如何将带GPS的网络化的SDR频谱接收机完美地应用于分布式和移动频谱监测

1.导言

无线信号无处不在。 无线网络为我们的移动设备，物联网（IoT），智能城市，自动驾驶汽车等提供动力。 从基本视频流到整个公用电网的所有内容现在都依赖于可靠，高速和不间断的连接。 这一新现实给频谱监测用户带来了越来越大的压力，并且正在改变频谱分析设备的要求。
传统的基于硬件的频谱分析仪不再能满足当今复杂，密集和不断发展的频谱环境的需求。 用户需要能够将网络单元组合在一起以进行远程部署，可在车辆中部署的便携性以及嵌入式全球导航卫星系统（GNSS）功能（例如全球定位系统（GPS））来进行地理位置定位和直接查找应用。
为了满足这些需求，软件定义无线电（SDR）技术的进步带来了新型的频谱分析设备。 软件定义的频谱分析平台是为分布式频谱监测而设计和构建的，根据应用和要求，可以将其部署在各种无线传感器网络（WSN）拓扑中。
本文将展示SDR技术，可联网性和嵌入式GPS功能如何组合在一起，从而创建出一种便携式，多功能且适用于各种部署方案的频谱分析仪，例如测向与定位，干扰搜寻，覆盖图，态势感知和无线公共安全。

2.不断变化的无线网络格局

TA的最新报告预测，到2025年，将有342亿台互联设备。其中超过210亿将是物联网设备，而智能手机，平板电脑和其他移动设备将占剩余的130亿。为了争夺有限的频谱资源，无论是恶意的还是无意的，干扰的风险都成为一项重大挑战。
同样，随着更多人连接，所需的数据量和带宽也在增加。如今，智能手机用户平均每月要消耗2.9 GB的数据。英特尔估计，一辆自动驾驶汽车每天将需要超过4,000 GB的数据。在此水平上，当前的信号标准和技术无法跟上。
为了满足这些对接入的需求，新的无线标准将利用频率比目前的频率高得多的信号。例如，正在24、28、32和42 GHz频段内测试5G无线，该频段远高于移动设备当前使用的2 GHz以下范围。
对于RF工程师，CTO和RF应用开发人员而言，这些趋势正在改变频谱监测设备的要求。监测不再是集中的，静态的和简单的。 当今的监测是分布式，分散，连续和移动的。 结果，频谱监测设备必须联网，便携式且GPS使得能够被广泛部署。笨重，昂贵且无法联网的传统频谱分析仪不适合这些类型的环境。
下面几节内容将演示用户如何部署频谱分析仪以实现更大的覆盖范围并确定感兴趣信号的位置。

3.部署网络化接收机以扩大覆盖范围的四种架构

网络化频谱分析仪（接收机）为用户提供了跨广泛地域部署分析仪的无线传感器网络（WSN）的能力。根据应用的不同，多个单元可以部署在现场或车辆上，也可以部署在各种网络拓扑中。与传统的基于硬件的频谱分析仪相比，用户可以自由地设计和构建最能满足他们需求的架构，同时利用软件定义的频谱分析平台的紧凑性、可移植性和可联网性。
通过多个分析仪收集数据，用户可以看到信号环境的全貌和更完整的视图。网络部署还增加了捕获短时间、低功率或零星信号的可能性。
可以部署的WSN架构主要有四种。根据应用和用户需求，每种方法都有优点和缺点。

3.1.星型拓扑架构(hub and spoke)

在中心辐射型拓扑（见图1）（也称为星形拓扑）中，分布在网络中的所有频谱分析仪都连接回到单个公共站点。层次结构清晰，所有数据均流经此中央网关。分析仪之间不会共享数据，也无法将彼此用作集线器的中介。

图1. 星型拓扑架构(hub and spoke)网络配置
这种方法适用于较小的地理区域内进行就地监测，或者适用于需要将某些单元移动或部署在车辆上的监视应用程序。
hub和spoke体系结构的一些优点是易于部署和修复。数据被集中在一个位置进行更深入的分析。但是，它的可扩展性不如其他拓扑，特别是对于无线部署，中央网关必须位于所有单个分析仪的无线电传输范围内，从而限制了可以覆盖的地理区域。如果中央网关发生故障，则整个WSN也会发生故障，从而容易遭受故障的影响。

3.2.树形拓扑架构（Tree）

树形拓扑结构(参见图2)，也称为级联星型，通过具有多个分别连接到多个分析仪的集线器，克服了与集线器和分支部署相关的一些挑战。 这样，只需将新的分析仪连接到节点，即可轻松扩展网络。 分析仪仅与树上较高的节点通信，而彼此之间从不相互通信。

图2. 树形拓扑架构(Tree)网络配置
树形拓扑具有更高的可伸缩性，并且可以扩展地理区域，因为每个集线器都可以用作较高单元的中介。 这使其适用于分析仪不在中央网关覆盖范围内的应用。 但是，如果中央网关发生故障或连接断开，它仍然容易出现故障。

3.3.无线网状拓扑架构（Wireless Mesh）

在无线网状拓扑中（参见图3），多个分析仪都直接相互连接，并在彼此之间传递信息。由于每个分析仪都充当一个接入点，，并且不依赖于集中式集线器，所以可以通过使用附近的节点作为中介，将网状网络部署在更广阔的地理区域中。 单元动态确定数据流动的最佳路径。

图3. 无线网状拓扑架构（Wireless Mesh）网络配置
网状拓扑结构通常在就地部署中效果最好，因为很难不断更新移动单元的位置，同时又要实时共享数据。 它们通常更可靠，因为没有单点故障，并且可以扩展无线网状网络而不会破坏现有体系结构。 但是，它们更加复杂，并且部署成本可能更高。

