基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统

摘  要：基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统采用了干扰效率更高的新型数字扰码技术并结合光纤分布架构的组网方式，区别于目前采用室内分布系统架构的数字屏蔽系统，它不需要建设复杂的天线室内分布系统，降低了数字扰码屏蔽技术应用的施工门槛，提升了系统组网能力，同时还能对末端屏蔽节点进行远程控制，在实现低辐射、全制式、不干扰基站、周界控制精准的前提下还能降低系统造价，利于系统推广。

关键词：光纤;屏蔽;低辐射;软件无线电;信号采集;智能

中图分类号：TN929.5               文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0044-06

Mobile Phone Signal Shielding System Based on Optical Fiber Transmission System

DONG Wenfeng

（Fuzhou Radio Communication Technology Co.， Ltd.， Fuzhou  350028， China）

Abstract： The mobile phone signal shielding system based on optical fiber transmission system adopts a new digital scrambling technology with higher interference efficiency and combined with the networking mode of optical fiber distribution architecture. It is different from the current digital shielding system based on indoor distribution system architecture. It does not need to build a complex antenna indoor distribution system， which reduces the construction threshold for the application of digital scrambling shielding technology. It not only improves the networking capacity of the system， but also remotely controls the end shielding nodes. On the premise of low radiation， full system， no interference with the base station and accurate perimeter control， it can also reduce the system cost and facilitate the promotion of the system.

Keywords： optical fiber; shield; low radiation; software radio; signal acquisition; intelligence

0  引  言

众所周知目前移动互联网、智能手机产业的高速发展，移动通信网络在给人们的生活带来便利性的同时，也成为各个敏感和关键部门或者单位失密、窃密的主要渠道，尤其是随着智能手机各项功能如录音、录像、拍照、上网及性能的不断发展和广泛应用，使得教育机构、科研院所、监狱、军队、政府要害部门等具备保密要求的单位面临一个日益严峻的难题：如何科学有效的管理好管控区域内的智能手机？以及如何采取技术手段对违规违法使用手机行为进行有效的管控 ？

基于當前的手机信号管控现状和形势发展需要，针对诸如学校、监狱、科研院所等涉密单位有必要部署一套手机信号屏蔽系统，这套系统既能实现屏蔽区域的手机信号的精准屏蔽，还需绿色低辐射，对人体无害，还不能对现有移动网络造成干扰等不良影响，同时屏蔽系统还应具备良好的组网架构，适合大面积室内屏蔽覆盖等多重功能的手机信号屏蔽系统。

1  当前手机信号屏蔽的几种方法

1.1  大功率噪声压制（白噪声）模式

大功率噪声压制主要采用单音信号，以一定频率对移动网络的下行信号进行循环扫描，如图1所示，恶化电磁环境，使得手机无法正常解调基站信号，以实现信号阻断，从而达到其屏蔽的目的。

这种屏蔽方式带来了几个缺点：

（1）系统辐射功率很大，由于4G/5G系统中采用多路正交子载波方案，该方案对其干扰效果较差，如需对LTE/5G NR/WCDMA等宽带码分信号形成有效干扰，需在目标频段内叠加大于当前信号20 dB以上的功率信号才能达到信号干扰的效果，如图2所示，因此屏蔽效率低，且设备输出大信号干扰对人体辐射大，不环保;

（2）扫频压制方案边带功率不容易压制，系统易造成上行链路干扰，如GSM上行易受到干扰，同时因为TD-LTE和5G NR系统是采用上下行同频，采用模拟扫频方案，无法做到下行时隙同步，会直接对基站上行造成干扰甚至基站瘫痪;

（3）容易造成越区干扰（2G），规模部署易对周边电磁场造成严重变化，干扰周边居民正常通讯，且设备功耗高（500瓦功耗以上），自身发热较高，设备自损率也高，长时间工作设备可靠性也不高;

