在无线通信或广播系统中的干扰检测、表征以及定位

摘要

公开了一种广域传感器网络(WASN)，其利用宽带软件定义无线电装置(SDR)监控在宽的频率范围上的RF能量，检测临界频率何时被人为干扰或以其它方式被干扰，以及定位干扰源以使干扰能够被消除。WASN可使用一种或多种地理定位技术。另外，WASN可检测并定位未授权的发射机，以及估计经授权的发射机的发射功率，以确保它们不比经授权的发射机发射更多的功率。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年12月30日提交的美国专利申请号12/346,598的 优先权，该申请在此通过引用被全部并入。

技术领域

本发明大致涉及在无线通信和广播网络的地理覆盖区域内的干扰发 射机的检测和定位，以及特别是涉及使用基于网络的无线定位系统的这样 的干扰源的定位和检测。

发明背景

在存在噪声的情况下无线电信号的表征是典型的无线电问题。通常称 为“同信道”或“相邻信道”干扰的乱真信号被视为接收机在正常操作的 过程中必须处理的部分无线电噪声。

由于无线通信的使用从传统的无线电和电视广播增加到双向陆地无 线通信和卫星无线通信，无线电传输的价值被增加。以及由于无线电传输 的价值被增加，有意干扰的问题例如服务攻击的拒绝也被增加。

干扰无线电信号的检测和干扰无线电信号的表征在本领域中被熟知。 创建了一种地理定位技术，其适合于主要在美国(US)联邦通信委员会 (FCC)增强9-1-1训令的支持下的广域部署。例如，几个实验在1995年 和1996年的几个月期间在城市费城和巴尔的摩进行以检验系统在大的城 市环境中缓解多路径的能力。在1996年，TruePosition在德克萨斯州的休 斯顿创建了第一个商业系统，其被用于在那个区域测试技术的有效性及其 直接地通过接口与E9-1-1系统连接的能力。在1997年，定位系统在新泽 西州的350平方英里的区域内被测试并被用于定位来自处于困境的真人的 真实的9-1-1呼叫。

以下为可应用于在广阔区域上定位一般干扰无线电信号的基于网络 的地理定位技术的概述。

地理定位技术

地理定位是通过利用无线电波传播的特征来确定射频(RF)信号源的 过程。当无线电波从它们的起源点传播时，波作为球面波在各方向上发出。 波展示时间延迟，因为它们以固定的速度传播，且由于球面扩展而有明显 的功率减少。因此，在相对于固定的起源点固定的接收点处，RF信号表现 为源于特定的方向，展示与起源点和接收点之间的距离成比例的时间延 迟，以及功率减少了与起源点和接收点之间的距离成比例的数量。

利用时间延迟的地理定位技术被称为到达时间(TOA)和到达时间差 (TDOA)技术。利用无线电波特征的功率变化的地理定位技术被称为到 达功率(POA)和到达功率差(PDOA)技术。到达角(AoA)地理定位 技术测量RF的源看起来所起源于的方向。当源正移动或接收源的传感器 正移动时，无线电波也经历频率的明显变化，作为多普勒效应的结果。频 移的数量取决于源的中心频率，以及在源和接收传感器之间的相对速率。 利用RF信号传播的该特征的地理定位技术被称为到达频率差(FDOA)技 术。

每种地理定位技术依照定位精确度提供不同水平的性能，并在广域传 感器网络(WASN)中对传感器(也就是，软件定义无线电装置(SDR)) 强加不同的要求。WASN的主要益处是传感器平台，其在功率上被校准以 及在时间和频率上被同步，以允许利用无线电波传播的全部特征来确定RF 信号的起源。SDR的多信道RF到IF级允许SDR利用测向天线阵列来确 定入射的RF能量的AoA。每种方法可被单独地利用或与其它技术组合， 也就是，混合地理定位。

基于到达时间(TOA)的地理定位：

基于网络的TOA定位使用在基于网络的接收机处的无线电广播的相 对到达时间。该技术要求在单独的接收机站点(SDR)之间的距离和单独 的接收机定时的任何差异(布线延迟、SDR设计或硬件版本的差异)是已 知的。无线电信号到达时间可然后在接收机站点被标准化，仅留下设备和 每个接收机之间的飞行时间。因为无线电信号以已知的速率传播，距离可 从在接收机处的导出标准化到达时间计算出。从多个接收机的三个收集的 到达时间数据可被用于分辨精确位置。

基于到达时间差(TDOA)的地理定位：

TDOA是用于没有合作的发射器的最准确和有用的基于时间的地理定 位技术。TDOA要求在WASN中的SDR之间的紧密时间同步。当两个传 感器同时接收RF信号以及在这两个所接收的信号之间的时间延迟被确定 时，在焦点处具有两个传感器的双曲线描述原始信号的可能的位置是公知 的。增加与其它两个传感器再次时间同步并同时接收相同的信号的第三个 传感器提供另一双曲线。这两个双曲线的交叉点展现作为RF能量源的唯 一位置。增加甚至更多的传感器使用由多因素确定的解决方案产生更高的 定位准确度。TDOA定位准确度取决于正被定位的信号的带宽以及许多其 它因素，例如积分时间以及信噪比。关于使用TDOA来定位发射机(例如， 移动电话)的另外的细节可在共同转让的美国专利号5327144-“Cellular  telephone location system”和6047192-“Robust，efficient，localization system” 中找到。

关于使用TDOA混合技术来定位发射机(例如，移动电话)的另外的 细节可在共同转让的美国专利号6108555-“Enhanced time difference  localization system”和6119013-“Enhanced time-difference localization  system”中找到。

