姜成旭，李月婷，劉宇紅

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

區(qū)域手機(jī)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

姜成旭，李月婷，劉宇紅

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的迅猛發(fā)展，手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，隨之而來的危險(xiǎn)也越來越大。因此，特定場合對手機(jī)的探測就顯得十分重要，如保密會議、安全區(qū)域等場合。在特定場景下，實(shí)現(xiàn)了一個對區(qū)域內(nèi)手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的安全系統(tǒng)，通過優(yōu)化手機(jī)信令檢測的方法和小基站配置的參數(shù)，以提高探測手機(jī)的效率，同時(shí)在探測手機(jī)時(shí)解析手機(jī)IMSI、IMEI，將其存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并以雷達(dá)掃描的形式顯示，最終提高監(jiān)測手機(jī)用戶的準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)時(shí)性和直觀性。

探測；信令；小基站；雷達(dá)掃描

0　引 言

目前，檢測手機(jī)用戶的方法主要為兩種。一種是通過金屬檢測的方式。這種方式通過手機(jī)中的金屬切割門禁上的磁感線產(chǎn)生電流，以達(dá)到檢測手機(jī)的目的。另一種為通過檢測手機(jī)信號的方式。這種方式主要是通過信號拾取器、信號放大器捕捉和手機(jī)信號相同頻段的信號，以達(dá)到檢測手機(jī)的目的。然而，這兩種方法都有缺點(diǎn)。前一種通過金屬檢測完成目標(biāo)任務(wù)，只要有金屬就斷定為是手機(jī)，誤報(bào)率極高。后一種也存在很大的誤報(bào)率，只要信號和手機(jī)信號在同一頻段就斷定是手機(jī)。手機(jī)在沒有業(yè)務(wù)的時(shí)候，發(fā)射的功率極低，發(fā)射信號的間隔時(shí)間相對較長，檢測器必須近距離和長時(shí)間等待檢測，而只有在手機(jī)有業(yè)務(wù)的時(shí)候才能正常檢測出來。因此，這種方法在大部分時(shí)間內(nèi)的可行性較低。此外，兩種方式都為被動式，在檢測手機(jī)的準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)時(shí)性、直觀性方面都比較低。因而，針對上述問題，需要從整體上提高監(jiān)測手機(jī)用戶的性能。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1手機(jī)的工作模式

手機(jī)在開機(jī)后，通常會搜索周圍小區(qū)的廣播信道，通過比較信道信號的強(qiáng)弱選擇最優(yōu)的小區(qū)，并根據(jù)獲得的信號獲取小區(qū)的配置參數(shù)。之后，手機(jī)在注冊過程中向基站發(fā)送信號探幀，表明手機(jī)的存在。合法用戶在成功注冊后轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)等待接下來的操作。處于待機(jī)狀態(tài)的手機(jī)駐留在系統(tǒng)廣播信道上，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信息的同時(shí)每隔一段時(shí)間啟動周期注冊程序，或在切換小區(qū)、重選小區(qū)的時(shí)候啟動位置更新程序，不斷發(fā)送探幀向網(wǎng)絡(luò)匯報(bào)自己的存在。在待機(jī)狀態(tài)下，手機(jī)可以隨時(shí)發(fā)起業(yè)務(wù)服務(wù)（包括接收網(wǎng)絡(luò)的尋呼、發(fā)起呼叫等），直到用戶關(guān)機(jī)，手機(jī)啟動注銷程序[4]。

