侦测规范。 由第四章对GSM干扰查处方法的分析结论，第五章则延伸至对全频段无线电干扰的监测定 位方法的研究，同时也提出了一些新建议并逐步在实际工作中进行验证和推广应用。 关键词： GSM，无线干扰，测向，监测，定位 IV ABSTRACT Radio technologyis theimportantforerunnerofcommunication industry，withtherapiddevelopmentofeconomyandsociety：a10t ofradi6operationshaveenteredeVeryfieldofoursociety’seconomy life．Withtheabroaddevelopofradiooperations：Varietiesofradio interferencesexisted，interferenceswi11 affectthenormalradio communications．So， it is radiomanagedepartment’s dutytos01Ve theinterferences． In this article， by ana1yzethemonitoringand locatingmethodofGSMradiointerferences，1 wil1 giVesomeadVises， andextendtothewh01eradiofrequencies， inordertolocatingthe interferencesourcerapidly andefficiently． Duetothewiderangeofradiofrequencies， IjustchooseGSMradio interferencewhichis themostrepresentativeonetointroduce．In chapter one， intr。duced GSMcommunication system andits interferences．Themainideaofchaptertwoandthreeisthemonitoring andlocatingmethodsanddevicesofGSMandOtherradiofrequencies． Al1 ofthesechaptersarepreparedtoresearchthelocatingmethods ofGSMradio interferences． First，工 choosea typicalcaseofGSMradiointerferenceto introduceinchapterfour，andbyanalyzethe10catingprocessofthe interference，summarizethemethodsof10catingtheinterferences， finally 1 wi11 givesomeadvises． Bytheanalyzeconc1usionofGSM interferencelocatingmethod，Iextendedthediscussiontothewhole radiofrequencybandinterferencelocatinginchapterfiVe，atthe sametime， 1 will give someadvise on howto locating the interferences． Keywords：GSM，radiointerference，directionfinding monitoring，10cating V 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的 成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明 出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的 科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：立章札 日 期：卫心≈-lA纠q lI 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本 人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门 或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 ⋯一：糨翩签名撞⋯泐川．≥， III 1．1GSM无线通信系统概述 1绪 论 1．1．1GsM系统历史背景 上世纪70年代初，贝尔实验室提出蜂窝系统的覆盖小区的概念和相关的理论后，立即 得到迅速的发展，很快进入了实用阶段。在蜂窝式的网络中，每一个地理范围(通常是一 座大中城市及其郊区)都有多个基站，并受一个移动电话交换机的控制。在这个区域内任 何地点的移动台车载、便携电话都可经由无线信道和交换机联通公用电话网，真正做到随 时随地都可以同世界上任何地方进行通信，同时，在两个或多个移动交换局之间，只要制 式相同，还可以进行自动和半自动转接，从而扩大移动台的活动范围。因此，从理论上讲， 蜂窝移动电话系统可容纳无限多的用户。第一代蜂窝移动电话系统是模拟蜂窝移动电话系 统，主要特征是用模拟方式传输模拟信号，美国、英国和日本都开发了各自的系统。 在1975年，美国联邦通信委员会(FCC)开放了移动电话市场，确定了陆地移动电话 通信和大容量蜂窝移动电话的频谱，为移动电话投入商用作好了准备， 1979年，日本开放 了世界上第一个蜂窝移动电话网。