摘 要： 根據(jù)山區(qū)無線信道特征，提出了無線信道測試的方案和基本測試方法，并結(jié)合桂林市某山區(qū)通信系統(tǒng)無線信道的實(shí)地勘察設(shè)計(jì)，論證了方案的可行性和科學(xué)性。
關(guān)鍵詞： 無線信道；信道測試；傳輸損耗
隨著山區(qū)旅游資源的開發(fā)以及村村通工程建設(shè)，山區(qū)通信顯得尤為重要，但山區(qū)人員稀少，地形復(fù)雜，考慮到鋪設(shè)條件和經(jīng)濟(jì)成本等因素，采用無線通信是解決山區(qū)通信難的一種有效的辦法。而無線通信也存在信道特征復(fù)雜的問題，隨機(jī)衰落是其主要特點(diǎn)。因此，對山區(qū)無線信道進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)顯得尤為重要。目前計(jì)算或測量路徑傳播損耗常用的方法主要有：利用電波傳播損耗預(yù)測模型進(jìn)行理論計(jì)算；利用地形地物特征進(jìn)行仿真分析；運(yùn)用場強(qiáng)儀進(jìn)行電場強(qiáng)度現(xiàn)場測試等。所有這些方法中，運(yùn)用場強(qiáng)儀測試電場強(qiáng)度是最直接的一種方法。
1 山區(qū)無線信道的特征
一個(gè)無線通信系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，在很大程度上取決于無線信道傳輸質(zhì)量的好壞[1]。無線通信靠的是無線電波的傳播，由于山區(qū)山高林密，地形復(fù)雜，有高山阻擋，無線電波傳播環(huán)境復(fù)雜，在傳播時(shí)既可能有直射波，也可能產(chǎn)生大量的反射波、折射波、散射波和繞射波等，將引起較大的傳輸損耗以及傳輸信號的隨機(jī)衰落，使信號衰落起伏大，場強(qiáng)分布不均勻，甚至出現(xiàn)信號盲區(qū)。為了減小無線電波傳播損耗，保證無線通信的質(zhì)量，確保無線電波發(fā)射的業(yè)務(wù)覆蓋服務(wù)區(qū)和電波傳播的可靠程度，在山區(qū)無線電波頻段一般采用甚高頻(VHF)，但因受頻譜資源限制，也采用超高頻(UHF)的低頻段。同時(shí)，因傳播環(huán)境不斷變化，電磁波在無線信道中傳播會(huì)存在多種傳播機(jī)制，這使得接收端信號的幅度、頻率和相位等均可能處于一種不斷變化、極不穩(wěn)定的狀態(tài)之中[2]。因此，在無線鏈路設(shè)計(jì)過程中，需要預(yù)留相當(dāng)?shù)乃ヂ溆嗔俊?
2 無線信道測試的方案
要做好山區(qū)通信系統(tǒng)無線信道的勘察設(shè)計(jì)，必需對無線傳輸?shù)穆窂綋p耗進(jìn)行現(xiàn)場測試。
2.1 測試工具選擇
采用日本安立公司MS2711D測試儀1臺、日本日精公司ND889A專業(yè)數(shù)傳電臺2臺、佛山市健博通電訊實(shí)業(yè)有限公司TQJ-230c全向天線及饋線等。
MS2711D測試儀是一款便攜式頻譜分析儀，具有工作頻段寬、靈敏度高、噪聲底電平低的特點(diǎn)。
ND889A電臺工作在UHF頻段上，收發(fā)機(jī)均采用最先進(jìn)的FET低噪聲放大電路，發(fā)射功率大，接收靈敏度高，數(shù)傳誤碼率低，帶有RSSI電平指示輸出。
2.2 測試方案示意圖
測試方案示意圖如圖1所示。
圖中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用的是ND889A電臺，ND889A電臺工作在228.6 MHz的頻段上，發(fā)射天線和接收天線采用TQJ-230c全向天線。發(fā)射機(jī)把射頻信號由發(fā)射天線發(fā)射到空中，接收機(jī)通過接收天線接收到信號后，通過機(jī)內(nèi)RSSI檢測器輸出相應(yīng)的電壓值，再由電壓表測量并換算得到相應(yīng)的接收信號電平，同時(shí)可以通過連接到接收天線上的MS2711D測試儀直接測出接收信號的強(qiáng)度。
2.3 基本測試方法
無線信道傳輸性能的測試方法很多，可以采用頻譜分析儀實(shí)測信號功率電平，客觀推算路徑傳輸損耗；可以監(jiān)聽接收信號質(zhì)量主觀評價(jià)；也可以用ND889數(shù)傳電臺自帶的接收信號強(qiáng)度指示來參考比較，全面測定無線信道的傳輸性能。
2.3.1 路徑傳輸損耗測量
假設(shè)發(fā)射功率為Pt(dBm)，發(fā)射天線增益為Gt(dB)，發(fā)射端天饋損耗為Lt(dB)，接收靈敏度為Sr(dBm)，接收天線增益為Gr(dB)，接收端天饋損耗為Lr(dB)。并假設(shè)路徑傳輸損耗為LM(dB)，則MS2711D實(shí)測接收信號功率LS為：
2.3.2 接收信號監(jiān)聽以及主觀評價(jià)
在給定測試環(huán)境下，監(jiān)聽接收機(jī)輸出音頻的語音質(zhì)量，加以主觀評定，確定優(yōu)、良、中、差、劣5個(gè)等級，用以主觀評定通信質(zhì)量的優(yōu)劣。主觀評定依據(jù)如表1所示。
2.3.3 接收信號強(qiáng)度測量
利用ND889A電臺自帶的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)可以作為通信質(zhì)量的近似參考。RSSI以直流電壓方式輸出，接收信號強(qiáng)度在0 μV~500 μV變化時(shí)輸出直流電壓范圍約為0.5 V~2.5 V，強(qiáng)度與電壓近似關(guān)系如表2所示，可用電壓表方便地測量。
2.3.4 測試方法分析