（4）部分制式屏蔽距离短（4G/5G），存在大量屏蔽死角和盲区。

综上所述，大功率噪声压制模式主要依靠功率压制，由于其干扰效率低，电磁辐射过大，不同制式干扰不一致，且边界难以控制，目前已经不适合在当前的各个场景中使用。

1.2  伪基站模式

所谓伪基站，是以公网基站为标准进行仿制的一款类似公网通信的基站，利用移动通信切换原理，将用户欺骗到伪基站上来，从而达到阻断通信的目的，如图3所示。

这种屏蔽模式主要针对2G-GSM及4G制式手机用户，对应3G及5G手机用户还是需要通过屏蔽方式来实现信号阻隔，同时针对华为、小米等具备防伪基站功能的手机来说，手机能够甄别手机交互信令特征来判断是伪基站而主动拒绝接入网络，因此在很多场景当中使用伪基站来实现屏蔽手机的效果也不是很理想。

1.3  基于软件无线电技术（信令屏蔽）的室内分布精准屏蔽系统

基于软件无线电技术的室内分布精准屏蔽系统是近几年才出现的新型数字屏蔽系统，它采用的是新型数字扰码技术，它通过软件无线电技术对各制式信号进行二次处理，产生对应的干扰码，然后进行信道编码调制输出到下行链路进行发射输出，从而使手机无法与基站正常通信，达到阻断通信的目的，其最大特点是只需要输出比环境基站信号功率大2-6dB 便可达到屏蔽手机信号的效果，具有绿色低辐射、全制式高效率、周界控制精准等优点。

由于此种屏蔽产品结合了天线室内分布系统如图4所示，由接收天线、近远端设备、室内分布系统组成，设备远端单元屏蔽信号输出至室分天馈系统中，可以对屏蔽区域进行全方位的信号屏蔽，并满足屏蔽信号不外泄到围墙外，不影响到围墙外的手机用户。

主要缺点有：

采用室内天线分布系统对应用场所有比较高的施工技术要求，天馈系统的施工质量会直接影响到系统的正常工作，同时由于屏蔽近端接收天线与远端天馈系统共址，远端发射的屏蔽信号若与屏蔽近端的接收天线距离太近，造成系统无线隔离度控制不好极易造成系统自激，影响设备可靠运行。

由于屏蔽系统近端和远端采用1/2射频馈线连接，因此对于面积较大的建筑必须设计多台屏蔽系统近端机，否则屏蔽远端机会因为1/2馈线的远距离传输导致系统无法输出额度功率，影响屏蔽效果。同时由于必须配合室内天线分布系统工作，系统当中需要配置除1/2馈线以外的功分器、耦合器和天线材料，大大增加了系统造价成本和实施难度，不利于规模应用。

2  基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统设计

2.1  设计要求

设计要求主要有以下几点：

（1）系统采用软件无线电（信令）新型数字扰码屏蔽技术，干扰效率高，输出干扰信号只需比环境基站信号大2～6 dB便可达到屏蔽手机信号的效果，绿色低辐射、全制式高效率;

（2）具备强大的组网能力，采用光纤分布式架构，能实现一个学校/监狱/涉密单位只需要一台智能全屏蔽近端通过光纤链路组网方式完成全部教室/狱舍/会议室的手机信号屏蔽覆盖，降低系统成本;

（3）系统需支持目前中国移动、中国电信、中国联通、中国广电四家运营商的2G/3G/4G/5G全部移動通信网络频段，对2G/3G语音及4G/5G数据业务具备完全屏蔽能力;

（4）自适应智能化：能自动侦测外网网络环境变化，侦测屏蔽输出的功率自适应可调，提高覆盖范围的精度，确保系统可靠运行;

（5）全区域全制式，无盲点无死角：解决其他屏蔽方式在运营商网络信号强度超过-50 dBm 场景和 4G/5G 屏蔽困难的问题，实现全制式屏蔽;

（6）高精度：管控周界精度控制在8米内，不产生外界干扰;

（7）下行时隙同步：TDD 同步工作，确保TD-LTE及5G NR系统上行不干扰基站;

（8）网管平台：通过主从通讯实现末端节点屏蔽设备的运行管理功能，如运行状态，参数设置，频段工作控制，故障上报，定时开关等。

2.2  设计方案

2.2.1  数字（信令）屏蔽近端（IAU）设计

本方案信号处理流程如图5所示，通过室外的信号采集天线，将部署地点空间的基站信号接收下来，经过低噪放输入后经射频端的下变频到中频（分为10个处理频段： 700 M、 800 M、 900 M、1 800 M、 1 900 M、 2 000 M、 2 100 M、2 300 M、2 600 M、3 500 M，然后输入 AD，将模数转换成数字信号，输入FPGA，再进行抽取，滤波，NCO下变频搬移至0频，进行基带的解调算法，解析出同步信号，小区信息，导频信道等等，然后通过自产生的干扰码与相关的信道信息重新打包，编码调制输出，最后通过滤波算法，数字上变频及D/A 输出到射频链路。

