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基于LTE的干扰器的研究与设计

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软件简介

 我国移动通信市场发展迅速,LTE作为我国4G无线标准已被三大运营商广泛采用。4G给人们的生活和工作带来了极大便利的同时也产生了数据泄密的问题,而信号干扰器能够保证数据通信的安全。然而,目前市场上大多都是针对2G和3G信号的干扰器,并且现有LTE干扰器存在发射功率大、干扰半径小的问题,因此迫切需要设计一种高性能LTE干扰器来解决4G通信安全问题。
针对以上问题,在现有的移动通信干扰技术基础上,本文采用一种绿色的干扰方式,设计出一种高性能的LTE干扰器,其发射功率低、屏蔽范围广。该产品能够应用在保密会议、考场和军事重地等场所,能够在其有效干扰范围内成功干扰LTE信号,阻断LTE移动终端与外界基站的联系。
基于LTE干扰器干扰方案,本文从干扰方案仿真和软件设计两方面开展工作,主要工作包括三个部分。首先,本文提出了功率压制式和信号/信令仿冒式两种LTE信号干扰方式,只对关键的无线物理信道和无线信号进行干扰,同时针对移动通信终端的不同用户状态提出了不同的干扰方案。然后,依据干扰方案需求搭建了一个LTE下行链路仿真平台,包括物理广播信道模块、物理控制格式指示信道模块以及同步模块,利用该仿真平台对提出的干扰方案进行了仿真研究。仿真结果表明,采用仿冒式干扰方式不仅可以成功干扰LTE信号,而且可以解决现有LTE干扰器发射功率大及干扰半径小的问题。依据干扰器的设计需求对仿真结果进行了分析与评估,最终得出最优的干扰方案,并且围绕最优干扰方案对LTE干扰器的软件侧部分进行了设计。干扰器软件侧部分对其软件架构和工作流程进行了介绍,重点介绍了初始同步和物理广播信道检测的实现过程。最后,在实际工作场景中对本文设计的LTE干扰器的性能进行了测试,与市场上其它同类产品进行比较,测试结果表明本文设计的LTE干扰器不仅发射功率低而且干扰半径大,满足基本的设计需求。

关键词:LTE干扰器,功率压制式干扰,仿冒式干扰,发射功率,干扰半径
Abstract
The mobile market of our country is developing fast. As the 4G wireless standard of our country, LTE is widely used by the first three network operator. Although 4G technology brings great convenience to our life and work, but it also brings the problem of data leak. Signal jammer can ensure the safe of data communication. However, most of the signal jammer on the market is just applicable to the 2G or 3G system. Besides, the transmit power of exsisting LTE jammer is high and the interference radius is small. So it is necessary to design a signal jammer which is applicable to the LTE system, this LTE jammer can solve the security problem of 4G communication.
In this thesis, to solve the above problems, a green way of interference method is put forward on the basis of the existing mobile communication interference technology, it aims at designing a new generation of high performance signal jammer, the transmit power is lower and interference radius is wider. This kind of product can be used in secure session, examination room, important military and other places. When the signal jammer is working, the LTE signal can be interfered successful in the effective interference range, the communication between LTE mobile device and the external base station can be cut off.
On the basis of interference scheme, this thesis focuse on the simulation and software design. The main work includes three parts.First of all, in this thesis, two kinds of interference methods which is applicable to the LTE signal are put forward, one way is called power suppress interference method, another way is called signal counterfeit interference method. It only interfere key wireless channel and wireless signal. Also, different of interference schemes for different user status are put forward in this thesis. Then, the LTE downlink simulation platform is built in this thesis according to the interference scheme. This simulation platform consists of PBCH module, PCFICH module and synchronization module, it can be used to simulate the interference scheme which have put forward in this thesis. The simulation result showed that counterfeit interference method not only can interfere LTE signal successfully, but also can solve the problem of high emission power and small interference radius. According to the design requirements of the LTE jammer, the best interference scheme can be found by the assessment of simulation result. Ultimately, the software part of LTE jammer is designed according to the best interference scheme in this thesis. The software part of LTE jammer introduces the software framework and program process, it mainly introduces the implementation process of initial synchronization and PBCH check. Finally, in this thesis, the performance of our LTE jammer is tested in actual workplace scenario, it compares with the similar products on the market. The test results show that not only the transmit power of our LTE jammer is lower, but also the interference radius is larger. It meets the basic designing requirements.