路徑傳輸損耗測量較為精確，測試數(shù)據(jù)可作為主要依據(jù)；接收信號強(qiáng)度測量較為粗糙，其結(jié)果具有一定參考價(jià)值；接收信號監(jiān)聽以及主觀評價(jià)更為粗糙，僅供對比和參考。因此，測試方案以路徑傳輸損耗測量為主，參考對照接收信號監(jiān)聽以及主觀評價(jià)和接收信號強(qiáng)度測量，通過多種手段測量信道的通信質(zhì)量，從主觀和客觀兩個(gè)方面評價(jià)信道性能。
3 工程應(yīng)用實(shí)例及分析
3.1 測試環(huán)境
桂林市某水庫總庫容約6億立方米。水庫流域呈扇形，流域內(nèi)河道狹窄，坡降陡，山高林密，植被茂盛，屬山區(qū)河流，河床坡降5‰。測試時(shí)間為中午，晴天氣候條件；采用全向天線，測試頻率228.6 MHz；測試儀采用日本安立MS2711D，工作頻段為0～3 GHz，噪聲底電平為-135 dBm[3]。日精ND889電臺和天線的參數(shù)[4]如表3所示。
3.2 通信站點(diǎn)的初選
對山區(qū)來說，選擇的通信站址既要能滿足觀測需要又要能滿足無線數(shù)據(jù)傳輸需要，站址的選擇對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的作用非常大[5]。考慮到庫區(qū)的地形以及站點(diǎn)分布，該系統(tǒng)必須采用無線中繼方式，才能實(shí)現(xiàn)有效覆蓋。中繼站選擇距離市區(qū)較近海拔900 m的一個(gè)山頂，建站條件好，便于維護(hù)，天線高度達(dá)8 m。從經(jīng)濟(jì)情況出發(fā)遙測站盡可能利用現(xiàn)有建筑物，因此選擇在現(xiàn)有的觀測站附近，地勢較高，通信方向無障礙物阻擋，維護(hù)方便。
3.3 數(shù)據(jù)分析
某通信站到中繼站接收信號強(qiáng)度采用MS2711D頻譜儀測試的數(shù)據(jù)如圖2所示。
由圖2可知，實(shí)測的接收信號功率LS=-90.04 dBm，則其傳輸損耗可由式(2)計(jì)算如下：
3.4 無線鏈路設(shè)計(jì)與分析
3.4.1 設(shè)計(jì)考慮
在數(shù)傳電臺選定的情況下，站點(diǎn)選址與天線配置必須考慮數(shù)傳系統(tǒng)對通信鏈路質(zhì)量的要求以及信道的衰落。系統(tǒng)總體方案中要求誤碼率優(yōu)于10-5@2 400 b/s，而國家技術(shù)規(guī)范要求通信電路余量為5 dB，考慮到庫區(qū)地形復(fù)雜，通信條件惡劣，歷來信道衰落嚴(yán)重，因此必須增大設(shè)計(jì)余量。本設(shè)計(jì)方案對山地復(fù)雜和重要站址設(shè)計(jì)要求通信電路衰落儲備必須不低于10 dB，而一般條件站點(diǎn)通信電路衰落儲備不低于5 dB，接收信號強(qiáng)度必須大于105 dBm，以保證數(shù)據(jù)鏈路的通信成功率為98%以上，配合系統(tǒng)信道編碼技術(shù)，可保證全年全季節(jié)數(shù)據(jù)通信的暢通率達(dá)到99.9%。
3.4.2 鏈路設(shè)計(jì)與分析
發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均采用日精ND889A專業(yè)數(shù)傳電臺，ND889A電臺工作在230 MHz的頻段上，發(fā)射天線采用6.5 dB的定向天線，接收天線采用8.5 dB的全向天線。根據(jù)公式(1)，可計(jì)算出接收端信號功率
可見，滿足通信誤碼率優(yōu)于10-5@2 400b/s的指標(biāo)要求根據(jù)公式(3)，可計(jì)算出信道的衰落余量
3.4.3 現(xiàn)場工程驗(yàn)證
根據(jù)上節(jié)站點(diǎn)選址、天線配置以及無線信道設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行現(xiàn)場工程驗(yàn)證，所測試的接收信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖3所示。
由圖3可知：實(shí)測接收信號功率為-94.16 dBm，與鏈路設(shè)計(jì)結(jié)果基本相符。同時(shí)，通過接收信號監(jiān)聽以及主觀評價(jià)方法測試，語音質(zhì)量達(dá)到優(yōu)質(zhì)；通過接收信號強(qiáng)度測量方法測試，ND889電臺自帶的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)信號輸出為1.75 V，相當(dāng)于接收信號電平30 μV?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全滿足系統(tǒng)性能要求。
本文采用MS2711D頻譜儀，以測量路徑傳輸損耗技術(shù)為主，輔以接收信號質(zhì)量監(jiān)聽和數(shù)傳電臺RSSI為參考，對山區(qū)無線信道現(xiàn)場的測量技術(shù)方案進(jìn)行了分析和工程驗(yàn)證，通過多種手段從主觀和客觀兩個(gè)方面評價(jià)無線信道的性能，完成了無線鏈路的設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證工作。實(shí)踐表明，該技術(shù)簡單、方案可行、成果有效，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
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