3.4.混合网络拓扑架构（Hybrid） 混合网络结合多种拓扑结构来满足用

户的特定需求(参见图4)。例如，就地分析仪可以部署在网格拓扑结构上，而移动设备可以部署在集线器和分支上。 其中只有一些分析仪与其他单元通信的部分网状网络也是混合网络的一个示例。

图4. 混合网络拓扑架构（Hybrid）网络配置
混合架构可以克服其他拓扑的挑战，但是也会变得更加复杂和难以部署。

3.5.连接多个单元进行更深入的分析

便携、紧凑和网络化的频谱分析仪允许用户在最适合其应用程序的配置中部署多个单元。通过远程、就地和移动分析仪的组合，用户可以检测射频干扰、绘制地图覆盖范围，并确保符合政府法规。 下一节将展示这些功能与内置GPS功能的结合，如何使用户进行地理位置和测向分析以定位感兴趣的信号源。

4.GPS定位和测向的四种技术

知道感兴趣信号的位置对于许多应用很重要。 军事用户获得了更好的态势感知能力，诸如机场或公用事业基础设施之类的敏感设施可以找到RF干扰源，电信公司可以识别恶意发射机或其他干扰其覆盖范围的设备。 通过嵌入式GPS功能了解测量的时间和位置，用户可以确定感兴趣信号的位置。 对于未知或不合作的信号（例如上面示例中提到的信号），用户需要将多个单元联网在一起以确定时间，信号强度，频率或角度的差异。 可以使用四种主要技术来定位发射机。

4.1.到达时间差

到达时间差（TDOA，Time difference of arrival）至少需要三个接收机来定位信号，并且需要使用GPS很好地同步这些接收机。 通过比较每个单元接收信号的时间来确定发射机的位置，从而得出双曲线位置。 通过找到这些线相交的位置来找到发射机（参见图5）。

图5. 到达确定位置的时间差
TDOA在广泛的地理区域内都能很好地工作，最适合宽带和长脉冲信号。它还可以将信号定位在噪声流之下，并解决多径效应。 必须将数据发送到公共站点进行分析并确定发射机的位置。

4.2.到达功率差

到达功率差（PDOA，Frequency difference of arrival）还使用三个接收机上的差分信号来定位发送器。 PDOA不用时间上的差异，而是依靠同步单元上信号功率之间的差异（见图6）。 因为可以使用路径损耗模型预测传播，所以可以确定距离。但是，这些路径损耗的统计模型可能很复杂，并且会因环境而异。

图6. 到达确定位置的功率差
PDOA在功率差异更可测量的近距离环境中很有用。 在长距离上，功率变化很小，可能不足以准确确定位置。 PDOA易于设置，并且避免了其他技术的一些困难。

4.3.到达频率差

到达频率差（FDOA，Frequency difference of arrival）取决于天线远离或移向信号源时发生的频率多普勒频移。至少两个接收机之间的差分多普勒频移可用于定义位置线。频谱分析仪可以放在车辆上进行这种类型的分析。
FDOA可以与TDOA结合使用，以进一步提高准确性。它要求分析仪具有足够的网络连接能力和便携性，以便于部署在车辆或应用于其他移动部署中。与TDOA和PDOA相比，FDOA仅需要两个接收机即可发挥作用。

4.4.到达角度

到达角（AOA）使用天线阵列上的幅度变化来计算信号的位置。 通过查找位置线的交点，仅使用两个阵列即可进行地理定位。 AOA易于部署，并且可以跨信号类型和差异很好地工作。

图7. 到达确定位置的角度差
AOA不需要将接收机进行同步，但是在多路径环境中或将接收机和发送机放置在一条直线上时会遇到困难。 单个接收机可以使用相同的技术进行测向。

4.5.确定感兴趣信号的位置

具有内置GPS功能的网络化频谱分析仪使用户能够确定发射机的位置。无论用户是在寻找干扰、确定对方发射机的位置以进行态势感知、探测和定位恶意监听设备，还是维护公共安全，都必须知道测量的时间和位置。

5.结论-为现今复杂的频谱监测赋能

SDR技术正在重新定义频谱分析设备，并改变了频谱监测用户的游戏规则。 与传统的基于硬件的设备相比，软件定义的频谱分析平台轻便，轻便，并且具有更高的性价比。
结合专用网络功能，这使得它们易于在各种部署方案中使用，以进行就地，远程和移动频谱分析。 嵌入式GNSS技术使使用这些联网单元进行地理定位和测向应用程序来定位感兴趣的信号源成为可能。
软件定义的频谱分析仪非常适合当今的监测应用。 随着频谱监测的越来越趋于分布式，越来越分散化，复杂化和多样化，那么便携式，灵活且经济高效的频谱分析设备将使用户能够进行更深入的分析。

6.附：软件定义的嵌入定位系统的网络化接收机 ThinkRF R5750

使用创新的软件定义的无线电技术，带有GNSS的ThinkRF R5750实时频谱分析仪具有传统实验室级频谱分析仪的性能，而成本却是其一小部分，尺寸，重量和功耗。光滑，轻巧和无风扇的ThinkRF R5750分析仪具有高性能的软件定义的RF接收器，数字化仪和分析仪以及集成的GNSS技术，可提供位置和时间信息。R5750实时频谱分析仪基于优化的软件定义的无线电接收器架构，以及实时数字化和数字信号处理。R5750分析仪专为独立，室外，移动，远程和/或分布式无线信号分析而设计，可在一个小型的一箱式时尚平台中实现宽带宽，深动态范围和27 GHz频率范围。单个单元或无线电传感器网络，使其成为监管发射机的理想选择，无论它们是在建筑物内还是分布在某个地理区域。可选的IP66等级可在恶劣的环境中提高耐用性和耐用性。