厘米波信号源（Wi-Fi/5G）定位及强度可视化装置

注：此项目为本人中学时代的自由研究，距今已有较长时间，无法保证其独创性、严谨性、可行性等，仅供参考。若需要详细源代码资料等可评论联系博主。

摘要

无线通信技术在现代生活中广泛应用。然而，随着无线通讯方式向高频率、高带宽发展的同时，此类信号衰减快、衍射能力弱等问题也逐渐显现，为了保障通讯的稳定性，通常需要大量增加基站、路由器的安装数量，硬件投资巨大。针对此问题，本项目设计了一套基于GNU Radio的厘米波信号源定位及强度可视化装置，通过对空间不同方向的信号强度进行扫描采集，可以图像形式直观显示信号源位置及其强度分布，从而为优化基站、路由器等设备的位置设置提供量化参考依据。

1. 前言

随着科技的发展，人们对互联网访问速度的需求不断提高，各类无线通信技术逐渐普及。根据工信部数据显示，截至2018年12月，我国移动通信基站数量达到了648万个，数量世界领先。

虽然各类通信技术已在中国相当普及，但我们在日常生活中使用时还是会遇到许多问题。在诸多问题中，安全和信号连接问题最为明显。例如，在Wi-Fi普及早期，其主要使用2.4GHz频段，由于其频宽较窄，同时其频段中还有家电遥控、蓝牙等信号的干扰，其连接速度往往不够理想。为此Wi-Fi联盟又启用了Wi-Fi 5GHz频段，但由于5G信号的波长较短，虽然可以在信号较强时保证网络的访问速度，但其在空气中衰减速度非常快，穿墙性能较差。在日常生活中，甚至会出现自己身体挡住手机网络信号的情况。

无线电信号和可见光一样同属电磁波，但由于其波长较可见光长很多，所以其在遇到障碍物时会有较强的干涉及衍射效应。但随着信号频率的增加，其干涉和衍射效应大幅减弱，同时其在空气中的衰减也显著增强。为了保障通讯稳定性，通常需要大量增加基站、路由器的安装数量，硬件投资巨大。

针对在日常生活中无法准确确定某网络热点产生信号的有效覆盖范围、给热点安装带来不便的问题，本项目将设计一个可采集多方向信号的设备，通过对各方向信号强度分析和处理，以图像形式直观地显示信号源位置及其强度分布。实现“像拍照一样照出网络信号”的效果，为优化基站、路由器等设备的位置提供量化参考依据。

2. 装置可行性分析

2.1 电磁波强度的测量

日常生活中常用的各类无线通信使用的电磁波频段波长通常在厘米量级，由于其频率过低，不会产生明显的光电效应，因而不能像使用照相机感光元件一样设计一个芯片在同一时刻接收来自所有方向的电磁波信号。基于上述考虑，本项目设计使用天线配合软件无线电来测量各个方向信号的强度。

为了使天线的指向性尽量增强，该装置选择了精密螺旋天线。

该装置将以对生活中常见的2.4GHz Wi-Fi信号作为测量对象，设计信号成像装置。

为了接收2.4GHz频段的Wi-Fi信号，通过电磁波波长公式：

$$λ=\frac{c}{f}=\frac{3×10^8}{2.4×10^9}=0.125m=12.5cm$$

同时，通过对螺旋天线的物理特性进行数学分析可知，螺旋天线的信号指向性和天线螺旋直径有如下关系：

因此，在本设计中，为了增强其指向性，采用D/λ=0.32，天线直径为4cm。

考虑到天线需要安装在机械装置上，需要保持尺寸合适的同时提高增益，因此线圈共设计8匝，每匝间距为λ/4=3.125cm，总长度为25cm。

同时，在螺旋天线的下方粘贴铝箔纸反射电磁波，使电磁波在天线骨架处形成驻波，进一步增强其信号接收能力及定向性。

根据螺旋天线增益计算公式

$$G=6.2(\frac{C}{λ})^2 N \frac{S}{λ}=6.2(\frac{0.04π}{0.125})^2×8×\frac{0.125}{0.125×4}=12.5dB$$

其中：
C = 线圈螺旋形周长 = πD
N = 线圈匝数
S = 匝间距 = C tanα
λ = 电磁波波长

该天线将获得约12.5dB的增益效果

2.2 机械云台的设计

由于在测量过程中要求传感器的位置不能移动，所以设计了球坐标机械云台，实现对天线的指向进行控制。使用3ds Max 2014与Shapr3D软件辅助进行云台整体架构和零件设计。其中，Y轴（上下方向）采用齿数比1:3减速齿轮提高精确度和扭矩，X轴（左右方向）采用带有转动滑轮的平台直接连接电机。云台零部件和整体结构的3D模型如下图所示。

为了保证云台的控制精度，项目设计并选用了两个42步进电机、加装了齿数比为1:13.7的减速行星齿轮分别对云台的Y与Z两个方向进行驱动。其中42步进电机的步数为200，角分辨率为1.8°。

