一种无线电台站远程监测方法及系统与流程

本发明涉及无线电台站监测领域，具体来说，涉及一种无线电台站远程监测方法及系统。

背景技术：

在《中华人民共和国无线电管理条例》中第二十六条要求：除因不可抗力外，取得无线电频率使用许可后超过2年不使用或者使用率达不到许可证规定要求的，作出许可决定的无线电管理机构有权撤销无线电频率使用许可，收回无线电频率。同时，在《国家无线电管理规划(2016－2020年)》中提到，加大无线电管理应用软件的开发和建设投入，基于各种监测手段和应用软件，增强监测数据的挖掘与分析能力，提升监测数据的应用价值。

然而，目前在无线电台站监测方面主要通过固定无人值守监测站、车载监测扫描仪等方式对监测区域内频谱的使用情况在空域、频域、时域、能量域的方面进行整体监测，而对于特定台站的频率使用情况(包括无线电设备的信道参数和实时信号转发记录等)，除了现场核查参数配置方式外无其他远程监测手段。如此一来，无法从底层获取台站设备本身配置的各项参数和信号转发记录。

由于无法准确、及时的掌握无线电设备的工作参数和用频数据，因而无法精准掌握台站的无线电频率的使用情况。因此，亟需探索无线电台站的远程监测技术，基于无线电台站频率使用数据和信号实时转发的数据精准掌握，促进监测数据与台站数据的深度融合，这是目前无线电监测技术需要提升的方向。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种无线电台站远程监测方法及系统，从而为无线电台站管理提供一种自动化、精准化、智能化的远程监测手段，有利于台站频率的监测管理。

本发明的目的可以通过下列技术方案来实现：

本发明提供一种无线电台站远程监测系统，包括监测设备、传输层和管理中心，监测设备采集被监测台站的无线电设备的监测数据，通过传输层上传至管理中心，管理中心将获取的监测数据进行分析、挖掘、展示，并在显示界面上呈现监测数据的异常分析态势，

在管辖范围内的每个台站的无线电设备上安装的监测设备，所述监测设备包括安全认证模块、监测数据采集模块、监测数据存储模块、监测指标数据模块、监测数据上传模块，其中：

安全认证模块用于实现基于设备id的端到端认证授权模式；

监测数据采集模块用于采集监测数据和台站的实时地理位置数据，监测数据包括静态信道配置参数和动态信号转发记录；

监测数据分析模块根据管理中心下发的监测策略对采集到的监测数据进行分析，分析是否无线电设备是否工作异常；

监测数据存储模块用于将采集到的监测数据写入台站频率监测数据表，并将分析结果保存在台站频率指标分析表中；

监测数据上传模块用于将监测数据、监测数据分析模块产生的分析结果以及地理位置数据通过传输层发送给管理中心。

其中，对监测数据的分析包括频段占用度指标分析、年时间占用度指标分析、区域覆盖率指标分析和用户承载率指标分析。

传输层采用nb-iot网络，并采用基于动态密钥的软加密技术对数据进行加密传输。

其中，管理中心包括台站管理模块、监测策略管理模块、监测数据可视化模块等功能模块，台站管理模块可以对台站监测项目和台站基本信息进行管理和查询，监测策略管理模块可以对监测策略进行定义，监测数据可视化模块可以显示主管理界面和子管理界面。

其中，监测设备的安全认证模块存储有id、s，并计算h(id||s)，其中id是监测设备的标识，s是系统运作前预先设置的初始秘密值，h(||)是预先定义的哈希函数，管理中心存储所有数值对(id,s,h(id||s))，并且嵌入随机数生成器。