基于到达角(AoA)的地理定位：

WASN的SDR拥有多信道相位和频率相干电路，允许用于确定RF信 号的到达角(AoA)的相位干涉仪天线阵列的使用。实际上，AoA指向 RF能量所起源的方向。唯一的位置可通过在两个或多个几何分开的站点确 定AoA来估计。唯一的位置由两个或多个方位线的交叉点表示。AoA不 要求在站点之间的精确的时间或频率同步，并将AoA信息提供到系统控制 器/中央处理器。此外，如同UTDOA一样，AoA精确度不取决于发射器的 带宽，提供在窄带信号上进行地理定位的能力。关于使用AoA来定位发射 机(移动电话)的另外的细节可在共同转让的美国专利号4728959- “Direction finding localization system”中找到。关于使用AoA/TDOA混合 技术来定位发射机(移动电话)的另外的细节可在共同转让的美国专利号 6119013-“Enhanced time-difference localization system”中找到。

基于到达功率(POA)和到达功率差(PDOA)的地理定位：

发射器的近似位置可通过在不同位置处测量其功率来确定。测量可以 同时使用多个传感器来执行或通过将单个传感器移动到发射器的几个位 置以时间复用方式执行，该发射器在相当大的时间长度内发射恒定功率。 基于功率的地理定位技术没有与以上讨论的其它地理定位技术一样严格 的时间和频率同步要求。然而，快速衰减和遮蔽衰减可能限制该方法的准 确性。

由于无线电信号的功率随着距离增加，作为由于大气和自由空间损 耗、地平面损耗以及衍射损耗的组合效应使无线电波衰减的结果，该距离 的估计可从所接收的信号来确定。简言之，当发射机和接收机之间的距离 增加时，所辐射的无线电能量被模拟为如同在球的表面上散布。该球状模 型意味着在接收机处的无线电功率减少了至少距离的平方。

POA

到达功率是在单个网络节点(SDR)和发射机之间使用的近似测量。 POA定位使用在基于网络的SDR处的无线电广播的相对到达功率。

使用信号传播建模和历史校准数据，无线电信号到达功率可在接收机 站点被标准化，在设备和每个接收机之间仅留下路径损耗。从三个或更多 接收机收集的到达功率数据可被用于分辨近似位置。

PDOA

PDOA使用在多个接收机处接收的无线电功率的绝对差来计算位置。 PDOA定位技术要求接收机位置是事先已知的。信号传播建模和/或历史校 准数据可被使用来提高位置估计。从使用公共时基的三个或更多接收机收 集的功率数据可被用于分辨近似位置。

到达频率差(FDOA)

使用FDOA来确定发射器的近似位置通过在不同位置处测量信号的频 率来执行。测量同时使用多个传感器来执行或通过将单个传感器移动到发 射器的几个位置以时间复用方式执行，该发射器在相当大的时间长度内发 射。

到达频率差使用如在多个接收机处接收的信号频率偏移的测量。由于 不同的多普勒引起的频率偏移，FDOA提供移动的发射机的速度和方向。 为了使用用于位置估计的FDOA，发射机或接收机的任一个或两个必须在 运动中。

由于FDOA和TDOA技术都要求精确的定时源(公共时钟和公共频 率基准)，这两种技术都可同时用于定位，如在共同转让的美国专利号 6876859-“Method for estimating TDOA and FDOA in a wireless location  system”中描述的。

混合地理定位技术：

通过使用诸如加权最小平方算法或约束最小平方算法的技术，所有描 述的定位技术可用于发射器的定位，约束最小平方算法允许每种定位技术 为所使用的技术或技术的混合提供最佳位置估计的附加概率。

现代社会对无线系统的大的依赖性造成对无线系统的易破坏性。无线 设备对由于无意的或有意的人为干扰和干扰产生的破坏是相对无保护的。 能够部署在广阔区域上的检测、分类和定位无线信号的系统对于为对临界 无线信号的干扰监控空气波将是有用的。在广域传感器网络中使用一个或 多个以上的地理定位技术以在所关注的地理区域上识别和定位有意的和 无意的干扰源应是有利的。

发明内容

以下概要提供本公开的示例性实施方式的各种方面的概述。该概要不 是用来提供所公开的主题的所有重要方面的详尽描述，或限定所公开的范 围。更确切地，该概要旨在用作对例证性实施方式的以下描述的介绍。

公开了广域传感器网络(WASN)，其利用宽带软件定义无线电装置 (SDR)来提供监控在宽的频率范围上的空气波、检测何时临界频率被人 为干扰或以其他方式被干扰、以及定位干扰的源以使干扰可被消除的能 力。WASN可使用一种或多种以上描述的地理定位技术。另外，WASN可 检测和定位未授权的发射机以及估计经授权的发射机的发射功率，以确保 它们不比经授权的发射机发射更多的功率。

在示例性实施方式中，用于在广域无线通信网络中检测、分类以及定 位射频(RF)发射器的方法和系统被公开。在实施方式中，方法可包括为 至少一个被监控的信号接收信息，在预先确定的带宽上在预先确定的持续 时间内为信号捕获时域数据，将预先确定的持续时间分成相等的时间间隔 并使时域数据与相等的时间间隔相关，将时域数据转换成频域数据以及将 每个时间间隔转换成频率窗口(frequency bin)，为每个频率窗口确定功率 特征，对信号应用频谱屏蔽，确定当频率窗口的功率特征实质上不同于频 谱屏蔽的功率特征时干扰源存在；以及使用地理定位确定算法来定位干扰 源。

除了上文之外，其他方面在权利要求、附图以及形成本公开的一部分 的正文中被描述。本领域技术人员可认识到，本公开的一个或多个不同的 方面可包括但不限制于用于实现本公开的在此引用的方面的电路和/或程 序编制；电路和/或程序编制根据系统设计者的设计选择实质上可以是配置 成实现在此引用的方面的硬件、软件和/或固件的任何组合。