Y轴方向电机外部装有1:3的减速齿轮，在扫描俯角为90°时最大可实现

$$90°×\frac{13.7}{1.8°}×3=2055分辨率$$

Z轴方向扫描角度为180°时最大可实现

$$180°×\frac{13.7}{1.8°}=1370分辨率$$

根据上述设计方案，借助AnyCubic 3D打印机、使用PLA材料打印相应的设计模型零件。制作完成的基于球坐标机械云台装置见下图。

2.3 信号采集方案的设计

2.3.1 开发软件选择

GNU Radio是由Eric Blossom在2001年发起的一个基于通用处理器（GPP）的软件无线电开发项目，广泛应用于无线电社区开发和教育机构研究。GNU Radio可以在通处理器上实现绝大部分的信号处理工作，可在通用PC上使用高级程序语言进行开发。

因此，本装置选择GNU Radio作为开发工具，其架构和编程界面如图9、10所示。

2.3.2 硬件组成

根据Wi-Fi的频段特性，综合考虑信号采集稳定性、速度等需求，选择了HackRF软件无线电进行信号强度采集
HackRF是由硬件黑客Michael Ossmann及其团队开发的一种价格低廉、半双工收发功能齐全且完全开源的SDR硬件。HackRF支持频段从1MHz～6GHz，采用I/Q两支路8bit量化，最高采样率20MS/s，通过USB与PC连接。

本项目选择HackRF软件无线电对接收到的无线电信号进行采集、GNU Radio软件进行信号处理，截取其中2.4GHz频段的信号，通过时间平均、频数计数等算法测量其信号强度，并使用UDP端口发送数据包。程序简化流程图见图12。

2.4 云台控制部分的设计

Arduino控制板使用了grblForCyclone开源控制程序，同时配合RAMPS1.4+A4988步进电机驱动板，可以实现使用Gcode通过串口对步进电机进行实时控制。云台控制程序会在每个角位置记录下相应的信号强度，并将其转换为PNG格式的图片文件，实现空间内信号强度的可视化。程序使用Python进行编写，其简化流程见图13。

3. 系统功能实现

3.1 系统工作架构

测量过程中，云台控制程序会每250ms通过USB串口向Arduino发送指令，控制步进电机在Y轴方向移动一个像素。并通过UDP端口接收GNU Radio程序发送的信号强度数据，记录250ms中的信号强度，并对每个像素点处的数据进行编号，每扫描一整列X轴方向移动一个像素。
待全部测量完成后，程序会读取测量过程中每个像素点处的测量数据。计算每个像素位置的平均值并将其映射到[0-255]区间，生成灰度图。

通过实验运行测试证实，该系统可以很好地控制云台的指向。同时，天线的指向性也满足成像所需要求。同时，天线也对各个方向上的信号强度反应灵敏，有效信号强度级数可达50级。

3.2 运行效果分析

为了测试系统的使用效果，在室内放置了路由器、无线光猫、笔记本热点等信号源，使用本设备进行信号强度扫描。测试中，选用普源DP831实验室电源对系统供电，避免由于劣质电源电压纹波造成的信号干扰。

扫描输出图片如下图

另外，使用图片处理软件对灰度图中的数据进行颜色映射，并使用相机在同一位置拍摄全景图。将两张图像重合后，可以明显看出图片中存在若干个强信号区域。将这些区域与实际信号源所在位置进行比对，可以看出强信号区域与实际位置的路由器区域相符。

通过本次测试，系统的各方面功能均运行良好，其主要表现在：

1.扫描精度：由于本项目在设计了高精度定向天线的同时采用了减速步进电机进行方向控制，扫描角度为（180°，90°）时最大可实现$1370*685$分辨率；快速扫描可以实现$300*150$分辨率，由于Wi-Fi信号波长较长，快速扫描模式即可完全满足一般应用场景下的要求

2.测量精度：经过数学计算可知，该天线的增益大约为15dB。在实际使用中，最终输出可以的信号强度级数可以达到50级以上

3.每次成像时间：在快速扫描模式下，每秒可以扫描20-50个数据点，基本可以实现在20分钟内输出一张图片

4. 结论与展望

本研究对目前在Wi-Fi等无线通信领域中存在的问题进行研究，设计了一个基于GNURadio的Wi-Fi信号成像装置，使用定向天线对不同方向上信号强度进行测量，实现了对空间内Wi-Fi信号强度的成像。
本项目中设计的Wi-Fi信号强度成像装置具有以下主要特性：

1. 可以直接输出信号强度的空间分布图，现象直观
2. 控制精度高，云台部分最大分辨率可以达到$1370*685$
3. 成像较快，测量开始后20分钟即可输出图像

通过多次测试，该设备可以直观地找到房间内由于障碍物遮挡而产生的信号盲区。将扫描出的强度图像与在同一位置的照片重合，可以明显看出路由器所在位置的信号强度强于周围环境。成像速度、精度均较为理想，在几次测试中，发现设备的成像甚至可以确定隔壁房间的路由器的位置。

本项目中以2.4GHz Wi-Fi为对象设计信号采集天线，测试系统的可靠性。在对装置的天线尺寸进行简单改装后，更改软件无线电参数即可将该装置的测量频段改为其他频段，可以应用于5G-Wi-Fi及最新的第五代通信技术（5G）等信号强度的测量。

参考文献

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