无线电监测站质量体系建设_基于软件无线电和云计算技术的无线电监管体系
时间：2019-04-25 03:36:25 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
中图分类号：TN929 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 03-0049-05 摘要：文章提出了运用软件无线电、有线及无线高速网络、云计算等技术等3项新技术相结合的全新的无线电监测系统的设想、框架及应用模式，一改传统无线电监测基础思想和模式，为新一代的无线电监管技术及体系的发展提供参考。
关键词：软件无线电；无线电监测；云计算
Abstract: This paper describes a new radio monitoring system that is different to traditional radio monitoring systems. In this paper, the architecture and application model are discussed. The radio monitoring system combines software-defined radio (SDR), wired and wireless high-speed network, and cloud computing technologies. It is a reference for new-generation radio monitoring technology and system development.
Key words: software-defined radio(DSR); radio monitoring; cloud computing
随着无线电通信应用的日益广泛、电磁环境日趋复杂，无线电监管的工作难度也在持续不断地增加。无线电监管工作的有效性直接影响着无线电频谱资源的有效使用、民用日常通信需求的保障、国家机器的正常运转，甚至在战时环境下会决定军队及国家的安危，因此世界各国都非常重视无线电监管工作。当代无线通信的复杂性和设备的广泛性对监管工作的有效性提出了更高的要求，因此各国都建有自己的监管机构和技术体系，如：美国设有一个监控中心、13个监测站；中国设立中央、省、地市3级管理和监测建制机构，并建有短波、卫星、超短波3张监测网，部分监测网设有多个遥控监测站[1]。小到一场考试、中到举办一场活动的（如北京奥运会、上海世博会等）保障、大到国家安全保卫均纳入无线电监管行为中。
当前用于无线电监管的主要设备有扫频仪、宽频接收机、定向天线等（卫星监测除外），主要对无线电发射的基本参数，如对频率、电平、示向度、仰角、测向质量等系统地进行测量、传输；调查、记录有关干扰源、背景噪声等电磁环境情况；判明并解决干扰问题；保护合法无线电台站用户的权益；查处非法无线电台站的干扰等。这样的传统模式鉴于历史传承及技术发展水平的限制，目前通常只记录结果数据，而不是监测到的某个信号的原始数据，如果一个信号从此消失，而监测系统却无法对其进行解码时，则会存在无法回溯等不利情况的发生。
目前，有基于软件无线电的无线电监测模式[2-3]，也有基于遥测站类型的网络化监管体系，但它们均基于“结果”的应用模式。如图1所示，如果能在现场采集被监测信号的“原始样子”，再把该信号数据直接送到监测中心存储，并使用大型计算机对其进行分析，甚至可以在任何需要时对采集到的信号数据进行二次、三次分析，就能够彻底解决传统模式中受限于设备、不可回溯等重要缺陷，使无线电监管体系上升到一个前所未有的高度。这种设想目前在全球范围内仍是一个空白。
随着高性能的软件无线电接收机、越来越广泛和高速的互联网络、能提供强大的存储和计算能力的云服务的诞生，这种全新的监管模式将逐渐成为一种可能。传统无线电监测模式和设想的云无线电监测模式对比如表1所示。
1 监测模式架构设想
基于上述设想可以看出：使用高性能的软件无线电接收机可以得到目标现场信号的完整采样，通过超高速互联网可以将将信号的原始采样数据送往强大的存储和计算能力的云服务，这样以来原始采样数据就能够完全存储，并利用软件无线电的处理思想进行后期分析。无线电监控将会实现从“分散的结果样本”到“原始的数字底片”+“强大的后期分析”的质的跨越。