1.2系統(tǒng)基本原理

根據(jù)手機(jī)工作模式的特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)檢測出區(qū)域內(nèi)手機(jī)。手機(jī)是一個無線電收發(fā)裝置，可以通過檢測手機(jī)發(fā)射的電磁信號判斷其存在與否。無論是手機(jī)的哪種制式，向基站發(fā)射信號都有兩種情況。一種是手機(jī)正在進(jìn)行業(yè)務(wù)（即通話、短信等），另一種為注冊。很明顯，對實(shí)時(shí)檢測有意義的情況只有注冊。注冊即手機(jī)剛開機(jī)選擇小區(qū)的過程或者發(fā)現(xiàn)其他最優(yōu)小區(qū)進(jìn)行切換小區(qū)、重選小區(qū)的過程。開機(jī)注冊很簡單，但是不符合實(shí)際情況，對實(shí)時(shí)探測的意義不大。切換小區(qū)是指手機(jī)在從一個位置區(qū)進(jìn)入到另一個位置區(qū)時(shí)進(jìn)行的注冊。移動臺判斷進(jìn)入一個新的位置區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，就是收到一個更強(qiáng)的廣播信道，且解碼系統(tǒng)的消息顯示處于不同的位置區(qū)（位置區(qū)識別碼LAI不同）。了解跨越位置區(qū)更新的原理和過程后，可以通過模擬手機(jī)跨越位置區(qū)的條件來誘發(fā)手機(jī)啟動位置更新程序，發(fā)射信號?？尚蟹桨甘切』灸M公網(wǎng)基站發(fā)射廣播消息，使該廣播信道信號更強(qiáng)，讓手機(jī)識別其為當(dāng)前最優(yōu)小區(qū)。由于位置區(qū)參數(shù)與當(dāng)前的小區(qū)不同，這樣周圍的手機(jī)以為跨越了位置區(qū)邊緣，就會啟動位置更新程序，請求接入這個虛擬的小區(qū)[4]。根據(jù)手機(jī)這時(shí)發(fā)射的信號，就能判斷手機(jī)的存在。小基站通過發(fā)射的信號提取信息塊來獲取IMSI、IMEI號碼，最后通過通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以雷達(dá)掃描的形式顯示出來。

1.3關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)

第一，設(shè)計(jì)GSM系統(tǒng)架構(gòu)，提高檢測手機(jī)的效率。對于檢測手機(jī)，GSM協(xié)議棧中的用戶鑒權(quán)、注冊等功能都是多余的。當(dāng)小基站收到手機(jī)發(fā)送的RACH探幀時(shí)，就可以判斷已經(jīng)有手機(jī)了。因此，裁剪協(xié)議棧軟件中RACH探幀后所有沒有用的功能模塊，以提高檢測手機(jī)的效率。

第二，設(shè)計(jì)3G、4G信號干擾器。處于3G、4G狀態(tài)的手機(jī)進(jìn)入檢測區(qū)域內(nèi)快速回落到2G狀態(tài)，同時(shí)手機(jī)會自動進(jìn)行小區(qū)選擇，而原本是2G狀態(tài)的手機(jī)不會影響。

第三，將小基站的小區(qū)設(shè)置為區(qū)域內(nèi)最優(yōu)小區(qū)，并提高廣播消息的頻率；通過更改射頻功率、優(yōu)化參數(shù)，將小基站設(shè)置為區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)小區(qū)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他小區(qū)。手機(jī)一直都會處于接收廣播小區(qū)，進(jìn)行小區(qū)測量。提高廣播消息的頻率，這樣手機(jī)能夠最快速度的接入小基站的虛擬小區(qū)。

第四，在相關(guān)算法基礎(chǔ)上，對手機(jī)切換算法進(jìn)行改進(jìn)。切換速度的提高，也是增加監(jiān)測手機(jī)用戶效率的關(guān)鍵。手機(jī)用戶進(jìn)入小區(qū)后，首先會接收廣播消息。該廣播消息包含相關(guān)切換算法、加密算法以及相關(guān)參數(shù)配置。手機(jī)用戶接收該廣播消息后會按照消息中的算法主動完成小區(qū)的切換，按照先前的加密算法完成鑒權(quán)過程，按照相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行配置；技術(shù)效果將大大提高手機(jī)切換速度，加快與物理層信息傳輸信令交互速度，進(jìn)而減少手機(jī)監(jiān)測的時(shí)間，提高監(jiān)測效率。

1.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1顯示了該檢測方法的系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)主要包括信號屏蔽單元、射頻收發(fā)單元、信令收發(fā)及協(xié)議處理單元、顯示單元四部分。信號屏蔽的單元主要用于手機(jī)信號的屏蔽，促使手機(jī)終端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)搜索階段。

圖1　系統(tǒng)原理

當(dāng)手機(jī)終端進(jìn)入小基站覆蓋區(qū)域搜索到小基站系統(tǒng)的信號并發(fā)起上行接入過程時(shí)，射頻收發(fā)單元收發(fā)單元將解調(diào)上行無線信號，并將無線信號的信息塊傳到信令收發(fā)及協(xié)議處理單元進(jìn)行處理，同時(shí)顯示單元以雷達(dá)掃描的形式完成對手機(jī)終端的監(jiān)控。

