摘要：無線傳感器是近年來發(fā)展起來的一種新的無線頻譜監(jiān)測裝置，主要設(shè)置在無線電頻率使用和無線電臺（站）設(shè)置較少的區(qū)域，作為固定監(jiān)測站的補充，用于對固定臺（站）多任務(wù)執(zhí)行能力不強、固定臺（站）不能覆蓋的區(qū)域開展長時間的電磁環(huán)境監(jiān)測，以及對重點區(qū)域無線電發(fā)射源進行7×24小時的實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：傳感器；固定監(jiān)測站；密集部署；重點區(qū)域

一、引言

新型無線傳感網(wǎng)（WSN）系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用使得電磁頻譜監(jiān)測領(lǐng)域得到了前所未有的發(fā)展。無線電傳感器以其小巧輕便的特性和寬頻率監(jiān)測能力，解決了傳統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測設(shè)備無法滿足現(xiàn)今復(fù)雜多變的無線電環(huán)境監(jiān)控的問題。

根據(jù)應(yīng)用場景、性能指標(biāo)等不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以劃分為兩種類型。一類傳感器在20～6000MHz波段內(nèi)進行監(jiān)測，主要應(yīng)用于全業(yè)務(wù)監(jiān)控，可以廣泛應(yīng)用于各種無線通信業(yè)務(wù)的監(jiān)測，包括但不限于移動通信、微波通信、衛(wèi)星通信等，并能夠?qū)崟r捕捉和記錄在此頻段內(nèi)發(fā)生的所有無線電活動。第二類傳感器在20～1300MHz波段內(nèi)進行監(jiān)測，主要用于對廣播電視臺（站），固定類臺（站）、基地類臺（站）進行監(jiān)測。由于該頻段內(nèi)的無線電信號主要來自廣播電臺和基站等固定設(shè)備，因此這類傳感器特別適用于這些設(shè)備的日常管理和監(jiān)測，包括頻率使用情況的實時監(jiān)控、非法電臺的檢測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，無線電傳感器布放靈活且功能完善。首先，無線電傳感器體積小，重量輕，安裝簡便，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，無線電傳感器支持遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)遠程的無線電環(huán)境監(jiān)控。最后，無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。

新型無線電傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以滿足日常無線電管理的需求，更能為無線電環(huán)境保護、無線電資源合理利用等提供有力支持。在未來，無線電傳感器的技術(shù)將會進一步發(fā)展，提供更高效、更精準的電磁頻譜監(jiān)測。

二、WSN系統(tǒng)的主要特點

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)通過使用高性能的傳感器節(jié)點來完成信號采集和信息處理，能夠在專用網(wǎng)絡(luò)上統(tǒng)一存儲、轉(zhuǎn)換和管理信號采集和處理后的各類數(shù)據(jù)。在控制網(wǎng)絡(luò)中，由計算機和控制芯片構(gòu)成的控制器能夠?qū)λ行畔⑦M行實時監(jiān)測，并對其數(shù)據(jù)進行處理，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、最成熟的無線傳感器系統(tǒng)之一，能夠通過一系列標(biāo)準接口與現(xiàn)有或未來系統(tǒng)集成，并與其他現(xiàn)有或?qū)硇孪到y(tǒng)集成在一起，以實現(xiàn)無縫融合或替代功能。

（一）維護成本低

自設(shè)計出現(xiàn)以來，無線電傳感器就充分考慮在大量布放情況下的維修與穩(wěn)定問題，它能夠遠程進行巡檢、自動升級設(shè)備以及自行修復(fù)故障，不需要頻繁地進行現(xiàn)場檢修，在減少了人工維護的工作量的同時，能夠按照無線電運維費正常規(guī)定的標(biāo)準完成裝備和系統(tǒng)的運行維護工作。

另外，無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%，也可以支持無線4G傳輸方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸費用大概是DDN傳輸專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，各部分部件是由計算機和控制器兩部分組成的，計算機部分要實現(xiàn)所有控制功能；而控制器是由處理器、存儲器控制器等組成的。無線電傳感器節(jié)點由電子元器件構(gòu)成，這使得無線傳感器能夠適用于各種嚴酷的環(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，不會發(fā)生嚴重的破壞事故；其三，當(dāng)遇到意外情況時，能夠迅速恢復(fù)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)；其四，設(shè)備運行中出現(xiàn)故障時可以及時解決；其五，如果遇到突發(fā)事件，設(shè)備能夠及時響應(yīng)并做出相應(yīng)的措施。

