LoRa作弊信号介绍及监测方法研究.pdf

73CHINARADIO2023.6Monitoring&Testing监测检测LoRa作信及监测方法研究文丨国家无线电监测中心成都监测站占房之军军薛静静吴小松赵甫胤四川省成都市无线电监测站姜胜宇摘要：本文对无线电考试作弊中使用的LoRa技术进行介绍，并仿真生成LoRa信号，开展理论分析和实操监测方法研究并形成结论，帮助监测人员了解LoRa信号，从而在考试无线电保障中提高工作效率。关键词：LoRa技术考试作弊仿真生成信号分析研究0引信在考试无线电保障中，监测人员利用智能化保障系统采取频段扫描分析手段发现作弊信号，对作弊信号进行识别，并根据识别出信号类型的不同，采用相应类型的信号压制作弊信号，必要时利用便携式设备进行作信号源的查找。但在实际监测过程中，存在智能化保障系统针对性不强（如采用通用监测接收机）、对异常信号识别率不高和漏检等问题，需要人工和智能化保障系统共同对信号进行监测、分析、识别和判断，以提高考试无线电保障工作的质量和效率。可见，考试保障工作中人工介入十分重要，这对监测人员的理论和知识储备提出了较高要求。1LoRa信号介绍随着无线电技术的发展和应用，作弊手段也在不断演变2。早期公网通信和模拟信号的作弊方式已逐渐被淘汰，后来数传2 FSK作弊方式因易被压制阻断等原因也逐渐变少，而LoRa技术已成为当前主流的作弊技术，给考试无线电保障工作带来了新的挑战。1.1LoRa信号简介LoRa是创建长距离通信连接的物理层无线调制技术，属于线性调制扩频技术的一种，融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码等先进技术，具有发射功率低、发射速度快、覆盖范围大等优势，有极强的抗压制和抗欺骗性。常规的屏蔽压制对其作用甚微，定位查处也极为困难。从“云6”系列开始，包括“云7/8/10”以及TK-F5/6/6+等作弊设备均采用了LoRa技术。1.2线性调制扩频技术线性调频信号是指瞬时频率随时间呈线性变化的信号，它采用了一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术，可获得较大的系统处理增益，抗干扰能力强，非常适合无线接人应用。线性调频信号的一般表达式见式（1）。元F工工2f(t)=cos(2元f.t+t(1)T22其中，f。为中心频率，T，为周期，F为带宽。1.3LoRa信号调制以线性调制扩频技术为基础，LoRa调制的核心思想是使用频率变化模式来调制基带信号，如图1和图2 所示。LoRa调制中的每一个码元都可以表示为正弦信号，频率在频带中不断发生着线性变化。设f。为信号扫过频率范围的中心频率，BW为工作带宽，频带范围为f-BW/2，f。+BW/2，单个码元的持续时间为Ts。在T。周期内，频率会扫过整个频带范围，增加到最大值后，会从频率最小值继续增加直到整个频带扫描结束，初始频率值可表示该码元的数据信息。BW20TBW2图1LoRa信号频率变化示意图图2 实际监测的LoRa信号频谱图和瀑布图CHINARADIO2023.674Monitoring&Testing监测检测1.4LoRa作设备LoRa作设备3实际上就是一个信号中转装置，依靠内置的SIM卡接收外围信息，无需人员现场值守，通过无线方式向考场内的作终端传输信息。该设备通常被放置在距离考场主楼0.2 10 km半径范围内，按照近低远高、隐蔽无人的原则进行布放。图3LoRa作弊信号发射设备目前，各地无线电管理机构所查获的LoRa发射设备外观多为黑色方砖形，成本低廉、元件简陋，是模块化、批量化生产的产品，通常不支持改变频率等参数，因此监测人员应注重对作弊频率数据的收集积累（见图3）。根据目前已掌握的信息，LoRa作弊频段多在168-174MHz、48 8-49 5M H z、50 3-50 7 M H z、7 56-766MHz频段。2LoRa信号仿真分析我们将使用仿真软件生成一个LoRa信号，从时域、频域和瀑布图三个维度分别进行理论分析。为更好地在时域显示信号特征，仿真时长小于一个信号周期Ts。2.1LoRa信号的产生LoRa信号的设定参数如下：采样率为40 0 0 0 Hz，初始频率为30 0 0 Hz，频率变化率为10 0 0 0 Hz/s，选择2000个采样点作为实验对象，时域图、瀑布图和频谱图如图4 图6 所示。0.5(M）士审0-0.5-100.