摘要：隨著我國(guó)信息技術(shù)的快速發(fā)展，LTE 4G專網(wǎng)在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。專網(wǎng)通信以高速、穩(wěn)定、安全的特點(diǎn)，為行業(yè)用戶提供了高效的無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)服務(wù)。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，部分業(yè)務(wù)終端出現(xiàn)了接入異常的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了專網(wǎng)的正常運(yùn)行和用戶體驗(yàn)。本文針對(duì)LTE4G專網(wǎng)中業(yè)務(wù)終端接入異常的案例進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)理論計(jì)算評(píng)估和實(shí)際測(cè)試，定位了故障原因，提出了切實(shí)可行的解決方法，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了結(jié)論的正確性，為后續(xù)設(shè)備改進(jìn)提供了有效的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：信號(hào)覆蓋；發(fā)射功率；靈敏度；駐波比

一、引言

LTE4G專網(wǎng)是柵格化信息網(wǎng)重要的無(wú)線接入手段，具備無(wú)線組網(wǎng)、快速接入、移動(dòng)通信、高傳輸速率和全I(xiàn)P架構(gòu)等特點(diǎn)，為行業(yè)用戶提供無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)服務(wù)，滿足了話音、短信、IP數(shù)據(jù)、圖片和視頻等傳輸需要。其典型應(yīng)用場(chǎng)景涉及移動(dòng)終端采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)上傳至基站，基站再將匯集的信息經(jīng)骨干鏈路傳輸至指揮中心，進(jìn)行分析處理。

在某次應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)存在2型改造的移動(dòng)終端上線狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。具體表現(xiàn)為，在近距離靜態(tài)測(cè)試時(shí)，多數(shù)終端能保持接入狀態(tài)。但在移動(dòng)應(yīng)用過(guò)程中，這些終端會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模掉線的現(xiàn)象，無(wú)法保持有效工作，且大部分掉線后的終端難以重新連接。然而，同網(wǎng)系內(nèi)的其他2型固定使用的終端接入正常，上線率非常高，且在線狀態(tài)較為穩(wěn)定。

二、問(wèn)題分析與驗(yàn)證

LTE4G專網(wǎng)系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)、基站和業(yè)務(wù)終端等關(guān)鍵部分組成。在系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，各業(yè)務(wù)終端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)4G無(wú)線信號(hào)將數(shù)據(jù)信息回傳至基站。隨后，基站將所有接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至指揮中心，通過(guò)軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息的顯示、分析與評(píng)估。從系統(tǒng)的工作原理來(lái)看，要重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)可能導(dǎo)致異常故障的關(guān)鍵因素：基站4G信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，以及終端的上行接入與數(shù)據(jù)傳輸能力，二者相輔相成，缺一不可。因此，針對(duì)該應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，主要從基站信號(hào)覆蓋和終端上行接入兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)分析與驗(yàn)證。

（一）信號(hào)覆蓋的仿真與實(shí)測(cè)

在LTE4G專網(wǎng)系統(tǒng)中，無(wú)線鏈路的性能分析可分為下行和上行兩個(gè)方面的計(jì)算。下行鏈路計(jì)算主要聚焦于基站向終端傳輸時(shí)產(chǎn)生的自由空間損耗，以及終端接收到的電平值；而上行鏈路計(jì)算則側(cè)重于終端向基站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的自由空間損耗，以及基站接收到的電平值。

1.自由空間損耗計(jì)算過(guò)程

自由空間衰耗是指電磁波在傳輸路徑中的衰落，計(jì)算公式如下：

Lbf=Lfs+20lgF+20lgD

其中，Lbf為自由空間損耗（dB），Lfs為地形非規(guī)則性造成的中值傳輸衰落（dB），D為兩站之間距離（km），F(xiàn)為頻率（MHz）。

公式中，Lfs數(shù)值的計(jì)算依賴于Longley-Rice模型，該模型也被稱為不規(guī)則地面模型（ITM）。它主要用于預(yù)測(cè)電磁波在自由空間中由地形非規(guī)則性造成的傳輸衰落。Longley-Rice模型適用于頻段為20 MHz～40 GHz、路徑長(zhǎng)度為1～2 000 km的傳輸場(chǎng)景。對(duì)于給定的傳輸路徑，就要通過(guò)頻率、極化方向、表面繞射率、路徑長(zhǎng)度、天線高度、地面導(dǎo)電常數(shù)和地面有效半徑等參數(shù)，來(lái)確定傳輸損耗的大小。

