基于無源器件的消防多跳自組網設備級聯測試平臺設計

倪永智

（大連市經濟技術開發區消防救援大隊 遼寧省大連市 116602）

1 引言

近年來隨著我國社會經濟不斷發展，城市建筑愈加密集化、復雜化、立體化，出現了越來越多的高層、超高層、大型綜合體、大型地下空間等建筑群。此類建筑材質一般均為鋼混結構，建筑結構復雜對無線信號的衰減、吸收非常大，室外移動信號無法完全覆蓋建筑內部，建筑內一旦發生火災，極易出現斷網、斷電等情況，這給消防應急救援人員建筑內通信保障造成了極大挑戰。

為了解決建筑物內應急通信保障的難題，近年來消防救援隊伍將無中心自組網技術應用到現場的無線通信保障方面，并取得了良好的通信效果。無中心自組網技術（也叫做mesh network 或者ad hoc network），是一種以所有節點“平等、獨立”為原則的組網技術。節點之間不存在依賴關系，相互之間通過協商來進行組網和數據傳輸。由于其易于布放，能夠自組織、自恢復，可以通過多跳組成非視距下無線寬窄帶傳輸鏈路，當前已成為搭建復雜環境下無線通信鏈路的主要解決方案。

但是，市場上現有自組網通信產品種類繁多，各廠商產品的結構、射頻參數、天線性能、協議、接口均不一致，消防救援領域內也尚未出臺統一的國家及行業標準規范來要求自組網設備的性能和業務測試方法，用于評價自組網設備的性能優劣。而自組網設備性能中多跳后網絡的傳輸帶寬和傳輸時延是評價自組網網絡性能極為關鍵的指標，由于自組網設備間在組網過程中設備間互為中繼，從而能夠形成多條鏈路用于數據的傳輸，這也是自組網設備的優勢，但這種優勢在實際測試中又成為“多跳”測試的障礙，實際測試中無法模擬出“鏈狀”、“多跳”的網絡傳輸結構；同時市場上現有的自組網設備的頻率、功率、接口、天線增益等參數都不一樣，如何拋開這些不同參數而直接評價自組網設備的組網性能也是一個技術難點。

目前，評價自組網設備的業務性能一般采用在真實環境中實測業務的方式，如測試點對點設備間極限通信距離、帶寬、時延、抖動、響應時間、誤碼等指標，測試多跳（2 跳、3 跳、4 跳…N 跳）下首臺設備在單組網（鏈狀）鏈路下和最后一臺設備間通信鏈路的帶寬、時延、抖動、響應時間、誤碼等參數。現有的多跳下自組網鏈路業務指標測試方法存在如下弊端：

（1）由于自組網設備的高度自組織、自恢復特點，多臺設備容易互聯互通形成網狀或其他復合型網絡拓撲，組建鏈狀拓撲較為困難，需要多人協同配合，依托距離或遮擋搭建鏈狀拓撲。

（2）即便已經組成了鏈狀網絡拓撲，以4 臺設備3 跳為例，在無遮擋空曠環境中測試，首臺設備和最后一臺設備間距一般能達到5 公里以上，在有遮擋的環境中如高層空間、大型綜合體內測試，依靠建筑物的遮擋通信距離會拉近一些。采用上述兩種方法進行組網測試，由于距離和環境遮擋對無線信號的衰減、吸收、折射、反射、干擾等客觀因素，會極大的影響設備的通信性能，帶來諸多不確定因素，從而無法客觀的測試出設備最真實的業務性能指標。

（3）不同廠商間設備功率、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進行設備間比對，也缺少嚴謹性。

通過上述分析可以看出，目前自組網測試領域還缺少高效、合理的平臺和方法來測試及評估自組網設備多跳鏈路的性能，傳統的測試方法一是需要投入較多的人力、物力到測試中，會花費較大的時間來搭建鏈狀組網鏈路，二是極易受到外界環境因素的影響，造成測試結果的不準確、不合理。

2 平臺組成

為了解決上述難題，文中設計出了一種基于無源器件的多跳自組網設備級聯測試裝置，現有的多跳自組網業務性能測試一般在室外或復雜建筑內進行，需要多人協同配合，且鏈狀網絡拓撲形成非常困難，多臺設備間容易組成網狀或其他復合型網絡，為多跳下設備業務性能測試帶來極大的困難，同時也易于受到環境和外界其他噪聲干擾和無線信號干擾。本裝置可促使多臺自組網設備鏈狀組網更為簡單、易于實現、減少外界環境對設備的干擾，測試出最真實、準確的多跳自組網設備業務性能，可以更為客觀的對自組網設備進行評判。

與傳統測試方式相比本平臺具有如下優點：

（1）多臺自組網設備通過本裝置級聯后即可在實驗室內組成N 跳自組網鏈狀通信鏈路，僅需一名人員即可完成測試環境搭建和性能測試操作；

（2）本裝置具備屏蔽結構可屏蔽不同頻段的無線干擾及噪聲信號，排除測試過程外界無線信號和噪聲對設備的干擾，使測試結果更為精準。

（3）可降低天線、設備功率對測試結果的影響，可對不同廠商的測試數據進行比對分析。

（4）搭配信道仿真模塊及噪聲模塊，可以模擬測試設備在不同場景、信道、干擾源下的通信性能指標，對于設備的研發和實戰應用有很大的幫助。

2.1 測試平臺結構

平臺由若干個被測試自組網設備、信號屏蔽子模塊、信號級聯子模塊、信道仿真子模塊、測量子模塊組成。詳細結構見圖1。

圖1：測試平臺結構圖

被測試自組網設備具有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的發送和接；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 個轉換接口轉換為N型口；被測試自組網設備可固定放置在信道屏蔽子模塊中，通過2路射頻接口連接負載和衰減器后，連接信道屏蔽子模塊內2 路N 型射頻接口，將無線信號通過2 路N 型射頻接口進行信號的發送和接收。