本发明还提供一种应用于本发明的无线电台站远程监测系统中的无线电台站远程监测方法，所述方法包括以下步骤：

s1，管理中心下发监测策略，或监测指令；

s2，监测设备通过nb-iot网络接收监测策略或监测指令；

s3，监测设备与管理中心进行端到端授权认证，如果认证成功则执行步骤s5，如果认证失败，则停止流程，且监测设备向管理中心发送认证失败通知，或管理中心生成认证失败通知；

s4，监测设备根据监测指令或者监测策略，定期或实时执行一次监测操作，并采集台站的实时地理位置数据；

s5，监测设备对采集到的监测数据进行分析；

s6，监测设备通过nb-iot网络将采集的监测数据、分析结果和地理位置数据加密后上传给管理中心，管理中心接收监测设备上传的数据，并根据动态密钥将数据解密后保存；

s7，管理中心将获取的监测数据进行分析、挖掘、展示，并在管理界面上呈现监测数据的异常分析态势。

其中，步骤s3中的端到端授权认证包括以下步骤：

s31，监测设备的安全认证模块向管理设备发出认证请求，管理设备产生随机数r，并将生成的r发送给监测设备的安全认证模块；

s32，监测设备的安全认证模块计算h(id||r||s)，然后将运算得到的h(id||r||s)和h(id||s)发送给管理中心；

s33，管理中心依据接收到的数值，检索认证数据库中是否存在h(idj||s)与h(id||s)相同的一组(idj,s,h(idj||s))数据，若相同，则依据该组(idj,s,h(idj||s))数据的idj和s计算h(idj||r||s)，然后校验h(idj||r||s)是否与h(id||r||s)相同，若相同，则管理中心通过认证并进行下一步运作，否则认证失败；

s34，管理中心计算sdb＝h(r||s)、h(id||sdb)和h(idj||r||sdb)，并分别使用sdb和h(id||sdb)更新s和h(id||s)，保存新的数值对(id,s,h(id||s))，并将h(idj||r||sdb)发给监测设备的安全认证模块；

s35，监测设备的安全认证模块计算st＝h(r||s)、h(id||st)和h(id||r||st)，并判断h(id||r||st)与接收到的数据h(idj||r||sdb)是否相同，若相同，则监测设备的安全认证模块认证成功，并分别使用st和h(id||st)替换s和h(id||s)后保存，否则认证失败。

其中，监测设备以端到端认证阶段中替换后的秘密值s作为动态密钥对数据进行加密；管理中心接收到监测数据后，利用端到端认证阶段中更新后的秘密值s作为动态密钥对数据进行解密。

其中，步骤s7包括以下步骤：

s71，形成主管理界面；

s72，形成子管理界面；

s73，在主管理界面上显示与各个监测项目相对应的切换按钮，通过选择不同的切换按钮，可以在主管理界面上切换显示不同的监测项目；

s74，将代表各个台站的上述图形作为子管理界面切换链接，当在主管理界面上选择特定的台站时，进入该台站的子管理界面，显示该台站的监测数据历史曲线。

其中，显示管辖区域的地图，基于各个台站的地理位置数据在管辖区域地图上以特定的图形显示各个台站，例如圆点或三角形，基于每一项监测数据和分析结果的数值大小确定上述图形的面积大小，面积大小与数值大小成正比，从而形成主管理界面；

基于监测数据和分析结果的历史值生成各个台站的监测数据历史曲线，并生成监测数据历史曲线显示界面，从而形成子管理界面。

本发明可以产生的有益效果是：

(1)通过本发明的无线电台站远程监测系统的监测设备可以采集到各台站的频率使用数据，并通过监测设备的监测数据分析模块分析判断监测异常指标，从而建立准实时、动态的台站频率监控机制，采用自动化的台站频率监测手段，降低监测工作难度和工作量，提高无线电频率监测数据的准确率和监测工作效率；

(2)在构建监测系统时考虑到监测数据的传输安全性，采用基于自更新的改进哈希链的双向认证机制，只进行简单的哈希函数和自更新密钥的计算，大大减少了节点的计算和通信开销，可以较好地实现安全认证，防止数据被篡改或监听。

(3)通过无线电台站监测系统可建立准确度高、覆盖率大的台站频率监测数据库，为构建合理的频谱使用评估和频率回收机制提供监测数据基础，采用监测数据挖掘、大数据技术等手段分析台站频率使用行为模式和分布趋势，深入挖掘台站数据的应用价值，推广台站数据的多层次应用，为无线电管理决策提供有力支撑。

