基于无源器件的消防多跳自组网设备级联测试平台设计

倪永智

（大连市经济技术开发区消防救援大队 辽宁省大连市 116602）

1 引言

近年来随着我国社会经济不断发展，城市建筑愈加密集化、复杂化、立体化，出现了越来越多的高层、超高层、大型综合体、大型地下空间等建筑群。此类建筑材质一般均为钢混结构，建筑结构复杂对无线信号的衰减、吸收非常大，室外移动信号无法完全覆盖建筑内部，建筑内一旦发生火灾，极易出现断网、断电等情况，这给消防应急救援人员建筑内通信保障造成了极大挑战。

为了解决建筑物内应急通信保障的难题，近年来消防救援队伍将无中心自组网技术应用到现场的无线通信保障方面，并取得了良好的通信效果。无中心自组网技术（也叫做mesh network 或者ad hoc network），是一种以所有节点“平等、独立”为原则的组网技术。节点之间不存在依赖关系，相互之间通过协商来进行组网和数据传输。由于其易于布放，能够自组织、自恢复，可以通过多跳组成非视距下无线宽窄带传输链路，当前已成为搭建复杂环境下无线通信链路的主要解决方案。

但是，市场上现有自组网通信产品种类繁多，各厂商产品的结构、射频参数、天线性能、协议、接口均不一致，消防救援领域内也尚未出台统一的国家及行业标准规范来要求自组网设备的性能和业务测试方法，用于评价自组网设备的性能优劣。而自组网设备性能中多跳后网络的传输带宽和传输时延是评价自组网网络性能极为关键的指标，由于自组网设备间在组网过程中设备间互为中继，从而能够形成多条链路用于数据的传输，这也是自组网设备的优势，但这种优势在实际测试中又成为“多跳”测试的障碍，实际测试中无法模拟出“链状”、“多跳”的网络传输结构；同时市场上现有的自组网设备的频率、功率、接口、天线增益等参数都不一样，如何抛开这些不同参数而直接评价自组网设备的组网性能也是一个技术难点。

目前，评价自组网设备的业务性能一般采用在真实环境中实测业务的方式，如测试点对点设备间极限通信距离、带宽、时延、抖动、响应时间、误码等指标，测试多跳（2 跳、3 跳、4 跳…N 跳）下首台设备在单组网（链状）链路下和最后一台设备间通信链路的带宽、时延、抖动、响应时间、误码等参数。现有的多跳下自组网链路业务指标测试方法存在如下弊端：

（1）由于自组网设备的高度自组织、自恢复特点，多台设备容易互联互通形成网状或其他复合型网络拓扑，组建链状拓扑较为困难，需要多人协同配合，依托距离或遮挡搭建链状拓扑。

（2）即便已经组成了链状网络拓扑，以4 台设备3 跳为例，在无遮挡空旷环境中测试，首台设备和最后一台设备间距一般能达到5 公里以上，在有遮挡的环境中如高层空间、大型综合体内测试，依靠建筑物的遮挡通信距离会拉近一些。采用上述两种方法进行组网测试，由于距离和环境遮挡对无线信号的衰减、吸收、折射、反射、干扰等客观因素，会极大的影响设备的通信性能，带来诸多不确定因素，从而无法客观的测试出设备最真实的业务性能指标。

（3）不同厂商间设备功率、频率、接口、天线性能均不一致，如果以上述测试方法获取的指标进行设备间比对，也缺少严谨性。

通过上述分析可以看出，目前自组网测试领域还缺少高效、合理的平台和方法来测试及评估自组网设备多跳链路的性能，传统的测试方法一是需要投入较多的人力、物力到测试中，会花费较大的时间来搭建链状组网链路，二是极易受到外界环境因素的影响，造成测试结果的不准确、不合理。

2 平台组成

为了解决上述难题，文中设计出了一种基于无源器件的多跳自组网设备级联测试装置，现有的多跳自组网业务性能测试一般在室外或复杂建筑内进行，需要多人协同配合，且链状网络拓扑形成非常困难，多台设备间容易组成网状或其他复合型网络，为多跳下设备业务性能测试带来极大的困难，同时也易于受到环境和外界其他噪声干扰和无线信号干扰。本装置可促使多台自组网设备链状组网更为简单、易于实现、减少外界环境对设备的干扰，测试出最真实、准确的多跳自组网设备业务性能，可以更为客观的对自组网设备进行评判。

与传统测试方式相比本平台具有如下优点：

（1）多台自组网设备通过本装置级联后即可在实验室内组成N 跳自组网链状通信链路，仅需一名人员即可完成测试环境搭建和性能测试操作；

（2）本装置具备屏蔽结构可屏蔽不同频段的无线干扰及噪声信号，排除测试过程外界无线信号和噪声对设备的干扰，使测试结果更为精准。

（3）可降低天线、设备功率对测试结果的影响，可对不同厂商的测试数据进行比对分析。

（4）搭配信道仿真模块及噪声模块，可以模拟测试设备在不同场景、信道、干扰源下的通信性能指标，对于设备的研发和实战应用有很大的帮助。

2.1 测试平台结构

平台由若干个被测试自组网设备、信号屏蔽子模块、信号级联子模块、信道仿真子模块、测量子模块组成。详细结构见图1。

图1：测试平台结构图

被测试自组网设备具有2 路射频输出接口，用于配接不同类型天线，2 路天线用于无线信号的发送和接；2 路射频输出接口类型不定，如射频输出接口不是N 型口，需配备2 个转换接口转换为N型口；被测试自组网设备可固定放置在信道屏蔽子模块中，通过2路射频接口连接负载和衰减器后，连接信道屏蔽子模块内2 路N 型射频接口，将无线信号通过2 路N 型射频接口进行信号的发送和接收。