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個被測試自組網設備，能夠屏蔽外界其他信號和噪聲的干擾，且能夠屏蔽箱體內自組網設備無線信號的溢出；模塊集成了1 塊負載，負載可選配，根據被測試自組網設備發射功率的不同選擇不同型號的負載；模塊集成了2 路衰減器，衰減器可選配，根據被測試自組網設備發射功率的不同選擇不同型號的衰減器；模塊具有2 路N 型射頻接口和1 路RJ45 網絡輸出接口；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。

鏈路級聯子模由雙臂電橋（3dB）和射頻線纜構成，雙臂電橋固定在屏蔽箱體內，箱體能夠屏蔽外界其他信號和噪聲的干擾，且能夠屏蔽箱體內自組網設備無線信號的溢出，將被測自組網設備的無線信號轉化到有線鏈路上進行定制傳輸；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 服務端和IxChariot 客戶端構成，IxChariot 服務端和客戶端通過網絡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 傳輸進程，向IxChariot 服務端發送500Mb 字節數據，記錄數據傳輸的瞬時速率、平均速率、瞬時帶寬、平均帶寬、瞬時延時、平均延時和數據誤碼率等等數據。

2.2 測試平臺搭建

為了確保系統的隔離效果電橋優先選擇三階互調≤-140dBc，駐波比≤1.3 的器件。所配置的信號屏蔽子模塊和鏈路級聯子模塊數量根據實際測試的路由跳數進行配置，首臺和末臺信號屏蔽子模塊內需要配置1 臺待測自組網設備、1 個負載、1 個電橋和1 組衰減器，其他中間信號屏蔽子模塊內配置1 臺待測自組網設備、1 個電橋和1 組衰減器，為了保障設備間的隔離度，避免產生相鄰設備的鏈路級聯，衰減器衰減值取值≥50dBm，所有端口使用射頻線纜進行連接?，F有的寬帶自組網設備常用頻段包括600MHz、1.4GHz、1.8GHz、2.4GHz 等，因此本測試裝置需要支持500M-2.6GHz 頻段，現有的無源器件支持頻段包括350-1000MHz，800-2700MHz，因此本裝置需要準備支持上述頻段的2 套鏈路級聯子模塊。本平臺支持在任意相鄰的2 臺屏蔽子模塊間插入信道仿子模塊，測試自組網設備在不同信道及干擾情況下性能指標，無源器件指標及數量選擇可參見表1。

表1：測試平臺無源器件指標及數量配置

待測自組網設備全部開機后，由于自組網設備發射端未連接天線，只連接了射頻線纜和無源器件，因此射頻信號通過射頻線纜從設備各端口完成收發工作，由于電橋具備對射頻信號的隔離特性，因此射頻信號只能到達相鄰設備，無法與其他非相鄰設備聯通。設備開機后可通過查看網絡拓撲圖的方式檢查鏈狀鏈路是否組網成功。

2.3 信號屏蔽子模塊結構設計

信號屏蔽子模塊結構如圖2所示，根據市場大部分自組網設備的尺寸，設計本模塊的尺寸約為500mm*500mm*200mm，模塊采用鑄鋁材質，對信號的實際屏蔽效果約90dB 以上，模塊箱體外預留2 個N 型射頻接口，1 個RJ45 接口和1 個可拆卸預留接口。

圖2：信號屏蔽子模塊結構圖

2.4 平臺測試流程

流程圖如圖3所示。

圖3

第一步，開始；

第二步，確定被測自組網設備的使用頻段，選擇頻率、功率匹配的鏈路級聯子模塊；

第三步，將被測設備放入信號屏蔽子模塊內，使用鏈路級聯子模塊連接好各個自組網設備以及信號屏蔽子模塊；

第四步，被測設備上電開機，關好信號屏蔽子模塊，測量子模塊連接好首臺和末臺信號屏蔽子模塊網口；

第五步，登錄設備查看鏈狀網絡拓撲是否組網成功，如果未成功檢查原因，直到組網成功為止；

第六步，開始測試設備業務性能，形成記錄；

第七步，結束。

2.5 設備接收信號場強

為了確保設備接收信號場強在合理范圍內，設備的接收場強Rx、設備發射功率P、衰減器衰減值Ls、無源器件插入損耗值Lw、線纜損耗值Lx，需滿足如下關系：

即：-55dBm ≤Rx= P-Ls-Lw-Lx ≤-75dBm

此強度范圍可以保障設備接收信號、信噪比在合理范圍內，對相鄰設備不會產生干擾，可以保證測試出更為真實準確的業務性能指標。

3 結論

應急管理部正在規劃建設“戰術互聯網”，用來滿足現場應急通信、指揮控制、救援裝備、現場感知等信息的綜合傳輸與交換的需要，未來應急通信保障核心將由后方指揮中心向前方指揮部轉移，現場通信網絡能力需要大幅增強，寬帶自組網設備的綜合性能對應急救援現場的重要性也越來越高，因此，準確、客觀、有效的評價出多跳自組網的整體性能，顯得越發重要。本文以業務應用為驅動設計了基于無源器件的多跳自組網設備級聯測試平臺，并對測試平臺進行了詳細的設計，未來我們計劃在現有平臺功能的基礎上，增加針對多跳無網絡射頻性能的測試模塊，以便更為全面的評價多跳自組網的整體性能。