上海启动网格化无线电监测系统测试预案

汪志斌

为了有效提升无线电频率资源的利用效率，深化各类新无线电业务应用，提高“智慧城市”建设的承载能力，上海市无线电管理局经过大量系统建模、方案论证，提出了基于无线传感器的网格化监测系统的全面具体技术要求，并制定了在市中心商务区和虹桥交通枢纽两块区域内建设网格化监测系统试验网的计划，探索无线电监测网格化实时监控之道。

2012年，虹桥综合交通枢纽和徐家汇商圈网格化无线电监测网络项目已进展到最后选址架设阶段。而在此之前，上海已在成都建设了一个由8个传感器节点构成的小规模网格化试验网。出于对成都网的测试评估，以及对上海筹建大规模试验网测试的前期考虑，相关部门提出了初步测试预案，用以指导即将开展的新系统测试。

网格化监测系统

网格化监测系统是由大量无线传感器组成的一种频谱监测网络，得益于高密度的传感器，它可以生成布设地域内的、较为详尽的、实时电磁频谱分布图。从用户的视角看，就是将布设地域划分为一个个小区域，每个小区域中心设一个监测传感器，而监测灵敏度要求决定了每个小区域的大小。

众所周知，网格化监测系统是一种新型的监测系统，没有先例可以遵循。作为一种科学理论的尝试，其测试不应仅对一个投资项目进行指标验收，而应该密切关注系统在不同级别的要求，其各个不同方面的表现都应该被记录，以方便后续研究。

总体而言，网格化监测系统的测试主要包括天线、传感器、监测网三个主要部分。传感器应该在实验室环境下测试，而天线要求开阔场测试。它们都是成熟的产品，对于它们的测试可以在出厂时结合进行，由无线电管理部门派人员现场监督。而监测网的测试要在实际的城市环境中进行。作为系统的核心指标，其是主要关注对象。

现场测试原则

网格化监测系统的测试包括信号源设置、测试条件分类、性能测试的测试条件设置原则、功能测试的测试条件设置原则及测试结果处理五个主要步骤。

信号源设置：信号源应该被设置成可以在各种参数的组合状态下工作，以覆盖各种可能的情形。这些参数包括典型的功率电平，载波频率，信号带宽和调制方式。

测试条件分类：定义的测试条件应该是便于操作和可重复验证的。在功能性测试中，测试条件是描述性的。在性能测试中，测试用例的某些元素需要精确的定义。

性能测试的测试条件设置原则：测试条件比如信号源位置，应该置于这样一些地点，使之能够模拟最极端情况下网格化监测系统的性能，以得到最可靠的结果。

功能测试的测试条件设置原则：这种情形下，要更多考虑实用性。在某些情况下，极端条件下得到结果或者并不适合用来作为声称的系统指标，选择合适的业务类型和信号类型更为关键。

测试结果处理：由于多径效应和时变衰落的影响，测试结果在某种程度上是些随机值。它们不能简单地被平均，标称的性能指标应该是在预定义的置信度之下的经过处理的结果。

特色功能测试要素

网格化监测系统的特色功能，是指那些使系统有别于传统监测系统的创新功能，包括更弱信号的发现、宽带信号的定位以及同信道信号的区分。

测试设计的要素包括：无线电辐射目标、信号源、理想网格化拓扑模型、边界交叠区域、最小辐射区域、环境要求等。

监测的无线电辐射目标频率范围为30～3000MHz，等效全向辐射功率≥1W，持续时间 ≥100ms；信号源工作于30～3000MHz，其中全向天线增益从 -1 ～ -2dB，功放最大增益 ≥30dB，信号发生器的电平稳定度≤0.5dB。

理想网格化拓扑模型假设所有传感器等距离布设，令该距离为λ，传感器和信号源之间的高度差被忽略以简化模型；边界交叠区域指四个彼此相邻的网格交叠区域。按照理想模型的架设，可以计算出交叠区域的中心到这四个网格中心对应传感器的距离都是/2；最小辐射区域指半径为λkm的一个圆形区域，当信号源置于最小等效全向辐射功率下时，它应当可以被最少三个距离为 λ km 之外的传感器发现。这是为了保证网络可以进行TDOA定位操作。

测试环境要求温度为 -20℃～+55℃，相对湿度 ≤95%，电源为AC 220V±10% 、50Hz±2.5Hz，风速≤28m/s。

监测灵敏度测试用例

步骤一：将信号源放置于边界交叠区域靠近中心的位置；

步骤二：配置信号源设定输出功率为3W，载波为2.5 GHz到3GHz间的某值，采用CW调制方式；

步骤三：在指挥中心运行控制台软件，启动信号源周围的四个最近的传感器，扫描包含载波频率的一个频段，观察是否可以发现该信号。如果四个传感器都发现了该信号，则进行下一步；

步骤四：降低输出功率，重复上一步骤，直到至少一个传感器无法发现该信号，这时的输出功率对应该地的灵敏度S1；

步骤五：将信号源换到另外一个边界交叠区域，重复步骤二到四，以得到对应该地的灵敏度S2；

步骤六：遍历区域内所有N个边界交叠区域，得到N个局部灵敏度值 s1， s2…sN。则系统灵敏度S=max {s1， s2…sN}。

TDOA定位精度测试用例

步骤一：沿监测网边界选取20个测试点，对于每个点，重复二至六的各项步骤；

步骤二：获取GPS 数据；

步骤三：信号源开机。设置调制方式为QPSK。设置信号持续时间为2秒；

步骤四：依次设置载波为50 MHz， 100 MHz， 200 MHz， 400 MHz， 800 MHz， 1600 MHz， 3000 MHz。分别对应信号带宽12.5 kHz， 25 kHz， 100 kHz， 200 kHz， 1.25 MHz；

步骤五：设置输出功率为1W。在指挥中心启动控制台软件对以上的每个载波和带宽组合应用TDOA定位操作；

步骤六：计算每种组合下给定置信度下的定位偏差。记录最大值为该点的精度值；

步骤七：计算所有20个点的精度平均值，得到最后的定位精度数据。

同信道信号区分测试用例

步骤一：将两个信号源置于邻近的任意两个网格中；

步骤二：两个信号源开机。设置其工作于30 MHz 到 3GHz 间的某个固定载波频率，信号带宽均为25 kHz，FM 调制。设置输出功率为1W；

步骤三：设置周围传感器工作于宽带扫描模式；

步骤四：启动指挥中心控制台软件，对两个信号源同时进行TDOA定位操作；

步骤五：核查定位结果是否对应真实的信号源位置。

上述内容覆盖了网格化无线电监测系统的测试原则和一些用例。值得注意的是，由于地形及网格化理想模型的限制，这些用例在某些情况下可能并不是那么准确，但其代表的原则无疑是普适的。人们期待着在即将到来的大规模测试中，其能够得到真正的应用和检验。