附图的简要说明

当结合附图阅读时，上文的概要以及以下详细的描述可被更好地理 解。为了说明本发明的目的，在附图中示出了本发明的示例性构造；然而， 本发明不限于所公开的具体方法和手段。在附图中：

图1示意性地描述了广域传感器网络(WASN)的主要功能节点。

图2示意性地描述了分布式传感器网络接收机的主要功能节点。

图3示意性地描述了由分布式传感器网络接收机使用的软件定义无线 电装置(SDR)的主要功能节点。

图4示意性地描述了分布式传感器网络接收机的时间基准子系统的主 要功能节点。

图5描述了用于广域传感器网络的示例性用户接口。

图6描述了用于广域传感器网络的另外的示例性用户接口。

图7说明了在检测和定位全球导航卫星系统(GNSS)干扰发射台时 WASN的示例性使用。

图8说明了在检测和定位恶意基站(rogue base station)时WASN的 示例性使用。

图9a说明了在检测和定位间歇无意干扰源时WASN的示例性使用。

图9b说明了当检测和定位间歇无意干扰源时WASN用户接口的示例 性可视化。

图10描述了可被配置成执行图1-9b的方面的计算系统的实例。

例证性实施方式的详细描述

某些具体细节在以下描述和附图中被阐述以提供对本发明的各种实 施方式的彻底理解。通常与信号处理、计算和软件技术相关的某些公知的 细节没有在以下公开中被阐述以避免不必要地使本发明的各种实施方式 难理解。另外，相关领域的普通技术人员将理解，他们可在没有以下所述 的细节的一个或多个的情况下实践本发明的其它实施方式。最后，当参考 在以下公开中的步骤和顺序描述各种方法时，描述因此是用于提供本发明 的实施方式的清楚的实现，以及步骤和步骤的顺序不应被理解为对实践该 发明是必要的。

应理解，在此描述的各种技术可结合硬件或软件或在适合时使用两者 的组合来实现。因此，本发明的方法和装置或其某些方面或部分可采取程 序代码(即，指令)的形式，程序代码体现在有形介质例如软盘、CD-ROM、 硬盘驱动器或任何其它机器可读存储介质中，其中当程序代码被装入机器 例如计算机中并由机器执行时，机器成为用于实践本发明的装置。在程序 代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备通常包括处理器、处理器 可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一 个输入设备以及至少一个输出设备。一个或多个程序可例如通过使用应用 编程接口(API)、可重复使用的控制器等来实现或利用结合本发明描述的 过程。这样的程序可优选地以高级程序或面向对象的编程语言来实现以与 计算机系统通信。然而，如果期望的话，程序可以用汇编语言或机器语言 实现。在任何情况下，语言可为编译语言或解释语言，以及与硬件实现结 合。

我们现在将描述本发明的例证性实施方式。首先，我们提供问题的详 细的概述以及然后提供我们的解决方案的更多详细的描述。

无线系统遍及世界的许多区域。我们的现代生活的每个方面被无线技 术明显地影响。不论它是移动电话的“任何时间、任何地点”方便性还是 由卫星电视提供的娱乐，无线技术都很大地影响现代社会的生产力及福 利。最近，大多数现代社会的重要基础设施变得依赖于卫星导航系统。卫 星导航系统被用于确定重要资产的去向，帮助飞行器导航——包括从机场 起飞和着陆，以及为我们的电信基础设施提供定时信息。现代社会对无线 系统的大的依赖造成对无线系统的易破坏性。

无线设备对由于无意的或有意的人为干扰和干扰产生的破坏是相对 无保护的。能够部署在广阔区域上的检测、分类和定位无线信号的系统对 于监控为对临界无线信号的干扰监控空气波将是有用的。另外地，这样的 系统可被用作为了许多其它目的而包括无线服务质量的优化的工具。系统 可使用许多公知的基于网络的地理定位技术的任一个来估计所关注的发 射器的位置。

此外，这样的系统可通过测量作为频率和时间的函数的RF功率来确 定RF信道的有效利用。由于即将转换到空中下载(OTA)TV的数字TV 格式，这种能力也可允许确定未许可的“白空间”发射机可被定位在哪里 以及在没有干扰数字OTATV服务的情况下它们可发射多少功率。

广域传感器网络(WASN)可以是具有在宽频带和大的地理区域上检 测和定位对临界无线信号的人为干扰和干扰的能力的被动接收系统。示例 性WASN在图1中示出。WASN包括能够具有宽的瞬时带宽的软件定义无 线电装置(SDR)102的网络、系统控制器/中央处理器105以及使系统控 制器/中央处理器105与SDR 102互连的回程通信网络103。另外，数据库 106可为系统的组件并连接到控制器/中央处理器105以及一个或多个用户 接口终端107。WASN可利用用于存储被允许的发射机特征以及用于给各 种活动的结果存档的数据库106。数据库106也可被用于具有多层地理、 地形、无线电建模以及地名信息的地图存储器。

系统控制器/中央处理器105也可具有到外部通信网络109例如互联网 的接口，以及到提供粗略的时间信息的NTP时间服务器108的连接。通常， SDR 102可为时间和频率同步的以允许各种地理定位技术定位无线信号。

WASN可包括可变数量的SDR。时间和位置复用WASN可包括单个 SDR，该单个SDR在待监控的地理区域上以连续的方式从一个位置移动到 另一位置。该配置代表适合于在长时间段内发射的物理上固定的发射机的 检测、分类以及位置确定的最小成本配置。WASN也可包括大量的固定 SDR，其分布在待监控的地理区域上，类似于无线蜂窝系统的基站的网络。 该配置更适合于仅在短时间段内传输的瞬态信号的检测、分类和定位。

