屏蔽环境对讲通信覆盖范围拓展应用研究

蔡耀广 余勇 曹小冬 刘智聪 郭泽豪

(广东电网有限责任公司佛山供电局,佛山 528000)

屏蔽环境对讲通信覆盖范围拓展应用研究

蔡耀广 余勇 曹小冬 刘智聪 郭泽豪

(广东电网有限责任公司佛山供电局,佛山 528000)

提出了一种快速、有效解决高大建筑物形成的重度屏蔽环境内的对讲机通信信号覆盖的解决方案．该方案使用中继台作为移动无线中继子系统,实现对讲机信号的放大,最终达到延伸覆盖距离的目的．仿真结果表明:在负一层接入中转台后,两级级联的无线中继子系统可将对讲机的通信距离有效延伸至地下二、三层．测试结果表明,除个别点外,仿真结果和测试数据吻合得很好．本文研究实现了无需现场工程施工、快速部署、便捷使用、扩展覆盖的目标,为电力维护通信提供了有效的保证．

对讲通信;中继;屏蔽环境;射线追踪;电力维护

引 言

为保障正常用电,供电部门的线路维护人员每天在幕后开展着有序而繁杂的维护及检修工作[1-2];在检修及维护过程中沿线各个节点间通信基本靠对讲机完成．电力检修、维护的场景有地下区域、楼宇、园区、社区、变电站内等. 在地面非屏蔽区域检修、维护时的通信使用高功率对讲机[3-7]即可解决,但在地下区域对讲机的有限发射功率和接收灵敏度有时无法保障有效通信,这严重影响了检修、维护人员的工作效率．

为了解决对手机信号覆盖不足的问题,在移动通信行业通常采用在屏蔽环境区域建设室内覆盖分布系统的解决方案．但这种方案因建设及维护成本较高、施工难度大,较难适用于通信使用频率高且用户量大的系统．当今社会每一座城市的地下密闭区域数量均较多且离散分布,供电部门对每个点的线路检修通常按周期性开展例行巡检及紧急故障抢修相结合的维护方式,每次巡检/抢修组通常为3人,显然供电部门这样的使用频率和用户量不宜采用建设室内分布系统的解决方案．本文集成便携式蓄电池的无线中继系统[3-4]提出了一种更适用于电力检修、维护的解决方案,用于解决对讲通信延伸覆盖应用问题．

1 无线对讲中继系统

1.1系统模型

放大转发中继(Amplifying and Forwarding,AF)无线中继模型通过搭建无线对讲中继系统,以解决电力维护中地下屏蔽环境与地面对讲通信的信号覆盖问题．无线对讲中继系统可由多台数字对讲终端[8]、无线中继系统(包含中转台、车载台、天馈系统、供电系统等)等设备组成．

无线对讲中继系统由无线信号覆盖子系统和无线链路中继子系统[9-10]组成,整体系统图如图1所示．

图1 无线对讲中继系统

1)无线信号覆盖子系统

无线信号覆盖子系统主要负责本地范围内(地面、负一层、负二层)的无线通信信号覆盖,主要由中转台、双工器、高增益定向天线和全向天线组成．

对于信号屏蔽较为严重的楼体,通过高性能中转台以及高增益定向天线的方式,可将信号辐射至屏蔽严重的地下层,实现无缝覆盖和互通．

如果楼体结构更为特殊和复杂,结合实际场景．可将中转台设置于地下一层、二层之间,通过多跳方式将信号引入到相应盲区,实现互通．

2)无线链路中继子系统

无线链路中继子系统主要由多个中继台及天馈系统组成,其负责将各小区中转台连接组网．中继台基站应具备较大的射频发射功率及较高的接收灵敏度,以实现无线信号的中继传输．

1.2传播预测

上述无线对讲中继系统涉及无线信号传播模型可利用经验性模型,也可利用理论模型．考虑钢筋水泥建筑的经验预测公式为[11-12]

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

(1)

式中:L为信号传播路径损耗,dB;f为通信工作频率,MHz;h1为发点天线高度,m;h2为收点天线高度,m;d为传输距离,m;Lq为单层钢筋水泥天花板穿透损耗,dB/100 mm．

