有限空间WIFI无线信号覆盖测量系统设计研究

严屹

【摘要】众所周知，矿井内的环境空间是有限的，所以要想在有限的矿井空间内将WIFI信号完全覆盖是有很大的问题存在的。所以设计人员就针对这一难题设计了一种在有限空间内WIFI信号覆盖的精确的测量系统。这种系统把单片机硬件的技术还有Labview软件平台结合在一起，研发出了一种使用USB为总线的便携形式的功率计，这种设备用来测量WIFI无线信号的强弱度数值，这种设备的点频信号源是压控振荡器，而压控振荡器又必须要以精密的电压来进行控制，把这些集合在一起来完成对WIFI无线信号在有限空间强弱度的测量，并且把测量得到的数据进行收集、记录并对其进行分析，有必要时还要进行画图表进行显示。

【关键词】有限空间WIFI无线信号覆盖测量系统

随着通信技术发展的越来越快，煤矿在信息化技术这方面的要求也有了更高的要求，在较短的距离中的无线通信简称为SDR技术，就是以WIFI作为其代表的技术。SDR技术具有很多的优点和性能，比如说：发射功率低、系统容量大、消耗的功能低、传输的功率低等除了这些工作上的优点外，还具有很强的抗故障的能力，对故障的维修方便、可以很好地实现煤矿电路安全的设计等自身适合于煤矿本质的特点。因为这些优越的自身性能还有特点，让煤矿开采行业都在广泛的使用SDR这门信息化的技术。虽然在煤矿井下WIFI无线信号符合宽带网络设计建设的要求，但是由于煤矿井下的空间有限，WIFI网络信号的全面覆盖还是存在着很大的问题。因此我们在设计WIFI无线网络信号在有限空间的覆盖工程图纸时，一定要结合实际，使设计能够更好地适应有限空间里WIFI信号的覆盖。

一、无线电波的传播特性

1、无线电波在自由空间的传播特性

随着时间变化而产生变化的电场还有磁场是无线电波的组成部分，这两部分的电场和磁场之间是相互转化并且两者是相互依存的，在这种不断的转化和依存的条件下，进而渐渐的形成了一个既是统一又具有时变性的电磁场体系。

无线电波传播分为两种情况，一种是自由空间传播，还有一种是有限空间传播。无线电波在自由空间传播的形式就是无线电波的自由空间传播，自由空间在严格一点的情况下说就是一种理想的境界，在实际情况下不可能达不到这种超理想的境界。在微波通信里，通常情况下电波发射完信号天线辐射之后，信号的天线辐射里带有的能量是向辐射周围的空间不断扩散的，因此当辐射的能量到达天线的时候就只有一小部分了，信号辐射发射的地点距离天线越近，到达天线的能量就会越多，相反，距离越长，到达天线的能量就会越小，这种情况的出现就被叫做电波信号在自由空间传播中的衰减，也有专业的人员称它为自由空间之中电波信号的损耗。

2、无线电波在有限空间之中的传播特性

有限的空间里的无线电波的传播特性是非常复杂的，WIFI无线电波在煤矿井之下的传播形式就可以看做是无线电波在有限的空间环境里传播的一种情况。工人们煤矿井下的采集和挖掘煤炭的通道都是十分狭小的，通道内的地面有的粗糙还有的坎坷不平，周围有着煤碳和各种各样的石头，还有工人挖掘煤块所需要要用到的工具、手脚架、吹风机、钢轨、动力线等等物品，工人们工作的空间十分的狭小。而工人们工作的巷道又有着不同的物理结构，它们的巷口形状也是各异的，有长方形的还有正方形和梯形的，巷道的表面也是起伏不平的，有的倾斜，有的粗糙，还有的弯曲，深浅也不一样。所以当无线电波在煤矿井下的有限空间里传播时主要有以下几种方式：（1）直射波：是指在眼睛可以看到的范围内的没有任何遮拦的传播，它的损耗就是传播过程之中路径的损耗。（2）反射波：任何电波在传播时都会发生不同程度的反射。（3）绕射波：有一些不规则的物体和物质会存在于发射机和接收机之间，这些不规则的物体还有物质会在电波传播过程中使电波发生绕射，就是会有二次传播的情况在障碍物的表面发生。（4）散射波：散射波一般会发生在巷道的壁面，还有巷道的灰尘之中。

