倪永智

（大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)消防救援大隊(duì) 遼寧省大連市 116602）

1 引言

近年來隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市建筑愈加密集化、復(fù)雜化、立體化，出現(xiàn)了越來越多的高層、超高層、大型綜合體、大型地下空間等建筑群。此類建筑材質(zhì)一般均為鋼混結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜對(duì)無線信號(hào)的衰減、吸收非常大，室外移動(dòng)信號(hào)無法完全覆蓋建筑內(nèi)部，建筑內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，極易出現(xiàn)斷網(wǎng)、斷電等情況，這給消防應(yīng)急救援人員建筑內(nèi)通信保障造成了極大挑戰(zhàn)。

為了解決建筑物內(nèi)應(yīng)急通信保障的難題，近年來消防救援隊(duì)伍將無中心自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場的無線通信保障方面，并取得了良好的通信效果。無中心自組網(wǎng)技術(shù)（也叫做mesh network 或者ad hoc network），是一種以所有節(jié)點(diǎn)“平等、獨(dú)立”為原則的組網(wǎng)技術(shù)。節(jié)點(diǎn)之間不存在依賴關(guān)系，相互之間通過協(xié)商來進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。由于其易于布放，能夠自組織、自恢復(fù)，可以通過多跳組成非視距下無線寬窄帶傳輸鏈路，當(dāng)前已成為搭建復(fù)雜環(huán)境下無線通信鏈路的主要解決方案。

但是，市場上現(xiàn)有自組網(wǎng)通信產(chǎn)品種類繁多，各廠商產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、射頻參數(shù)、天線性能、協(xié)議、接口均不一致，消防救援領(lǐng)域內(nèi)也尚未出臺(tái)統(tǒng)一的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來要求自組網(wǎng)設(shè)備的性能和業(yè)務(wù)測試方法，用于評(píng)價(jià)自組網(wǎng)設(shè)備的性能優(yōu)劣。而自組網(wǎng)設(shè)備性能中多跳后網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬和傳輸時(shí)延是評(píng)價(jià)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能極為關(guān)鍵的指標(biāo)，由于自組網(wǎng)設(shè)備間在組網(wǎng)過程中設(shè)備間互為中繼，從而能夠形成多條鏈路用于數(shù)據(jù)的傳輸，這也是自組網(wǎng)設(shè)備的優(yōu)勢，但這種優(yōu)勢在實(shí)際測試中又成為“多跳”測試的障礙，實(shí)際測試中無法模擬出“鏈狀”、“多跳”的網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)；同時(shí)市場上現(xiàn)有的自組網(wǎng)設(shè)備的頻率、功率、接口、天線增益等參數(shù)都不一樣，如何拋開這些不同參數(shù)而直接評(píng)價(jià)自組網(wǎng)設(shè)備的組網(wǎng)性能也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

目前，評(píng)價(jià)自組網(wǎng)設(shè)備的業(yè)務(wù)性能一般采用在真實(shí)環(huán)境中實(shí)測業(yè)務(wù)的方式，如測試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)備間極限通信距離、帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、響應(yīng)時(shí)間、誤碼等指標(biāo)，測試多跳（2 跳、3 跳、4 跳…N 跳）下首臺(tái)設(shè)備在單組網(wǎng)（鏈狀）鏈路下和最后一臺(tái)設(shè)備間通信鏈路的帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、響應(yīng)時(shí)間、誤碼等參數(shù)。現(xiàn)有的多跳下自組網(wǎng)鏈路業(yè)務(wù)指標(biāo)測試方法存在如下弊端：

（1）由于自組網(wǎng)設(shè)備的高度自組織、自恢復(fù)特點(diǎn)，多臺(tái)設(shè)備容易互聯(lián)互通形成網(wǎng)狀或其他復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，組建鏈狀拓?fù)漭^為困難，需要多人協(xié)同配合，依托距離或遮擋搭建鏈狀拓?fù)洹?/p>