其实世界上第一个移动电话通信系统是1978年在美国芝 加哥开通的，但蜂窝式移动电话后来居上，在1979年，AMPS制模拟蜂窝式移动电话系统在 美国芝加哥试验后，终于在1983年12月在美国投入商用。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并 增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上 述模拟系统有四大缺点： (1)各系统间没有公共接口； (2)很难开展数据承载业务； (3)频谱利用率低，无法适应大容量的需求； (4)安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。 尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。 GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来 的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成n1。 早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT(北欧移 动电话)和英国的TACS(全接入通信系统)，西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统 是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系 统，1982年北欧国家向CEPT(欧洲邮电行政大)提交了一份建议书，要求制定900MHz频 段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会(ETSI)技 术委员会下的“移动特别小组(GroupSpecialMobile)简称“GSM”，来制定有关的标准 和建议书。 1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系 统进行了现场实验。 1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测 RPE—LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。同年，欧洲17个 国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录(MoU)，相互达成履行规范的协议。与此同时还 成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。 1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为 一套12系列。 1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将 GSM更名为“全球移动通信系统”(GlobalsystemforMobileco栅unicati。ns)。从此 移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频 段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSl800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能 特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCSl800之间的差别加以描 述，绝大部分二者是通用的，二者均可通称为GSM系统。 1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界 上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均 增长超过50％。 1993年欧洲第一个DCSl800系统投入运营，到1994年已有6个运营者采用了该系统。目前 世界GSM移动通信系统已经发展到了2．5代，被统称为2．5G。部分国家已经开通了3G网络， 而我国也将会在近年开通3G网络。 1。1。2GsM在我国的发展 我国开始在1987年开始使用模拟式蜂窝电话通信，1987年11月，第一个移动电话局 在广州开通。 1993年9胃18目，浙江嘉兴首先开通了我国第一个数字移动通信网。1994年lO月， 第一个省级数字移动通信网在广东省开通，容量为5万门，从此GSM手机在国内迅速成长， 发展到今天几乎人手一机的光辉业绩。 2 回顾我国移动电话10多年的发展历程，我国移动通信市场的发展速度和规模令世人瞩 目，中国的移动电话发展史是超常规、成倍数、跳跃式的发展史。 自1987年中国电信开始开办移动电话业务以来到1993年用户增长速度均在200％以上， 从1994年移动用户规模超过百万大关，移动电话用户数每年几乎比前一年翻一番。1997年 7月17日，我国移动电话第1000万个用户在江苏南京诞生，标志着我国移动通信又上了一 个台阶，它意味着中国移动电话用不到10年时间所发展的用户数超过了固定电话1lO年的 发展历程。2001年8月，中国的移动通信用户数超过了1．2亿，已超过美国跃居为世界第 一位。截止2008年初我国移动电话用户总数已超过5亿瞳3。 