Keywords: LTE jammer, power suppression interference method, counterfeit interference method, transmit power, interference radius


目录
图录 VII
表录 IX
注释表 X
第1章 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 发展现状 2
1.3 研究内容 3
1.4 论文结构安排 3
第2章 LTE信号干扰技术分析 5
2.1 LTE系统概述 5
2.1.1 LTE系统物理层概述 5
2.1.2 LTE系统下行物理信道 6
2.2 移动通信干扰技术 11
2.3 LTE信号干扰方式 12
2.3.1 功率压制式干扰 12
2.3.2 信号/信令仿冒式干扰 13
2.4 本章小结 14
第3章 LTE干扰器干扰方案 15
3.1 LTE干扰器设计需求分析 15
3.2 LTE干扰器干扰方案 16
3.2.1 干扰同步信号 16
3.2.2 干扰广播信道 17
3.2.3 干扰PCFICH信道 18
3.3 不同用户状态下的干扰方案 19
3.3.1 RRC-IDLE用户的干扰方案 19
3.3.2 RRC-CONNECTED用户的干扰方案 21
3.4 本章小结 22
第4章 LTE干扰器干扰方案及性能仿真 23
4.1 LTE下行链路仿真平台 23
4.1.1 LTE下行链路仿真平台主要模块 23
4.1.2 LTE下行链路仿真平台相关过程介绍 28
4.2 LTE干扰器干扰方案仿真 32
4.2.1 仿真场景及假设 32
4.2.2 干扰PBCH及其仿真 33
4.2.3 干扰PSS及其仿真 35
4.2.4 干扰SSS及其仿真 37
4.2.5 干扰PCFICH及其仿真 39
4.2.6 仿真结果及评估 41
4.3 LTE干扰器最优干扰方案性能仿真 43
4.3.1 性能优化技术介绍 43
4.3.2 接收端性能仿真 46
4.3.3 发射端性能仿真 48
4.4 本章小结 50
第5章 LTE干扰器软件设计及测试 51
5.1 干扰器软件侧工作流程 51
5.2 干扰器初始同步过程 52
5.3 干扰器PBCH检测过程 54
5.4 干扰器测试 56
5.4.1 测试方案 57
5.4.2 测试结果及分析 58
5.5 本章小结 62
第6章 总结与展望 63
6.1 总结 63
6.2 展望 64
参考文献 65
致谢 69
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 70


图录
图2.1 帧结构1 5
图2.2 帧结构2 6
图2.3 下行资源栅格 8
图2.4 下行基带信号处理流程 9
图3.1 FDD情况下PSS和SSS在时域的位置 16
图3.2 TDD情况下PSS和SSS在时域的位置 17
图3.3 PBCH资源映射 18
图3.4 PCFICH资源映射 19
图4.1 PBCH发送端流程 24
图4.2 PBCH接收端流程 25
图4.3 PCFICH发送端流程 26
图4.4 PCFICH接收端流程 26
图4.5 同步模块流程图 26
图4.6 信道传输环境仿真模块流程图 27
图4.7 路径损耗过程 28
图4.8 同步算法过程 29
图4.9 基站、干扰器与终端的相对位置 32
图4.10 PBCH仿真结果 35
图4.11 PSS仿真结果 37
图4.12 SSS仿真结果 39
图4.13 PCFICH仿真结果 41
图4.14 仿冒式干扰方式下的仿真结果 42
图4.15 PBCH在无线帧中传输示意图 44
图4.16 软合并示意图 44
图4.17 多天线技术的三种基本传输方式 45
图4.18 接收端无软合并和四次软合并方式下示意图 46
图4.19 改变接收端天线数仿真图 47
图4.20 改变基站发送天线数仿真图 48
图4.21 1Tx1Rx与1Tx2Rx仿真结果对比 49
图4.22 2Tx1Rx与2Tx2Rx仿真结果对比 49
图5.1 干容器发射机、接收机软件侧工作流程 51
图5.2 干扰器初始同步过程流程图 52
图5.3 干扰器PBCH检测过程 54
图5.4 测试方案原理图 57
图5.5 两种不同干扰状态下的手机信号接收图 58
图5.6 LTE干扰器测试结果 59
图5.7 基站信号频谱图 60
图5.8 基站信号+测试干扰器干扰信号频谱图 60
图5.9 基站信号+A产品干扰信号频谱图 61
图5.10 基站信号+B产品干扰信号频谱图 61

表录
表2.1 物理资源参数 7
表2.2 主同步信号根序列 11
表3.1 产品系统特性支持 15
表3.2 产品支持频段 15
表4.1 仿真参数表 33
表4.2 ITU模型中不同干扰方案的干扰器发射功率 42
表5.1 不同型号LTE干扰器之间性能对比 59