1.5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)原理

1.5.1小基站設(shè)備向區(qū)域內(nèi)發(fā)射信號

掃描周圍基站系統(tǒng)信號，并根據(jù)得到的信息完成小基站的參數(shù)自配置。小基站系統(tǒng)將通過射頻搜索所在區(qū)域的公網(wǎng)的小區(qū)信息，并根據(jù)獲得信息提取本小區(qū)需要的配置參數(shù)，根據(jù)需要完成參數(shù)的優(yōu)化，完成優(yōu)化參數(shù)的配置工作，從而為下一步的小區(qū)覆蓋做好準(zhǔn)備。小基站發(fā)射的內(nèi)容主要包括頻率校正信息、同步信息、廣播控制信息和立即分配信息。由于上行接入信息都有相應(yīng)的校驗(yàn)位，小基站將通過相應(yīng)的校驗(yàn)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)。通過校驗(yàn)的信息塊為有效數(shù)據(jù)塊，無法校驗(yàn)的信息塊將被丟棄。小基站設(shè)備發(fā)的消息與公網(wǎng)基站的消息格式一樣（具體請參考3GPP TS 44.018協(xié)議）。BCCH信道上主要發(fā)送的系統(tǒng)消息中的LAC與當(dāng)前的LAC不相同。然后，將構(gòu)造好的信號進(jìn)行信道編碼流程處理后進(jìn)行發(fā)射。雖然輸入的信令消息不相同，但是都需要做卷積、GMSK調(diào)制。其中，除了FCCH、SCH、RACH外控制信道外，還需要進(jìn)行交織。最后，將調(diào)制后的數(shù)據(jù)安排到FCCH+SCH+BCCH+AGCH結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)位置進(jìn)行發(fā)射。

1.5.2上行信號的提取及解析

RACH和SDCCH信道在接收上行信號的過程中起到了重要作用。只要手機(jī)請求與基站建立連接通信，都需要通過RACH信道向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個報(bào)文來向系統(tǒng)申請一條獨(dú)立專用信道，網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)信道請求需要來決定所分配的信道類型。由于手機(jī)在大多數(shù)情況下都是緘默的，而且在空閑模式時(shí)，上行頻點(diǎn)的信號基本上是噪聲，所以當(dāng)手機(jī)發(fā)射信號時(shí)，此時(shí)信號強(qiáng)度明顯比周圍信號要強(qiáng)。如果需要判斷是否為RACH信號，還需要進(jìn)一步通過RACH譯碼和信息解讀，才能進(jìn)一步判斷是否為RACH信號。SDCCH是基站與移動臺間點(diǎn)對點(diǎn)的雙向信道，用于傳送基站和移動臺間的指令與信道指配信息，如位置更新（位置更新請求消息是手機(jī)在進(jìn)入新的位置區(qū)域后在SDCCH上向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的請求消息）。小基站設(shè)備根據(jù)接收到的立即分配信息，立即調(diào)整到手機(jī)發(fā)送位置更新請求消息的信道上，方可提取出SDCCH信號。然后，通過解調(diào)、解復(fù)用、解交織、卷積譯碼等步驟譯碼，得到譯碼后數(shù)據(jù)送入位置更新請求消息幀結(jié)構(gòu)譯碼程序[3]。

1.5.3獲取IMEI、IMSI

捕獲上行接入信號，提取信號的信息塊。進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)的手機(jī)鎖定小區(qū)后，可以穩(wěn)定接收基站發(fā)送的信息，內(nèi)容包含切換算法、加密算法。因此，手機(jī)接收后將會快速完成切換，同時(shí)向基站發(fā)送上行信令，基站設(shè)備進(jìn)行接收。捕獲到上行信號后，物理層對其傳輸方式進(jìn)行優(yōu)化，信令繼續(xù)快速地發(fā)往上層，并由上層進(jìn)行處理。為了獲取手機(jī)用戶的信息，需要系統(tǒng)構(gòu)造立即分配信令。手機(jī)收到立即分配信令后，將會在其分配的SDCCH上發(fā)出攜帶有信息的探幀。此探幀為SABM幀，攜帶的信息為位置更新的請求消息。小基站設(shè)備就是從該消息中提取出手機(jī)用戶的信息TMSI、IMSI，同時(shí)存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，方便后續(xù)顯示、查詢。