信道屏蔽子模块为具备射频微波屏蔽功能的箱体，用于放置1个被测试自组网设备，能够屏蔽外界其他信号和噪声的干扰，且能够屏蔽箱体内自组网设备无线信号的溢出；模块集成了1 块负载，负载可选配，根据被测试自组网设备发射功率的不同选择不同型号的负载；模块集成了2 路衰减器，衰减器可选配，根据被测试自组网设备发射功率的不同选择不同型号的衰减器；模块具有2 路N 型射频接口和1 路RJ45 网络输出接口；2 路N 型射频接口连接信道仿真模块；1 路RJ45 接口连接测试笔记本。

链路级联子模由双臂电桥（3dB）和射频线缆构成，双臂电桥固定在屏蔽箱体内，箱体能够屏蔽外界其他信号和噪声的干扰，且能够屏蔽箱体内自组网设备无线信号的溢出，将被测自组网设备的无线信号转化到有线链路上进行定制传输；模块具备2 路输入N 型口和2 路输出N 型口，内部线缆连接双臂电桥和N 型输入输出接口。

测量子模块由IxChariot 服务端和IxChariot 客户端构成，IxChariot 服务端和客户端通过网络线缆接入信道屏蔽子模块RJ45接口，IxChariot 客户端定制IP 地址和4 传输进程，向IxChariot 服务端发送500Mb 字节数据，记录数据传输的瞬时速率、平均速率、瞬时带宽、平均带宽、瞬时延时、平均延时和数据误码率等等数据。

2.2 测试平台搭建

为了确保系统的隔离效果电桥优先选择三阶互调≤-140dBc，驻波比≤1.3 的器件。所配置的信号屏蔽子模块和链路级联子模块数量根据实际测试的路由跳数进行配置，首台和末台信号屏蔽子模块内需要配置1 台待测自组网设备、1 个负载、1 个电桥和1 组衰减器，其他中间信号屏蔽子模块内配置1 台待测自组网设备、1 个电桥和1 组衰减器，为了保障设备间的隔离度，避免产生相邻设备的链路级联，衰减器衰减值取值≥50dBm，所有端口使用射频线缆进行连接。现有的宽带自组网设备常用频段包括600MHz、1.4GHz、1.8GHz、2.4GHz 等，因此本测试装置需要支持500M-2.6GHz 频段，现有的无源器件支持频段包括350-1000MHz，800-2700MHz，因此本装置需要准备支持上述频段的2 套链路级联子模块。本平台支持在任意相邻的2 台屏蔽子模块间插入信道仿子模块，测试自组网设备在不同信道及干扰情况下性能指标，无源器件指标及数量选择可参见表1。

表1：测试平台无源器件指标及数量配置

待测自组网设备全部开机后，由于自组网设备发射端未连接天线，只连接了射频线缆和无源器件，因此射频信号通过射频线缆从设备各端口完成收发工作，由于电桥具备对射频信号的隔离特性，因此射频信号只能到达相邻设备，无法与其他非相邻设备联通。设备开机后可通过查看网络拓扑图的方式检查链状链路是否组网成功。

2.3 信号屏蔽子模块结构设计

信号屏蔽子模块结构如图2所示，根据市场大部分自组网设备的尺寸，设计本模块的尺寸约为500mm*500mm*200mm，模块采用铸铝材质，对信号的实际屏蔽效果约90dB 以上，模块箱体外预留2 个N 型射频接口，1 个RJ45 接口和1 个可拆卸预留接口。

图2：信号屏蔽子模块结构图

2.4 平台测试流程

流程图如图3所示。

图3

第一步，开始；

第二步，确定被测自组网设备的使用频段，选择频率、功率匹配的链路级联子模块；

第三步，将被测设备放入信号屏蔽子模块内，使用链路级联子模块连接好各个自组网设备以及信号屏蔽子模块；

第四步，被测设备上电开机，关好信号屏蔽子模块，测量子模块连接好首台和末台信号屏蔽子模块网口；

第五步，登录设备查看链状网络拓扑是否组网成功，如果未成功检查原因，直到组网成功为止；

第六步，开始测试设备业务性能，形成记录；

第七步，结束。

2.5 设备接收信号场强

为了确保设备接收信号场强在合理范围内，设备的接收场强Rx、设备发射功率P、衰减器衰减值Ls、无源器件插入损耗值Lw、线缆损耗值Lx，需满足如下关系：

即：-55dBm ≤Rx= P-Ls-Lw-Lx ≤-75dBm

此强度范围可以保障设备接收信号、信噪比在合理范围内，对相邻设备不会产生干扰，可以保证测试出更为真实准确的业务性能指标。

3 结论

应急管理部正在规划建设“战术互联网”，用来满足现场应急通信、指挥控制、救援装备、现场感知等信息的综合传输与交换的需要，未来应急通信保障核心将由后方指挥中心向前方指挥部转移，现场通信网络能力需要大幅增强，宽带自组网设备的综合性能对应急救援现场的重要性也越来越高，因此，准确、客观、有效的评价出多跳自组网的整体性能，显得越发重要。本文以业务应用为驱动设计了基于无源器件的多跳自组网设备级联测试平台，并对测试平台进行了详细的设计，未来我们计划在现有平台功能的基础上，增加针对多跳无网络射频性能的测试模块，以便更为全面的评价多跳自组网的整体性能。