屏蔽環(huán)境對講通信覆蓋范圍拓展應(yīng)用研究

蔡耀廣 余勇 曹小冬 劉智聰 郭澤豪

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,佛山 528000)

屏蔽環(huán)境對講通信覆蓋范圍拓展應(yīng)用研究

蔡耀廣 余勇 曹小冬 劉智聰 郭澤豪

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,佛山 528000)

提出了一種快速、有效解決高大建筑物形成的重度屏蔽環(huán)境內(nèi)的對講機通信信號覆蓋的解決方案．該方案使用中繼臺作為移動無線中繼子系統(tǒng),實現(xiàn)對講機信號的放大,最終達到延伸覆蓋距離的目的．仿真結(jié)果表明:在負一層接入中轉(zhuǎn)臺后,兩級級聯(lián)的無線中繼子系統(tǒng)可將對講機的通信距離有效延伸至地下二、三層．測試結(jié)果表明,除個別點外,仿真結(jié)果和測試數(shù)據(jù)吻合得很好．本文研究實現(xiàn)了無需現(xiàn)場工程施工、快速部署、便捷使用、擴展覆蓋的目標,為電力維護通信提供了有效的保證．

對講通信;中繼;屏蔽環(huán)境;射線追蹤;電力維護

引 言

為保障正常用電,供電部門的線路維護人員每天在幕后開展著有序而繁雜的維護及檢修工作[1-2];在檢修及維護過程中沿線各個節(jié)點間通信基本靠對講機完成．電力檢修、維護的場景有地下區(qū)域、樓宇、園區(qū)、社區(qū)、變電站內(nèi)等. 在地面非屏蔽區(qū)域檢修、維護時的通信使用高功率對講機[3-7]即可解決,但在地下區(qū)域?qū)χv機的有限發(fā)射功率和接收靈敏度有時無法保障有效通信,這嚴重影響了檢修、維護人員的工作效率．

為了解決對手機信號覆蓋不足的問題,在移動通信行業(yè)通常采用在屏蔽環(huán)境區(qū)域建設(shè)室內(nèi)覆蓋分布系統(tǒng)的解決方案．但這種方案因建設(shè)及維護成本較高、施工難度大,較難適用于通信使用頻率高且用戶量大的系統(tǒng)．當(dāng)今社會每一座城市的地下密閉區(qū)域數(shù)量均較多且離散分布,供電部門對每個點的線路檢修通常按周期性開展例行巡檢及緊急故障搶修相結(jié)合的維護方式,每次巡檢/搶修組通常為3人,顯然供電部門這樣的使用頻率和用戶量不宜采用建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)的解決方案．本文集成便攜式蓄電池的無線中繼系統(tǒng)[3-4]提出了一種更適用于電力檢修、維護的解決方案,用于解決對講通信延伸覆蓋應(yīng)用問題．

1 無線對講中繼系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)模型

放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼(Amplifying and Forwarding,AF)無線中繼模型通過搭建無線對講中繼系統(tǒng),以解決電力維護中地下屏蔽環(huán)境與地面對講通信的信號覆蓋問題．無線對講中繼系統(tǒng)可由多臺數(shù)字對講終端[8]、無線中繼系統(tǒng)(包含中轉(zhuǎn)臺、車載臺、天饋系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等)等設(shè)備組成．

無線對講中繼系統(tǒng)由無線信號覆蓋子系統(tǒng)和無線鏈路中繼子系統(tǒng)[9-10]組成,整體系統(tǒng)圖如圖1所示．

圖1 無線對講中繼系統(tǒng)

1)無線信號覆蓋子系統(tǒng)

無線信號覆蓋子系統(tǒng)主要負責(zé)本地范圍內(nèi)(地面、負一層、負二層)的無線通信信號覆蓋,主要由中轉(zhuǎn)臺、雙工器、高增益定向天線和全向天線組成．

對于信號屏蔽較為嚴重的樓體,通過高性能中轉(zhuǎn)臺以及高增益定向天線的方式,可將信號輻射至屏蔽嚴重的地下層,實現(xiàn)無縫覆蓋和互通．

如果樓體結(jié)構(gòu)更為特殊和復(fù)雜,結(jié)合實際場景．可將中轉(zhuǎn)臺設(shè)置于地下一層、二層之間,通過多跳方式將信號引入到相應(yīng)盲區(qū),實現(xiàn)互通．