1.5.4雷達(dá)掃描顯示（直觀效果）

用C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)采用多線程技術(shù)，應(yīng)用圖形視覺庫、linux與windows之間的socket通信收發(fā)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫調(diào)用、使用交叉編譯等工具，實(shí)現(xiàn)如下功能：將小基站設(shè)備中的數(shù)據(jù)發(fā)送到雷達(dá)顯示設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中；將所有被吸入的手機(jī)用戶的信息和被吸入的時(shí)間以雷達(dá)掃描的形式顯示；將已注冊人員的IMEI、IMSI、姓名、手機(jī)號以及吸入時(shí)間顯示到屏幕上；將未注冊人員的IMEI、IMSI實(shí)時(shí)顯示；對需要注冊的外來人員申請注冊。

2　測試結(jié)果分析

2.1硬件平臺簡介

根據(jù)原理及實(shí)現(xiàn)的功能，各個模塊需相互協(xié)同工作。所需硬件包括家庭基站pc202系列的picochip多核信號處理器、八路功分器、無線天線、微型電腦、3G4G干擾器、交換機(jī)、筆記本電腦、雷達(dá)顯示屏幕、測試手機(jī)。硬件平臺如圖2所示，雷達(dá)顯示屏如圖3所示。

Picochip小基站承載著協(xié)議棧軟件，完成對其系統(tǒng)框架冗余功能的裁剪以及小區(qū)接入算法和重選算法的優(yōu)化；八路功分器與無線天線是射頻的途徑（相當(dāng)于公網(wǎng)的鐵塔）；3G、4G干擾器屏蔽單元的核心壓制手機(jī)信號到2G；微型電腦和雷達(dá)顯示屏幕是顯示單元的硬件核心，其軟件核心主要采用C語言實(shí)現(xiàn)，分為雷達(dá)掃描效果模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)調(diào)用模塊、信息錄入模塊；筆記本、測試手機(jī)則是測試系統(tǒng)效果的主要工具。

圖2　硬件平臺

圖3　雷達(dá)顯示屏

2.2測試過程

測試該系統(tǒng)主要測試其實(shí)現(xiàn)的主要功能和效率，包括手機(jī)被吸入的情況、雷達(dá)掃描顯示的情況以及手機(jī)被吸入的效率等。

搭建環(huán)境，設(shè)置小基站的功率參數(shù)啟動（功率參數(shù)調(diào)小，避免吸入外圍非測試手機(jī)），根據(jù)小基站的覆蓋范圍布置屏蔽器的位置。在該范圍內(nèi)，強(qiáng)行將手機(jī)的3G、4G信號降為2G，并使手機(jī)保持2G信號進(jìn)入小基站范圍內(nèi)，使得在進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)的手機(jī)可以穩(wěn)定接收基站發(fā)送的信息。小基站系統(tǒng)配置完成后，將開始在規(guī)定的范圍內(nèi)發(fā)送廣播消息，同時(shí)不斷監(jiān)聽上行消息，完成整個區(qū)域的覆蓋與監(jiān)聽。

攜帶幾個測試手機(jī)進(jìn)入?yún)^(qū)域。手機(jī)發(fā)送上行信號進(jìn)行注冊，被小基站的射頻捕獲，并將信號的信息塊提取。由于上行接入信息都有相應(yīng)的校驗(yàn)位，小基站將通過相應(yīng)的校驗(yàn)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)。通過校驗(yàn)的信息塊為有效數(shù)據(jù)塊，無法校驗(yàn)的信息塊將被丟棄。通過校驗(yàn)的信息塊將被提交給上層的協(xié)議處理單元，協(xié)議處理單元將對信息塊進(jìn)行解析，完成信息的提取。

手機(jī)進(jìn)入覆蓋區(qū)域開始計(jì)時(shí)，通過對數(shù)據(jù)庫查詢IMEI對應(yīng)測試手機(jī)的IMEI，記錄被吸入所用時(shí)間，測試每個手機(jī)進(jìn)入覆蓋區(qū)域直到被吸入的時(shí)間測試效率。更換小區(qū)重新做實(shí)驗(yàn)（換了三個場景測試，包括實(shí)驗(yàn)室、宿舍、高層會議室）。

雷達(dá)掃描效果顯示，該模塊使用C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，采用多線程技術(shù)完成所有功能。其中，Linux與Windows之間的socket網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收；EasyX視覺庫實(shí)現(xiàn)雷達(dá)掃描威懾效果，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分頁顯示和數(shù)據(jù)存儲查詢，做為門面擔(dān)當(dāng)。