注释表
LTE Long Term Evolution,长期演进
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分多址
MIMO Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出
FDD Frequency Division Duplexing,频分双工
TDD Time Division Duplexing,时分双工
RE Resource Element,资源粒子
RB Resource Block,资源块
PDSCH Physical Downlink Shared Channel,物理下行共享信道
PBCH Physical Broadcast Channel,物理广播信道
PMCH Physical Multicast Channel,物理多播信道
PCFICH Physical Control Format Indicator Channel,物理控制格式指示信道
PDCCH Physical Downlink Control Channel,物理下行控制信道
PSS Primary Synchronization Signal,主同步信号
SSS Secondary Synchronization Signal,辅同步信号
RRC-CONNECTED Radio Resource Control Connected,无线资源控制连接
RRC-IDLE Radio Resource Control Idle,无线资源控制空闲
MIB Master Information Block,主信息块
SIB System Information Block,系统信息块
CRC Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验码
TB Transport Block,传输块
CB Code Block,码块
CW Code Word,码字
LS Lea Estimation,最小二乘法
MMSE Minimum Mean Square Error,最小均方误差法
ITU International Telecommunication Union,国际电信联盟

第1章 引言
1.1 研究背景
随着3G在全球范围内,尤其是在中国的部署和运营,用户对移动互联网的需求与日俱增。在这种背景下,3G的演进技术——LTE已日益成为移动通信产业界关注的焦点。LTE及其进一步演进技术LTE-Advanced已满足国际电信联盟所定义的第四代移动通信(所谓的4G)所有技术要求,在某些方面甚至有所超越,能把用户带入真正意义上的移动互联网时代[1]。
移动通信技术的广泛应用和迅速发展给人们的生活带来了极大的便利,但也带来许多安全隐患。由于无线信道具有开放性,只要利用相应的接收设备,就能够截获手机的通话信息,并对其进行定位、跟踪和监视。近年来我国移动通信市场一直呈现高速发展的态势,然而利用移动通信设备犯罪的案例也一直呈现上升趋势,极少数人为了达到某种目的或者出于某种利益的需要,使用移动通信设备进行一些不道德甚至是非法的行为,典型的案例就是利用移动通信设备传递一些机密的音频或是视频信息。然而在某些特殊场合下(如涉密会议室),为了防止手机通信泄密,是不希望有移动通信设备进行通信的[2]。从技术角度来说,抑制这种信息泄密的有效手段是在一些局部的、特殊的敏感区域内,提供一种高效的移动通信信号干扰措施,利用信号干扰器切断手机与基站的联系,从而使该区域内的手机的信息无法被任何通信工具和接收设备获得[3]。从市场需求来说,这种移动通信干扰产品具有现实的意义,它在各类保密会议室、考场、技术/人事档案室等场合中得到实际的应用。
目前,有很多关于手机干扰器的研究和产品,但都是针对2G和3G信号的。随着LTE技术的不断发展和LTE系统在国内外的普及,无处不在的LTE网络覆盖也同样会带来各种各样的问题,其中如何防止通信信息被非法用户截获是一个重要的问题。在很多场景下,例如正在进行的保密会议、涉及到信息安全的资料室等,为了保证信息安全不外泄,屏蔽移动通信信号是十分必要的。因此非常需要专门针对LTE网络的干扰器,LTE干扰器的应用前景非常乐观。
1.2 发展现状
在现代社会中,移动通信无疑是最为活跃的应用学科,随着3G技术的大规模应用和普及,多媒体应用与服务得到了广泛推广,然而3G在速率及服务质量等方面的局限性也将一步步显露出来,势必需要具有更宽带宽的无线系统。未来移动通信必定是速率更高、速容量更大、功能更强的移动宽带通信系统。
在2009年,LTE服务项目被TeliaSonera公司正式推出。在2010年,LTE技术被应用到4G网络系统中,下载速率与往年相比达到了新高并创下了当时的世界记录[4]。在2012年,美国和日本也相继将 LTE 技术应用到商业的道路当中。在2013年,在全球网络中,使用LTE技术的用户达到了7200万。而我国也在2013年12月4日向中国移动、中国电信以及中国联通正式发放了第四代移动通信业务牌照(即4G牌照),中国移动、中国电信和中国联均获得TD-LTE牌照。而2015年2月27日,工信部又向中国电信和中国联通发放了FDD-LTE牌照,此举标志着我国移动通信产业正式进入了4G时代。
