汪志斌

為了有效提升無線電頻率資源的利用效率，深化各類新無線電業(yè)務(wù)應(yīng)用，提高“智慧城市”建設(shè)的承載能力，上海市無線電管理局經(jīng)過大量系統(tǒng)建模、方案論證，提出了基于無線傳感器的網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全面具體技術(shù)要求，并制定了在市中心商務(wù)區(qū)和虹橋交通樞紐兩塊區(qū)域內(nèi)建設(shè)網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)網(wǎng)的計(jì)劃，探索無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)格化實(shí)時(shí)監(jiān)控之道。

2012年，虹橋綜合交通樞紐和徐家匯商圈網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目已進(jìn)展到最后選址架設(shè)階段。而在此之前，上海已在成都建設(shè)了一個(gè)由8個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的小規(guī)模網(wǎng)格化試驗(yàn)網(wǎng)。出于對(duì)成都網(wǎng)的測(cè)試評(píng)估，以及對(duì)上海籌建大規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)測(cè)試的前期考慮，相關(guān)部門提出了初步測(cè)試預(yù)案，用以指導(dǎo)即將開展的新系統(tǒng)測(cè)試。

網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由大量無線傳感器組成的一種頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，得益于高密度的傳感器，它可以生成布設(shè)地域內(nèi)的、較為詳盡的、實(shí)時(shí)電磁頻譜分布圖。從用戶的視角看，就是將布設(shè)地域劃分為一個(gè)個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域中心設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器，而監(jiān)測(cè)靈敏度要求決定了每個(gè)小區(qū)域的大小。

眾所周知，網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種新型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，沒有先例可以遵循。作為一種科學(xué)理論的嘗試，其測(cè)試不應(yīng)僅對(duì)一個(gè)投資項(xiàng)目進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)收，而應(yīng)該密切關(guān)注系統(tǒng)在不同級(jí)別的要求，其各個(gè)不同方面的表現(xiàn)都應(yīng)該被記錄，以方便后續(xù)研究。

總體而言，網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試主要包括天線、傳感器、監(jiān)測(cè)網(wǎng)三個(gè)主要部分。傳感器應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試，而天線要求開闊場(chǎng)測(cè)試。它們都是成熟的產(chǎn)品，對(duì)于它們的測(cè)試可以在出廠時(shí)結(jié)合進(jìn)行，由無線電管理部門派人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。而監(jiān)測(cè)網(wǎng)的測(cè)試要在實(shí)際的城市環(huán)境中進(jìn)行。作為系統(tǒng)的核心指標(biāo)，其是主要關(guān)注對(duì)象。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原則

網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試包括信號(hào)源設(shè)置、測(cè)試條件分類、性能測(cè)試的測(cè)試條件設(shè)置原則、功能測(cè)試的測(cè)試條件設(shè)置原則及測(cè)試結(jié)果處理五個(gè)主要步驟。

信號(hào)源設(shè)置：信號(hào)源應(yīng)該被設(shè)置成可以在各種參數(shù)的組合狀態(tài)下工作，以覆蓋各種可能的情形。這些參數(shù)包括典型的功率電平，載波頻率，信號(hào)帶寬和調(diào)制方式。

測(cè)試條件分類：定義的測(cè)試條件應(yīng)該是便于操作和可重復(fù)驗(yàn)證的。在功能性測(cè)試中，測(cè)試條件是描述性的。在性能測(cè)試中，測(cè)試用例的某些元素需要精確的定義。

性能測(cè)試的測(cè)試條件設(shè)置原則：測(cè)試條件比如信號(hào)源位置，應(yīng)該置于這樣一些地點(diǎn)，使之能夠模擬最極端情況下網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，以得到最可靠的結(jié)果。

功能測(cè)試的測(cè)試條件設(shè)置原則：這種情形下，要更多考慮實(shí)用性。在某些情況下，極端條件下得到結(jié)果或者并不適合用來作為聲稱的系統(tǒng)指標(biāo)，選擇合適的業(yè)務(wù)類型和信號(hào)類型更為關(guān)鍵。

測(cè)試結(jié)果處理：由于多徑效應(yīng)和時(shí)變衰落的影響，測(cè)試結(jié)果在某種程度上是些隨機(jī)值。它們不能簡單地被平均，標(biāo)稱的性能指標(biāo)應(yīng)該是在預(yù)定義的置信度之下的經(jīng)過處理的結(jié)果。

特色功能測(cè)試要素

網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特色功能，是指那些使系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新功能，包括更弱信號(hào)的發(fā)現(xiàn)、寬帶信號(hào)的定位以及同信道信號(hào)的區(qū)分。

測(cè)試設(shè)計(jì)的要素包括：無線電輻射目標(biāo)、信號(hào)源、理想網(wǎng)格化拓?fù)淠Ｐ汀⑦吔缃化B區(qū)域、最小輻射區(qū)域、環(huán)境要求等。

監(jiān)測(cè)的無線電輻射目標(biāo)頻率范圍為30～3000MHz，等效全向輻射功率≥1W，持續(xù)時(shí)間 ≥100ms；信號(hào)源工作于30～3000MHz，其中全向天線增益從 -1 ～ -2dB，功放最大增益 ≥30dB，信號(hào)發(fā)生器的電平穩(wěn)定度≤0.5dB。