WASN的基本组件为包括它的SDR。示例性SDR的方框图在图2和 图3中被示出。SDR的主要优点是在接口上通过对其可编程逻辑重新编程 来改变其配置的能力。SDR可包括一个或多个多信道RF到中频(IF)级、 开关矩阵、一组模数(A/D)转换器、可编程逻辑、可编程数字信号处理 器、控制处理器、存储器、同步单元以及通信接口。多信道RF到IF级用 以获取通过它们连接的天线接收的RF信号的波段，以及过滤信号以限制 它们的带宽，放大信号，并将信号转换到IF。SDR可包括提供频率相干性 的单个多信道RF到IF级的所有信道的公共局部振荡器。多个多信道RF 到IF级可使用不同的局部振荡器，但共同的时间和频率基准可由时间和频 率同步单元提供。开关矩阵用于从大量多信道RF到IF级选择特定的信道， 并将信道提供到A/D。A/D以指定的采样率将多信道的模拟信号转换到数 字格式。

一旦转换到数字格式，信号就可通过可编程逻辑级来操作。可编程逻 辑的主要特征是在接口上对逻辑重新编程以改变其能力的能力。可编程逻 辑的典型的操作是I和Q检测、还有带通滤波以及采样率的骤减、特定信 号检测以及存储器存储。可编程数字信号处理(DSP)级可包括若干可编 程数字信号处理器，其可从可编程逻辑级进一步处理信号。由DSP执行的 信号处理的例子是检测、解调、均衡以及定位处理。控制处理器可控制和 协调SDR的所有资源。通信接口提供在SDR外部的接口以允许通过系统 控制器/中央处理器和数据的传送对SDR进行控制。

WASN可在SDR之间提供时间和频率同步。SDR的同步允许信号和 事件的非常精确的时间标记以及实现各种地理定位能力的能力。用于使两 个或多个几何分开的站点时间和频率同步的典型的技术是通过GPS定时 接收机。当在WASN中的每个GPS定时接收机可从四个或更多GPS卫星 接收信号时，GPS定时接收机可提供非常好的时间和频率同步性能。GPS 信号被设计成在近似130dBm的功率电平处照亮地球。该功率电平非常低 并可通过周围的事物和环境被进一步衰减。因此，存在许多环境，其中充 足数量的GPS卫星信号不能被接收，以及因此，在WASN中的一个或多 个SDR可能与其它SDR不是时间和频率同步的。这种情况可通过多个信 号和技术的使用来避免以提供时间和频率同步。图4说明了利用不同技术 的SDR的时间和频率同步单元。每个定时接收机从其各自的信号提供非常 准确的时间时钟。在该实例中，信号是提供每秒急速上升沿的周期性波形。 时间和频率同步单元的处理器接收这些1PPS信号，明智地组合它们，或 简单地选择一个(如果仅有一个是可用的)，以及然后对信号训练基准振 荡器。

信号控制器/中央处理器可控制WASN的资源，监控每个资源的状况 和状态，以及使用由SDR提供的信息确定信号的位置。系统控制器/中央 处理器可命令SDR调谐到频率和频段以及在这些频率和频段处何时收集 数据和收集数据多长时间。另外地，系统控制器/中央处理器可命令SDR 执行特定的功能，例如信号检测、信号表征以及信号分类。系统控制器/ 中央处理器也可确定将被存储在中央数据库的数据。

干扰检测

同步广域传感器网络(WASN)可提供监控在广阔的区域上的干扰的 临界频道、检测何时干扰发生、表征干扰以及定位干扰源的能力。GPS频 道为临界频率的实例。来自GPS卫星的信号被用于大量临界应用，这些应 用从同步电信网络到为国家空中交通系统提供导航，包括商用飞机的自动 着陆和起飞。因此GPS信号对监控和确保它们没有被无意的或有意的干扰 损害是重要的。WASN可提供检测和定位在时间上连续的和在本质上瞬变 的这样的干扰的能力。

干扰检测和定位可开始于信号或关注的信号的先验知识。先验知识可 包括信号占据的频道以及其它特征，例如它的频谱特征(例如，谱密度函 数)。用于监控对干扰的临界频率频道、检测与WASN的干扰以及定位干 扰的示例性过程如下：

●同时为一组SDR在所关注的带宽上在预先确定的持续时间内捕获 和存储时域数据

●通过在SDR的可编程逻辑中实现的数字下变频器传递所捕获的数 据以进行I/Q检测、频带限制、提高位分辨率、以及骤减，即，减 少时域数据的采样率。

●将因而生成的数据分成相等的时间块

●将每个时间块转换成复频域

●确定每个频率窗口的功率统计

●应用合法信号的频谱屏蔽

●通过识别功率明显地偏离频率屏蔽的频率窗口来识别干扰

●如果信号拥有充足的带宽则利用TDOA来定位干扰，如果信号没 有拥有充足的带宽并且AoA天线阵列在所需的SDR处是可用的则 利用AoA或利用PDOA来定位干扰

●在数据库中为将来的检索存储结果

以上过程可以在整个WASN中以持续的方式或在要求时实现以监控 对干扰的临界频率，以及如果干扰存在就定位和表征干扰。

信号检测

WASN可被用于在其被部署的广阔区域上检测、表征和定位信号。该 能力允许在SDR的频率范围上对所有信号进行测量和编目。WASN可对 合法信号进行测量和编目以确保它们的特征在所需要的规范内。合法信号 的数据库可与WASN的结果比较以识别潜在的非法信号，例如，没有授权 的FM无线电站和视频信号。WASN的信号检测能力可提供地图，其中未 经许可的“白空间”发射机可被定位以及用户可发射的发射功率将不会干 扰合法的数字TV信号。