目前我国移动通信网用户已经超过了固定电话用户，移动网络用户的增长速度名列世 界第一位，移动用户总数跃居世界第一位。 1．2无线电干扰简述 1．2．1干扰 指由于一种或多种发射、辐射、感应或其组合所产生的无用能量对无线通信系统的接 收产生的影响，其表现为性能下降、误解、或信息丢失，若不存在这种无用能量，则此后 果可以避免嘲。 1．2．2干扰的划分 干扰从接受程度上可以分为三种，即允许干扰、可接受干扰和有害干扰。 允许干扰：观测到的或预测的干扰，该干扰符合国家或国际上规定的干扰允许值和共 用标准。 可接受干扰：干扰电平虽高于规定的允许干扰标准，但经两个或两个以上主管部门协 商同意，且不损害其他主管部门利益的干扰。 有害干扰：危害无线导航或其他安全业务的正常运行，或严重的损害、阻碍、或一再 阻断按规定正常开展的无线电通信业务的干扰H3。 本文主要讨论的是第三种即有害干扰对GSM移动通信网络的影响。 1．2．3有害干扰 有害干扰是对GSM移动通信网络造成干扰的最主要因素，有害干扰的存在极大的损害 了GSM移动通信网络及其它合法的无线电频率用户的正常通信和信息安全；有害干扰的来 源十分广泛，一切电子设备都有可能成为有害干扰的辐射源头，经过几年的工作经验总结， 大体可将有害干扰的主要来源分为以下几类。 3 无线电发射台所产生的电磁干扰；工、科、医高频设备在完成自身设计的功能时，同 时向空间辐射大量的电磁能量，如工业高频感应炉、塑料热合机、木材胶合机、X射线机和 工厂的各种电器设备、本机震荡器产生的干扰；高压输电线路的电晕放电、绝缘体或其他 线路附件两端的局部放电、电气化铁路的火花放电、城市电车的火花放电、内燃汽车的点 火装置放电和抽水机，粉碎机各种农用机械电器装置等。 常见的有害干扰又可分为以下几类： (1)同频干扰 两个以上电台使用同一频率而产生的干扰。其原因主要是用户单位私自乱用频率，各 级无线电管理机构协调不够，没有及时贯彻国家无委改频文件造成干扰等。 (2)阻塞干扰 当接收天线附近有一个非同频的大功率信号时，而该大功率信号的发射天线与接受天 线没有垂直隔离，则该大功率信号很容易对附近的接收机阻塞，从而使之不能正常接收到 信号。 (3)临道干扰 临道干扰是由于发射带宽超宽，该信号的边带信号落到左、右临道的功率超出规定值， 从而对左、右临道的其它无线电信号造成了干扰。 (4)杂散发射干扰 由于发射机杂散发射指标不合格而对其它电台产生的干扰。在上世纪90年代，我国寻 呼业处于非常发达，寻呼发射机型号五花八门，很多发射机都不符合国家标准，发射指标 较差，杂散发射指标往往数倍于国家标准，经常发生寻呼台相互干扰或干扰其它无线电台 的事情。 · (5)接收灵敏度过高引起的干扰 这类干扰主要由天线过高或者接收机灵敏度过高所引起，当一台接收机的天线位置过 高或者接收机灵敏度过高时，就容易接收到很远距离外的同频信号，从而产生干扰，所以 在满足自身需求的前提下，接收天线和接收机灵敏度可适当调低。 (6)发射机互调干扰 当两个或两个以上发射机发射天线距离较近，且频率也相近时，一台发射机的功率就 很容易通过天线耦合到另一台发射机内部，从而在另一台发射机内部的功放级产生互调， 而后再发射到空中，所以发射机互调信号是真实存在的，可由其它接收机收到，从而造成 干扰。发射机互调可通过加装滤波器或者单向器就可消除。 (7)接收机互调干扰 在接收机天线端，由于环境因素，天线的接头、触点等锈蚀后会具有半导体的单向导 电性，在强信号下就可产生互调信号，这种互调信号只在接收机内部产生，在空中并不存 在。 (8)发射机互调和接收机互调混合干扰 当几个距离很近的发射天线所发出的互调信号，传至较近的接收天线时，就会与其它 信号再次产生互调，从而引起收、发混合的互调干扰。这种干扰成因复杂，一般很少遇到晦1。 大多述有害干扰都属于无意干扰，即产生干扰的一方并未意识到自己所使用的设备已 经影响到了其他无线电频率用户的正常通信；另一类干扰则属于恶意干扰，虽然在干扰案 例中只占极小部分，但这种干扰所造成的影响是极其恶劣的1 1．3干扰对GSM网络的影响 GSM移动通信网络的上下行信号占用不同的频段，无论对上行或者下行信号进行干扰， 都能够对正常的通信造成影响。干扰较弱时，遭到干扰的一方可能表现为通话时断时续、 掉话率较高等现象；干扰很强时，可能表现为移动终端无法接入网络，或能够接入网络， 但连续呼叫被叫方，被叫一直无法接通等现象。 无线电干扰对GSM移动通信网络造成的影响是非常严重的，较强的干扰往往会使在某 一特定区域内的所有GSM用户都无法使用该网络进行通信，如果处理的周期过长，会导致 GSM通信网的长时间瘫痪，这种长时间的通信中断可能会在被干扰地区GSM用户中造成恐慌， 其产生的负面社会影响甚至比所造成的经济损失更加严重，而影响的程度也更加深远! 及时地发现和排除干扰是无线电管理部门的义务与职责所在，但由于技术水平和监测 手段等多方面因素的制约，我国的干扰监测和查处并没有一种高效、及时的方法，在以下 的章节中，将通过对目前所普遍使用的方法的分析，总结出本人对GSM网络无线电干扰监 测、定位的一些意见和建议，以期在今后的无线电管理工作中能够更加及时、有效的消除 干扰信号造成的影响，保障无线通信安全。 2无线电信号监测概述 2．1监测设备 作为无线电信号管理的重要手段，接收机在无线电信号的监测和无线干扰的定位等方 面起到了至关重要的作用。接收机性能的高低也就直接决定了频谱管理工作的效率。我国 目前使用较为普遍的接收机主要有监测接收机、频谱分析仪等。这些仪器在无线电管理工 作中担当着不同的角色，有的可作为日常的无线电信号监测设备，有的在发生干扰时可对 干扰信号进行测向、定位。 2．1．