2)無線鏈路中繼子系統(tǒng)

無線鏈路中繼子系統(tǒng)主要由多個中繼臺及天饋系統(tǒng)組成,其負責(zé)將各小區(qū)中轉(zhuǎn)臺連接組網(wǎng)．中繼臺基站應(yīng)具備較大的射頻發(fā)射功率及較高的接收靈敏度,以實現(xiàn)無線信號的中繼傳輸．

1.2傳播預(yù)測

上述無線對講中繼系統(tǒng)涉及無線信號傳播模型可利用經(jīng)驗性模型,也可利用理論模型．考慮鋼筋水泥建筑的經(jīng)驗預(yù)測公式為[11-12]

L=88.1+20lgf-20lg(h1h2)+40lgd+Lq.

(1)

式中:L為信號傳播路徑損耗,dB;f為通信工作頻率,MHz;h1為發(fā)點天線高度,m;h2為收點天線高度,m;d為傳輸距離,m;Lq為單層鋼筋水泥天花板穿透損耗,dB/100 mm．

射線追蹤法的基本思想是:從源點輻射出的電磁波看作一條條射線,能量在各自獨立的射線管內(nèi)傳播;對每一條射線的傳播路徑進行追蹤,直到射線到達目標點或射線能量低于需要考慮限度時,在這過程中計算出射線的能量;求得所有到達場點的射線后,采用矢量疊加的方法得出輻射源的影響．射線追蹤法是一種確定性模型,其理論基礎(chǔ)是基于幾何理論、一致性幾何繞射理論和鏡像理論,通過大量的反射、透射和繞射射線得到源點至場點的多條路徑,計算出接收點的路徑損耗、時延和接收功率[13-14]．

將所有到達場點的射線的電場矢量相疊加,即求得場點場強:

(2)

則接收功率為

(3)

式中:λ是信號波長,m;RL是接收天線有效負載電阻,Ω．

本文采用射線追蹤方法對無線對講中繼系統(tǒng)的功率分布進行仿真．

1.3頻率指配

對講系統(tǒng)使用符合國家工信部要求的民用常規(guī)對講頻率[15]:400～470 MHz頻段,信道帶寬25 kHz、20 kHz、12.5 kHz．在此選用基于禁忌搜索頻率指配算法[16],頻率指配流程如圖2所示;其核心要素包括:設(shè)置一個存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)禁忌表(tabu list)的功能;設(shè)計結(jié)合赦免策略和禁忌策略的新解接受準則等．假定:

1)存在M個可用頻率,當(dāng)前指配中可用的頻率資源為F=(f1,f2,…,fM)．

2)解表示為S=,對于N條鏈路,其中fs(v)是分配給鏈路v的頻率．

3)給定一個當(dāng)前解S0,其候選解集N(S)中的新解Sn應(yīng)滿足與S0相鄰當(dāng)且僅當(dāng)

為了遍歷所有鄰域解,用隨機搜索過程產(chǎn)生當(dāng)前解S=的新解．具體步驟如下:1)隨機選擇一條鏈路v(v∈[1,2…,N]);2)隨機選擇一個新頻率fi(i∈[1,2,…,M]);3)將新頻率fi指配給鏈路v．

圖2 頻率指配流程

2 仿真分析

本文使用的無線對講中繼系統(tǒng)涉及的設(shè)備部署及用頻參數(shù)如表1所列．

表1 系統(tǒng)配置

從頻率資源需求分析:為滿足組網(wǎng)及通信需求,且保證系統(tǒng)內(nèi)不出現(xiàn)同頻干擾;利用基于禁忌搜索頻率指配算法,本文兩跳無線對講中繼系統(tǒng)為小區(qū)覆蓋提供1個異頻轉(zhuǎn)發(fā)頻道,同時為中繼臺、中心站提供1個同頻轉(zhuǎn)發(fā)頻道,至少共需3個頻點．小區(qū)內(nèi)各個設(shè)備工作頻率如表2所示．

表2 無線中繼系統(tǒng)頻率分配表

無線對講中繼系統(tǒng)需在實際應(yīng)用效果中表現(xiàn)出良好的覆蓋性能及通信質(zhì)量[17],以解決現(xiàn)場地下二層與地面首層臨時通信．現(xiàn)場測試以平均意見得分(Mean Opinion Score,MOS)進行通信語音評估．所采用的MOS評分標準如表3所示．

