朱金玲，林 湘，陳詩韻，丘小春，韋尚作，覃偉峻

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信領(lǐng)域技術(shù)的迅速發(fā)展，手機(jī)使用普及率正在逐年提高。手機(jī)的通話、短信以及上網(wǎng)等功能，已成為人們現(xiàn)代生活中相互聯(lián)系及溝通的重要方式。在無線通信廣泛應(yīng)用的情況下，信息泄露和利用移動(dòng)設(shè)備通信進(jìn)行作弊的事件層出不窮。且隨著通信行業(yè)的發(fā)展，保密場(chǎng)所及保密機(jī)構(gòu)因安全原因?qū)π盘?hào)干擾的需求也在不斷增加。目前，市場(chǎng)上存在著各種各樣的移動(dòng)通信信號(hào)干擾器，但是針對(duì)干擾效能評(píng)估的儀器基本空缺。經(jīng)過有關(guān)部門的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)現(xiàn)有的防護(hù)效能檢測(cè)儀器只能簡(jiǎn)單檢測(cè)干擾的信號(hào)強(qiáng)度，缺乏科學(xué)有效的評(píng)估。因此，擁有一套便攜式多模移動(dòng)通信信號(hào)壓制效能檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)評(píng)估屏蔽器信號(hào)的屏蔽強(qiáng)度十分必要。

1 系統(tǒng)原理

1.1 測(cè)量方案

1.1.1 實(shí)際測(cè)量參數(shù)

目標(biāo)場(chǎng)景以設(shè)定的步長(zhǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格為一個(gè)評(píng)估點(diǎn)。從所有評(píng)估點(diǎn)中選擇一部分點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，并利用信號(hào)采集器實(shí)際測(cè)量這些測(cè)試點(diǎn)在通信信號(hào)干擾器開啟前（即屏蔽前）和通信信號(hào)干擾器開啟后（即屏蔽后）的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值。其中，干擾器開啟前測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度類型為峰值功率，干擾器開啟后測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度類型為最小值功率。

1.1.2 實(shí)際場(chǎng)景建模

在測(cè)量數(shù)據(jù)前要對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行幾何建模。首先，選定一個(gè)存在各種運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)通信信號(hào)的待測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景，要求在該場(chǎng)景放入通信信號(hào)干擾器，但未開啟前僅存在原移動(dòng)通信信號(hào)。當(dāng)通信信號(hào)干擾器開啟后，目標(biāo)場(chǎng)景中僅存在原信號(hào)和移動(dòng)信號(hào)干擾器所發(fā)出的干擾信號(hào)。其次，使用米尺測(cè)量目標(biāo)場(chǎng)景的大小，并在后臺(tái)系統(tǒng)軟件的場(chǎng)景管理中輸入?yún)?shù)，從而生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的帶坐標(biāo)的虛擬場(chǎng)景，而坐標(biāo)軸的步長(zhǎng)在生成虛擬場(chǎng)景時(shí)進(jìn)行設(shè)定。最后，用坐標(biāo)軸步長(zhǎng)將整個(gè)虛擬場(chǎng)景分為若干個(gè)網(wǎng)格（評(píng)估點(diǎn)），即將目標(biāo)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)劃分為若干個(gè)評(píng)估點(diǎn)。

1.1.3 選定測(cè)量點(diǎn)