1侦查与监测接收机 在我国无线电管理部门使用较多的是侦查与监测接收机，侦查与监测接收机是指用于 各种无线电信号侦查与监测的接收机，本文中涉及的主要是无线电通信信号的侦查与监测 接收机。他们的用途是对通信信号进行搜索、截获、测量、分析、识别、监视，以及对辐 射源进行测向和定位，以便获得信号的技术参数、辐射源位置、相关信息和情报。各种侦 察与监测的接收机至少可以完成上述的一种功能，按用途和功能进行分类，国内外对这种 接收机的称谓也就有了不同。 国内对这种接收机的称谓也有不同，可以粗略的将其分为监视接收机、分析接收机、 搜索截获接收机和测向接收机。但就一部接收机而言，它可能同时具有两种或两种以上的功 能。例如：一部分析接收机通常即可以完成分析功能，又可以完成监视和搜索截获功能， 有时它还可以作为测向的信道机。但也有一些接收机只能完成某种功能，例如，某些宽带 快速搜索截获接收机只能完成快速搜索截获功能∞3。 监视接收机或监听接收机功能单一，主要用于信号的监听和信号是否存在的监视。在 构成上与通信接收机毫无二致，一般而言，通信接收机就可用作监视接收机。 测向接收机根据测向体制的不同而有着不同的要求，一般可分为单信道和多信道测向 接收机。从测向系统的构成可以看出，测向接收机或者信道是其非常重要的组成部分，如 果不考虑天线和测向数据处理部分，测向接收机与一般的通信接收机并没有多大的区别， 只是接收机对载有来波信息的信号参数不引入失真，各种通信接收机都可以作为测向系统 的接收机。例如，在比幅测向体制中，接收机不引入严重的幅度失真，就可以用于幅度测 向机。同理，在比相测向中，接收机不引入严重的相位失真，就可以用于相位测向机。大 多数通信接收机和侦查接收机是满足这一要求的耵1。但对于多信道测向接收机，除了这个要 求之外，还要求各信道之间具有相同的特性，即要求他们有相同的频率、相位和幅度特性， 6 并在条件变化时也能保持这种一致性。在不能满足特性一致要求的情况下，也应使这些特 性的变化不具有跳变性质，它们的变化应该是单调和平滑的，以利于补偿或者修正。 在民用无线电频率管理中，可根据工作的具体需要把对侦查与监测接收机的一些要求 概括为以下几个方面： (1)较宽的工作频率范围； (2)能够迅速的修改某个或者多个工作参数； (3)能够通过标准韵数据接口输入或者输出重要参数； (4)具有适应各种信号带宽和调制方式的接收带宽和解调方式： (5)操作简单，只需手工就可以介入每种操作功能，也可遥控或通过计算机控制； (6)动态范围； (7)高灵敏度，以便对弱信号的接收； (8)体积小、重量轻、省电、适合移动工作： (9)能咀较低的费用构成同时搜索截获和监视多个信号的系统⋯1。 2 1 2频谱分析仪 一般来讲，频谱分析仪是相当贵重的仪器，具有很强的信号频谱分析能力。但其体制 仍然是一种超外差接收机。早期的频谱分析仪是一种本振扫描体制的多次变频超外差接收 机，其原理与窄带频宽扫描搜索截获接收机相同。不同之处是这种频谱分析仪通常可以覆 盖10M}Iz．40GHz或更宽的频率范围。图21就是一个典型的宽工作频率范围的频谱分析仪， 它有两个调谐预选器，根据工作需要进行自动转换。最低频段为OlMHz到2MHz，第一中 频为25MHz(本振能够从450MH}2500MHz扫描)。然后，当信号频率变到2GHz以上时， 第一中频就变到50讣mz，这样就可以用同一个扫描本振对整个频段信号进行分析。其余部 分则与窄带频宽扫描搜索截获接收机相同。 圈瞧垦璧曼飘黔二酉震箨雪雪霹擎蓟1釜量封 图2．1频谱分析仪 现代的频谱分析仪大多采用前段宽开加上后端数字护理的体制。与其他接收机相比， 频谱分析仪比任何一种接收机的功能和适应性都强。它的这些特性包括： (1)工作频率范围很宽，低端可低到O．1MHz，高端可达到40GHz或者更高； (2)观察带宽的可调节，可从数十千赫到几百兆赫； (3)工F带宽或分析带宽可调节； (4)本振的扫描速率或增减抽样点数可大范围调节； (5)检波后带宽可调节； (6)增益可控 (7)良好的前端电路，包括大的动态范围和低噪声性能；． (8)各种各样的时域和频域显示，以及光标指示； (9)可编程性等睛1。 频谱分析仪在电子产品研发、生产，通信设备检测等领域有着非常广泛的应用，但它 不仅可以用作信号频谱分析的工具；当对实时性要求不高时，它还是一种性能良好的监测 设备，通过它可以获得信号的频谱特性和各项相关参数。 2。2无线电信号监测的主要任务 无线电监测的主要任务是对特定地域的无线电信号进行搜索、截获、测量、分析、识 别、监视，以及对辐射源测向和定位，以获得其技术参数、功能、类型、位置和用途以此 作为根据，实施对无线电信号的监管或对电子进攻实施支援。 实施有效的无线电监测不仅需要先进的监测设备，还需要有经验丰富的技术人员，以 及完善的数据库等多方面要素的配合。这样才能得出有效、真实的监测结果，才能对空中 电波秩序的维护和频率的管理提供有力的技术支持。 2．2．1对信号实施搜索截获 对信号的搜索、截获是无线电监测最终要的任务。其具体实施是：利用无线电监测网， 在控制中心的控制下，对各种信号进行搜索和截获。在目前的无线电管理工作中，在信号 的各种参数处于未知的情况下，一般使用全向天线对信号进行搜索，搜索的主要目的是频 率搜索啪1。 对于频率域搜索可以用窄带监测接收机的步进方式进行，也可以用扫描搜索接收机进 行，更可以用各种宽开接收机或者它们的组合进行。对于不同的信号，可以使用不同的接 收机进行搜索截获；但随着新技术和新设备的使用，接收机正朝着数字化和宽带化发展， 对于不同无线电信号的监测只需要在接收机的控制段更改软件的设计就可以实现。 