示例性信号检测过程如下：

●同时为一组SDR在所关注的带宽上在预先确定的持续时间内捕获 和存储时域数据

●通过在SDR的可编程逻辑中实现的数字下变频器传递所捕获的数 据以进行I/Q检测、频带限制、提高位分辨率、以及骤减，即，减 少时域数据的采样率。

●将因而生成的数据分成相等的时间块

●将每个时间块转换成复频域

●确定每个频率窗口的功率统计

●识别具有在本底噪声处的功率的频率窗口

●表征在本底噪声之上的频率窗口内的信号

●如果信号拥有充足的带宽则利用TDOA来定位所检测的信号，如 果信号没有拥有充足的带宽并且AoA天线阵列在所需的SDR处是 可用的则利用AoA或利用PDOA来定位所检测的信号

●在数据库中为将来的检索存储结果

信号分类：

WASN可允许比以前可用的更高级别的信号分类，因为WASN包括分 散在广阔的地理区域周围的时间和频率同步传感器的网络。这可提供确定 信号起源的位置的能力。另外地，一旦位置被确定，环境的容易可用的传 播模型就可被利用以提供估计由信号发射的绝对功率的能力。因此，WASN 可提供在它被部署的地理区域上对大多数或所有信号分类的能力。信号特 征可包括：

●中心频率

●带宽

●调制类型

●符号率(如果数字地调制)

●二维位置(纬度和经度)

●绝对功率

图1示意性地描述了WASN的主要功能节点。地理上分布的接收机网 络101被示出。具有代表性天线的三个或更多接收机102的每个经由有线 的或无线的数据回程网络103连接到控制器105。控制器105是具有定制 软件的通用计算机处理服务器，以执行任务分配、日程安排、信号检测、 信号表征和位置估计。控制器105由数据库系统106服务，该数据库系统 允许校准数据、历史定位数据、地理数据以及传播模型被使用在位置估计 处理中。控制器105也经由数字数据链路(例如，内部数据总线、局域网 或广域数据网络)连接到用户接口107，该用户接口充当与广域传感器网 络(WASN)的人机接口。各种操作、管理、供应以及维修操作可经由用 户接口107完成。在该实例中的用户接口107被实现为运行在客户端处理 器平台上的软件应用。

NTP 108(网络时间协议)节点经由基于TCP/IP的数字数据链路将稳 定的时间基准提供到控制器105。NTP的操作细节可在RFC 778、RFC 891、 RFC 956、RFC 958以及RFC 1305中找到。网络109代表外部网络，例如 互联网，其将辅助信息提供到WASN，例如GPS辅助数据或合法发射器的 列表。

图2说明了在图1中示出的软件定义无线电(SDR)接收机102的更 加详细的描述。如所示，第一天线结构201允许使SDR网络101同步所需 的公共系统时间基准的空中确定。在该实例中的系统时间和频率基准通过 内部模拟和数字总线206从定时接收机203分布到可调谐宽带数字接收机 204和通信接口205。

第二组天线202服务于可调谐宽带数字接收机204。第二天线结构202 可包括用于到达角信号位置确定的专用定向天线。

可调谐宽带数字接收机204优选地实现为软件定义无线电装置 (SDR)。通信接口205用于通过回程网络103将位置相关信息和定时信息 路由并桥接到控制器105。

图3示意性地描述了多频段可调谐多信道宽带软件定义无线电装置 (SDR)的功能级。天线结构302允许多个接收天线被用于单个SDR以及 多个时间和频率同步源。天线被连接到RF级301，在该级，放大、滤波以 及转换到所关注的带宽的中频(IF)被执行。多个RF到IF级301被用于 支持所关注的频段的接收，因此克服在非常宽的带宽被需要时出现的在放 大器和滤波器中固有的限制。

各种RF到IF级301馈送模拟开关矩阵303，允许SDR选择待观察 的频段。多信道输出被传送到模数转换器(A/D)304，在该转换器中，频 段限制的信号的多个信道被转换为数字表示。

图4提供分集定时接收机400以及服务于SDR作为时间和频率基准的 相关天线结构的更详细的视图。在定时接收机400中，第一定时接收机401 和第二定时接收机402被使用。双定时接收机401、402允许在一个接收 机被阻碍的情况下确定时钟和频率基准。双定时接收机401、402布置也 允许在一个接收机被暂时阻碍的情况下增加延期(holdover)。

第一定时接收机401经由数字数据链路405和模拟定时链路407连接 到中央处理器，允许操作消息发送和定时相关的消息在接收机和处理器之 间传送，以及允许模拟定时信号从第一定时接收机401传送到处理器。

第二定时接收机402经由数字数据链路406和模拟定时链路408连接 到中央处理器，允许操作消息发送和定时相关的消息在接收机和处理器之 间传送，以及允许模拟定时信号从第一个第二定时接收机403传送到处理 器。

处理器403经由数据反馈控制链路409和模拟定时链路410连接到基 准振荡器404，允许振荡器的频率的精确控制，以及允许模拟定时信号从 基准振荡器404传送到处理器。

处理器403可为任一定时接收机训练基准振荡器404以为SDR提供时 间和频率基准，取决于哪个定时接收机具有对它们的信号的更好的接收。

SDR经由模拟定时信号411提供时间和频率基准，经由数字链路412 和模拟频率基准413提供定时消息发送。

用户接口：

WASN可提供在广阔区域上在多维中测量和表征无线信号的能力。这 些维的几个为：

●时间

●频率

●功率

●位置

WASN的用户接口可提供其资源的用户控制以及其结果的显示。以上 四维数据可以按两种形式显示。第一种在图5中被示为对于如由时间滑块 所示的特定时间以及由频率和带宽滑块所示的特定频率和带宽，在适当位 置上在纬度和经度的范围上的功率的等值线图表。另一形式为时间和频率 相对于功率的3-D图，2D位置通过如图6中示出的在纬度和经度范围上 放置光标来限定。