理想網(wǎng)格化拓?fù)淠Ｐ图僭O(shè)所有傳感器等距離布設(shè)，令該距離為λ，傳感器和信號(hào)源之間的高度差被忽略以簡化模型；邊界交疊區(qū)域指四個(gè)彼此相鄰的網(wǎng)格交疊區(qū)域。按照理想模型的架設(shè)，可以計(jì)算出交疊區(qū)域的中心到這四個(gè)網(wǎng)格中心對(duì)應(yīng)傳感器的距離都是/2；最小輻射區(qū)域指半徑為λkm的一個(gè)圓形區(qū)域，當(dāng)信號(hào)源置于最小等效全向輻射功率下時(shí)，它應(yīng)當(dāng)可以被最少三個(gè)距離為 λ km 之外的傳感器發(fā)現(xiàn)。這是為了保證網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行TDOA定位操作。

測(cè)試環(huán)境要求溫度為 -20℃～+55℃，相對(duì)濕度 ≤95%，電源為AC 220V±10% 、50Hz±2.5Hz，風(fēng)速≤28m/s。

監(jiān)測(cè)靈敏度測(cè)試用例

步驟一：將信號(hào)源放置于邊界交疊區(qū)域靠近中心的位置；

步驟二：配置信號(hào)源設(shè)定輸出功率為3W，載波為2.5 GHz到3GHz間的某值，采用CW調(diào)制方式；

步驟三：在指揮中心運(yùn)行控制臺(tái)軟件，啟動(dòng)信號(hào)源周圍的四個(gè)最近的傳感器，掃描包含載波頻率的一個(gè)頻段，觀察是否可以發(fā)現(xiàn)該信號(hào)。如果四個(gè)傳感器都發(fā)現(xiàn)了該信號(hào)，則進(jìn)行下一步；

步驟四：降低輸出功率，重復(fù)上一步驟，直到至少一個(gè)傳感器無法發(fā)現(xiàn)該信號(hào)，這時(shí)的輸出功率對(duì)應(yīng)該地的靈敏度S1；

步驟五：將信號(hào)源換到另外一個(gè)邊界交疊區(qū)域，重復(fù)步驟二到四，以得到對(duì)應(yīng)該地的靈敏度S2；

步驟六：遍歷區(qū)域內(nèi)所有N個(gè)邊界交疊區(qū)域，得到N個(gè)局部靈敏度值 s1， s2…sN。則系統(tǒng)靈敏度S=max {s1， s2…sN}。

TDOA定位精度測(cè)試用例

步驟一：沿監(jiān)測(cè)網(wǎng)邊界選取20個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)點(diǎn)，重復(fù)二至六的各項(xiàng)步驟；

步驟二：獲取GPS 數(shù)據(jù)；

步驟三：信號(hào)源開機(jī)。設(shè)置調(diào)制方式為QPSK。設(shè)置信號(hào)持續(xù)時(shí)間為2秒；

步驟四：依次設(shè)置載波為50 MHz， 100 MHz， 200 MHz， 400 MHz， 800 MHz， 1600 MHz， 3000 MHz。分別對(duì)應(yīng)信號(hào)帶寬12.5 kHz， 25 kHz， 100 kHz， 200 kHz， 1.25 MHz；

步驟五：設(shè)置輸出功率為1W。在指揮中心啟動(dòng)控制臺(tái)軟件對(duì)以上的每個(gè)載波和帶寬組合應(yīng)用TDOA定位操作；

步驟六：計(jì)算每種組合下給定置信度下的定位偏差。記錄最大值為該點(diǎn)的精度值；

步驟七：計(jì)算所有20個(gè)點(diǎn)的精度平均值，得到最后的定位精度數(shù)據(jù)。

同信道信號(hào)區(qū)分測(cè)試用例

步驟一：將兩個(gè)信號(hào)源置于鄰近的任意兩個(gè)網(wǎng)格中；

步驟二：兩個(gè)信號(hào)源開機(jī)。設(shè)置其工作于30 MHz 到 3GHz 間的某個(gè)固定載波頻率，信號(hào)帶寬均為25 kHz，F(xiàn)M 調(diào)制。設(shè)置輸出功率為1W；

步驟三：設(shè)置周圍傳感器工作于寬帶掃描模式；

步驟四：啟動(dòng)指揮中心控制臺(tái)軟件，對(duì)兩個(gè)信號(hào)源同時(shí)進(jìn)行TDOA定位操作；

步驟五：核查定位結(jié)果是否對(duì)應(yīng)真實(shí)的信號(hào)源位置。

上述內(nèi)容覆蓋了網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試原則和一些用例。值得注意的是，由于地形及網(wǎng)格化理想模型的限制，這些用例在某些情況下可能并不是那么準(zhǔn)確，但其代表的原則無疑是普適的。人們期待著在即將到來的大規(guī)模測(cè)試中，其能夠得到真正的應(yīng)用和檢驗(yàn)。