在信号处理上，传统的无线电监测是读取监测仪器的处理结果而不是得到信号的原始信息，新模式获取的是信号的原始采样结果。这好比数码相机是输出一张已经在相机内部处理和压缩过的JPG图片，还是一张RAW图像之间的区别。很显然，获取到最原始的信息则会更有利于后期的处理，并且能够得到更准确的结果。
全系统由网络无线电监测传感、高速互联网络、云存储、云计算构成，其中主要的分析处理由云计算中心完成，包括不明信号发现、监测定位、测量信号的频率、场强、带宽、调制方式、发射源位置、频谱图等信号特征数据分析。根系结束后可将结果即时传送到相关机构或者人员，以便进行进一步处理，如图2所示。
1.1 基于软件无线电的监测网络
传感器
软件无线的电定义为：一个无线电系统中，天线以后就数字化，对信号的所有的、必要的处理都由存放在高速数字信号处理器中的软件来完成。采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义可以实现无线电台的各部分功能，包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。软件无线电的主要特征是将天线接收到的信号尽早地完成模拟到数字的转换，之后主要依靠软件来实现信号的处理和应用[4-7]。软件无线电接收机具有很高的灵活性、大动态范围、高灵敏度、快速扫描（如：1 GHz/S）、高精度等性能，不仅可以作为通用接收机、更可以作为高速搜索接收机和测量接收机等，如图3所示。
在该方案设计中，单运用软件无线电的这些固有特性还是不够的，重要的是需要将模数转换(A/D)后的数据直接送往云计算平台，以实现采集到的原始信息数据“原封不动”地被中心获取到，而不是已经被现场监测设备“处理过”的结果。 在传统的软件无线电接收机的A/D级后增加了网络通信模块，直接将A/D后的结果数据通过网络通信模块发送到承载网络上。另外，网络无线电监测传感需要能接受控制中心的按需监测需求，诸如智能波束天线的指向、监测频段带宽、数据传送上级站等全系统控制参数，如图4中所示。
一个能输出原始信号采样信息、监测参数受控的软件无线电接收机，可以代替传统的监测设备，这就是我们需要的无线电监测的网络传感器。我们可以将它放置在我们想要放置的地方，同时接受中心的控制进行检测，并为监测中心“如实”地送回了监测目标现场原始信号的完整采样信息，从而被称为监测体系中的“千里眼”。
1.2 承载监管系统的互联网络传输
链路
要将实时高速的监测原始结果数据送到云端，需要有高速可靠的网络承载整个监测体系中各个模块的互连任务。
计算机网络技术经过四十多年的发展，系统和系统之间、区域间的互联从起初的很困难到广域、城域网的广泛，接入方式和接口形式从起初的五花八门到现在以以太网为主，速度从几K提升到10 Mbit/s、100 Mbit/s、1000 Mbit/s、10 Gbit/s、并将步入40/100 Gbit/s[8]，无线局域网络技术也有了高速的发展，速度在802.11 n上已经能达到300 Mbit/s并且开始展望600 Mbit/s，可以预期在不久的将来无线局域网将会有更高的接入速度，如图5中所示。
目前主流的千兆以太网和802.11n 300 Mbit/s无线局域网的实际有效传输的带宽为900 Mbit/s以及80 Mbit/s左右。使用无线网络足够本地局域范围内的几路软件无线电监测网络传感器无线连接，而到了有线千兆网络后足以承载多达数十路汇聚后的传输任务。
1.3 监管体系云计算平台
云计算，是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务[9-10]。
本方案设计中云计算承担着全监测网监测管控、高速数据存储、监测分析等主要功能，在整个监测网络中大量的软件无线电监测网络传感器会生成大量的监测原始信号采样信息送往云计算中心，由一个控制中心加若干个云计算节点来完成整大负荷计算及分析任务。
其中，海量监测原始数据保存可能会成为系统最大的瓶颈。随着中央处理器(CPU)及周边芯片组和高速大容量存储器件的发展，新一代的内存数据库容量可以达到TB级、吞吐速度可以达到每秒GB级，高于传统磁盘阵列几个数量级。数据存储可以采用内存数据库来完成高速的实时数据收集，并根据需要直接在内存数据库中进行高速分析，最后将有效的信息数据转存到实体磁盘存储阵列，如图6所示。
1.4 监管控制系统及监测分析软件群
由一个或多个云计算节点担负监测网的监测分析任务，可以采用由市级计算中心担负，或省、市两级计算中心担负，甚至国家、省、市3级计算中心联合担负的组合方式。