表3 MOS五級評分標準

地下中繼臺設(shè)置于地下一層、二層之間．地下中轉(zhuǎn)臺使用高增益全向天線,可實現(xiàn)地下一層和地下二層對講機信號的相互中轉(zhuǎn),亦可以將地下一層、二層的手持機信號中轉(zhuǎn)到地面手持機．

地面中轉(zhuǎn)臺放置于地面停車場入口處,配置高增益全向天線,確保下行信號能完全覆蓋地下一、二層;地面中轉(zhuǎn)臺與車載臺連接通過雙方的通信控制接口來完成．

系統(tǒng)設(shè)備分布如表1所列,其中:對講機射頻功率最大為5 W;地下中轉(zhuǎn)臺射頻功率可調(diào),最大25 W;中繼臺射頻功率5～50 W之內(nèi)可調(diào)．系統(tǒng)設(shè)備分布如圖3所示．

圖3 設(shè)備分布圖

假設(shè)地下車庫的負一層和負二層都是封閉的情況下,不考慮立柱以及車位間墻的影響,因此樓層之間只考慮透射,其中地面首層與地下負一層間墻的厚度為300 mm,地下負一層與地下負二層間墻的厚度為300 mm,均是混凝土材質(zhì)．其中參數(shù)設(shè)置為:中轉(zhuǎn)臺1的發(fā)射頻率為434.75 MHz,接收頻率為439.75 MHz,中轉(zhuǎn)臺2的發(fā)射頻率為439.75 MHz,接收頻率為434.75 MHz,頻率帶寬均為12.5 kHz,發(fā)射功率為25 W;中轉(zhuǎn)臺上安裝的均是垂直極化的全向天線,最大增益為10 dBi,駐波比為1.3,對講機使用的是全向天線,其極化方式是垂直極化,最大天線增益為0 dBi,駐波比為1.2,發(fā)射功率為5 W．中轉(zhuǎn)臺1和中轉(zhuǎn)臺2分別位于地面首層和地下負一層．中轉(zhuǎn)臺1相對于地面首層的高度為1 m．中轉(zhuǎn)臺2相對于地下負一層的高度為1 m,對講機相對于地下負二層的高度為1.5 m．用射線追蹤法可以仿真出負二層每個測試點的接收功率．

圖4為位于地面首層上的中轉(zhuǎn)臺1發(fā)射信號時負二層的功率分布;圖5為在增加中轉(zhuǎn)臺的情況下,由地下負一層的中轉(zhuǎn)臺2發(fā)射信號時,負二層的功率分布．從圖4和圖5可以明顯看出,中轉(zhuǎn)臺1發(fā)射信號時,負二層的功率比中轉(zhuǎn)臺2發(fā)射信號時的功率小．說明在負一層接入中轉(zhuǎn)臺能夠明顯增強負二層的功率．兩張圖中均出現(xiàn)圍繞中轉(zhuǎn)臺的帶狀功率分布,是由于信號的干涉效應(yīng)引起的．

圖4 負二層功率分布圖

圖5 增加中轉(zhuǎn)臺2后負二層功率分布圖

3 試驗分析

現(xiàn)場測試環(huán)境為地下二層停車場,每層長約35 m,寬約20 m．負一層、負二層平面圖分別如圖6、圖7所示．

圖6 負一層平面示意圖

圖7 負二層平面示意圖

每層選9個位置作為測試點,按較均勻的9點點陣方式測試并記錄測試點信號強度、語音通話效果結(jié)果．測試人員攜帶對講機至測試點發(fā)起呼叫、記錄測試點信號強度,地面首層及非測試點所在樓層的測試人員通過對講機收聽呼叫、評價并記錄聲音質(zhì)量．測試結(jié)果如表4所示．

表4 測試結(jié)果

表4的測試結(jié)果顯示,在中繼對講系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域內(nèi)通信建立順暢、通話質(zhì)量良好,系統(tǒng)性能表現(xiàn)優(yōu)越,很好地實現(xiàn)預(yù)期覆蓋目標．

根據(jù)接收到的功率,將信號強度分為五個等級,其中小于-5 dB的為1格信號,(-5,-1] dB劃為2格信號,(-1,5] dB為3格信號,(5,10] dB劃為4格信號,(10,16] dB為5格信號．依據(jù)圖7中各測試點的位置,表5給出了相應(yīng)測試點的坐標,并給出了增加中轉(zhuǎn)臺后負二層的信號測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比．