2.接收電平強(qiáng)度的計(jì)算過(guò)程

接收電平強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

RSS=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf

其中，RSS為接收信號(hào)強(qiáng)度（dBm），Pt為發(fā)射功率（dBm），Gr為接收天線增益（dBi），Gt為發(fā)射天線增益（dBi），Lc為電纜和接頭的衰耗（dB），Lbf為自由空間損耗（dB）。

3.計(jì)算結(jié)果

在任務(wù)中，基站天線采用5 dBi增益全向天線，架高15 m左右，發(fā)射功率45 dBm；終端天線采用鞭狀無(wú)增益天線，天線架高1.5 m，發(fā)射功率27 dBm，基站與終端之間地域地貌特征相對(duì)開(kāi)闊，無(wú)叢林灌木，在視距范圍內(nèi)無(wú)遮擋。通過(guò)以上公式計(jì)算結(jié)果可得到：

（1）基站4G信號(hào)覆蓋：在5 km半徑邊緣處，4G信號(hào)強(qiáng)度約為79.92 dBm，與小終端接入靈敏度95相比，仍有較大富余量。

（2）移動(dòng)終端4G信號(hào)：在3 km半徑邊緣處4G信號(hào)強(qiáng)度約為90.05 dBm，與基站接收靈敏度95相比，也有一定富余。

4.實(shí)測(cè)結(jié)果

在以上理論計(jì)算的同時(shí)，在現(xiàn)地同步進(jìn)行了基站信號(hào)覆蓋的打點(diǎn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，基站信號(hào)覆蓋滿足試驗(yàn)條件?；静捎昧? dBi增益的全向天線，架高15m左右，發(fā)射功率45 dBm，在5 km半徑內(nèi)的信號(hào)覆蓋指標(biāo)均為優(yōu)良。

以上理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試充分說(shuō)明，通過(guò)合理規(guī)劃基站數(shù)量和布局，基站周邊3 km范圍內(nèi)的4G信號(hào)覆蓋強(qiáng)度可以滿足任務(wù)保障需求，各型業(yè)務(wù)終端均能正常接入基站，并實(shí)時(shí)傳輸采集數(shù)據(jù)。且在實(shí)際使用中，其他2型固定使用的終端均能正常接入，并保持穩(wěn)定工作狀態(tài)，進(jìn)一步證明系統(tǒng)的4G信號(hào)覆蓋是正常的，并不是引發(fā)2型業(yè)務(wù)終端無(wú)法正常工作的原因。

（二）終端接入的測(cè)試與驗(yàn)證

排除了基站信號(hào)覆蓋的問(wèn)題后，將分析重點(diǎn)放在業(yè)務(wù)終端接入上。各類型業(yè)務(wù)終端的組成單元基本相同，包含業(yè)務(wù)功能模塊、通信模塊、天線三大部分。按照模塊功能劃分，分別對(duì)業(yè)務(wù)終端進(jìn)行了通信模塊發(fā)射功率與接收靈敏度測(cè)試、天線駐波比測(cè)試和終端業(yè)務(wù)接入測(cè)試及驗(yàn)證。

1.發(fā)射功率與靈敏度測(cè)試

發(fā)射功率是無(wú)線電設(shè)備的通用評(píng)價(jià)指標(biāo)，其增大與無(wú)線電信號(hào)覆蓋范圍是成正比的。靈敏度的概念就是無(wú)線電設(shè)備的響應(yīng)能力，即信號(hào)在劣化到某種程度下依然能被設(shè)備所捕獲。這二者不是獨(dú)立的，而是互相關(guān)聯(lián)的。理論上，如果發(fā)射功率足夠大且沒(méi)有傳播限制，無(wú)線電可以具有非常遠(yuǎn)的發(fā)射距離。只是隨著距離的增大，單位面積的功率（或場(chǎng)強(qiáng)）在減小。這是只要接收器足夠靈敏，依然能夠收到信號(hào)。顯然，發(fā)射功率和靈敏度決定了基站與終端的互聯(lián)互通能力。

