摘 要：手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展將帶來10億量級的用戶，給人們帶來便利通信的同時(shí)，也給信息安全帶來嚴(yán)重考驗(yàn)。針對此，設(shè)計(jì)了一套無線鏈路監(jiān)測的衛(wèi)星業(yè)務(wù)捕獲系統(tǒng)，用以獲取商用手機(jī)的衛(wèi)星話音、短消息等業(yè)務(wù)。與地面移動(dòng)系統(tǒng)DU-CU模式相似，系統(tǒng)射頻和基帶處理部分以分布式形式安裝在室外信號塔，業(yè)務(wù)處理部分集中安裝在機(jī)房，可完成多個(gè)無線接收點(diǎn)的業(yè)務(wù)處理。測試表明，系統(tǒng)能夠正常截獲衛(wèi)星手機(jī)通話業(yè)務(wù)，并能存儲(chǔ)和回放。

關(guān)鍵詞：手機(jī)直連衛(wèi)星；業(yè)務(wù)獲取；話音存儲(chǔ)；分布式處理

中圖分類號：TN929.5；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0010-05

Implementation and Application of One Mobile Phone Direct Connection Satellite Service Acquisition System Based on Wireless Link Monitoring

CHANG Douxing

（Ministry of Emergency Management Big Data Center， Beijing 100013， China）

Abstract： The development of mobile phone direct connection satellite technology will bring billions of users， which not only facilitates communication but also poses a serious challenge to information security. For this situation， a satellite service acquisition system for wireless link monitoring is designed to obtain satellite voice， short message and other services for commercial mobile phones. Similar to the DU-CU mode of ground mobile systems， the RF and baseband processing parts of the system are installed in a distributed form in outdoor signal towers， while the business processing part is centrally installed in the computer room to complete the business processing of multiple wireless receiving points. Tests have shown that the system can intercept satellite phone call services normally， and can store and replay them.

Keywords： mobile phone direct connection satellite; service acquisition; voice storage; distributed processing

0 引 言

衛(wèi)星通信的顯著特點(diǎn)在于可提供不受地面環(huán)境、氣候條件限制的通信服務(wù)，其適用于地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善，或地面通信設(shè)施受損而無法提供正常服務(wù)時(shí)，是地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的補(bǔ)充和延伸，且衛(wèi)星通信建設(shè)成本與距離無關(guān)，只要衛(wèi)星終端與衛(wèi)星間的信號傳輸滿足技術(shù)要求，通信質(zhì)量便有了保證，建設(shè)經(jīng)費(fèi)不因通信距離的拉遠(yuǎn)、自然條件惡劣而增加。

隨著人們對衛(wèi)星通信的需求越來越多，為滿足大眾的使用習(xí)慣，手機(jī)直連衛(wèi)星已成為超越衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的又一個(gè)衛(wèi)星通信領(lǐng)域關(guān)注熱點(diǎn)和發(fā)展方向，是未來6G天地融合應(yīng)用對終端統(tǒng)一的需求[1-2]。手機(jī)直連衛(wèi)星帶來數(shù)十億量級的用戶，手機(jī)直連衛(wèi)星成為衛(wèi)星移動(dòng)通信進(jìn)入大眾市場的關(guān)鍵[3-5]。天通是我國自主研發(fā)的第一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，2016年—2021年系統(tǒng)共發(fā)射3顆地球同步軌道衛(wèi)星，覆蓋面廣，能夠覆蓋全國陸地及周圍海域，實(shí)現(xiàn)海陸空無縫鏈接，支持話音、短消息、傳真和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。同時(shí)支持位置報(bào)告，視頻傳輸，IP實(shí)時(shí)在線業(yè)務(wù)與應(yīng)用，支持不同的用戶優(yōu)先級，并可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。系統(tǒng)可支持250萬個(gè)用戶同時(shí)在線，服務(wù)對地域、海洋、空域的無縫覆蓋[6]。系統(tǒng)應(yīng)用終端形式以手持終端為主，兼有移動(dòng)載體及嵌入式終端等。2023年9月，華為發(fā)布了國內(nèi)首款消費(fèi)類手機(jī)直連衛(wèi)星手機(jī)，就是利用天通衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的，且一機(jī)難求，將來帶有衛(wèi)星通信功能的消費(fèi)類手機(jī)將會(huì)成為主流，真正提供天地一體，萬物互聯(lián)的通信服務(wù)。