（2）即便已經(jīng)組成了鏈狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，? 臺(tái)設(shè)備3 跳為例，在無遮擋空曠環(huán)境中測試，首臺(tái)設(shè)備和最后一臺(tái)設(shè)備間距一般能達(dá)到5 公里以上，在有遮擋的環(huán)境中如高層空間、大型綜合體內(nèi)測試，依靠建筑物的遮擋通信距離會(huì)拉近一些。采用上述兩種方法進(jìn)行組網(wǎng)測試，由于距離和環(huán)境遮擋對(duì)無線信號(hào)的衰減、吸收、折射、反射、干擾等客觀因素，會(huì)極大的影響設(shè)備的通信性能，帶來諸多不確定因素，從而無法客觀的測試出設(shè)備最真實(shí)的業(yè)務(wù)性能指標(biāo)。

（3）不同廠商間設(shè)備功率、頻率、接口、天線性能均不一致，如果以上述測試方法獲取的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)備間比對(duì)，也缺少嚴(yán)謹(jǐn)性。

通過上述分析可以看出，目前自組網(wǎng)測試領(lǐng)域還缺少高效、合理的平臺(tái)和方法來測試及評(píng)估自組網(wǎng)設(shè)備多跳鏈路的性能，傳統(tǒng)的測試方法一是需要投入較多的人力、物力到測試中，會(huì)花費(fèi)較大的時(shí)間來搭建鏈狀組網(wǎng)鏈路，二是極易受到外界環(huán)境因素的影響，造成測試結(jié)果的不準(zhǔn)確、不合理。

2 平臺(tái)組成

為了解決上述難題，文中設(shè)計(jì)出了一種基于無源器件的多跳自組網(wǎng)設(shè)備級(jí)聯(lián)測試裝置，現(xiàn)有的多跳自組網(wǎng)業(yè)務(wù)性能測試一般在室外或復(fù)雜建筑內(nèi)進(jìn)行，需要多人協(xié)同配合，且鏈狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬煞浅＠щy，多臺(tái)設(shè)備間容易組成網(wǎng)狀或其他復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)，為多跳下設(shè)備業(yè)務(wù)性能測試帶來極大的困難，同時(shí)也易于受到環(huán)境和外界其他噪聲干擾和無線信號(hào)干擾。本裝置可促使多臺(tái)自組網(wǎng)設(shè)備鏈狀組網(wǎng)更為簡單、易于實(shí)現(xiàn)、減少外界環(huán)境對(duì)設(shè)備的干擾，測試出最真實(shí)、準(zhǔn)確的多跳自組網(wǎng)設(shè)備業(yè)務(wù)性能，可以更為客觀的對(duì)自組網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行評(píng)判。

與傳統(tǒng)測試方式相比本平臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）多臺(tái)自組網(wǎng)設(shè)備通過本裝置級(jí)聯(lián)后即可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)組成N 跳自組網(wǎng)鏈狀通信鏈路，僅需一名人員即可完成測試環(huán)境搭建和性能測試操作；

（2）本裝置具備屏蔽結(jié)構(gòu)可屏蔽不同頻段的無線干擾及噪聲信號(hào)，排除測試過程外界無線信號(hào)和噪聲對(duì)設(shè)備的干擾，使測試結(jié)果更為精準(zhǔn)。

（3）可降低天線、設(shè)備功率對(duì)測試結(jié)果的影響，可對(duì)不同廠商的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。

（4）搭配信道仿真模塊及噪聲模塊，可以模擬測試設(shè)備在不同場景、信道、干擾源下的通信性能指標(biāo)，對(duì)于設(shè)備的研發(fā)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用有很大的幫助。

2.1 測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)由若干個(gè)被測試自組網(wǎng)設(shè)備、信號(hào)屏蔽子模塊、信號(hào)級(jí)聯(lián)子模塊、信道仿真子模塊、測量子模塊組成。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1：測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

被測試自組網(wǎng)設(shè)備具有2 路射頻輸出接口，用于配接不同類型天線，2 路天線用于無線信號(hào)的發(fā)送和接；2 路射頻輸出接口類型不定，如射頻輸出接口不是N 型口，需配備2 個(gè)轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換為N型口；被測試自組網(wǎng)設(shè)備可固定放置在信道屏蔽子模塊中，通過2路射頻接口連接負(fù)載和衰減器后，連接信道屏蔽子模塊內(nèi)2 路N 型射頻接口，將無線信號(hào)通過2 路N 型射頻接口進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收。