附图说明

图1是本发明的无线电台站远程监测系统的示意性框图；

图2是本发明的无线电台站远程监测方法的流程示意图。

具体实施方式

图1显示了本发明的无线电台站远程监测系统的示意性框图。如图1所示，本发明的无线电台站远程监测系统包括：监测设备、传输层和管理中心。监测设备采集被监测台站的无线电设备的监测数据，通过传输层上传至管理中心，管理中心将获取的监测数据进行分析、挖掘、展示，并在显示界面上呈现监测数据的异常分析态势。

在管辖范围内的每个台站的无线电设备上安装监测设备，监测设备包括安全认证模块、监测数据采集模块、监测数据存储模块、监测指标数据模块、监测数据上传模块。

安全认证模块用于实现基于设备id的端到端认证授权模式。本发明采用基于自更新的改进哈希链的双向认证机制，只进行简单的哈希函数和自更新秘钥的算法，大大减少了节点的计算和通信开销，可以较好地实现安全认证，防止数据被篡改或监听。

监测设备的安全认证模块存储有id、s，并计算h(id||s)，其中id是监测设备的标识，s是系统运作前预先设置的初始秘密值，h(||)是预先定义的哈希函数。管理中心存储所有数值对(id,s,h(id||s))，并且嵌入随机数生成器。

监测设备的安全认证模块向管理设备发出认证请求，管理设备产生随机数r，并将生成的r发送给监测设备的安全认证模块。

监测设备的安全认证模块计算h(id||r||s)，然后将运算得到的h(id||r||s)和h(id||s)发送给管理中心。

管理中心依据接收到的数值，检索认证数据库中是否存在h(idj||s)与h(id||s)相同的一组(idj,s,h(idj||s))数据，若相同，则依据该组(idj,s,h(idj||s))数据的idj和s计算h(idj||r||s)。然后校验h(idj||r||s)是否与h(id||r||s)相同，若相同，则管理中心通过认证并进行下一步运作，否则认证失败。

管理中心计算sdb＝h(r||s)、h(id||sdb)和h(idj||r||sdb)，并分别使用sdb和h(id||sdb)更新s和h(id||s)，保存新的数值对(id,s,h(id||s))，并将h(idj||r||sdb)发给监测设备的安全认证模块。

监测设备的安全认证模块计算st＝h(r||s)、h(id||st)和h(id||r||st)，并判断h(id||r||st)与接收到的数据h(idj||r||sdb)是否相同，若相同，则监测设备的安全认证模块认证成功，并分别使用st和h(id||st)替换s和h(id||s)后保存，否则认证失败。

监测数据采集模块用于采集监测数据，监测数据包括静态信道配置参数和动态信号转发记录。

监测设备的监测数据采集模块通过与台站的无线电设备的厂商配置接口进行集成，获取到无线电设备的静态信道配置参数。静态信道配置参数包括设备型号、额定频率范围、设定的每个信道的发射频率值和接收频率值、额定发射功率和实际使用中承载的用户数量等。

动态信号转发记录采集包括信号接收记录和信号发射记录。当每次无线电设备接收到频率信号时，监测设备的监测数据采集模块会将信号接收记录保存至监测设备，信号接收记录包括接收信号的接收时间、接收信号频率值和信号接收对象等，并且在一组信道信号进行转发前将此次信号发射记录保存至监测设备，信号发射记录包括发射时间、发射频率值，信号发射功率等。

监测数据采集模块还包括定位模块，可以采集台站的地理位置数据。通过获取台站的实时地理位置数据，本发明可以将移动台站纳入监管。

监测数据分析模块根据管理中心下发的监测策略对采集到的监测数据进行分析，判断监测数据是否符合监测策略中的监测标准，分析是否无线电设备是否工作异常。

具体而言，对监测数据的分析包括以下几个方面。

1)频段占用度指标分析

频段占用度是指实际使用频率范围与行政许可批准的使用频率范围之比。监测数据分析模块自动分析判断该频率占用度是否小于该台站频率占用度下限值，如小于下限值则返回指标异常指示和异常值。