目前對地面移動(dòng)通信終端的業(yè)務(wù)獲取，無論在國內(nèi)還是國外都具有相應(yīng)設(shè)備，包括2G至5G終端的話音監(jiān)聽。國外衛(wèi)星移動(dòng)通信衛(wèi)星包括高軌同步衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星，由于他們起步比較早且技術(shù)比較成熟，相應(yīng)的監(jiān)聽和控守設(shè)備也持續(xù)發(fā)展，時(shí)刻跟蹤衛(wèi)星移動(dòng)通信的演進(jìn)。我國大眾功能的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，處于剛起步階段，其應(yīng)用系統(tǒng)還未完善，而對該系統(tǒng)終端的監(jiān)聽和控守系統(tǒng)還是空白。為保障信息安全，跟蹤手機(jī)直連衛(wèi)星終端發(fā)展，需要研發(fā)區(qū)域衛(wèi)星終端監(jiān)測設(shè)備，對終端上行和下行信號進(jìn)行接收解析，并存儲(chǔ)，以備后續(xù)分析使用。

1 業(yè)務(wù)獲取系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的傳輸體制有別于地面任何通信體制，因此在信號捕獲、跟蹤、解調(diào)時(shí)須采用有針對性的新算法。衛(wèi)星通信有較長的鏈路延遲，使得功率控制算法也有別于地面系統(tǒng)，同時(shí)衛(wèi)星高層協(xié)議流程獨(dú)特，接入層和非接入層均有別于地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，從而對整個(gè)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生重要影響。因此，業(yè)務(wù)獲取系統(tǒng)需要解決與“天通一號”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)同步的射頻接收技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、編譯碼技術(shù)、空口完整性保護(hù)和加解密技術(shù)，以及對應(yīng)的無線信令和業(yè)務(wù)解析技術(shù)等，以完成信令分析及業(yè)務(wù)解析，并進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

整個(gè)系統(tǒng)主要由天線單元、射頻和基帶處理單元、信令處理單元、業(yè)務(wù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、主控單元構(gòu)成。天線單元主要完成上行和下行無線信號的接收，能夠捕獲終端向衛(wèi)星發(fā)射的上行信號，又能接收衛(wèi)星發(fā)向終端的下行信號，進(jìn)而進(jìn)行信號的后續(xù)處理。由天線捕獲的雙向無線信號經(jīng)過射頻單元和基帶單元處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過信令處理單元和業(yè)務(wù)處理單元完成終端上下行信令、狀態(tài)以及相應(yīng)的業(yè)務(wù)解析，最后通過主控單元向用戶展示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)以備后續(xù)查閱[7]。系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 設(shè)備布局和安裝

系統(tǒng)的上行及下行兩個(gè)天線的射頻和基帶處理單元與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中射頻部分安裝方式相同，可一起安裝在已建設(shè)的地面基站的信號塔上。為防止衛(wèi)星與地面系統(tǒng)互相干擾，兩個(gè)天線須安裝在信號塔的最頂層，并與地面移動(dòng)用天線間隔1米左右的距離。射頻和基帶處理單元與地面網(wǎng)絡(luò)的射頻處理單元（RRU）安裝方式相同，安裝在信號塔的天線下部，該設(shè)備和天線和之間采用射頻線纜進(jìn)行連接。設(shè)備安裝示意圖如圖2所示。

信令處理單元、業(yè)務(wù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、主控單元等通過與射頻和基帶處理單元連接的光纖拉遠(yuǎn)后安裝到用戶機(jī)房，并可通過屏幕實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.3 區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

整個(gè)區(qū)域（例如市、縣）可進(jìn)行分布式安裝聯(lián)合集中式處理，所有的室外天線、射頻和基帶處理單元安裝在多個(gè)不同的信號塔上，這種實(shí)現(xiàn)方式和5G的DU部署相似[8]；信令、業(yè)務(wù)處理單元等集中安裝在用戶機(jī)房與5G的CU部署相似，每套信令和業(yè)務(wù)處理單元可對應(yīng)多套室外天線、射頻和基帶處理單元，形成多對一布局。主控單元的用戶監(jiān)控中心安裝到調(diào)度室等，用戶可實(shí)時(shí)查看業(yè)務(wù)或者選擇已存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)進(jìn)行回放。

2 單元設(shè)計(jì)

2.1 射頻處理單元設(shè)計(jì)