图5描述了具有WASN的用户接口的实例。所示的为显示示例性活动 的用户接口的示例性屏幕截图501。3-D地图501显示发射器经由纬度503 轴和经度502轴的位置，如在所检查的带宽上由定位处理器和所计算的绝 对辐射功率503所确定的。所检查的带宽506在条显示器505上被示出。 所检查的带宽的中心频率508在频率条显示器507上被描绘。频谱检查的 时间可在时间条509上被选择。

在该实例中的用户接口500提供输入和输出并使用WASN的数据库设 施来随着时间的过去存储信号和位置数据。每个条显示器允许用户使用鼠 标驱动的即指即点接口来为可调节带宽、中心频率和时间跨度确定信号功 率和位置。

图6说明了另外的图形用户接口实例，在其中功率602、时间603， 以及频率604的3维图601与在此示出的地理图如2维街道图一起使用。 位置确定可包括高度或海拔。使用持久的数据库来存储信号和位置信息， 用户接口可用于示出实时活动数据以及过去的定位和信号数据。

应用：

应用可存在于系统控制器/中央处理器上并控制WASN执行若干操作 的能力。WASN应用可包括：

干扰检测和定位

干扰检测和定位应用利用WASN监控用户定义的临界频段、信道和频 率以检测将被定义为“干扰”的未授权信号的存在的能力。授权信号的先 验特征被利用以帮助检测干扰。一旦被检测到，干扰的位置就被确定。干 扰检测和定位活动的结果被存储到数据库和/或被显示在用户接口上。

信号测量

信号测量应用利用WASN在WASN被部署的区域上确定所有信号的 特征和位置的信号检测能力。信号测量活动的结果被存储在数据库和/或被 显示在用户接口上。

未授权的发射机检测和定位

未授权的发射机应用比较信号测量活动的输出与授权信号的列表以 识别潜在的非法发射机。

欺骗检测

欺骗信号是试图伪装为有效信号以便迷惑或欺骗一个或多个用户的 信号。例如，欺骗全球导航卫星系统(GNSS)信号将试图欺骗GNSS接 收机，以使接收机确定它在它并不在的位置上。WASN通过获取和表征欺 骗信号来检测和定位欺骗信号。欺骗信号的特征与合法信号的特征比较， 且当存在明显的偏差时WASN记下。使用欺骗GNSS信号的实例，该信号 的绝对功率电平可被确定，且如果它比合法的GNSS信号大得多，则信号 被识别为欺骗信号。识别欺骗GNSS信号的另一方法是确定使用当前是不 可用的(例如，在地平线上)的卫星来识别所接收的信号。GNSS系统的 当前的实例是美国导航星(NavStar)全球定位系统(GPS)。

频谱利用

频谱利用应用在相当大的时间长度上监控来自所检测的信号的传输 以确定RF能量正被传输的时间百分比，该时间百分比提供占有率度量。 另外地，RF能量被传输的时间百分比量化该特定的发射机提供的地理覆盖 范围。频谱利用活动的结果被存储在用于存档的数据库和/或被显示在用户 接口上。

未许可的“白空间”发射机功率和放置

未许可的“白空间”应用利用WASN信号检测能力以识别和定位数字 TV发射机以及估计发射机发射的功率。使用该信息，WASN确定“白空 间”发射机可发射的功率电平，而不干扰在WASN的地理区域上的经授权 和许可的数字TV发射机。

例证性实例-GNSS干扰发射机检测和定位

在该例证性实例中，具有定位测量单元(LMU)网络的所部署的无线 定位系统(WLS)被使用，该定位测量单元网络具有宽带软件接收机的地 理上分布的网络。此外，全球导航卫星系统(GNSS)被描述为美国导航 星全球定位系统(GPS)。其它GNSS系统(Galileo、GLONASS、Compass 等)或来自多个GNSS系统的卫星的组合可与GPS系统一起使用或代替 GPS系统来使用。

当前的LMU网络配备有用于上行链路和下行链路定位的不同的宽带 接收机以及用于接收公共时钟基准的GPS接收机。LMU网络本身相对地 保护低功率GPS干扰发射机并理想地定位成检测和定位干扰发射机。LMU GPS接收机通常安装有最小的附近障碍物以及理想地在附近的结构上的高 度处。

GPS宽带CDMA信号是微弱的并在地球两极轨道中从太空交通工具 发射。在户外的GPS接收机天线处，GPS信号强度范围从130到160dbm 或大约1×10^-16瓦。给定所使用的波长，从地面和周围结构的反射甚至进 一步衰减。每单位带宽的信号功率与噪声功率的比率确定跟踪和使用每个 卫星的能力。因此，GPS干扰发射机(甚至无意的干扰发射机)一般发射 宽频段白/灰噪声以增加局部本底噪声，以及因此破坏任何局部GPS接收 机。为了定位干扰发射机，问题是首先检测干扰发射机，以及其次定位干 扰发射机。

如在图7中所示的，无线通信系统701包括分布成提供在地理服务区 上的覆盖的小区。用于通信网络的无线电设备被容纳在与SDR接收机协同 定位的小区站点704中，给SDR网络提供地理分布和共享的设施及天线安 装。GNSS系统(在该实例中为GPS系统)与附随的无线电广播在705中 示出。

GPS干扰发射机702发射在区域703上传播的干扰无线电信号，该信 号由发射功率和地面杂乱回波确定。传播模式703也可由定向发射天线成 形。

使用已知方法，TruePosition的接收机子系统可检测干扰的存在并警告 外部方。这样的干扰可被限制到单个LMU或一组LMU。已知的非军用 GNSS干扰发射机具有从10米到10公里的范围，但可能是相对低功率的 便携式设备。