2)年时间占用度指标分析

年时间占用度是指一年中实际使用频率的天数(或小时)与全年天数(或小时)之比。根据实际使用情况，可采用日、月时间占用度来平均计算年时间占用度。监测数据分析模块自动分析判断该年时间占用度是否小于该台站年时间占用度下限值，如小于下限值则返回指标异常指示和异常值。

3)区域覆盖率指标分析

区域覆盖率是指取得许可的频率开展无线电业务的实际使用地域(以平方千米为单位)与行政许可批准的频率使用地域的面积之比。监测数据分析模块自动分析判断该区域覆盖率是否大于该台站区域覆盖率上限值或小于该台站区域覆盖率下限值，如大于上限值或小于下限值则返回指标异常指示和异常值。

4)用户承载率(用户规模)指标分析

用户承载率是指取得许可的频率开展无线电业务实际承载的用户数量与经专家评估论证应能承载的用户数量之比。监测数据分析模块自动分析判断该用户承载率是否小于该台站用户承载率下限值，如小于下限值则返回指标异常指示和异常值。

监测数据存储模块用于将采集到的监测数据写入台站频率监测数据表，并将分析结果保存在台站频率指标分析表中。管理人员可以对每个台站的监测设备进行现场核查，读取台站频率监测数据表和台站频率指标分析表中的数据，以作进一步分析。

监测数据上传模块用于将监测数据、监测数据分析模块产生的分析结果以及地理位置数据通过传输层发送给管理中心。

本发明的传输层采用低功耗、广覆盖、低成本、大连接的nb-iot进行监测设备和管理中心的通信，解决大量台站分布在传统通讯网络无法覆盖的问题。通过构建nb-iot物联网络，确保管辖范围内台站都处于监测网络的监测范围内，提高管辖范围内的台站频率监测覆盖率。在构建监测物联网时，考虑到监测数据传输安全性，采用基于动态密钥的软加密技术对数据进行加密传输，防止监听泄密。具体来说，监测设备以端到端认证阶段中替换后的秘密值s作为动态密钥对数据进行加密。管理中心接收到监测数据后，利用端到端认证阶段中更新后的秘密值s作为动态密钥对数据进行解密。

管理中心包括台站管理模块、监测策略管理模块、监测数据可视化模块等功能模块，其中台站管理模块可以对台站监测项目和台站基本信息进行管理和查询，监测策略管理模块可以对监测策略进行定义，监测数据可视化模块可以显示主管理界面和子管理界面。本发明的管理中心由具有服务器、存储器和显示器的处理系统来实现。

管理中心将获取的监测数据进行分析、挖掘、展示，并在显示界面上呈现监测数据的异常分析态势。管理中心的显示界面上可以显示管辖区域的地图，基于各个台站的地理位置数据和采集的监测数据、分析结果形成二维分布模型，从而形成主管理界面。具体来说，基于各个台站的地理位置数据在管辖区域地图上以特定的图形显示各个台站，例如圆点或三角形。基于每一项监测数据和分析结果的数值大小确定上述图形的面积大小，面积大小与数值大小成正比。在主管理界面上可以显示与各个监测项目相对应的切换按钮，通过选择不同的切换按钮，可以在主管理界面上切换显示不同的监测项目。另外，基于监测数据和分析结果的历史值生成各个台站的监测数据历史曲线，并生成监测数据历史曲线显示界面，从而形成子管理界面。将代表各个台站的上述图形作为子管理界面切换链接，当在主管理界面上选择特定的台站时，可以进入该台站的子管理界面，显示该台站的监测数据历史曲线。

图2显示了本发明的无线电台站远程监测方法的流程示意图。如图2所示，本发明的无线电台站远程监测方法包括以下步骤：

s1，管理中心下发监测策略，监测设备按照监测策略定义的时间周期定时执行监测操作，还包括用于进行监测数据分析的监测标准。另外，管理中心也可以下发监测指令，监测设备根据监测指令执行一次监测操作。

s2，监测设备通过nb-iot网络接收管理中心下发的监测策略或监测指令。

s3，监测设备与管理中心进行端到端授权认证，如果认证成功则执行步骤s5，如果认证失败，则停止流程，且监测设备向管理中心发送认证失败通知，或管理中心生成认证失败通知，并在显示界面上显示认证失败通知以提示管理人员。