從所有的評(píng)估點(diǎn)中選擇一部分點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)。在虛擬場(chǎng)景中構(gòu)建一個(gè)合理的測(cè)試點(diǎn)的布點(diǎn)方案，測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量和位置均可選擇。測(cè)試點(diǎn)的布點(diǎn)數(shù)量和位置需根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景的大小合理選擇。測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量越多且距離越近時(shí)，雖然后續(xù)預(yù)測(cè)和評(píng)估效果越好，但是會(huì)增加測(cè)試的工作量；測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量越少且距離越遠(yuǎn)時(shí)，雖然工作量會(huì)減少，但是后續(xù)預(yù)測(cè)和評(píng)估效果越差。在較為規(guī)則的場(chǎng)景中，測(cè)試點(diǎn)的方案可選擇等距布點(diǎn)、均勻布點(diǎn)或菱形交叉布點(diǎn)等；在較為復(fù)雜的場(chǎng)景中，測(cè)試點(diǎn)的布點(diǎn)方案需結(jié)合場(chǎng)景和儀器精度進(jìn)行布點(diǎn)選擇。在后續(xù)預(yù)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)精度欠佳需要通過增加測(cè)試點(diǎn)來提高預(yù)測(cè)精度時(shí)，可在原布點(diǎn)方案的基礎(chǔ)上增加測(cè)試點(diǎn)，以通過擴(kuò)大樣本量來提高預(yù)測(cè)精度，但原布點(diǎn)方案中的測(cè)試點(diǎn)不可改動(dòng)。各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)可根據(jù)步長(zhǎng)換算成實(shí)際距離，使用米尺在實(shí)際場(chǎng)景中找出各個(gè)測(cè)試點(diǎn)并作標(biāo)記，但測(cè)試點(diǎn)的位置精度必須小于步長(zhǎng)。

1.2 測(cè)量過程

根據(jù)干擾器的有效干擾半徑，合理選擇干擾器數(shù)量和放置位置。采用手持式全頻段移動(dòng)通信信號(hào)采集終端和便攜式寬帶全向天線組合的方式，按照預(yù)設(shè)的布點(diǎn)方案采集每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)在移動(dòng)通信信號(hào)干擾器開啟前（屏蔽前）和移動(dòng)通信信號(hào)干擾器開啟后（屏蔽后）的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值數(shù)據(jù)。不打開通信信號(hào)干擾器時(shí)，信號(hào)采集器一次性采集19種通信制式的數(shù)據(jù)，得到屏蔽前的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值數(shù)據(jù)。打開通信信號(hào)干擾器后，信號(hào)采集器也一次性采集19種通信制式的數(shù)據(jù)，得到屏蔽后的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值數(shù)據(jù)。干擾器開啟前的測(cè)量值類型為峰值功率，干擾器開啟后的測(cè)量值類型為最小功率值。19種通信制式如表1所示。

1.3 檢驗(yàn)技術(shù)

使用相應(yīng)的預(yù)測(cè)算法可以預(yù)測(cè)未知點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。本文使用基于K-近鄰非參數(shù)核回歸的預(yù)測(cè)算法進(jìn)行預(yù)測(cè)，即對(duì)預(yù)測(cè)點(diǎn)屏蔽前信號(hào)強(qiáng)度和屏蔽后信號(hào)強(qiáng)度分別采用K-近鄰非參數(shù)核回歸算法進(jìn)行預(yù)測(cè)，但不局限于該預(yù)測(cè)方法[1]。因?yàn)樾盘?hào)采集器測(cè)試輸出的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)表示為對(duì)數(shù)形式，所以求取屏蔽后信號(hào)和屏蔽前信號(hào)的比值即干信比。在單位相同的情況下，屏蔽后的場(chǎng)強(qiáng)值減去屏蔽前場(chǎng)強(qiáng)值的差值，即Sdef=Pa_min-Pb_max。其中，Pa_min為屏蔽后的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值，Pb_max為屏蔽前的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值。將屏蔽前后場(chǎng)強(qiáng)差值與預(yù)先設(shè)定的干擾防護(hù)效能差值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，得到場(chǎng)景中各個(gè)評(píng)估點(diǎn)的干擾等級(jí)，如表2所示。

表1 19種通信制式

表2 干擾防護(hù)效能差值等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 系統(tǒng)功能

便攜式多模移動(dòng)通信信號(hào)壓制保密防護(hù)效能檢測(cè)評(píng)估儀利用數(shù)據(jù)處理模塊處理手持式信號(hào)采集器采集的數(shù)據(jù)，使用信號(hào)采集器實(shí)測(cè)得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)無線傳輸至后臺(tái)軟件，后臺(tái)軟件將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地并對(duì)數(shù)據(jù)做預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)模塊使用相應(yīng)的算法預(yù)測(cè)全平面的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值，計(jì)算得到屏蔽差值，然后傳給干擾等級(jí)評(píng)估模塊。干擾等級(jí)評(píng)估模塊利用數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)模塊計(jì)算得到的屏蔽差值分析和評(píng)估目標(biāo)區(qū)域，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存至本地，方便日后分析。該系統(tǒng)基于K-近鄰非參數(shù)核回歸的改進(jìn)預(yù)測(cè)算法能夠?qū)κ覂?nèi)復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行科學(xué)客觀的預(yù)測(cè)和干擾防護(hù)效果評(píng)估，且收集的數(shù)據(jù)永久保留，隨時(shí)可以進(jìn)行再加載和再評(píng)估。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