2.3結(jié)果分析

圖4為吸入移動手機(jī)的情況。460開頭的是IMSI號，移動國家碼為460，移動網(wǎng)號為00、02（表示為中國移動網(wǎng)段）。這是手機(jī)SIM卡的唯一標(biāo)識，獲取的下一個信息IMEI是手機(jī)設(shè)備的唯一標(biāo)識，從而可以確定用戶身份。比如，圖片第一行吸入手機(jī)的IMSI是460001041421934，IMEI是869622011336840。

圖5為吸入聯(lián)通手機(jī)的情況，查詢方式類似。經(jīng)過多次測試、計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，測試手機(jī)在一分鐘內(nèi)全部陸續(xù)被吸入（還包括路人們的手機(jī)信息），并準(zhǔn)確將IMEI、IMSI等重要信息存儲。

為了探測效率最大化，本方法考慮在 軟件上去掉鑒權(quán)等多余功能模塊，從而精簡系統(tǒng)，大大簡化了整個過程的流程。手機(jī)終端檢測到覆蓋信號后，通過相應(yīng)的上行消息進(jìn)行隨機(jī)接入過程。整個信令的發(fā)送過程在毫秒級別，對人體的輻射與正常打電話時(shí)相比可以忽略。此外，信令方式能夠有效屏蔽其他信號的干擾，誤報(bào)率很低。

圖4　移動手機(jī)被吸入

3　結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)了一個對區(qū)域內(nèi)手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的安全系統(tǒng)。系統(tǒng)對侵入保護(hù)區(qū)域的手機(jī)用戶的IMSI、IMEI、姓名、手機(jī)號等重要信息進(jìn)行提取、存儲并顯示，基本上達(dá)到實(shí)時(shí)性（誤差一分鐘左右），且對手機(jī)檢測的準(zhǔn)確性很高。通過這種探測信令的方式，同時(shí)減小手機(jī)發(fā)送RACH探幀的時(shí)間和多次發(fā)送RACH探幀的時(shí)間間隔，探測效率和信息采集效率明顯提高。此外，雷達(dá)掃描顯示更直觀、更具威懾，在某些特定場景的應(yīng)用十分可觀。

[1] 張威.GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化■原理與工程[M].北京:人民郵電出版社,2010. ZHANG Wei.GSM Network Optimization Principle and Engineering[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Publishing House,2010.

[2] 樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008. FAN Chang-xin,CAO Li-na.Communication Principle[M]. Beijing:National Defense Industry Press,2008.

[3] 張紅梅,田增山.GSM手機(jī)主動探測方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東通信技術(shù),2013(03):13-17. ZHANG Hong-mei,TIAN Zeng-shan.The Design and Implementation of GSM Mobile Active Exploration Project[J].Guangdong Communication Technology,2013(03):13-17.

[4] 朱大立.一種基于誘發(fā)技術(shù)的移動電話主動探測方案[J].移動通信,2006(01):107-109. ZHU Da-li.An Active Detection Scheme for Mobile Phone based on Induced Technology[J].Mobile Communication,2006(01):107-109.

姜成旭（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧酵ㄐ畔到y(tǒng)；

李月婷（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧酵ㄐ畔到y(tǒng)；

劉宇紅（1963—），男，碩士研究生，教授，通信作者，主要研究方向?yàn)榍度胧酵ㄐ畔到y(tǒng)、語音信號及數(shù)字圖像處理。

Design and Implementation of Regional Mobile Phone Detection System

JIANG Cheng-xu, LI Yue-ting, LIU Yu-hong
(College of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang Guizhou 550025，China)

Nowadays with the rapid development of the Internet industry, the function of mobile phone becomes more powerful, and in pace with this, the attendant risk with it even more serious, and thus the detection on the mobile phone under the specific situations is very important, such as confidential meetings, regional security and other occasions. Based on these specific scenarios, a security system for real-time monitoring of mobile phone in the specific areas is proposed and implemented, and via the optimization of mobile phone signaling detection method and small base-station configuration parameters, the efficiency of mobile phone detection is improved, and meanwhile the phone IMEI and IMSI are parsed and stored in the corresponding database, and displayed in the form of radar scanning . Finally, the accuracy, reliability, realtime capability, and intuitiveness for monitoring mobile phone users are effectively improved.

detection;signaling; small base-station; radar scanning

TN929.53

A

1002-0802(2016)-08-01073-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.022

2016-04-16;

2016-07-25

date:2016-04-16;Revised date:2016-07-25