（三）抗干擾能力強

無線電傳感器的抗干擾能力強主要表現(xiàn)在兩個方面。

首先，由于無線電傳感器節(jié)點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，所以能承受較強的電磁干擾。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是在無源的環(huán)境中工作且有較高的抗干擾能力，所以對于電磁干擾具有較好的防護能力。在進行電磁頻譜監(jiān)測時，需要了解所使用電磁波頻率。在監(jiān)測中，需要利用雷達、射電望遠鏡等設(shè)備測量電磁波強度，但電磁波本身不會產(chǎn)生任何輻射或感應(yīng)作用。一般來說，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)檢測到電磁輻射時，可采用其他途徑進行測量。例如，可以利用電子羅盤等設(shè)備測量；也可以采用激光、微波、電磁波等方法進行測量；還可利用無線技術(shù)對發(fā)射波頻率進行自動跟蹤監(jiān)測等等。

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)備需要專用的硬件來完成其工作，還需要專用的軟件環(huán)境來處理和存儲數(shù)據(jù)，因此WSN的硬件開銷非常大。雖然傳統(tǒng)的WSN系統(tǒng)也能夠?qū)o線信號進行實時地監(jiān)測、分析與測量，但主要依 賴于外部設(shè)備，這些外部設(shè)備的價格昂貴且復(fù)雜，如果將其與微機聯(lián)機使用，將難以實現(xiàn)對微機的監(jiān)控與測量。由此可見，新一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對電磁頻譜的監(jiān)控有著特殊的優(yōu)勢。

三、WSN系統(tǒng)的主要功能

（一）電磁頻譜監(jiān)測

WSN系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸和存儲共三個部分組成，其中，傳感器包括電磁頻譜測量單元、射頻/微波組件和用戶輸入端。無線電傳感器被放置在目標(biāo)無線電設(shè)備附近，通過射頻器件將測量信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸部分，然后通過無線設(shè)備將數(shù)據(jù)信號傳送到計算機上，以供用戶查看和分析。用戶輸入數(shù)據(jù)以電子郵件地址傳輸?shù)接脩舻慕缑娴刂泛碗娮余]件地址，用戶可以使用該接口對電磁頻譜進行分析，從而獲得電磁頻譜圖、無線電頻率和發(fā)射機參數(shù)等相關(guān)信息。當(dāng)需要對發(fā)射裝置進行掃描，無線傳感器將對該發(fā)射機進行掃描，并通過電子郵件通知用戶查看和下載相關(guān)資料；當(dāng)用戶掃描或接收到電磁頻譜圖時，可以使用鍵盤或鼠標(biāo)操作來查看或下載。

無線電傳感器是通過射頻技術(shù)掃描發(fā)射裝置并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行分析和存儲，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)測單個發(fā)射設(shè)備上的電磁波信號，并且只需要發(fā)出一次信號，無需其他探測設(shè)備和分析工具。

（二）通信技術(shù)

在電磁頻譜監(jiān)控中，無線傳感器是一種普遍使用的通信方式，針對WSN的特點，提出了一種基于WSN的WSN模型。由于不同類型的無線傳感器使用不同的頻段，接收的信號也不一樣。因此，為了保證信號在正常傳輸中不會出現(xiàn)錯雜現(xiàn)象，因此在進行數(shù)據(jù)傳輸之前，需要對數(shù)據(jù)進行處理，以確保信號在傳輸過程中不會出現(xiàn)錯雜現(xiàn)象。

接收技術(shù)是指利用某種通信技術(shù)在無線傳感器之間或與其他無線傳感器之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。由于無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，需要計算每個無線傳感器與其他無線感測系統(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)來進行無線傳感器和其他無線感知系統(tǒng)的通信。

微波天線是一種通過發(fā)送和接電磁波相互影響來工作的裝置，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，可以實現(xiàn)高效、高速的數(shù)據(jù)傳輸。將微波天線引入無線傳感器中，可以使其從無源檢測變成有源檢測，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線傳感器的電磁干擾效應(yīng)。

同時，針對多個WSN和不同WSN之間的通信方式，提出了一種可以實現(xiàn)多個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、效率高和易實現(xiàn)的特點。

四、WSN系統(tǒng)的優(yōu)勢及亮點

無線電傳感器具有體積小、重量輕、功耗低的特點，安裝和使用簡單方便，而WSN系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是無需布線即可在任何地點和時間完成對電磁頻譜數(shù)據(jù)的采集工作。