射頻處理單元（RRU）、基帶處理單元（BBU）及主控板卡（MCH）安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)組成射頻和基帶處理設(shè)備，安裝在室外信號塔上。射頻處理板卡完成S波段無線信號到數(shù)字基帶信號之間的轉(zhuǎn)換。射頻處理板卡通過光纖接口和基帶處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、控制指令交互，通過I2C總線、以太網(wǎng)總線、Rapid IO總線和主控板卡進(jìn)行控制信道的交換。

射頻處理板卡結(jié)構(gòu)上采用uTCA標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)[9]，主要由FPGA單元、射頻通道、時(shí)鐘處理、加載管理、MMC管理、電源管理、加載管理等部分組成。其中，F(xiàn)PGA程序包括太網(wǎng)接口、Rapid IO接口、CPRI接口、解調(diào)處理等。射頻處理板卡功能框圖如圖3所示。

解調(diào)通道由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、解調(diào)頻率合成器、解調(diào)處理模塊、分路器、放大器等組成，主要完成無線信號到基帶信號的轉(zhuǎn)換及解調(diào)預(yù)處理等過程；時(shí)鐘處理模塊為FPGA、ADC，以及高速收發(fā)器提供穩(wěn)定的時(shí)鐘，并將RRU時(shí)鐘同步于BBU。時(shí)鐘處理模塊主要由晶體振蕩器、時(shí)鐘提取模塊、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控晶體振蕩器、頻率鎖相源、分頻器組成。

2.2 基帶處理單元設(shè)計(jì)

基帶處理單元結(jié)構(gòu)上同樣采用uTCA標(biāo)準(zhǔn)，主要由FPGA模塊、DSP模塊和CPU模塊構(gòu)成，各模塊之間通過GE交換芯片進(jìn)行控制信息交互，通過SRIO接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，板卡整體功能組成如圖4所示。板卡中FPGA部分包括接口解析、多載波濾波、DDR、RAM等功能模塊，用以完成載波濾波功能；DSP部分包括多載波符號映射、多載波解調(diào)、譯碼等功能模塊，用以完成信號解調(diào)、譯碼等；CPU部分包括業(yè)務(wù)/信令預(yù)處理、數(shù)據(jù)解析等部分，以完成信令和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分離和幀預(yù)處理等功能[10]。

射頻處理單元把經(jīng)過A/D變換后的低中頻信號通過IR接口傳輸?shù)交鶐幚韱卧械腇PGA模塊中，在FPGA內(nèi)完成多載波信號的匹配濾波，并將濾波后的IQ數(shù)據(jù)通過SRIO接口傳輸?shù)紻SP模塊，在DSP內(nèi)完成多載波信號的同步、解調(diào)、譯碼和數(shù)據(jù)解析，并將恢復(fù)出的源比特信息通過SRIO接口傳送到CPU中進(jìn)行信令、業(yè)務(wù)幀預(yù)處理等，最后將處理后的數(shù)據(jù)通過SGMII接口分別傳送到后續(xù)處理設(shè)備中。

2.3 信令/業(yè)務(wù)處理單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)室內(nèi)部分由信令處理單元、業(yè)務(wù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元及主控單元等構(gòu)成，其硬件平臺(tái)均采用高性能服務(wù)器，在此平臺(tái)上進(jìn)行處理軟件設(shè)計(jì)及開發(fā)[11-12]。

信令處理單元主要完成終端上下行信令的獲取、匹配及解析，主要包括終端上行業(yè)務(wù)申請、下行資源分配、控制信道中各種信令等，包括無線資源管理信令、移動(dòng)性管理信令、呼叫信令等，以及由信令信道承載的短消息業(yè)務(wù)和位置信息等。信令處理單元通過信令流程匹配終端號碼生成呼叫列表，并把列表存儲(chǔ)在業(yè)務(wù)處理單元中，由業(yè)務(wù)處理單元進(jìn)行業(yè)務(wù)處理和匹配話音。業(yè)務(wù)處理單元完成終端短消息的解析，話音解析及解碼等，并轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行備份。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元完成呼叫列表、話音、位置和短消息業(yè)務(wù)的儲(chǔ)存?zhèn)浞荨?/p>

2.4 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要完成設(shè)定/取消跟蹤終端、終端位置跟蹤、終端狀態(tài)監(jiān)測、終端業(yè)務(wù)獲取、通信記錄查閱、通信內(nèi)容回放、自動(dòng)告警提示等功能，功能構(gòu)成如圖5所示。