通过对信号的不断搜索截获主要为了得到如下信息： (1)信道占用情况； (2)信号活动情况，包括信号持续时间，平均工作时间： (3)信号占用的频率范围，即信号贷款； (4)信号电平分布情况； (5)新信号包括干扰信号的发现等。 2．2．2对信号进行测量 对信号测量是在搜索接收机引导下通过监测接收机来实现。测量的参数包括： (1)信号频率； (2)信号电平，其中包括信号场强、谐波及其他杂散发射信号的电平； (3)信号占用带宽； (4)信号的调制情况； (5)噪声电平等。 2．2．3对信号的监听监视 对信号的监听和监视也是通过监测接收机实现的。其具体内容包括： (1)对解调后的信号进行监听； (2)通过显示器对信号在频域、时域和调制域等进行监测乜引。 2．2。4对信号的分析处理 在无线电监测中，为了对无线电信号的监管，需要对接收到的信号进行处理，以辨别 出不同信号的类型，目前这些工作都可以由监测接收机来完成，分析的主要目的包括： (1)区分合法信号和非法信号； (2)通过分析，发现各信号之间的相互影响； (3)确定不同频段的信号占用及分配情况： (4)掌握干扰的活动规律； (5)监测数据的处理和监测报表的生成等乜副。 2．2。5对信号的识别 对信号的识别主要由监测接收机结合与其关联的台站数据库来实现的，主要内容包括： 调制类型识别： 9 (1)特定信号的识别，包括合法用户与非法用户的识别等； (2)信号调制类型的识别等； (3)违规信号的确认等。 2．2．6信号辐射源的侧向定位 对信号辐射源的侧向定位主要由侧向接收机或定位系统来实现的。具体包括： (1)对信号辐射源进行侧向交汇，以确定辐射源的方位； (2)获取辐射源的分布图，为信号识别提供依据国1。 2．2．7其他功能 其他功能包括监测网的管理和控制功能，主要有： (1)数据库，包括应用数据库、原始数据库和动态数据库； (2)监测数据的导入和导出； (3)与外部的数据连接功能，通过数据接口与其它无线电管理业务相连，从而实现资源的 共享；在实际的无线电监测工作中，可将监测方式分为常规监测、重点地域监测、目标查 找与确认、跨区域无线电联测等乜引。 常规监测和重点地域监测的主要项目包括： (1)测量各种辐射源的频率、场强、谐波和杂散等； (2)测量并各种信号的参数； (3)测量并记录特定频段或信道的占用情况； (4)通过监测掌握各种无线电台的工作时间； (5)通过测试确定新申请台站所使用频段、频率的电磁兼容情况，为频率的审批、指配提 供前期数据； (6)为某些部门的工作收集数据，通过持续的监测和监听，掌握某些特定频率的使用情况。 2．3GSM信号的监测 2．3．1GSM信号的频率特性 我国目前使用的是2．5代GSM移动通信网络，从频段可分为GSM900和GSMl800两种， 二者使用不同的频段： GSM900：上行890—915MHz，下行935—960MHz； GSMl800：上行1710一1785MHz，下行1805—1880MHz。 上行频率用作移动台向移动基站发射信号，下行频率则是移动基站向移动台发射信号， 10 在上行和下行信号之间存在20础z的频率间隔，称作保护带宽，以防止上下行频率问的相 互干扰i由此可看出，GSM网络采用的是异频双工的工作方式。 2 3 2 GsM信号的日常监测 为了保证某些无线电台、站的通信安全，需要进行长期的和持续的监测，这种监测就 被称为日常监测。 GsM无线通信网络是我国公众通信网络的一个重要组成部分，所以对GsM网络的日常监 测也就成为我国无线电管理工作的一项长期任务，通过对GSM网络的日常监测，通过对其 频谱的观察就可初步判定监测站周围GsM信号的工作状况。 图2—2GsM上行信号 我国的GsM网络采用的是发高收低的接收方式，即由移动台向基站发射的信号使用相 对低的频段，由基站向移动台发射的信号则在相对较高的频段，也就是上行信号的终止频 率加上25洲z就是下行信号的起始频率。由移动台发出的信号功率一般都很低，并且在时 间、频率和空间上都是离散的，在频谱上就表现为快速变化的瞬时尖峰信号；由基站发出 的信号由于要覆盖一定的范围，所以功率较强，在频谱上表现为一个电平连续变化的宽带 信号。 国2—3GsM下行信号 由于有较宽的保护带宽和25M}iz的发射带宽，以及相对较强的发射功率，从而使GsM 网络天生就具有别的移动通信系统无法比拟的抗干扰能力。当GsM频段受到干扰时，从频 谱上主要表现为底噪声抬高，或者有其它信号叠加在GsM频率上，对信号形成压制。当GsM 上行信号被干扰时，主要表现为移动台无法接通基站，或者虽然能够与基站接通，但掉话 率较高，无法正常通话；GsM下行信号相对抗干扰能力较强，需要持续的宽带大功率信号才 可对其进行完全压制。 鬣雾鍪，≯≯。≤j，。≯’囊要鎏 隧i ●_ I ．■- If j ．㈨ l 《 Ij‰ h ∥＼，螋f掣 战 d H Lh^札』 门。f Ⅳ 刨趔VWVVu州 医 图24被干扰后的GSM上行信号 图2—5被干扰后的GsM下行信号 基于上述特性，目前所遇到较多的G剐无线干扰主要是用阃于拭和会场净化器两类干 扰。网间干扰主要由基站分布不均，网络优化不合理等原因造成；而会场净化器干扰则属 于人为故意干扰，干扰方的主要目的是阻断GSM信号覆盖区域的移动通信信号，多用于保 护信息安全和维护会场秩序。这两类干扰信号较为常见，并且由于其发射功率一般较大， 所以便于接收，而由于这两类干扰发生较频繁，所以也是各地无线电管理部门日常监测中 的重点监测对象。 14 3无线电信号定位原理及其分类 3．1无线电测向的历史 通过测量无线电波的特性参数，测定电波的传播方向，进而确定其辐射源所在方向的 过程，称为无线电测向，或无线电定向，简称测向。 