（一）可實現(xiàn)高效率的常態(tài)化監(jiān)測

在WSN系統(tǒng)中，無線電傳感器設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)都可以實現(xiàn)全天候7×24的頻段監(jiān)測，可以用來對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全天候7×24的采集和分析。通過長時間和多設(shè)備進行原始數(shù)據(jù)積累，從而了解無線電波的運行規(guī)律和變化趨勢，并規(guī)避可能存在的盲時和盲區(qū)。例如，可以通過對歷史數(shù)據(jù)的檢索、自動采集信號樣本等方式探測夜間或凌晨時段容易出現(xiàn)的“黑廣播”信號[1]。

（二）可同時進行多維度數(shù)據(jù)分析

通過對目標(biāo)不一致性進行綜合分析，WSN系統(tǒng)可以實現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)分析和儲存工作，還可以根據(jù)所返回的頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，對每一掃描過程中探測到的信號與臺（站）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行比對分析，并判斷哪些是已知的臺（站）信號，哪些是暫時未知的信號。對于暫時已知的合法臺（站）信號，可以判斷現(xiàn)階段臺（站）的基本發(fā)射狀態(tài)情況或是否存在超標(biāo)準發(fā)射等問題；對于監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的未知信號，可以對其出現(xiàn)的時間、接收的強度、信號帶寬與信噪比等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。WSN系統(tǒng)還可以用來對公眾移動通信信號的頻段占用度進行分析，也可以利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對其他頻帶或者頻道的占用情況進行基本分析，最終生成監(jiān)測報告[1] 。

（三）使用場強泛定位功能實現(xiàn)對不明信號的監(jiān)測定位

通過對目標(biāo)不一致性進行分析，WSN系統(tǒng)可以實現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)分析和儲存。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)測站進行監(jiān)測測向的能力受到限制。因此加強對城市重點區(qū)域、電磁環(huán)境復(fù)雜區(qū)域的無線電信號的監(jiān)測，可通過密集部署無線電傳感器來增強監(jiān)測能力，借助多臺設(shè)備對相同信號的監(jiān)測結(jié)果進行全面分析，并結(jié)合“泛定位”功能，快速判斷震源的大致位置。

（四）通過TDOA/POA方式快速定位發(fā)射源

1.TDOA定位

TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）是一種通過分析信號到達不同監(jiān)測設(shè)備的時間差異來確定信號源位置的方法?；陔p曲線特性，通過計算兩個監(jiān)測設(shè)備時間間隔的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以推斷信號源必須位于雙曲線的中心點，即兩個監(jiān)測設(shè)備的重點位置。如果有三個監(jiān)測設(shè)備，可以確定三條雙曲線，而信號源的位置恰好滿足這三條雙曲線的交點。因此，使用TDOA/POA方法可以快速定位信號源。

需要注意的是，TDOA定位需要具備以下條件：其一，至少需要3個或多個監(jiān)測設(shè)備同時監(jiān)測指定發(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，沒有同頻多址現(xiàn)象；其三，信號具有調(diào)制特征，即在不同的時刻存在差異。

2.POA 定位

POA定位又被稱為到達功率定位，是一種利用不同監(jiān)測設(shè)備接收到的發(fā)射源信號強度來反推發(fā)射源的位置的定位方法。在POA定位中，需要多個監(jiān)測設(shè)備能夠同時接收相同發(fā)射源信號，這就對監(jiān)測裝置的布置能夠滿足此要求。例如，在密集布放的WSN系統(tǒng)中，由于有多個監(jiān)測設(shè)備可以同步接收相同信號，這對于使用TDOA/POA方法進行信號定位非常有利。此外，在選擇參與定位的監(jiān)測設(shè)備時，可以通過分析之前的監(jiān)測數(shù)據(jù)來迅速選擇接收信號質(zhì)量最好的設(shè)備。

五、結(jié)束語

隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線通信設(shè)備具有高帶寬、高速率和泛在性等特點，并且越來越小型化。因此，傳統(tǒng)的固定監(jiān)測站用于采集空間電磁頻譜數(shù)據(jù)，無論在監(jiān)測覆蓋面范圍、靈敏度上、還是監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息維度上，都無法滿足人們對無線技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的新要求。

為了更好地管理無線頻譜資源，有效地維護空中電波的秩序，構(gòu)建一種新型的自動化頻譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以彌補傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的缺陷與短板，并滿足當(dāng)前和未來某個階段的監(jiān)測需求。

作者單位：馬進英 甘肅省無線電監(jiān)測站甘南監(jiān)測站

參? 考? 文? 獻

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馬進英（1996-），男，本科，助理工程師，研究方向：無線電監(jiān)測，無線電頻率臺站管理。