为了检测有意的或无意的GNSS干扰发射机的源，LMU可在可视GPS 卫星的完整周期上保持基线信噪比(SNR)。当SNR的阈值被越过时，干 扰发射机定位事件可开始。

对于小功率和/或低功率的GNSS干扰发射机，GNSS干扰发射机的位 置可使用技术例如基于到达时间(TOA)或到达功率(POA)的测距或根 据发射功率、RF环境以及信号持续时间的TDOA或AOA来确定。当前的 LMU GPS接收机天线的修改或通过宽带SDR的GPS接收机的替换可被用 于实现GPS干扰发射机接收机。对于大规模GNSS干扰事件，受影响的 LMU可被绘制并且LMU覆盖区域的重力中心可被确定为干扰发射机位 置。可根据基于初步TOA或POA的定位对TDOA和/或AOA位置确定选 择LMU。LMU还可基于所使用的定位技术和干扰信号的功率和带宽来选 择以提供干扰发射机的更准确的定位。

如果LMU被定位在干扰发射机附近并丢失其GPS信号，LMU仍然 可潜在地用于收集干扰发射机发射的基准信号，即使LMU不能用作合作 者。为了粗略定时对来自网络的定时或消息发送使用下行链路信标监控， 基准信号可被收集、压缩并分配到具有好的定时基准的合作的LMU。

对于一般呼叫位置确定，使用没有准确定时的LMU的用于检测和解 调基准信号的技术仍然可被使用。这样的LMU将不被用作合作者，因为 它的定时对于定位处理不够准确。然而，通过下行链路监控和/或网络定时， LMU可用于干扰发射机发射的基准信号的检测和解调。

在定位GNSS干扰源的情况下，TDOA或AOA定位可被执行。假设 GNSS干扰信号是一种改变和一直存在的噪声源，LMU或类似的设备可按 特定的时间间隔收集信号的样本。数据可被压缩并发送到合作的LMU以 执行关联并确定位置。

在系统定位干扰源(其为干净的音调或一系列音调且不随时间改变) 的情况下，来自在所有合作的LMU处的其基线SNR的GPS信号的SNR 的改变可被用于基于在每个受影响的LMU站点处的SNR的功率电平影响 来计算位置，类似于计算TDOA位置的过程。代替到达时间差，干扰信号 的功率梯度(POA或PDOA)可被使用。

例证性实例-GNSS欺骗设备检测和定位

在另一例证性实例中，具有协同定位的宽带和GPS接收机的地理上分 布的LMU网络可被用于依照本公开定位GNSS欺骗设备。

GNSS欺骗大致地涉及模仿一般在较高功率处的GNSS卫星发射的发 射机，该较高的功率然后由在接收机的海拔处的太空交通工具传递。在一 些情况下，太空交通工具不在接收机的视野(例如，在地平线上)内的识 别信息可被用于模仿太空交通工具用于欺骗。

当欺骗设备模仿GNSS卫星发射时，分布式接收机网络允许通过增加 欺骗信号的信号功率来检测欺骗发射机。

在太空交通工具不在接收机的视野内的识别信息被用于模仿太空交 通工具的情况下，可检测到由于轨道力学，卫星的添加没有被预测为可用 的。

在这两种情况下，宽带欺骗信号可被用于经由PDOA、TOA、TDOA、 AoA或混合技术来确定欺骗发射机的位置。

例证性实例-IMSI捕捉器检测

如在本文通过引用并入的共同转让的美国专利申请号11/948244 “Autonomous Configuration of a Wireless Location System”中描述的，LMU 网络的宽带下行链路接收机可被用于经由基站信标发射来检测、识别并定 位GSM、CDMA、CDMA-2000以及UMTS无线通信系统。在自主配置应 用中，新的基站可被确定以及可改变为基站识别和频率分配。

恶意基站收发信台(BTS)(也称为IMSI捕捉器)在欧洲专利EP1051053 “Method for identifying a mobile phone user or for eavesdropping on  outgoing calls”以及在美国专利申请号11/996230“Acquiring Identity  Parameters by Emulating Base Stations”中被描述。如所描述的，恶意BTS 通过发射属于已经存在的基站的信标来冒充无线网络并模仿属于局部无 线通信网络的基站。使用地理上分布的接收机的LMU网络的检测、识别 和定位能力以及服务移动定位中心(SMLC)作为控制器，复制的模拟基 站信标可被检测到、识别和定位。

图8说明了根据本公开的基于分布式网络的IMSI捕捉器恶意BTS定 位器的实例。低功率IMSI捕捉器802收集关于局部信标807、808、809 的信息，包括功率、标识以及邻居列表。IMSI捕捉器802然后广播它自己 的在地理区域803上传播的模拟信标。目标移动/用户装备801执行对IMSI 捕捉器的仿真网络的位置更新。

在该实例中的SDR接收机在接近的小区804、邻近的小区805以及最 近的小区806中被协同定位。在过去已经被检测到、识别出、定位并存储 接近的小区804、邻近的小区805以及最近的小区806后，SDR接收机可 检测模拟信标803并识别恶意BTS。SDR网络被调谐以定位恶意BTS，且 关于恶意BTS的信息被传递到用户接口用于分析和行动。