全网监测工作受控并协调于监测控制中心的系统控制软件，各个分节点可以分开承担不同区域的无线电监测网络传感器的数据存储、计算工作，也可以担负前期实时分析或后续分析等不同阶段的分析任务等。
监测分析软件群需具备可加载、组件化、可组装等特性，以实现对被监测无线电信号的全方位、多角度分析。组件需包含：用于数据接收和存储的数据采集软件；基于频谱扫描、频谱分析、频率活动特性分析等各种基带信号分析软件；用于基础信号处理的降噪处理软件、数字变频软件等；用于信号解调的调制模式识别软件、各种模式解调插件等；用于结果信号的降噪处理软件、信号变换软件等；同时需要有用于结果记录及分析统计的后续结果数据处理软件等；基于分析结果应用的结果通信、分发、指令指挥等软件[11-12]。
全套的软件架构和通信、监测传感器构成了完整的监测系统。
2监测应用模式格局
在实现基于软件无线电网络监测传感器、高速互联网络和云计算平台的无线电监管体系网络后，无线电监测工作将会一改依赖于传统的监测设备多点布设困难、设备投入大、受“结论”限制等困惑。我们可以将一个或多个软件无线电网络监测传感器放置在有利于进行监测的地点，进而可以通过网络将监测到的原始信号数据送回监测中心，并依托中心强大的存储和计算平台对原始信号完整采样信息进行综合分析并实现监测。
2.1 局部保障应用模式
传统的局部小范围保障，如考场监测、小型活动保障等，基本采用无线电移动监测车作为临时中心、多个监测人员使用便携监测设备配合的方式来完成，这种模式的缺点是显而易见的，如：移动监测车因为现场安排原因可能无法进入现场的最佳位置；监测工作主要依靠人员的临场判断完成，如考试一类的活动往往于多场地之间同时开展，监测车、检测设备以及监测人员等却难以满足保障需求等等。
在本设计方案中，可采用多个无人值守网络无线电监测传感器合理布置在现场合适的位置，如房顶的某几个有利监测的角落等，移动监测车可以停留在外围，担负网络无线电监测传感器的通信桥接和现场信号的初级处理。甚至可以无需移动监测车，而将多个网络无线电监测传感器的通信直接汇聚到现场的某个互联接入点上，实现和监测中心的联网工作。现场处置人员可以由相关部门执法人员去完成。一方面监测工作质量可以得到有效保障，另一方面可以节省大量的人力和物力，使资源消耗降到最低。
图7、图8分别为局部临时保障区域系统工作原理示意图和现场布置图，其中假设现场不允许或不方便使用有线连接，这时则可以使用高速无线网桥来桥接各个网络无线电监测传感器和移动监测车之间的信号通信。
2.2 区域监测应用模式
在区域中的合适位置设置多个相对固定的网络无线电监测传感器，可以对整个监测区域进行日常不间断监测，也会使某些临时任务变得更为简单、有效。包括：日常无线电波监听、测量、测向和定位、电台识别、干扰识别、电磁环境监测等；验证正常的无线电台站的技术参数和操作特性，确定是否遵守执照核定的项目；监测有关频谱的占用情况，进行有关频率、发射功率、天线增益、调制类型、占用带宽、信道载荷和占用度、场强等的测量，进行有关的信号与系统分析等。在以计算机系统集中处理、软件为主的模式下这一切功能需求的实现将会得到有效支撑。如图9所示，在地级市台州市范围内的几个制高点部署无线电监测传感器，在市无线电管理中心即可实现全市范围内无线电监测。 2.3 应用展望
监测区域的大小和网络无线电监测传感器的性能指标、数据存储的I/O指标和计算中心的处理能力成比例关系，当需要将这种模式布置到更大的范围时，可以预见的是需要有大量的网络无线电监测传感器、覆盖更为广泛的互联接入服务、更为庞大的数据存储能力、更为强大的计算能力以及更高效的无线电监控算法和庞大的软件系统。
3结束语
随着无线电应用的日益广泛、电磁环境的日趋复杂，无线电监管的工作难度也在持续不断地增加，基于目标现场的信号完整采样、并将原始采样数据完全存储、以软件无线电的处理思想进行后期分析，都将会给无线电监管工作带来质的改变。这种全新的监管模式随着高性能的软件无线电接收机、超高传输速度的网络、能提供强大的存储和计算能力的云服务的诞生将逐渐成为一种可能。
4 参考文献
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收稿日期：2012-03-28
作者简介
叶永平，浙江工商大学硕士研究生在读；现就职于台州市招投标中心任无线电通信专业工程师，台州市招投标中心电子信息通信政府采购项目负责人；2009年先后考取思科CCNA、CCNP认证；主要研究方向为无线电通信、计算机无线网络通信、卫星通信研究。