信道屏蔽子模塊為具備射頻微波屏蔽功能的箱體，用于放置1個(gè)被測試自組網(wǎng)設(shè)備，能夠屏蔽外界其他信號(hào)和噪聲的干擾，且能夠屏蔽箱體內(nèi)自組網(wǎng)設(shè)備無線信號(hào)的溢出；模塊集成了1 塊負(fù)載，負(fù)載可選配，根據(jù)被測試自組網(wǎng)設(shè)備發(fā)射功率的不同選擇不同型號(hào)的負(fù)載；模塊集成了2 路衰減器，衰減器可選配，根據(jù)被測試自組網(wǎng)設(shè)備發(fā)射功率的不同選擇不同型號(hào)的衰減器；模塊具有2 路N 型射頻接口和1 路RJ45 網(wǎng)絡(luò)輸出接口；2 路N 型射頻接口連接信道仿真模塊；1 路RJ45 接口連接測試筆記本。

鏈路級(jí)聯(lián)子模由雙臂電橋（3dB）和射頻線纜構(gòu)成，雙臂電橋固定在屏蔽箱體內(nèi)，箱體能夠屏蔽外界其他信號(hào)和噪聲的干擾，且能夠屏蔽箱體內(nèi)自組網(wǎng)設(shè)備無線信號(hào)的溢出，將被測自組網(wǎng)設(shè)備的無線信號(hào)轉(zhuǎn)化到有線鏈路上進(jìn)行定制傳輸；模塊具備2 路輸入N 型口和2 路輸出N 型口，內(nèi)部線纜連接雙臂電橋和N 型輸入輸出接口。

測量子模塊由IxChariot 服務(wù)端和IxChariot 客戶端構(gòu)成，IxChariot 服務(wù)端和客戶端通過網(wǎng)絡(luò)線纜接入信道屏蔽子模塊RJ45接口，IxChariot 客戶端定制IP 地址和4 傳輸進(jìn)程，向IxChariot 服務(wù)端發(fā)送500Mb 字節(jié)數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃矔r(shí)速率、平均速率、瞬時(shí)帶寬、平均帶寬、瞬時(shí)延時(shí)、平均延時(shí)和數(shù)據(jù)誤碼率等等數(shù)據(jù)。

2.2 測試平臺(tái)搭建

為了確保系統(tǒng)的隔離效果電橋優(yōu)先選擇三階互調(diào)≤-140dBc，駐波比≤1.3 的器件。所配置的信號(hào)屏蔽子模塊和鏈路級(jí)聯(lián)子模塊數(shù)量根據(jù)實(shí)際測試的路由跳數(shù)進(jìn)行配置，首臺(tái)和末臺(tái)信號(hào)屏蔽子模塊內(nèi)需要配置1 臺(tái)待測自組網(wǎng)設(shè)備、1 個(gè)負(fù)載、1 個(gè)電橋和1 組衰減器，其他中間信號(hào)屏蔽子模塊內(nèi)配置1 臺(tái)待測自組網(wǎng)設(shè)備、1 個(gè)電橋和1 組衰減器，為了保障設(shè)備間的隔離度，避免產(chǎn)生相鄰設(shè)備的鏈路級(jí)聯(lián)，衰減器衰減值取值≥50dBm，所有端口使用射頻線纜進(jìn)行連接。現(xiàn)有的寬帶自組網(wǎng)設(shè)備常用頻段包括600MHz、1.4GHz、1.8GHz、2.4GHz 等，因此本測試裝置需要支持500M-2.6GHz 頻段，現(xiàn)有的無源器件支持頻段包括350-1000MHz，800-2700MHz，因此本裝置需要準(zhǔn)備支持上述頻段的2 套鏈路級(jí)聯(lián)子模塊。本平臺(tái)支持在任意相鄰的2 臺(tái)屏蔽子模塊間插入信道仿子模塊，測試自組網(wǎng)設(shè)備在不同信道及干擾情況下性能指標(biāo)，無源器件指標(biāo)及數(shù)量選擇可參見表1。

