浅谈山区无线信道测量

　　信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。信道具有一定的频率带宽，正如公路有一定的宽度一样。

　　无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展快、应用广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。

　　1 山区无线信道的特征

　　一个无线通信系统质量的好坏，在很大程度上取决于无线信道传输质量的好坏[1]。无线通信靠的是无线电波的传播，由于山区山高林密，地形复杂，有高山阻挡，无线电波传播环境复杂，在传播时既可能有直射波，也可能产生大量的反射波、折射波、散射波和绕射波等，将引起较大的传输损耗以及传输信号的随机衰落，使信号衰落起伏大，场强分布不均匀，甚至出现信号盲区。无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。同时，因传播环境不断变化，电磁波在无线信道中传播会存在多种传播机制，这使得接收端信号的幅度、频率和相位等均可能处于一种不断变化、极不稳定的状态之中[2]。因此，在无线链路设计过程中，需要预留相当的衰落余量。

　　由于移动通信中移动台的移动性，如前所说那样，无线信道中还会有多普勒效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。

　　2 无线信道测试的方案

　　要做好山区通信系统无线信道的勘察设计，必需对无线传输的路径损耗进行现场测试。

　　2.1 测试工具选择

　　采用日本安立公司MS2711D测试仪1台、日本日精公司ND889A数传电台2台、佛山市健博通电讯实业有限公司TQJ-230c全向天线及馈线等。

　　MS2711D测试仪是一款便携式频谱分析仪，具有工作频段宽、灵敏度高、噪声底电平低的特点。

　　ND889A电台工作在UHF频段上，收发机均采用的FET低噪声放大电路，发射功率大，接收灵敏度高，数传误码率低，带有RSSI电平指示输出。

　　2.2 测试方案示意图

　　测试方案示意图如图1所示。

　　图中的发射机和接收机使用的是ND889A电台，ND889A电台工作在228.6 MHz的频段上，发射天线和接收天线采用TQJ-230c全向天线。发射机把射频信号由发射天线发射到空中，接收机通过接收天线接收到信号后，通过机内RSSI检测器输出相应的电压值，再由电压表测量并换算得到相应的接收信号电平，同时可以通过连接到接收天线上的MS2711D测试仪直接测出接收信号的强度。

　　2.3 基本测试方法

　　无线信道传输性能的测试方法很多，可以采用频谱分析仪实测信号功率电平，客观推算路径传输损耗；可以监听接收信号质量主观评价；也可以用ND889数传电台自带的接收信号强度指示来参考比较，全面测定无线信道的传输性能。

　　2.3.1 路径传输损耗测量

　　假设发射功率为Pt(dBm)，发射天线增益为Gt(dB)，发射端天馈损耗为Lt(dB)，接收灵敏度为Sr(dBm)，接收天线增益为Gr(dB)，接收端天馈损耗为Lr(dB)。并假设路径传输损耗为LM(dB)，则MS2711D实测接收信号功率LS为：

　　2.3.2 接收信号监听以及主观评价

　　在给定测试环境下，监听接收机输出音频的语音质量，加以主观评定，确定优、良、中、差、劣5个等级，用以主观评定通信质量的优劣。主观评定依据如表1所示。

　　2.3.3 接收信号强度测量

　　利用ND889A电台自带的接收信号强度指示(RSSI)可以作为通信质量的近似参考。RSSI以直流电压方式输出，接收信号强度在0 μV~500 μV变化时输出直流电压范围约为0.5 V~2.5 V，强度与电压近似关系如表2所示，可用电压表方便地测量。

　　2.3.4 测试方法分析

　　路径传输损耗测量较为，测试数据可作为主要依据；接收信号强度测量较为粗糙，其结果具有一定参考价值；接收信号监听以及主观评价更为粗糙，仅供对比和参考。因此，测试方案以路径传输损耗测量为主，参考对照接收信号监听以及主观评价和接收信号强度测量，通过多种手段测量信道的通信质量，从主观和客观两个方面评价信道性能。

　　3 工程应用实例及分析

　　3.1 测试环境

　　桂林市某水库总库容约6亿立方米。水库流域呈扇形，流域内河道狭窄，坡降陡，山高林密，植被茂盛，属山区河流，河床坡降5‰。测试时间为中午，晴天气候条件；采用全向天线，测试频率228.6 MHz；测试仪采用日本安立MS2711D，工作频段为0～3 GHz，噪声底电平为-135 dBm[3]。日精ND889电台和天线的参数[4]如表3所示。

　　3.2 通信站点的初选

　　对山区来说，选择的通信站址既要能满足观测需要又要能满足无线数据传输需要，站址的选择对网络覆盖范围的作用非常大[5]。考虑到库区的地形以及站点分布，该系统必须采用无线中继方式，才能实现有效覆盖。中继站选择距离市区较近海拔900 m的一个山顶，建站条件好，便于维护，天线高度达8 m。从经济情况出发遥测站尽可能利用现有建筑物，因此选择在现有的观测站附近，地势较高，通信方向无障碍物阻挡，维护方便。

　　3.3 数据分析

　　某通信站到中继站接收信号强度采用MS2711D频谱仪测试的数据如图2所示。

　　由图2可知，实测的接收信号功率LS=-90.04 dBm，则其传输损耗可由式(2)计算如下：

　　3.4 无线链路设计与分析

　　3.4.1 设计考虑

　　在数传电台选定的情况下，站点选址与天线配置必须考虑数传系统对通信链路质量的要求以及信道的衰落。本设计方案对山地复杂和重要站址设计要求通信电路衰落储备必须不低于10 dB，而一般条件站点通信电路衰落储备不低于5 dB，接收信号强度必须大于105 dBm，以保证数据链路的通信成功率为98%以上，配合系统信道编码技术，可保证全年全季节数据通信的畅通率达到99.9%。

　　3.4.2 链路设计与分析

　　发射机和接收机均采用日精ND889A数传电台，ND889A电台工作在230 MHz的频段上，发射天线采用6.5 dB的定向天线，接收天线采用8.5 dB的全向天线。根据公式(1)，可计算出接收端信号功率

　　可见，满足通信误码率优于10-5@2 400b/s的指标要求根据公式(3)，可计算出信道的衰落余量

　　3.4.3 现场工程验证

　　根据上节站点选址、天线配置以及无线信道设计方案，进行现场工程验证，所测试的接收信号强度数据如图3所示。

　　由图3可知：实测接收信号功率为-94.16 dBm，与链路设计结果基本相符。同时，通过接收信号监听以及主观评价方法测试，语音质量达到优质；通过接收信号强度测量方法测试，ND889电台自带的接收信号强度指示(RSSI)信号输出为1.75 V，相当于接收信号电平30 μV。现场测试结果表明，该设计完全满足系统性能要求。

　　本文采用MS2711D频谱仪，以测量路径传输损耗技术为主，辅以接收信号质量监听和数传电台RSSI为参考，对山区无线信道现场的测量技术方案进行了分析和工程验证，通过多种手段从主观和客观两个方面评价无线信道的性能，完成了无线链路的设计分析与验证工作。实践表明，该技术简单、方案可行、成果有效，具有一定的工程应用价值。