射线追踪法的基本思想是:从源点辐射出的电磁波看作一条条射线,能量在各自独立的射线管内传播;对每一条射线的传播路径进行追踪,直到射线到达目标点或射线能量低于需要考虑限度时,在这过程中计算出射线的能量;求得所有到达场点的射线后,采用矢量叠加的方法得出辐射源的影响．射线追踪法是一种确定性模型,其理论基础是基于几何理论、一致性几何绕射理论和镜像理论,通过大量的反射、透射和绕射射线得到源点至场点的多条路径,计算出接收点的路径损耗、时延和接收功率[13-14]．

将所有到达场点的射线的电场矢量相叠加,即求得场点场强:

(2)

则接收功率为

(3)

式中:λ是信号波长,m;RL是接收天线有效负载电阻,Ω．

本文采用射线追踪方法对无线对讲中继系统的功率分布进行仿真．

1.3频率指配

对讲系统使用符合国家工信部要求的民用常规对讲频率[15]:400～470 MHz频段,信道带宽25 kHz、20 kHz、12.5 kHz．在此选用基于禁忌搜索频率指配算法[16],频率指配流程如图2所示;其核心要素包括:设置一个存储结构实现禁忌表(tabu list)的功能;设计结合赦免策略和禁忌策略的新解接受准则等．假定:

1)存在M个可用频率,当前指配中可用的频率资源为F=(f1,f2,…,fM)．

2)解表示为S=,对于N条链路,其中fs(v)是分配给链路v的频率．

3)给定一个当前解S0,其候选解集N(S)中的新解Sn应满足与S0相邻当且仅当

为了遍历所有邻域解,用随机搜索过程产生当前解S=的新解．具体步骤如下:1)随机选择一条链路v(v∈[1,2…,N]);2)随机选择一个新频率fi(i∈[1,2,…,M]);3)将新频率fi指配给链路v．

图2 频率指配流程

2 仿真分析

本文使用的无线对讲中继系统涉及的设备部署及用频参数如表1所列．

表1 系统配置

从频率资源需求分析:为满足组网及通信需求,且保证系统内不出现同频干扰;利用基于禁忌搜索频率指配算法,本文两跳无线对讲中继系统为小区覆盖提供1个异频转发频道,同时为中继台、中心站提供1个同频转发频道,至少共需3个频点．小区内各个设备工作频率如表2所示．

表2 无线中继系统频率分配表

无线对讲中继系统需在实际应用效果中表现出良好的覆盖性能及通信质量[17],以解决现场地下二层与地面首层临时通信．现场测试以平均意见得分(Mean Opinion Score,MOS)进行通信语音评估．所采用的MOS评分标准如表3所示．

表3 MOS五级评分标准

地下中继台设置于地下一层、二层之间．地下中转台使用高增益全向天线,可实现地下一层和地下二层对讲机信号的相互中转,亦可以将地下一层、二层的手持机信号中转到地面手持机．

地面中转台放置于地面停车场入口处,配置高增益全向天线,确保下行信号能完全覆盖地下一、二层;地面中转台与车载台连接通过双方的通信控制接口来完成．

系统设备分布如表1所列,其中:对讲机射频功率最大为5 W;地下中转台射频功率可调,最大25 W;中继台射频功率5～50 W之内可调．系统设备分布如图3所示．

图3 设备分布图

假设地下车库的负一层和负二层都是封闭的情况下,不考虑立柱以及车位间墙的影响,因此楼层之间只考虑透射,其中地面首层与地下负一层间墙的厚度为300 mm,地下负一层与地下负二层间墙的厚度为300 mm,均是混凝土材质．其中参数设置为:中转台1的发射频率为434.75 MHz,接收频率为439.75 MHz,中转台2的发射频率为439.75 MHz,接收频率为434.75 MHz,频率带宽均为12.5 kHz,发射功率为25 W;中转台上安装的均是垂直极化的全向天线,最大增益为10 dBi,驻波比为1.3,对讲机使用的是全向天线,其极化方式是垂直极化,最大天线增益为0 dBi,驻波比为1.2,发射功率为5 W．中转台1和中转台2分别位于地面首层和地下负一层．中转台1相对于地面首层的高度为1 m．中转台2相对于地下负一层的高度为1 m,对讲机相对于地下负二层的高度为1.5 m．用射线追踪法可以仿真出负二层每个测试点的接收功率．