表5 測試與仿真結(jié)果對比

從表5的對比結(jié)果可以看出:大部分測試點的仿真結(jié)果與測試結(jié)果相吻合,測試點5和測試點9的信號強度與仿真結(jié)果不一致．這是因為這兩個測試點附近的立柱引起信號反射所致．由于利用射線追蹤進行理論仿真需要測試場景的所有參數(shù),本文中由于部分參數(shù)無法準確獲得(例如建筑材料的具體構(gòu)成等),故無法完全再現(xiàn)測試場景,故仿真結(jié)果可能存在誤差,但這不會改變比較結(jié)論．因此利用本文的方法能夠有效擴大對講機通信覆蓋范圍,增強信號功率．尤其是中轉(zhuǎn)臺所在位置對應(yīng)到負二層區(qū)域的信號強度得到了明顯增強．對解決臨時信號覆蓋效果明顯．

4 結(jié)束語

本文使用中繼臺作為移動無線中繼子系統(tǒng),實現(xiàn)了對講機信號的放大,最終達到延伸覆蓋距離的目的．該方法將中轉(zhuǎn)臺、車載臺、雙工器等集成安裝于定制的裝備箱中,同時配備蓄電池箱為設(shè)備供電、移動部署;通過實地應(yīng)用,整體裝備方便搭建安裝和拆除,出發(fā)時系統(tǒng)設(shè)備箱、電池箱、天線拆除放在工程車貨箱內(nèi)運輸;到達維護現(xiàn)場將中繼臺箱、蓄電池拖至合適的位置部署,開啟設(shè)備即可使用．該方法較高地提升了現(xiàn)場通信部署效率,解決了一線維護搶修人員在屏蔽環(huán)境中的通信難問題．該方法通過用戶與中繼對講系統(tǒng)設(shè)備制造廠家的多次優(yōu)化,系統(tǒng)工作穩(wěn)定、對解決臨時信號覆蓋效果明顯,在解決屏蔽環(huán)境中的對講通信信號覆蓋具有較好的推廣價值．

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蔡耀廣(1974—),男,廣東人,高級工程師,主要從事電力系統(tǒng)通信技術(shù)與運行管理工作．

余勇(1986—),男,廣東人,碩士,佛山供電局電力調(diào)度控制中心高級作業(yè)員,主要從事電力系統(tǒng)通信設(shè)備運行維護工作．

曹小冬(1986—),男,湖南人,碩士,現(xiàn)工作于廣東電網(wǎng)佛山供電局,研究方向為電力無線通信系統(tǒng)．

Expandingcoverageoftalkbackcomcommunicationinshieldingenvironment

CAIYaoguangYUYongCAOXiaodongLIUZhicongGUOZehao

(FoshanPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCo.Ltd.,Foshan528000,China)

In this paper, a solution is proposed to quickly and effectively solve the problems of communication signal coverage of the interphone in the severely shielded environment formed by the tall buildings. The relay station is integrated with the portable accumulator to act as the mobile wireless relay subsystem, so as to realize the signal amplification of the interphone and ultimately achieve the goal of extending coverage range. The experimental result shows that when transfer station is accessed in B-1 floor, the results simulated by using ray tracing are in good agreement with the test data except few points, therefore, the communication distance of the interphone can be effectively extended to B-2 and B-3 floor by the two-stage cascaded wireless relay subsystem. The test result show that the goal of convenient application of rapid deployment can be achieved without the help of the on-site engineering construction, thus can provid an effective guarantee for the power maintenance and communication.

interphone communication; relay; shielded environment; ray tracing; electrical maintenance

蔡耀廣, 余勇, 曹小冬, 等. 屏蔽環(huán)境對講通信覆蓋范圍拓展應(yīng)用研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2017,32(4):467-473.

10.13443/j.cjors.2017031402

CAI Y G, YU Y, CAO X D, et al. Expanding coverage of talkback com communication in shielding environment [J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):467-473. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017031402

TN911

A

1005-0388(2017)04-0467-07

DOI10.13443/j.cjors.2017031402

2017-03-14

中國南方電網(wǎng)科技項目(GDKJQQ20152025)

聯(lián)系人： 蔡耀廣 E-mail: 18664770760@163.com