屏蔽移动通信网络制式要求：

需要支持目前国内三大运营商2/3/4/5G网络频段，如表1所示。

2.2.2  数字（信令）屏蔽光纤扩展单元（IEU）设计

数字屏蔽光纤扩展单元（IEU）如图6所示，前端数字（信令）屏蔽近端（IAU）的射频干扰信号通过1/2馈线从射频输入口进入到光电转换模块，将射频电信号转化为光波信号，再经过一分16路光功分模块将信号分为16路，实现16路远端组网能力。

2.2.3  数字（信令）屏蔽光纤远端单元（IRU）设计

数字屏蔽光纤远端单元（IRU）如图7所示，前级光纤扩展单元（IEU）的光信号通过内部光电转换模块变为射频信号后，再经过功率分配电路将恢复出的射频信号分配至700 M、800 M、900 M、1 800 M、1 900 M、2 000 M、2 100 M、2 300 M、2 600 M、3 500 M这10个频段上，分别经过对应频段的声表滤波器（SAW）滤波、信号放大后输出至发射天线，完成数字屏蔽信号的覆盖。

数字屏蔽光纤远端单元（IRU）针对不同场景应用还预留了Wi-Fi频段的2.4 GHz、5.2 GHz和5.8 GHz干扰频段的发射电路，并且通过上行检测电路（sniffer）接收目标区域的环境信号，能够支持手机信号侦测功能，可实现智能监测并实行自动运行的功能。

2.2.4  基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统拓扑

基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统由数字屏蔽近端（IAU）、数字屏蔽光纤扩展单元（IEU）、数字屏蔽光纤远端单元（IRU）和网络管理监控（OMC）平台组成， 信号屏蔽系统拓扑图如图8所示。

数字屏蔽近端（IAU）射频接收端口连接一根信号采集（侦听）天线，输出端口通过1/2射频馈线、功分器或耦合器连接数字屏蔽光纤扩展单元（IEU）（在射频链路损耗允许范围内数字屏蔽光纤扩展单元可以最多连接8台），数字屏蔽光纤扩展单元（IEU）再与数字屏蔽光纤远端单元（IRU）通过光纤连接，1台数字屏蔽光纤扩展单元（IEU）最多可以连接16台数字屏蔽光纤远端单元（IRU），整个系统通过以上组网方式最多可以实现1台数字屏蔽近端（IAU）带128台数字屏蔽光纤远端单元（IRU）的组网能力。

2.3  与现有屏蔽技术方案设备形态比较

基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统与现有几种屏蔽技术的设备形态比较，如表2所示。

2.4  与现有屏蔽技术方案技术功能比较

基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统与现有几种屏蔽技术的功能比较，如表3所示。

3  结  论

本文所设计基于光纤传输系统的手机信号屏蔽系统，已经开始在部队武警、学校考场、司法监狱、公安看守所、保密等场景当中应用，在实际的现场测试表明，此系统明显优于传统屏蔽器，其采用光纤传输在系统组网容量及控制天馈系统隔离度方面较传统室分型数字屏蔽系统有明显提高，这样大大降低了应用实施成本，缩短了建设周期。同时，此系统将末端屏蔽单元有源化后（相对于室分型数字屏蔽系统），赋予了智能监测和控制功能，用户可根据具体环境需求设置设备工作策略（如管控全屏蔽模式、分区精准屏蔽等），提高了系统的网络化和智能化，可以让手机信号屏蔽管控更加简单，运营更加高效且多样化。

参考文献：

[1] 胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现 [M].北京：清华大学出版社，1997.

[2] 朱庆厚.通信干扰技术及其在频谱管理中的应用 [M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3] 郭铭，文志成，刘向东.5G空口特性与关键技术 [M].北京：人民邮电出版社，2019.

[4] 王彬.MATLAB數字信号处理 [M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 程佩青.数字信号处理教程 [M].北京：清华大学出版社，2001.

作者简介：董文峰（1982.03—）男，汉族，福建南平人，工程师，本科，研究方向：移动通信设备系统开发。