在国外,移动通信干扰器行业从上世纪末开始发展,属于当时较为新兴发展的行业,并且移动通信干扰器在2001年左右被引入我国。国内市场上销售和使用的干扰器大多都是经过改进后,由国内厂家生产的。市场上最初使用的干扰存在许多弊端,不仅辐射大,而且容易造成电磁污染,影响非干扰用户的正常通信。从最开始的“污染型”干扰器,到近几年发展的较为智能绿色的干容器,其发展历程在我国也不过十几年。
近年来在大小型会议、政府机构、企事业单位等各类涉密场所都能见到干扰器的踪影,然而目前设备生产厂家鱼龙混杂,生产的干扰器质量参差不齐。国内外市场上针对LTE信号的干扰器还处于一个空白期,还为了抓住商机,目前许多厂家和研究所都在着手研制LTE干扰器。通过对国内外现有LTE干扰器的调研,目前市场上已经出现了几款不同型号的LTE干扰器。这些干扰器虽然能够成功干扰LTE信号,但是一个比较普遍的问题是干扰器发射功率大。这个问题不仅造成电池续航能力差,而且辐射过大,对人体也会照成一定的伤害。同时,现有的干扰器干扰半径/面积小,实际工作中部署困难,往往在一个大型会议室中需要同时部署好几个干扰器。因而要想抢占市场,就需要弥补现有LTE干扰器的不足,研制出一款更加绿色智能的LTE干扰器。
1.3 研究内容
1. 提出LTE干扰器干扰方案
参照国内外现有移动通信干扰技术,并且针对LTE干扰器的设计需求,本文提出的LTE信号干扰方案的基本思想是:在某些特殊信号或信道(如同步信号、广播信道)所占的时频资源上发射干扰信号,以阻止LTE终端接入网络,从而切断通信;同时,因发射的干扰在特定的少量时频资源上,可降低干扰器的功率和对基站的影响。
2. LTE下行链路仿真平台确立
确立LTE下行链路仿真平台,包括平台运行环境的选择,平台模块的确定,通信流程的设计,为本文提出的干扰方案的仿真提供仿真平台。
3. LTE干扰器干扰方案及性能的仿真
对文中提出的干扰方案进行仿真评估,评估对同步信号、广播信道(Physical Broadcast Channel,PBCH)以及物理控制格式指示信道(Physical Control Format Indicator Channel,PCFICH)的干扰。仿真在特定的信道模型下进行,得到了各种干扰方案下成功干扰LTE信号时的干扰信号功率。对各干扰方案的可行和干扰效果进了验证,确定干扰器最优的干扰方案。最后针对LTE干扰器的性能进行仿真,为下一步干扰器的软件设计与实现提供参考依据。
4. LTE干扰器的软件设计及测试
基于仿真后确定的最优的干扰方案对干扰器的软件架构进行设计与实现,并在实际应用场景中对其进行测试。
1.4 论文结构安排
本论文分为六章,具体安排如下:
第一章为引言部分,主要介绍了本文的研究背景,LTE系统干扰技术的发展现状以及本论文的主要研究内容。
第二章对LTE系统进行了概述,介绍了传统移动通信干扰技术,重点对LTE信号干扰技术进行了介绍分析;
第三章介绍了LTE干扰器几种可行的干扰方案,可以采用的干扰方式分别为噪声压制式干扰和信号/信令仿冒式干扰,可行的干扰方式是针对同步信号、PBCH信道以及PCFICH信道采用上述两种方式进行干扰。同时对于不同用户状态,本文又提出了不同的干扰方案。
第四章首先介绍了LTE下行链路仿真平台,包括仿真平台主要模块的工作流程及相关处理过程。本章主要对LTE干扰器的干扰方案及性能仿真进行了介绍,详细介绍了不同干扰方案的仿真方法、处理步骤与干扰原理,并对仿真结果进行了分析与评估,得出了最优的干扰方案。
第五章介绍LTE干扰器的软件设计与测试工作,软件设计部分包括干扰器的软件架构及主要过程的工作流程,测试部分主要是对干扰器的设计原理进行验证,通过与其它厂家干扰器的实测结果进行对比来体现本文设计的干扰器的优越性。
第六章是对本论文研究内容的总结以及对未来工作的展望。
第2章 LTE信号干扰技术分析
2.1 LTE系统概述
LTE是新一代宽带无线通信标准,LTE最关键的技术是正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)和多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO),具有更低的传输时延、更高的频谱效率和传输速率以及更好的网络覆盖。这种以OFDM为核心的技术被看作“准4G”技术,LTE的增强技术(LTE-Advanced)是国际电联认可的第四代移动通信标准[5]。本文所提到的LTE系统是以3GPP R8版本作为标准。
2.1.1 LTE系统物理层概述
1. 双工方式
LTE系统同时定义了时分双工(Time Division Duplexing,TDD)和频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)两种不相同的双工方式[6]。由于FDD进行发送和接收的两个分离信道的频率是对称的,并在接收和发送信道间设置了一定的频带间隔方式以避免互相干扰,所以FDD必须使用成对的频率,通过频率来区分上行和下行链路,其在同一方向的资源传输在时间上是连续的;TDD收发信道在同一频带内,通过将信号调度到不同时间段,采用非连续方式发送,并设置一定的时间间隔方式以避免发射信道和接收信道间的干扰[7]。 
2. 帧结构
LTE系统有两种不同结构的物理帧格式,分别为帧结构1和帧结构2,帧长都是10ms。FDD工作模式下采用帧结构1,其帧结构如图2.1所示。