接下來(lái)，對(duì)接入異常的業(yè)務(wù)終端進(jìn)行抽樣選取，選擇2部A型終端和2部B型終端進(jìn)行發(fā)射功率測(cè)試和接收靈敏度測(cè)試。測(cè)試方法是直接將終端天線座與綜合測(cè)試儀通過(guò)饋線進(jìn)行互聯(lián)（不連接天線），測(cè)試結(jié)果各終端發(fā)射功率在27 dB左右，接收靈敏度在95左右。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，各業(yè)務(wù)終端發(fā)射功率與接收靈敏度均正常。由此說(shuō)明，業(yè)務(wù)終端通信模塊的工作是正常的。

2.天線駐波比對(duì)比測(cè)試

在無(wú)線電通信中，如果天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)射機(jī)的阻抗不匹配，高頻能量就會(huì)產(chǎn)生反射折回，并與前進(jìn)的部分干擾匯合，發(fā)生駐波。為了表征和測(cè)量天線系統(tǒng)中的駐波特性，也就是天線中正向波與反射波的情況，引入了駐波比的概念。當(dāng)輸入與輸出相等時(shí)，駐波比為1，即認(rèn)為達(dá)到完全匹配，這是一種理想情況。在實(shí)際應(yīng)用中，駐波比較優(yōu)良的情況應(yīng)該是在2值以下。

對(duì)接入異常的2部A型終端和2部B型終端進(jìn)行專業(yè)的整機(jī)天線測(cè)試。測(cè)試方法是從發(fā)射模塊上引出一條饋線與測(cè)試儀連接，同時(shí)將整機(jī)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，以評(píng)估天線的駐波比指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果顯示，A型終端頻率漂移嚴(yán)重，被測(cè)頻率段的駐波比在7以上。通過(guò)逐一排查影響駐波比參數(shù)的幾個(gè)要素，并對(duì)A型終端內(nèi)部模塊進(jìn)行微調(diào)，將內(nèi)部連接線均更換為屏蔽線，并增加天線與主板共地連接線后，再次測(cè)試顯示性能有了顯著提升。同時(shí)，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)B型終端頻率偏移并不嚴(yán)重。分析表明，B型終端采用金屬殼體，接地較好，因此測(cè)量得到的指標(biāo)基本保持在正常范圍內(nèi)。

此外，所有業(yè)務(wù)終端中均在主機(jī)與天線之間加裝了天線轉(zhuǎn)接頭。該轉(zhuǎn)接頭加裝后，理論上等同于天線的一部分，因此改變了原有天線的完整結(jié)構(gòu)，對(duì)駐波比也造成了一定的影響。在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，去掉天線轉(zhuǎn)接頭后，測(cè)試指標(biāo)較去掉前結(jié)果仍有好轉(zhuǎn)。

被測(cè)樣機(jī)改造前后的駐波比測(cè)試截圖，如圖1所示。

被測(cè)樣機(jī)改造前后的駐波比測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 樣品整機(jī)駐波比測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

終端號(hào) 頻率F1 頻率F2

改造前 改造后 改造前 改造后

A型終端 7 1.5 3 2

A型終端 10 2 9 3

B型終端 4 3 7 2

B型終端 4 2 6 3

根據(jù)駐波比與反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，駐波比為2時(shí)，反射率值為11.11%；駐波比為10時(shí)，反射率值為66.94%。由此說(shuō)明，在接地改造前，大多數(shù)終端實(shí)際發(fā)射的無(wú)線信號(hào)約占1/3，導(dǎo)致在與基站距離較近時(shí)，勉強(qiáng)可以互通；而拉遠(yuǎn)距離后，信號(hào)衰減或進(jìn)入車體后受到屏蔽，造成信號(hào)接收值無(wú)法達(dá)到終端靈敏度的要求，從而使終端大規(guī)模掉線。以上實(shí)際檢測(cè)結(jié)果充分說(shuō)明，被測(cè)終端的天饋系統(tǒng)未能充分發(fā)揮其應(yīng)有效能。