功能介紹如下：1）目標(biāo)管理。用戶可手動(dòng)選擇需要實(shí)時(shí)獲取業(yè)務(wù)的號碼，當(dāng)該號碼通信時(shí)，實(shí)時(shí)獲取其話音、短消息或位置；當(dāng)不需要再跟蹤時(shí)手動(dòng)刪除該號碼即可轉(zhuǎn)入后臺(tái)業(yè)務(wù)獲取；2）業(yè)務(wù)管理。設(shè)定目標(biāo)后，用戶同步收聽終端通話的話音，或者查看短消息，位置等；3）業(yè)務(wù)查詢。用戶可從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取已有的通話記錄，播放對應(yīng)的通話話音，以及查看某號碼收發(fā)的短消息等；4）軌跡查詢。在GIS地圖上回放某號碼的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 業(yè)務(wù)流程及測試

3.1 業(yè)務(wù)流程

上行天線處于值守狀態(tài)，當(dāng)收到終端上行ALOHA信號后，由射頻和基帶處理單元完成信號的解調(diào)，并把其內(nèi)容發(fā)送到信令處理單元；信令處理單元解析終端上行業(yè)務(wù)申請指令，并記錄終端ID，同時(shí)通知射頻和基帶處理單元捕獲下行AGCH信道，以獲得下行應(yīng)答。

下行天線捕獲應(yīng)答信號后由射頻和基帶處理單元完成解調(diào)處理獲得資源分配應(yīng)答幀，并發(fā)送給信令處理單元；信令處理單元解析下行資源分配指令，并與上行業(yè)務(wù)申請的終端ID進(jìn)行匹配，獲得上下行信令信道參數(shù)，然后配置到射頻和基帶處理單元。

上下行天線捕獲信令信號后由射頻和基帶處理單元解調(diào)后獲得信令幀，發(fā)送到信令處理單元；信令處理單元完成上下行信令解析，把終端的狀態(tài)、位置信息等參數(shù)發(fā)送到主控單元顯示，把上下行業(yè)務(wù)信道參數(shù)配置到射頻和基帶處理單元，并配置業(yè)務(wù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)配對等過程；上下行天線捕獲業(yè)務(wù)信號后由射頻和基帶處理單元解調(diào)后獲得業(yè)務(wù)幀，發(fā)送到業(yè)務(wù)處理單元；業(yè)務(wù)處理單元完成所監(jiān)測終端的業(yè)務(wù)預(yù)處理，并在信令處理單元控制下完成業(yè)務(wù)配對，轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行備份，并把用戶指定的終端業(yè)務(wù)發(fā)送到主控單元進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)測試及分析

測試時(shí)，兩部測試手機(jī)和系統(tǒng)天線部分安置在室外，其他設(shè)備安裝在室內(nèi)，兩者之間通過射頻線纜進(jìn)行連接，如圖7所示。手機(jī)首先開機(jī)接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到能夠正常打電話狀態(tài)，然后在遠(yuǎn)控界面配置相應(yīng)的兩個(gè)手機(jī)號碼，使設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測兩部手機(jī)的通信狀態(tài)。

手機(jī)A撥打手機(jī)B多次，在遠(yuǎn)控界面查看系統(tǒng)獲取的通話記錄和話音，并可通過播放操作收聽對應(yīng)的話音，測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，手機(jī)之間打電話時(shí)可通過本系統(tǒng)截獲，并生成了通話記錄列表，包括主被叫號碼、速率、通話時(shí)間等，同時(shí)對應(yīng)存儲(chǔ)了相應(yīng)的通話語音，可選擇進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星手機(jī)的業(yè)務(wù)截獲。通過測試發(fā)現(xiàn)，每次業(yè)務(wù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較大，容易造成磁盤空間不足，因此實(shí)際使用時(shí)需要加大磁盤陣列容量，并定期更換新硬盤，以便保留更多歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

隨著手機(jī)直連衛(wèi)星的發(fā)展，越來越多的手機(jī)加入衛(wèi)星通信功能，給信息安全帶來一定挑戰(zhàn)。本系統(tǒng)能夠獲取終端的位置、短消息、話音等業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍區(qū)域終端信息，保障信息安全。系統(tǒng)的天線和射頻基帶單元可布置多個(gè)在室外，其余單元布置在室內(nèi)，形成多對一連接以監(jiān)測多個(gè)地點(diǎn)。室外部分可根據(jù)需求安裝多套，擴(kuò)展監(jiān)測區(qū)域。

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作者簡介：常斗興（1979.02—），男，漢族，山西晉中人，高級工程師，本科，研究方向：應(yīng)急管理。