s4，监测设备根据监测指令或者监测策略，定期或实时执行一次监测操作，开启信道配置参数数据采集接口和信号转发记录数据采集接口，采集监测数据，写入台站频率监测数据表里。监测设备还采集台站的实时地理位置数据。

s5，监测设备对采集到的监测数据进行分析，并将分析结果保存在台站频率指标分析表中。

s6，监测设备利用动态密钥对采集的监测数据、分析结果和地理位置进行加密，通过nb-iot网络将加密后的数据上传给管理中心。管理中心接收监测设备上传的数据，并根据动态密钥将数据解密后保存。具体来说，监测设备以端到端认证阶段中替换后的秘密值s作为动态密钥对数据进行加密。管理中心接收到监测数据后，利用端到端认证阶段中更新后的秘密值s作为动态密钥对数据进行解密。

s7，管理中心将获取的监测数据进行分析、挖掘、展示，并在管理界面上呈现监测数据的异常分析态势。

步骤s3中的端到端授权认证可具体包括以下步骤：

s31，监测设备的安全认证模块向管理设备发出认证请求，管理设备产生随机数r，并将生成的r发送给监测设备的安全认证模块。

s32，监测设备的安全认证模块计算h(id||r||s)，然后将运算得到的h(id||r||s)和h(id||s)发送给管理中心。

s33，管理中心依据接收到的数值，检索认证数据库中是否存在h(idj||s)与h(id||s)相同的一组(idj,s,h(idj||s))数据，若相同，则依据该组(idj,s,h(idj||s))数据的idj和s计算h(idj||r||s)。然后校验h(idj||r||s)是否与h(id||r||s)相同，若相同，则管理中心通过认证并进行下一步运作，否则认证失败。

s34，管理中心计算sdb＝h(r||s)、h(id||sdb)和h(idj||r||sdb)，并分别使用sdb和h(id||sdb)更新s和h(id||s)，保存新的数值对(id,s,h(id||s))，并将h(idj||r||sdb)发给监测设备的安全认证模块。

s35，监测设备的安全认证模块计算st＝h(r||s)、h(id||st)和h(id||r||st)，并判断h(id||r||st)与接收到的数据h(idj||r||sdb)是否相同，若相同，则监测设备的安全认证模块认证成功，并分别使用st和h(id||st)替换s和h(id||s)后保存，否则认证失败。

步骤s7可具体包括以下步骤：

s71，形成主管理界面。管理中心的显示界面上可以显示管辖区域的地图，基于各个台站的地理位置数据在管辖区域地图上以特定的图形显示各个台站，例如圆点或三角形。基于每一项监测数据和分析结果的数值大小确定上述图形的面积大小，面积大小与数值大小成正比。由此形成二维分布模型，从而形成主管理界面。

s72，形成子管理界面。管理中心基于监测数据和分析结果的历史值生成各个台站的监测数据历史曲线，并生成监测数据历史曲线显示界面，从而形成子管理界面。

s73，在主管理界面上显示与各个监测项目相对应的切换按钮，通过选择不同的切换按钮，可以在主管理界面上切换显示不同的监测项目。

s74，将代表各个台站的上述图形作为子管理界面切换链接，当在主管理界面上选择特定的台站时，进入该台站的子管理界面，显示该台站的监测数据历史曲线。

综上所述，本发明可以实现以下技术效果：

台站频率监测数据采集：通过在管辖范围内的上万个台站的无线电设备上增配频率监测设备，该设备能定时或准实时监测到台站的频率使用数据，实现台站频率监测工作的准确、及时、高效；

台站频率监测指标分析：通过监测设备的监测指标分析模块判断该台站的频率使用异常，实现自动化、动态的频率使用监测异常发现机制；

台站频率监测指标回传：通过nb-iot将加密的监测指标上传给部署在管理中心的服务器，构建智能、安全、覆盖率高的频率监测数据传输物联网；

频率监测指标分析展示：管理中心可以将获取的监测指标数据进行分析、挖掘、展示，并将监测分析结果应用到频率管理工作中，为无线电频率监测管理工作提供高效、合理的技术手段。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。