图4为位于地面首层上的中转台1发射信号时负二层的功率分布;图5为在增加中转台的情况下,由地下负一层的中转台2发射信号时,负二层的功率分布．从图4和图5可以明显看出,中转台1发射信号时,负二层的功率比中转台2发射信号时的功率小．说明在负一层接入中转台能够明显增强负二层的功率．两张图中均出现围绕中转台的带状功率分布,是由于信号的干涉效应引起的．

图4 负二层功率分布图

图5 增加中转台2后负二层功率分布图

3 试验分析

现场测试环境为地下二层停车场,每层长约35 m,宽约20 m．负一层、负二层平面图分别如图6、图7所示．

图6 负一层平面示意图

图7 负二层平面示意图

每层选9个位置作为测试点,按较均匀的9点点阵方式测试并记录测试点信号强度、语音通话效果结果．测试人员携带对讲机至测试点发起呼叫、记录测试点信号强度,地面首层及非测试点所在楼层的测试人员通过对讲机收听呼叫、评价并记录声音质量．测试结果如表4所示．

表4 测试结果

表4的测试结果显示,在中继对讲系统的覆盖区域内通信建立顺畅、通话质量良好,系统性能表现优越,很好地实现预期覆盖目标．

根据接收到的功率,将信号强度分为五个等级,其中小于-5 dB的为1格信号,(-5,-1] dB划为2格信号,(-1,5] dB为3格信号,(5,10] dB划为4格信号,(10,16] dB为5格信号．依据图7中各测试点的位置,表5给出了相应测试点的坐标,并给出了增加中转台后负二层的信号测试结果与仿真结果对比．

表5 测试与仿真结果对比

从表5的对比结果可以看出:大部分测试点的仿真结果与测试结果相吻合,测试点5和测试点9的信号强度与仿真结果不一致．这是因为这两个测试点附近的立柱引起信号反射所致．由于利用射线追踪进行理论仿真需要测试场景的所有参数,本文中由于部分参数无法准确获得(例如建筑材料的具体构成等),故无法完全再现测试场景,故仿真结果可能存在误差,但这不会改变比较结论．因此利用本文的方法能够有效扩大对讲机通信覆盖范围,增强信号功率．尤其是中转台所在位置对应到负二层区域的信号强度得到了明显增强．对解决临时信号覆盖效果明显．

4 结束语

本文使用中继台作为移动无线中继子系统,实现了对讲机信号的放大,最终达到延伸覆盖距离的目的．该方法将中转台、车载台、双工器等集成安装于定制的装备箱中,同时配备蓄电池箱为设备供电、移动部署;通过实地应用,整体装备方便搭建安装和拆除,出发时系统设备箱、电池箱、天线拆除放在工程车货箱内运输;到达维护现场将中继台箱、蓄电池拖至合适的位置部署,开启设备即可使用．该方法较高地提升了现场通信部署效率,解决了一线维护抢修人员在屏蔽环境中的通信难问题．该方法通过用户与中继对讲系统设备制造厂家的多次优化,系统工作稳定、对解决临时信号覆盖效果明显,在解决屏蔽环境中的对讲通信信号覆盖具有较好的推广价值．

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蔡耀广(1974—),男,广东人,高级工程师,主要从事电力系统通信技术与运行管理工作．

余勇(1986—),男,广东人,硕士,佛山供电局电力调度控制中心高级作业员,主要从事电力系统通信设备运行维护工作．

曹小冬(1986—),男,湖南人,硕士,现工作于广东电网佛山供电局,研究方向为电力无线通信系统．

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

蔡耀广, 余勇, 曹小冬, 等. 屏蔽环境对讲通信覆盖范围拓展应用研究[J].电波科学学报,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

中国南方电网科技项目(GDKJQQ20152025)

联系人： 蔡耀广 E-mail: 18664770760@163.com