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05时间（s)图4LoRa仿真信号的时域图0.040.030.020.0100.20.40.60.811.21.41.61.82-频率（Hz)图5LoRa仿真信号的爆布图信号频谱图50-5(MgP)郭-10-15-20-2542504255426042654270427542804285频率（Hz)信号频谱图50(MP)郭-5-10-15-2067506755676067656770677567806785频率（Hz)图6 两个时刻LoRa仿真信号的频谱图2.2LoRa信号理论分析如图4图6 所示，时域、瀑布图、频域维度下LoRa信号的频率都表现为由低到高线性增长。其中，时域图中表现为正弦波由松到密线性变化，但在较高作频率下肉眼无法区分；瀑布图中表现为“一条斜杠”，肉眼观看特征较为明显；频域图中表现为近似单载波信号，且每个时刻频率不同，肉眼观看特征同样较为明显。因此在实际考试保障过程中，推荐使用频谱图和爆布图作为LoRa信号人工监测分析手段。7CHINARADIO2023.6Monitoring&Testing监测检测3实际监测在实际考试无线电保障中，使用LoRa技术进行考试作，存在答案传输时间短、信号具有扩频技术特征等特点。采用常规监测手段监测发现识别难度大，而信号压制系统可能无法进行针对性干扰压制，整体保障难度较大。目前通常采取的手段为在合适地点架设监测设备并依靠智能化保障系统进行扫描监测分析，必要时进行针对性压制，因此需要不断跟进和研发新技术，定期更新考试保障系统。在监测设备性能和功能有限的情况下，人工监测发挥着重要作用。作者使用是德科技N9918A频谱仪对某信号源发射出的LoRa信号进行监测，通过调整分辨率带宽观看频谱图变化情况。某信号源发射出的LoRa信号频率为660MHz，带宽为6 2.5kHz，显示带宽设置为10 0 kHz，分辨率带宽分别设置为10 Hz、10 0 H z、30 0 H z、1kHz、5k H z 和10 kHz，具体监测的频谱图如图7 图9所示。人图7 分辨率带宽为10 Hz和10 0 Hz时LoRa信号频谱图如图7 所示，当分辨率带宽（10 Hz和10 0 Hz）设置较小时，采样的点数较多，导致用时过长，其间LoRa信号频率已发生多次变化的信息被采样后通过FFT计算到频域，致使频谱特征不明显，因此需要增大分辨率带宽。-图8 分辨率带宽为30 0 Hz和1kHz时LoRa信号频谱图epTe-S719TANMY5401335T86s19SHM524013310512015.5FPf5F0f-53.002图9分辨率带宽为5kHz和10 kHz时LoRa信号频谱图如图8 所示，适当增大分辨率带宽（30 0 Hz和1kHz），采样点数减少，采样时间缩短，LoRa信号频率变化对频谱显示影响减小。此时可以看到LoRa信号特征，虽然也会出现如左图两个频率同时存在信号的情况，但足以看出该信号频率呈现的变化特征。因此，上述分辨率带宽的设置较适合监测LoRa信号。如图9 所示，继续增大分辨率带宽（5kHz和10kHz），采样时间进一步缩短，可从频谱图观察到频率的线性变化。但由于分辨率带宽较大，频谱迹线显示粗略，难以辨认信号细节，需要调小分辨率带宽至图7 中300Hz和1kHz量级。因此，对扩频类型的LoRa信号进行人工监测分析时，需要监测人员结合监测设备性能和LoRa作信号特征综合考量，设置适宜的分辨率带宽。4结束语本文对LoRa技术进行介绍，仿真生成LoRa信号，并进行了理论和实操分析。作者对LoRa信号监测提出如下建议：一是监测人员需要熟悉监测设备性能指标和作弊信号特征，考虑采样时间和分辨率带宽的影响，选择合适的分辨率带宽开展监测分析。二是不断积累作弊信号频率数据，在人工监测时如根据信号特征怀疑为LoRa信号，可根据信号频率进一步确认其是否为LoRa信号。三是掌握考场周边的地理环境，熟悉LoRa作弊设备的外观，有时甚至通过肉眼观察就能发现作弊设备。参考文献：【1】蔡立伟，梅芳.考试无线电作弊信号识别研究J.数字通信世界，2 0 2 0(0 6)：56 57+982】吴越，孙信群.浅谈利用无线电进行考试作弊的手段及防范对策J.中国无线电，2 0 2 2(0 7)：14 183高峰.利用LoRa技术进行考试作弊的应对方法J中国无线电，2 0 2 2(0 7)：19+2 1