论文总字数：29342字

摘 要

手机信号检测系统在移动终端功率控制、定位服务等场景下具有重要的作用，近年来随着移动终端非法行为日益增加，手段日益丰富，对检测系统的通用性、精确度都提出了新的挑战。

本文对手机信号定位技术进行了充分研究，并在软件无线电平台上进行了实现，主要成果如下：

1. 在Xubuntu 16.04系统上实现了GNURadio和USRP相关配置，能够实现将USRP X310的数据传递到计算机上。
2. 角度估计方面研究了MUSIC算法，通过gr-doa项目提供的模块搭建了使用MUSIC算法估计检测到信号角度的程序。
3. 距离估计方面提出了基于自由空间传播模型的GSM信号能量计算方法，分析了实验过程中多径效应的成因和影响，并结合多径效应的成因扩展了能量计算公式，使用多元线性回归分析计算出相应的参数。
4. 编写了捕获GSM上行数据包的程序，结合角度估计程序和距离估计程序，实现了捕获数据包并对信号源进行定位的功能，经实验验证具有良好的效果。

本文的主要创新点在于设计了捕获GSM时隙数据包的GNURadio程序，提出了信号能量计算的扩展公式并且用多元线性回归的方法求得参数，一定程度上减少了多径效应产生的影响。为室内定位技术提供了一定的参考。

关键词：GNURadio，USRP，信号检测，多径效应，MUSIC算法

Abstract

Mobile phone signal detection system plays an important role in mobile terminal power control, positioning service and other scenarios. In recent years, with the increasing illegal behavior of mobile terminals and increasingly rich means, new challenges have been posed to the universality and accuracy of the detection system.

In this paper, the mobile phone signal location technology has been fully researched and implemented on the software radio platform. The main results are as follows:

1. GNURadio and USRP related configurations were implemented on Xubuntu 16.04 system, which was able to transfer the data of USRP X310 to the computer.
2. In the aspect of Angle estimation, the MUSIC algorithm is studied, and a program is built to estimate the detected signal Angle by using the MUSIC algorithm through the module provided by gr-doa project.
3. In terms of distance estimation, a calculation method of GSM signal energy based on free space propagation model is proposed. This paper analyzes the cause and effect of multipath effect in the process of experiment, and puts forward the extended formula of energy calculation based on the cause of multipath effect.
4. Wrote a program to capture GSM uplink data packets. The function of capturing data packet and locating signal source is realized by combining Angle estimation program and distance estimation program. Experimental results show that the proposed method is effective.

The main innovation of this paper lies in the design of the GNURadio program for capturing GSM TDMA frames, the extension formula for the calculation of signal energy is proposed, and the parameters are obtained by the method of multiple linear regression, which reduces the influence of multipath effect. It provides some reference for indoor positioning technology.

KEY WORDS: GNURadio, USRP, signal detection, multipath effect, MUSIC algorithm

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 历史发展 1

1.3 发展现状与研究意义 3

1.4 论文的主要工作 3

1.5 本章小结 4

第二章 USRP与GNURadio 5

2.1 软件无线电概述 5

2.2 GNURadio 6

2.2.1 GNURadio概述 6

2.2.2 软件架构 6

2.2.3 安装配置 8

2.2.4 图形界面介绍 10

2.3 USRP通用软件无线电外设 11

2.4 本章小结 12

第三章 角度估计 13

3.1 MUSIC算法 13

3.2 gr-doa项目 15

3.2.1 项目概述 15

3.2.2 模块介绍 17

3.3 本章小结 20

第四章 距离估计 21

4.1 自由空间传播模型 21

4.2 GSM信号能量计算 21

4.3 多径效应 23

4.3.1 成因 23

4.3.2 影响 24

4.3.3 解决方法 24

4.4 本章小结 25

第五章 方案设计和程序结构 26

5.1 程序设计 26

5.1.1 整体结构 26

5.1.2 GSM burst采集程序 27

5.1.3 MUSIC算法定位程序 29

5.1.4 距离估计程序 30

5.1.5 控制程序 31

5.1.6 源代码更改 32

5.2 实验方案 32

5.2.1 实验环境 32

5.2.2 实验设备 33

5.2.3 实验方法 35

5.3 实验结果与分析 35

5.3.1 实验结果 35

5.3.2 结果分析 35

5.3.3 实验总结 35

5.4 本章小结 36

第六章 总结与展望 37

6.1 总结 37

6.2 论文主要工作 37

6.3 展望 38

参考文献 39

致 谢 40

绪论

研究背景

近年来，随着科技的发展，手机等智能终端在人类社会中扮演着日益重要的角色，但利用手机等通讯工具进行犯罪的行为也日益猖獗，例如考场作弊、WiFi渗透、伪基站钓鱼等，由于这些行为出现的随机性较强，同时十分隐蔽，针对这些行为传统的检测方法费时费力，而且效果通常不明显。

一种比较普遍的思路是通过检测非法终端发送的射频信号从而定位终端的位置。目前主流的定位方法有DOA波达方向定位技术和RSS功率定位技术。DOA技术通过检测远场信号到达不同天线的相位差计算波达方向，然而DOA技术只能计算出波达方向，如果需要计算精确的位置就需要多个测量点同时测量，成本较高，RSS则只能检测距离测量点的大致距离，如果需要检测出具体位置同样需要多个测量点。目前的定位系统通常都会考虑将两者结合起来，就能够在不增加测量点的情况下较好的检测出目标的方向和距离。

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