摘 要： 根據山區(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，并結合桂林市某山區(qū)通信系統(tǒng)無線信道的實地勘察設計，論證了方案的可行性和科學性。
關鍵詞： 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，山區(qū)通信顯得尤為重要，但山區(qū)人員稀少，地形復雜，考慮到鋪設條件和經濟成本等因素，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雜的問題，隨機衰落是其主要特點。因此，對山區(qū)無線信道進行勘察設計顯得尤為重要。目前計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測模型進行理論計算；利用地形地物特征進行仿真分析；運用場強儀進行電場強度現場測試等。所有這些方法中，運用場強儀測試電場強度是最直接的一種方法。
1 山區(qū)無線信道的特征
一個無線通信系統(tǒng)質量的好壞，在很大程度上取決于無線信道傳輸質量的好壞[1]。無線通信靠的是無線電波的傳播，由于山區(qū)山高林密，地形復雜，有高山阻擋，無線電波傳播環(huán)境復雜，在傳播時既可能有直射波，也可能產生大量的反射波、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衰落，使信號衰落起伏大，場強分布不均勻，甚至出現信號盲區(qū)。為了減小無線電波傳播損耗，保證無線通信的質量，確保無線電波發(fā)射的業(yè)務覆蓋服務區(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，因傳播環(huán)境不斷變化，電磁波在無線信道中傳播會存在多種傳播機制，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，在無線鏈路設計過程中，需要預留相當的衰落余量。
2 無線信道測試的方案
要做好山區(qū)通信系統(tǒng)無線信道的勘察設計，必需對無線傳輸的路徑損耗進行現場測試。
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)數傳電臺2臺、佛山市健博通電訊實業(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。
ND889A電臺工作在UHF頻段上，收發(fā)機均采用最先進的FET低噪聲放大電路，發(fā)射功率大，接收靈敏度高，數傳誤碼率低，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)射機和接收機使用的是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)射機把射頻信號由發(fā)射天線發(fā)射到空中，接收機通過接收天線接收到信號后，通過機內RSSI檢測器輸出相應的電壓值，再由電壓表測量并換算得到相應的接收信號電平，同時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)聽接收信號質量主觀評價；也可以用ND889數傳電臺自帶的接收信號強度指示來參考比較，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)。并假設路徑傳輸損耗為LM(dB)，則MS2711D實測接收信號功率LS為：
2.3.2 接收信號監(jiān)聽以及主觀評價
在給定測試環(huán)境下，監(jiān)聽接收機輸出音頻的語音質量，加以主觀評定，確定優(yōu)、良、中、差、劣5個等級，用以主觀評定通信質量的優(yōu)劣。主觀評定依據如表1所示。
2.3.3 接收信號強度測量
利用ND889A電臺自帶的接收信號強度指示(RSSI)可以作為通信質量的近似參考。RSSI以直流電壓方式輸出，接收信號強度在0 μV~500 μV變化時輸出直流電壓范圍約為0.5 V~2.5 V，強度與電壓近似關系如表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，測試數據可作為主要依據；接收信號強度測量較為粗糙，其結果具有一定參考價值；接收信號監(jiān)聽以及主觀評價更為粗糙，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)聽以及主觀評價和接收信號強度測量，通過多種手段測量信道的通信質量，從主觀和客觀兩個方面評價信道性能。
3 工程應用實例及分析
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[4]如表3所示。
3.2 通信站點的初選
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據傳輸需要，站址的選擇對網絡覆蓋范圍的作用非常大[5]?？紤]到庫區(qū)的地形以及站點分布，該系統(tǒng)必須采用無線中繼方式，才能實現有效覆蓋。中繼站選擇距離市區(qū)較近海拔900 m的一個山頂，建站條件好，便于維護，天線高度達8 m。從經濟情況出發(fā)遙測站盡可能利用現有建筑物，因此選擇在現有的觀測站附近，地勢較高，通信方向無障礙物阻擋，維護方便。
3.3 數據分析
某通信站到中繼站接收信號強度采用MS2711D頻譜儀測試的數據如圖2所示。
由圖2可知，實測的接收信號功率LS=-90.04 dBm，則其傳輸損耗可由式(2)計算如下：
3.4 無線鏈路設計與分析
3.4.1 設計考慮
在數傳電臺選定的情況下，站點選址與天線配置必須考慮數傳系統(tǒng)對通信鏈路質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，而國家技術規(guī)范要求通信電路余量為5 dB，考慮到庫區(qū)地形復雜，通信條件惡劣，歷來信道衰落嚴重，因此必須增大設計余量。本設計方案對山地復雜和重要站址設計要求通信電路衰落儲備必須不低于10 dB，而一般條件站點通信電路衰落儲備不低于5 dB，接收信號強度必須大于105 dBm，以保證數據鏈路的通信成功率為98%以上，配合系統(tǒng)信道編碼技術，可保證全年全季節(jié)數據通信的暢通率達到99.9%。
3.4.2 鏈路設計與分析
發(fā)射機和接收機均采用日精ND889A專業(yè)數傳電臺，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。根據公式(1)，可計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的指標要求根據公式(3)，可計算出信道的衰落余量
3.4.3 現場工程驗證
根據上節(jié)站點選址、天線配置以及無線信道設計方案，進行現場工程驗證，所測試的接收信號強度數據如圖3所示。
由圖3可知：實測接收信號功率為-94.16 dBm，與鏈路設計結果基本相符。同時，通過接收信號監(jiān)聽以及主觀評價方法測試，語音質量達到優(yōu)質；通過接收信號強度測量方法測試，ND889電臺自帶的接收信號強度指示(RSSI)信號輸出為1.75 V，相當于接收信號電平30 μV?，F場測試結果表明，該設計完全滿足系統(tǒng)性能要求。
本文采用MS2711D頻譜儀，以測量路徑傳輸損耗技術為主，輔以接收信號質量監(jiān)聽和數傳電臺RSSI為參考，對山區(qū)無線信道現場的測量技術方案進行了分析和工程驗證，通過多種手段從主觀和客觀兩個方面評價無線信道的性能，完成了無線鏈路的設計分析與驗證工作。實踐表明，該技術簡單、方案可行、成果有效，具有一定的工程應用價值。
參考文獻
[1] 樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：65-84.
[2] 郭梯云，鄔國揚，李建東.移動通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006：94-132.
[3]安立公司.Spectrum Master MS2711D頻譜分析儀操作說明書.2003.
[4] 日精電子工業(yè)株式會社.日精230 MHz專業(yè)數傳電臺ND886A/ND889A用戶操作說明書.2004.
[5] 周成國，范玉山，趙修濤.基于GIS技術的沂蒙山區(qū)無線通信基站選址與網絡優(yōu)化[J].城市勘測，2005(6)：13-15.