表1：測試平臺(tái)無源器件指標(biāo)及數(shù)量配置

待測自組網(wǎng)設(shè)備全部開機(jī)后，由于自組網(wǎng)設(shè)備發(fā)射端未連接天線，只連接了射頻線纜和無源器件，因此射頻信號(hào)通過射頻線纜從設(shè)備各端口完成收發(fā)工作，由于電橋具備對(duì)射頻信號(hào)的隔離特性，因此射頻信號(hào)只能到達(dá)相鄰設(shè)備，無法與其他非相鄰設(shè)備聯(lián)通。設(shè)備開機(jī)后可通過查看網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的方式檢查鏈狀鏈路是否組網(wǎng)成功。

2.3 信號(hào)屏蔽子模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號(hào)屏蔽子模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)市場大部分自組網(wǎng)設(shè)備的尺寸，設(shè)計(jì)本模塊的尺寸約為500mm*500mm*200mm，模塊采用鑄鋁材質(zhì)，對(duì)信號(hào)的實(shí)際屏蔽效果約90dB 以上，模塊箱體外預(yù)留2 個(gè)N 型射頻接口，1 個(gè)RJ45 接口和1 個(gè)可拆卸預(yù)留接口。

圖2：信號(hào)屏蔽子模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 平臺(tái)測試流程

流程圖如圖3所示。

圖3

第一步，開始；

第二步，確定被測自組網(wǎng)設(shè)備的使用頻段，選擇頻率、功率匹配的鏈路級(jí)聯(lián)子模塊；

第三步，將被測設(shè)備放入信號(hào)屏蔽子模塊內(nèi)，使用鏈路級(jí)聯(lián)子模塊連接好各個(gè)自組網(wǎng)設(shè)備以及信號(hào)屏蔽子模塊；

第四步，被測設(shè)備上電開機(jī)，關(guān)好信號(hào)屏蔽子模塊，測量子模塊連接好首臺(tái)和末臺(tái)信號(hào)屏蔽子模塊網(wǎng)口；

第五步，登錄設(shè)備查看鏈狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠窠M網(wǎng)成功，如果未成功檢查原因，直到組網(wǎng)成功為止；

第六步，開始測試設(shè)備業(yè)務(wù)性能，形成記錄；

第七步，結(jié)束。

2.5 設(shè)備接收信號(hào)場強(qiáng)

為了確保設(shè)備接收信號(hào)場強(qiáng)在合理范圍內(nèi)，設(shè)備的接收?qǐng)鰪?qiáng)Rx、設(shè)備發(fā)射功率P、衰減器衰減值Ls、無源器件插入損耗值Lw、線纜損耗值Lx，需滿足如下關(guān)系：

即：-55dBm ≤Rx= P-Ls-Lw-Lx ≤-75dBm

此強(qiáng)度范圍可以保障設(shè)備接收信號(hào)、信噪比在合理范圍內(nèi)，對(duì)相鄰設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生干擾，可以保證測試出更為真實(shí)準(zhǔn)確的業(yè)務(wù)性能指標(biāo)。

3 結(jié)論

應(yīng)急管理部正在規(guī)劃建設(shè)“戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)”，用來滿足現(xiàn)場應(yīng)急通信、指揮控制、救援裝備、現(xiàn)場感知等信息的綜合傳輸與交換的需要，未來應(yīng)急通信保障核心將由后方指揮中心向前方指揮部轉(zhuǎn)移，現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)能力需要大幅增強(qiáng)，寬帶自組網(wǎng)設(shè)備的綜合性能對(duì)應(yīng)急救援現(xiàn)場的重要性也越來越高，因此，準(zhǔn)確、客觀、有效的評(píng)價(jià)出多跳自組網(wǎng)的整體性能，顯得越發(fā)重要。本文以業(yè)務(wù)應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了基于無源器件的多跳自組網(wǎng)設(shè)備級(jí)聯(lián)測試平臺(tái)，并對(duì)測試平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，未來我們計(jì)劃在現(xiàn)有平臺(tái)功能的基礎(chǔ)上，增加針對(duì)多跳無網(wǎng)絡(luò)射頻性能的測試模塊，以便更為全面的評(píng)價(jià)多跳自組網(wǎng)的整體性能。