3.拉距測(cè)試

在完成以上兩項(xiàng)測(cè)試后，對(duì)改進(jìn)后的2部A型終端和2部B型終端進(jìn)行3 km的拉鋸測(cè)試，以驗(yàn)證其業(yè)務(wù)傳輸性能。測(cè)試結(jié)果表明：A型終端接入正常，并能在移動(dòng)應(yīng)用過(guò)程中始終保持在線，未發(fā)生掉線的情況；B型終端接入正常，Ping包無(wú)丟失，視頻及語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)正常。

為了更全面地評(píng)估，該項(xiàng)測(cè)試還使用了其他2型固定終端進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。該對(duì)比終端在2km～3 km距離段的表現(xiàn)略優(yōu)于被測(cè)業(yè)務(wù)終端。在其他條件基本一致的情況下，該項(xiàng)測(cè)試更加驗(yàn)證了，天饋系統(tǒng)駐波比不佳是導(dǎo)致終端在線狀態(tài)不穩(wěn)定的主要原因。

三、結(jié)束語(yǔ)

天線的駐波比是衡量天線系統(tǒng)匹配度的重要指標(biāo)，其直接影響著電磁波信號(hào)的傳輸效果和通信質(zhì)量。合適的駐波比范圍通常在1～2，過(guò)低或過(guò)高的駐波比都會(huì)影響傳輸效果。通過(guò)以上測(cè)試與驗(yàn)證的綜合分析，基本定位了業(yè)務(wù)終端的故障原因。

為了提升終端在線的穩(wěn)定性和可靠性，可以進(jìn)行以下幾個(gè)方面的優(yōu)化升級(jí)：一是提升終端通信模塊發(fā)射效率，方法為更換天線底座，去掉轉(zhuǎn)接頭，做好天線接地，調(diào)整射頻跳線的長(zhǎng)度或使用阻抗匹配器等手段，使其駐波比能在現(xiàn)有條件下效能達(dá)到最大化；二是考慮進(jìn)一步提升天線發(fā)射增益，方法為選擇合適的天線類型和尺寸，確保天線具有良好的頻率響應(yīng)和駐波比；三是優(yōu)化天饋系統(tǒng)安裝環(huán)境，調(diào)整天線安裝位置，避免金屬障礙物和干擾源的影響，減小信號(hào)反射和多徑效應(yīng)。此外，還要注重對(duì)設(shè)備的定期維護(hù)保養(yǎng)?？梢允褂脦в旭v波比測(cè)試的頻譜儀等工具，定期對(duì)業(yè)務(wù)終端進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，確保其各模塊功能保持正常狀態(tài)。

業(yè)務(wù)終端上線率的制約因素很多，本文僅從關(guān)鍵技術(shù)角度進(jìn)行了分析，其他諸如人為原因、使用環(huán)境因素、氣象條件以及設(shè)備本身設(shè)計(jì)等方面均有影響，需要在應(yīng)用過(guò)程中積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)加以優(yōu)化改進(jìn)。

作者單位：魚亞偉 王小雨 王艷 中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心

參考文獻(xiàn)

[1][美]Theodore S. Rappaport.《無(wú)線通信原理與應(yīng)用》第二版[M].周文安，付秀花，王志輝，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]程航，曹璽元，張歡.4G移動(dòng)通信技術(shù)的軍事應(yīng)用分析[J].數(shù)字通信世界，2015，（09）：2.

[3]羅明新，?？〗?，周徽.4G移動(dòng)通信技術(shù)及其軍事應(yīng)用[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2014，5（02）：56-61.

[4]技象物聯(lián)網(wǎng)/行業(yè)百科/天線增益/2023.9.23