在图9a中，WASN的示例性使用被描述。在该实例中，传感器接收 机901、902、903被分布在由无线通信或广播系统服务的地理区域上。在 不同的时间，干扰信号904、905、906被检测和定位。图9b描述了因而 生成的用户接口显示。在地图显示器907上，干扰信号904、905、906的 源在地理上被显示为908、909、910。干扰的时间和持续时间被显示在时 间条显示器911上，干扰事件904、905、906被图解地显示为912、913、 914。频谱条915对事件904显示功率在频率上的分布。罗盘916灰掉， 表明没有方向对于事件904是可用的。速度指示器917指示零的速度，其 与罗盘图一起指示事件904在时间持续时间912上是静止的。

D.结论

以上提到的方面的任何一个都可在方法、系统、计算机可读介质或任 何类型的产品中实现。在本公开中始终使用的术语“电路”可包括专用硬 件组件。在同一或其它实施方式中，电路可包括配置成通过固件或开关执 行功能的微处理器。在同一或其它示例性实施方式中，电路可包括一个或 多个通用处理单元和/或多核处理单元等，其可在体现可操作来执行功能的 逻辑的软件指令被载入存储器例如RAM和/或虚拟存储器中时被配置。在 电路包括硬件和软件的组合的示例性实施方式中，实现者可写体现逻辑的 源代码，以及源代码可被编译为可被通用处理单元处理的机器可读代码。

图1描述了关于本发明的方面配置的计算系统的实例。计算系统可包 括计算机20或类似物，包括处理单元21、系统存储器22以及系统总线 23，系统总线23将各种系统组件——包括系统存储器——耦合到处理单 元21。系统总线23可以是几种类型的总线结构的任一种，包括存储器总 线或存储器控制器、外围总线、以及使用各种总线体系结构的任一种的局 部总线。系统存储器包括只读存储器(ROM)24和随机存取存储器(RAM) 25。基本输入/输出系统26(BIOS)存储在ROM 24中，基本输入/输出系 统26包括例如在启动期间帮助在计算机20内的元件之间传输信息的基本 例程。计算机20还可包括：硬盘驱动器27，其用于从没有示出的硬盘读 取或写到硬盘；磁盘驱动器28，其用于从可移动磁盘29读取或写到可移 动磁盘；以及光盘驱动器30，其用于从可移动光盘31读取或写到可移动 光盘，例如CD ROM或其它光学介质。在一些示例性实施方式中，体现本 发明的方面的计算机可执行指令可被存储在ROM 24、硬盘(没有示出)、 RAM 25、可移动磁盘29、光盘31和/或处理单元21的缓存器中。硬盘驱 动器27、磁盘驱动器28以及光盘驱动器30分别通过硬盘驱动接口32、 磁盘驱动接口33以及光盘驱动接口34被连接到系统总线23。驱动器和它 们相关的计算机可读介质提供计算机可读指令、数据结构、程序模块以及 用于计算机20的其它数据的非易失存储。虽然在此描述的环境使用硬盘、 可移动磁盘29和可移动光盘31，本领域技术人员应理解，可存储计算机 可访问的数据的其它类型的计算机可读介质也可在操作环境中被使用，计 算机可读介质例如是盒式磁带、闪存卡、数字视频光盘、伯努利暗盒、随 机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)以及类似物。

若干程序模块可被存储在硬盘、磁盘29、光盘31、ROM 24或RAM 25 中，包括操作系统35，一个或多个应用程序36、其它程序模块37和程序 数据38。用户可通过输入设备例如键盘40和指示设备42将命令和信息输 入到计算机20中。其它输入设备(没有示出)可包括麦克风、操纵杆、 游戏垫、卫星碟、扫描仪或类似物。这些和其它输入设备通常通过耦合到 系统总线的串行端口接口46连接到处理单元21，但可通过其它接口例如 并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB)被连接。显示器47或其它类 型的显示设备也可经由接口例如视频适配器48连接到系统总线23。除显 示器47之外，计算机一般包括其它外围输出设备(没有示出)，例如扬声 器和打印机。图1的系统也包括主机适配器55、小型计算机系统接口(SCSI) 总线56以及连接到SCSI总线56的外部存储设备62。

计算机20可使用到一个或多个远程计算机例如远程计算机49的逻辑 连接来在联网环境中操作。远程计算机49可为另一计算机、服务器、路 由器、网络PC、对等设备或其它公共网络节点、虚拟机，并一般可包括以 上描述的涉及计算机20的许多或所有元件，虽然只有存储器存储设备50 在图1中被示出。在图1中描述的逻辑连接可包括局域网(LAN)51和广 域网(WAN)52。这样的联网环境在办公室、企业宽计算机网络、公司内 部网以及互联网中是普通的。

当在LAN联网环境中使用时，计算机20可通过网络接口或适配器53 连接到LAN 51。当在WAN联网环境中使用时，计算机20可一般包括调 制解调器54或用于在广域网52例如互联网上建立通信的其它装置。可以 是内部的或外部的调制解调器54可经由串行端口接口46连接到系统总线 23。在联网环境中，关于计算机20描述的程序模块或其部分可被存储在 远程存储器存储设备中。应认识到，所示出的网络连接是实例，以及在计 算机之间建立通信链路的其它装置可被使用。此外，虽然设想本发明的很 多实施方式特别地适合于计算机系统，但在该文件中没有任何内容旨在将 本公开限制到这样的实施方式。

上文的详细的描述通过实例和/或操作图阐述了各种系统和/或过程的 实施方式。在包含一个或多个功能和/或操作的这样的方框图和/或实例的 范围内，本领域技术人员应理解，在这样的方框图或实例内的每个功能和 /或操作可通过各种硬件、软件、固件或实质上其任何组合来单独地和/或 共同地实现。

虽然在此描述的本发明的特定方面和实施方式被示出和描述，对本领 域技术人员应明显，基于在此的教导，可进行改变和修改，因此，所附的 权利要求将在其范围内包含如在此描述的本发明的真实精神和范围内的 所有这样的改变和修改。