无线电测向的历史已有近百年，1908年德国制成世界第一台无线电测向议(无线电罗 盘)，1926年出现了第一个地面无线电信标，供航海、航空事业中的无线电导航用，在航行 中的舰船和飞机利用其自身安装的测向机，通过对地面的已知无线电信标台进行测向，就 可以确定其自身的空间位置n引。 最早的无线电测向用于导航，后来在军事方面发挥了很重要的作用并得到了快速的发 展。 测向在我国已有50多年的历史，开始时是用于军事HF测向，VHF／UHF测向在我国也有 近40年的历史。目前无线电测向在无线电管理中也发挥着极其重要的作用。 3．2测向的用途 无线电测向技术是现代通信、导航、国防、无线电管理和科研等领域中的重要组成部 分。 无线电测向，是依靠测量空间电磁波的无线电设备来完成的。对被测得发射台的方向 判断是否准确，除了要求无线电测向设备具有良好的性能之外，还依靠人们对电磁波传播 规律的认识，因此电磁波的传播情况，电磁波的各种极化及多径效应和接收特点都是我们 在工作中所遇到需要分析的n引。 由于无线电测向不发射信号，而是主要通过接收辐射源信号确定其来波方向的，所以 不会对其他信号造成干扰，也不会因为辐射电磁波而暴露测向站的位置，同时又具有良好 的保密性和较远的探测距离，从而使这种无源测向得到了广泛的应用。目前我国绝大部分 的无线电测向站均使用无源测向方式。 通过使用无线电测向，可完成以下几项主要任务： (1)辐射源的定位 利用电磁波确定辐射源的位置，成为无线电定位，简称定位。目前使用较为普遍的定 位方法为交汇定位，即通过两个或两个以上测向站对同一辐射源进行测向，再将各站的测 向结果显示在同一幅电子地图上，各站测向方向线的交汇点及其周边几百米的范围内即为 辐射源的大致方位；一般参与的测向站越多，则定位越精确。 可通过不同地点的测向站对同一辐射源进行交汇定位；也可以使用移动测向站在行进 中对辐射源进行连续测向，通过比对测向结果不断修正测向站的方位，是移动测向站向着 辐射源的来波方向逼近，直到目的地。 (2)移动辐射源轨迹的描绘 图3—1辐射源定位原理示意图 利用测向站对移动中的辐射源进行连续或者等时间间隔的测向定位，让后将这一系列 定位坐标标注在地图上，就可得到该辐射源的移动轨迹。这种定位方式一般用于移动无线 电台站的跟踪监测。 (3)非法辐射源和干扰源的查找 通常情况下，大部分非法信号和干扰信号的位置都是未知的，其位置的确定主要是利 用无线电测向站来确定的。在使用无线电测向站对信号源进行粗略定位后，监测人员就可 携带便携式测向设备前往初步定位的地区，对信号源实施精确定位n训。 上述只是无线电测向在民用无线电管理中的主要任务，而其在其他领域也有着广泛的 用途。例如军事上为电子压制提供干扰引导，为精确制导武器提供目标引导等。 3．3无线电测向类型分类 3．3．1一般分类方法 16 基于不同的定位，无线电测向机或测向系统有着下列不同的分类方式： (1)按照工作频段可分为：超长波、长波、中波、短波、超短波和微波测向机； (2)按照工作方式可分为：固定、移动测向机。而移动测向机根据搭载平台的不同又可分 为：车载、船载、机载和星载以及便携式测向机等； (3)按照测向机的探测距离可分为：近距、中距和远距测向机； (4)按照测向天线间隔(基础、孔径)尺寸与波长比较的大小可分为：大基础、中基础和 小基础测向机； (5)按照天线类型可分为：有源和无源测向机。还可根据测向机具体使用的天线类型分为： 环形天线、交叉环形天线、间隔双环形天线、单极子、对称阵子、对数天线、形波环 天线、磁性天线、微波透镜天线测向机等： (6)按照测向机石向度读出的方式亦可分为：听觉、视觉测向机； (7)按照测向机使用的接收机信道数可分为：单信道和多信道测向机； (8)根据实际用途还可分为：军用、民用测向机等； (9)在工程上还可根据是否转动测向天线分为：搜索式和截获式测向机，需要指出的是搜索 式测向机是在空间域的搜索，即通过旋转天线寻找辐射源的最大来波方向，而非频率域上 的搜索n¨。 上述的分类方法大多是根据测向机的某一特性来进行分类的，只能反映出测向机某一 方面的特性，而目前使用的决大部分测向机往往具有上述好几种分类中的特性。为了避免 这种片面的类型划分，我们还使用了一种按照测向机所使用的测向体制来进行划分的发式， 这种方式揭示了不同测向机的工作原理。 3．3．2按测向体制分类 大致可分为以下几种测向体制： (1)幅度比较式 幅度比较式测向体制的工作原理是：依据电波在行进中，利用测向天线阵或测向天 线的方向特性，对不同方向来波接收信号幅度的不同，测定来波方向。 例如：间隔设置的四单元U形天线阵、小基础测向(阿德考科)机。其表达公式如下 所示。 Uns=kUl3sin9C0ss U。=尼U24CDJa∞s占 ‰鸭等 (3—1) 上面的公式中：U。。＼U。分别为北一南、东一西天线感应电压，口为来波方位角，s为来波 仰角，k为相位常数， 尼：坐 (3．2)庀=—— Lj-ZJ 见 其中：b为天线间距，五为工作波长n91。 幅度比较式测向体制的原理应用十分广泛，其测向机的方向图也不尽相同。例如：环 形天线测向机、间隔双环天线测向机、旋转对数天线测向机等，属于直接旋转测向天线和 方向图；交叉环天线测向机、U形天线测向机、H形天线测向机等，属于间接旋转测向天线 方向图。间接旋转测向天线方向图，是通过手动或电器旋转角度计实现的。手持或佩带式 测向机通常也是属于幅度比较式测向体制。 幅度比较式测向体制的特点：测向原理直观明了，一般系统相对简单，体积小，重量 轻，价格便宜。但小基础测向体制存在间距误差和极化误差，抗波前失真的能力受到限制。 频率覆盖范围、测向灵敏度、准确度、测向时效、抗多径能力和抗干扰能力等重要指标， 需要根据具体情况而分析。 (2)沃特森一瓦特测向体制 沃特森一瓦特测向体制的工作原理：这种测向体制其实也属于幅度比较式的测向体制， 但是它在测向时不时采用直接或间接旋转天线方向图，而是采用计算机求解或显示反正切 值。 沃特森一瓦特测向体制的特点：多信道的沃特森一瓦特测向机测向时效高，速度快，在 良好的场地上测向准确，而且由于采用CRT显示方式，还可以分辨同信道干扰。该体制测 向天线属于小基础，测向灵敏度和抗波前失真受到限制。多信道体制系统复杂；双信道接 收机实现相位、幅度一致有一定的技术难度；单信道体制属于小基础，系统简单，体积小， 重量轻，但是测向速度受到一定限制。 (3)干涉仪测向体制 干涉仪测向体制的工作原理：根据电波在行进中，从不同方向来的电波到达测向天线 阵时，在空间上各测向天线单元接收的相位不同，因而相互间的相位差也不同，通过测定 来波相位和相位差，即可确定来波方向。基本公式如下所示： ①13=①1一①3=尼十·S加a∞ss 中23=①2一①4=忌卑Sf胛aCDJ占 (3—3) ‰删g麓 上式中：o-。、①24分别为北一南、东一西天线之间来波的相位差，k为相移常数，o为 欲求的来波方向角晗0。。 在干涉仪测向方式中，是通过直接测量天线感应电压的相位，而后求解相位差。 干涉仪测向体制的特点：采用变基线技术，可以使用中、大基础天线阵，采用多信道 接收机、计算机和FFT技术，使得该体制测向灵敏度高，测向准确度高，测向速度快，可 测仰角，有一定的抗波前失真能力。该体制极化误差不敏感。干涉仪测向是目前使用的较 好的一种测向体制，但由于研制技术复杂，所以造价也较高。 (4)多普勒测向体制 多普勒测向体制原理：依据电波在传播中遇到其它相对运动的侧向天线时，被接收的 电波信号产生多普勒效应，通过测定多普勒效应产生的频移，就可以确定来波的方向。 但为了得到多普勒效应产生的频移，就必须使天线与被测电波之间做相对运动，通常 是以测向天线在接收场中，以足够高的速度运动来实现的，当天线完全朝着来波方向运动 时，多普勒效应频移量最大。 在实际应用中，多普勒测向通常是不旋转测向天线的，因为这在工程上是难以实现的， 而是将多部天线架设在同心圆的圆周上，电子开关按顺序快速接通各个天线，就相当于旋 转了测向天线。 多普勒测向体制特点：可采用中、大基础天线阵，测向灵敏度高，准确度高，不存在 间距误差，极化误差小，可测仰角，具有一定的抗波前失真能力。不足之处是抗干扰性能 较差，当遇到同信道干扰、调频调制等干扰时会产生测向误差。这种测向体制还在发展之 中，改进会使系统更加复杂，同时也会提高造价。 (5)乌兰韦伯测向体制 乌兰韦伯测向体制原理：采用大基础测向天线阵，在圆周上架设多付测向天线，来波 19 信号经过可旋转的角度计、移相电路，形成合差方向图，而后将信号馈送给接收机；通过 旋转角度计，旋转合差方向图，测定来波方向。 由于乌兰韦伯测向进行的是相位比较，人们常将其归类为比相式测向机。但是从使用 者的角度来讲，最终使用的仍然是信号幅度的比较，所以亦可将其称为幅度比较式测向机。 乌兰韦伯测向体制特点：由于采用大基础测向天线阵，所以测向灵敏度、准确度和分 辨率较高，抗波前失真和抗干扰能力较好，可以提供监测综合利用。但由于这种测向体制 所使用的侧向系统需要数十付天线、馈线的电特性完全一致，且角度计的设计和加工工艺 要求都较高，并需要在大面积的开阔平坦场地架设天线，从而使采用这种测向体制的系统 建造成本、维护成本过高，限制了这种体制的普遍使用。目前，我国只有为数不多的几个 国家级短波测向站使用这种测向体制。 (6)到达时间差(TDOA) 工作原理：当电波在空问传播时，到达测向天线阵每付天线的时间是不同的，通过测 量电波到达不同天线的时间差别，就可以确定来波的方向。它类似于比相式测向，但在这 里比较的是时间差。这种测向方式要求被测信号具有确知的调制方式。 在实际的使用中，为了覆盖360度方向，至少需要架设3付分立的侧向天线。测向天 线的间距有长、短基线之分，长基线的侧向精度明显好于短基线。到达时间差测向体制基 于对时间标准和时间基准的精确测量，目前其时间间隔测量可达到lns，当天线间距为10 米时，测向准确度可达到1度。 系统特点：测向准确度高，灵敏度高，测向速度快，对极化误差不敏感，没有间距误 差，对测向场地的环境要求也较低。但也存在着抗干扰性较差，被测信号必须已知载波调 制方式等缺点，目前还未普遍使用。但近几年，随着电子技术的进步和一些领域的特殊要 求，国内外一些专业测向设备生产厂家开始着手研制TDOA测向系统，部分厂家已经开发出 基于TDOA方式的侧向系统；但基于TDOA测向方式固有的缺点，要使这种测向系统得广泛 的使用还需要一定的时日“到。 (7)空间谱估计测向体制 空间谱估计测向体制的工作原理：在已知座标的多元天线阵中，测量单元或多元电波 场的来波参数，通过多信道接收机变频、放大，得到矢量信号，将其采样量化为数字信号 阵列，送给空间谱估计器，运用确定的算法求出各个电波的来波方向、仰角、极化等参数。 20 这种测向方式基于最新的阵列处理理论、算法和技术，具有超分辨测向能力。所谓超 分辨测向，是指对同信道中，同时到达的、处于天线阵固有波束宽度以内的、两个以上的 电波，能够同时测向。这在传统测向方法中是无法实现的。 特点：空间谱估计测向技术可实现同时对几个相干波测向；可以实现对同信道中、同 时存在的多个信号进行测向；还可实现超分辨测向：而这种测向方法只需要很少的信号采 样，就可实现高精度测向，非常适合对跳频信号进行测向；同时，空间谱估计测向还可在 低信噪比的情况下实现高精度测向，并对测向环境要求也不高，具有其他测向方式无法比 拟的优势。 