便攜式多模移動(dòng)通信信號(hào)干擾防護(hù)效能檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)主要由信號(hào)采集器、無線傳輸單元、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理模塊、干擾等級(jí)評(píng)估模塊、場(chǎng)景管理模塊以及結(jié)果顯示模塊組成，如圖1所示。信號(hào)采集器可以實(shí)測(cè)得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，然后無線數(shù)據(jù)傳輸單元將數(shù)據(jù)傳送入后臺(tái)軟件。場(chǎng)景管理模塊對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行幾何建模，用戶針對(duì)目標(biāo)區(qū)域設(shè)計(jì)一套對(duì)應(yīng)的布點(diǎn)方案，并將布點(diǎn)方案發(fā)送至信號(hào)采集器和干擾等級(jí)評(píng)估模塊。干擾等級(jí)評(píng)估模塊利用數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)模塊分析和評(píng)估目標(biāo)區(qū)域，最終在結(jié)果顯示模塊顯示評(píng)估結(jié)果[2]。系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成

4 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

4.1 潛在競(jìng)爭(zhēng)者競(jìng)爭(zhēng)能力較弱

目前，國(guó)內(nèi)某些高校也在研制相關(guān)的無線通信信號(hào)干擾防護(hù)效能評(píng)估產(chǎn)品，但應(yīng)用領(lǐng)域不在屏蔽器或尚未有成品。提出的無線通信信號(hào)干擾防護(hù)效能檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)并擁有一定的市場(chǎng)份額后，類似的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)遇到的威脅會(huì)更強(qiáng)，因此潛在競(jìng)爭(zhēng)者競(jìng)爭(zhēng)能力較弱。

4.2 替代品的代替能力較弱

目前，率先研制出無線通信信號(hào)干擾防護(hù)效能檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的成品僅僅依照信號(hào)前后強(qiáng)度差值來評(píng)估效能，缺乏科學(xué)依據(jù)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新的成本高，而本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品只需要對(duì)終端軟件進(jìn)行更新維護(hù)。此外，市面上普通的效能評(píng)估儀器的評(píng)估結(jié)果不能滿足保密工作的需要，因此替代品的代替能力較弱。

4.3 供應(yīng)商的議價(jià)能力較弱

信號(hào)收集器的元器件大多較為廉價(jià)，因此選擇外包元器件，自己組裝整個(gè)信號(hào)收集器。整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)是開發(fā)的終端軟件和算法實(shí)現(xiàn)，因此上游供應(yīng)商的威脅較弱。

圖2 系統(tǒng)界面

4.4 購(gòu)買者的議價(jià)能力較弱

產(chǎn)品基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而有的特點(diǎn)，是以往評(píng)估方式不能實(shí)現(xiàn)的。市面上僅存唯一，且面向政府相關(guān)機(jī)構(gòu)推廣時(shí)會(huì)有試用和優(yōu)惠福利，因此購(gòu)買者的議價(jià)能力較弱。

5 結(jié) 論

該新型評(píng)估系統(tǒng)以信號(hào)預(yù)測(cè)和信號(hào)干擾防護(hù)評(píng)估技術(shù)為載體，滿足在復(fù)雜和重復(fù)評(píng)估環(huán)境中獲取科學(xué)有效的防護(hù)效能數(shù)據(jù)，能夠?qū)?chǎng)景內(nèi)的信號(hào)屏蔽程度做出可視化的科學(xué)評(píng)估。此外，它可以滿足政府機(jī)關(guān)和企業(yè)等在特殊保密場(chǎng)所的需求，帶給用戶更高性能的安全保障，具有廣闊的市場(chǎng)前景。