图2.1 帧结构1
FDD工作模式下,每个无线帧的长度是10ms,一个无线帧由20个时隙构成,并且每个时隙的长度为0.5ms,其编号为0-19。一个子帧由两个相邻的时隙构成,其中第i个子帧由第2i个和第2i+1个时隙构成[8]。


图2.2 帧结构2

TDD工作模式下,2个长度为5ms的半帧构成一个10ms的无线帧,每个半帧由1个特殊子帧和4个数据子帧构成,如图2.2所示。特殊子帧包括DwPTS(下行导频时隙)、UpPTS(上行导频时隙)和GP(保护间隔)三个部分,每部分的长度是可配置的,总长度为1ms。DwPTS用于传输下行同步符号,UpPTS用于传输上行同步符号,而GP则是用于防止上下行间的干扰[9]。
TDD工作模式下,TDD用时间来分离发送和接收信道。在TDD模式的移动通信系统中,发送和接收使用相同频率载波的不相同时隙来作为其信道的承载,并且其单方向的传输资源在时间上是非连续的,时间资源则是在两个不同方向来进行分配的。某个时间段是由基站给终端发送信号,而另外的时间段则是由终端给基站发送信号,终端和基站之间需要协同一致才可以正常工作。
2.1.2 LTE系统下行物理信道
1. 概述
用于下行传输的最小资源单位叫做资源粒子(Resource Element,RE),在RE之上,还定义了资源块(Resource Block,RB)概念,一个RB由若干个RE构成。
(1) 物理信道
下行物理信道对应于一系列RE的集合,用于承载来自高层的信息,它是规范36.211和36.212之间的接口。36.211中定义的下行物理信道如下:物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel,PDSCH)、物理广播信道、物理多播信道(Physical Multicast Channel,PMCH)、物理控制格式指示信道、物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH)、物理HARQ指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel,PHICH) [10]。
(2) 物理信号
下行物理信号对应于一系列物理层使用的RE,但是任何来自高层的信息不会被这些RE传递,下行物理信号包括参考信息及同步信号。
2. 时隙结构和物理资源粒子
(1) 资源栅格
可以通过一个资源栅格来描述一个时隙中传输的信号,其大小为个子载波和个OFDM符号,其结构图如图2.3所示。小区的下行传输带宽的大小决定了的大小,并且满足:。其中=6,以及=110分别是下行传输的最小和最大带宽[11]。高层配置的子载波间隔和循环前缀长度决定了一个时隙中OFDM符号的个数,其参数配置如表2.1所示。

表2.1 物理资源参数
配置
常规CP =15kHz 12 7
扩展CP =15kHz 12 6
扩展CP =7.5kHz 24 3

(2) 资源粒子
资源栅格中的最小单元是资源粒子,用唯一且与之对应的序号对(k, l)对其进行定义,其中k=0,…, -1,l=0,…, -1,分别为频域和时域的序号。
(3) 资源块
一个RB由个在时域上连续的OFDM符号以及个在频域上连续的子载波构成,其中和的取值如表2.1所示。这样一个下行资源块包含个资源粒子,在时域上对应于一个时隙,在频域上对应于180kHz。
(4) 资源粒子组
控制信道到资源粒子的映射是用资源粒子组(REG)来进行定义的。每个REG包含除去公共参考信号外的4个频域连续的RE,一个REG中的所有资源粒子的序号l都相同[12]。配置的小区专用参考信号数目决定了一个资源粒子组中的资源粒子集合。

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