空间谱估计测向尚在研究实验之中，该系统要求宽带测向天线，要求各个天线阵元和 多信道接收机之间的电性能具有一致性。此外还需要简捷高精度的计算方法和高性能的运 算处理器，以便解决系统得实用化问题n羽。 3．4测向体制的比较 测向体制的优劣是我们比较关心的一个问题，但是无线电测向体制也和其他所有事物 一样，都具有两重性。从用户的角度来讲，每个用户的工作环境、工作方式、工作要求、 工作对象都存在着一定的区别；所有在选择测向体制和测向设备时，首先要了解自己的工 作需求，在能够满足自身需求的前提下再做出选择。在上一节介绍过的侧向体制都各有特 点，对于用户来说，能够满足工作需求，且价格合理，就可以说是一种好体制。在这里， 我们着重讨论从哪些方面评价测向体制和测向设备： (1)频率范围 这一项指标规范了测向机规定的性能指标和正常工作的频率范围，这是选择测向体制 和测向设备的基本条件；宽频带测向机也是目前测向机的发展方向。 (2)测向灵敏度 这项指标表征了测向体制和测向设备对弱信号的侧向能力，在无线电管理工作中，微、 低功率无线电发射设备占了很大的比例，对这类设备进行测向定位也是测向机的一项重要 任务。测向灵敏度主要依赖测向天线元形式、天线阵的孔径(基础)和工作方式。 (3)测向准确度 它表征了测向体制和测向设备在测向时标示辐射源方向的精确度，也就是测向角度误 差的大小。测向准确度通常有仪器设备测向精度、标准场地测向精度和实用测向精度之分， 21 由于三者的物理意义和测试条件等存在着本质的区别，所以在对不同测向机进行指标评定 时一定要注意区分不同测试条件下所得出的测试值。 (4)抗干扰能力 在遇到外界干扰对被测信号造成影响的情况下，测向体制和测向机对目标信号的侧向 准确度：干扰又可分为同频干扰、临道干扰、带外干扰、多波干扰等。如果一种测向体制 或测向机应对多种干扰的能力越强，则它对信号的捕捉能力就越强。 (5)测向时效 它表征了测向体制和测向设备在测向时的时间开销，以及对持续时间较短的空中无线 电信号的侧向能力。测向时效包括了测向系统信道的建立、方向信息的采集、数据运算处 理(含积分)、示向度显示等诸多环节所需要的时间，在进行评价时，综合时效也是一个重 要的指标。 (6)极化误差 极化误差也是测向误差的一种，它表征了测向体制与测向设备工作在非正常极化波条 件下的侧向能力也称为极化敏感度。 (7)仰角测定 用来表明测向体制和测向设备可否测定来波仰角，在短波测向中，有的测向体制可以 测量来波仰角，进而实现单站定位。 (8)测向距离 ．测向距离是衡量测向站测向能力的一项重要指标，但对于某种体制测向站的测向距离 并没有精确的划分，只能分为短距离、中距离和远距离测向，信号源距离测向站越远则测 向准确度越低。 (9)测向天线基础(孔径) 表明测向天线阵尺寸相对工作波长的大小；侧向天线基础(孔径)有大、中、小基础 之分。测向天线基础直接影响了测向性能u引。 (10)系统机动性 表明系统的可移动性，通常有固定、移动、便携之分，移动根据载体的不同又可分为 车、船、机载等。 (11)系统复杂程度与造价 表明测向体制和测向设备系统组成的复杂程度以及研制时的技术难度，它与造价的高 低是一致的。 4典型GSM无线干扰的定位 我国使用的GSM公众移动通信网络主要占用的是900MHz和1800MHz频段，这些频段处 于《中华人民共和国无线电频率划分规定》中定义的无线电频率范围的中段： 并且GSM无 线网络覆盖全国范围，与广大群众的日常生活息息相关。因此，对GSM无线干扰的查处方 法具有一定的典型性和代表性，对GSM无线干扰的监测、定位方法也可作为大部分无线干 扰的定位方法。 4．1常见GsM无线干扰类型 GSM无线干扰类型多样，根据我在工作中所查处的干扰案例，可以将GSM无线干扰大致 分为以下几类： (1)内部干扰 在超过半数的GSM干扰案例中，干扰都产生于系统内部，主要由设备故障所导致。根 据《中国无线电管理辞典》中对干扰的定义，由于无线电设备故障所引起的发射和接收异 常并不属于无线电干扰的范畴。 但由于大多数无线电设备用户没有足够的技术力量和检测设备，而有的无线电台站在 发生故障时仍然能够工作，但其对无线电信号的发射或者接收功能已经受到影响，这种非 正常工作很容易被认为是遭到了外界干扰。 每年的干扰案例中都会遇到这种情况，GSM通信系统也不例外，解决这类问题还需要无 线电设备提供单位、设备用户和无线电管理部门相互协作，及时有效的解决此类问题，防 止无线电监测资源的浪费。 (2)会场净化器干扰 会场净化器又称为会议干扰机，属于非法生产设备，但由于其易于生产且干扰效果好， 所以很多企事业单位都在使用。目前常见的会场净化器均可以覆盖我国所使用的包括GSM、 CDMA、PHS、SCDMA信号在内的全部移动通信频段，主要干扰上述移动通信频段的上行信号； 部分会场净化器还能够干扰公众对讲机频段，主要用于考试时屏蔽考场内的无线信号。 由于生产技术水平限制，会场净化器通常不使用定向天线，而是使用便于生产且价格 低廉的全向天线作为信号发射天线，全向天线虽然具有较好的信号覆盖效果，但由于其不 具备方向性，所以很容易干扰到其它的正常移动通信n51。 会场净化器的使用范围很广，公检法机关、军队、学校、加油站甚至清真寺都曾经发 现使用。由于这些使用会场净化器的单位一般都在人口密集地区，所以，由会场净化器所 24 引起的干扰大多都发生在城市之中。 由于会场净化器使用广泛，所以由会场净化器所引起的干扰发生较为普遍；但会场净 化器发射功率一般较低，因此干扰范围都很小，通常只干扰其附近的移动通信基站及用户。 由于会场净化器只阻断移动通信系统上行信号，发射信号带宽较宽，同时都具有一定的持 续性，所以由会场净化嚣所引起的干扰都比较容易识别和查找。