还有就是煤矿井内的有限空间环境十分复杂，使得WIFI无线电波的信号在传播时会受到些限制，会发生损耗，主要有以下几种情况：（1）路径传播的损耗：就是电波在自由空间传播中的损耗，它的损耗是接受信号信息平均值的直接反映。（2）慢衰落：指的是接收信号的值在较长时间内的缓慢的变化。（3）快衰落：主要与井下有限空间的环境还有多路径的效应有关。（4）多径效应：在煤矿井下的有限空间里有很多的反射、散射和折射现象，这使传播的环境更加的复杂多变了，接收机所接受到的信号是在各个环节过程中的总和量。

二、无线电波在有限空间的测量方法

1、有限空间内WIFI无线信号测量的方法

没有消耗且均匀的物质构成的空间就是我们所说的自由空间，自由的空间是无限大的空间，电导率在自由空间里为零，与之相对的介电常数还有磁导率也都为1，因此WIFI无线电信号在自由空间里的传播不会产生吸收，散射还有反射情况和现象。相比之下WIFI无线信号在有限空间里的传播就会有诸如反射、绕射和散射等的情况发生，所以根据WIFI信号在空间中的分布情况分析得知，我们要想了解WIFI信号在有限空间的分布情况，就一定要进行大量的测试。

2、有限空间无线信号测量设备的开发

WIFI无线信号的测量系统设备在煤矿井内的有限空间里主要有下面几种：（1）定向发射天线：发射的天线型号为HDJ-2400BKC14的定向天线发射，它有100M的宽带，是专门用来发射电频信号源的。（2）电频信号源：如图1所示，就是电频信号源的结构，它的精密电压源为7.2V的电池电压，把电压源内的直流电转化为直流的电压，让输出的电压值稳定在5V，再利用精密的电阻仪器对电压进行分压，并通过此种方法得到所需要的电压，然后再通过压控振荡器将输出的信号频率最终定在WIFI的信号频点，使用功率放大器将放射的信号功率进行无限的放大，让信号的强度逐渐增加，以此达到测量的要求。（3）功率计：我们要采用虚拟仪器的思想来进行功率计的设计工作，使设计出的功率计适合于USB的总线，适合于USB总线的这种功率器具有便携式的优点，功率器的整体结构主要有硬件系统和上位机软件系统。功率器射频信号的调理以及数据的采集和存储主要由功率计的硬件系统负责，通过USB接口来完成通信，采用50欧标准的SMA头作为射频信号的输入接口。由Labview来编写上位机系统的软件，使用它来接收数据，并且要对接收到的信号数据进行分析，还要对功率的显示进行校准，图2就是基于USB总线便携式功率计的结构示意图。（4）硬件系统设计。射频信号在通过SMA接口之后会进入到衰减网络里，并且在衰减网络里会使射频信号发生衰减，之后再通过检波电路把射频信号转换为低频信号，将低频信号在AD电路里实现模块的转换，再通过微控制器将模块逐渐的转变成模数，并且将得到的数据存储在外部存储器里，这样就可以有效地防止采集到的数据发生再次丢失的情况，最后再将数据从外部存储器里读取到USB的接口，这样一套工序下来之后，硬件系统和上位机之间的通信就完成了。其中上位机的结构如图3所示。

三、基于USB功率计校准

功率计是一种测量的设计仪器，它的测量的准确度是一项十分重要的指标。基于此，我们必须要采用合适的测量算法，把采集到的数据转化为对应的功率值，让测量的精度和我们预定的误差值不会有太大的差别。功率计工作的校准主要是AD采样值还有转换的功率值之间的关系以及转换值的误差等。频率在800M-6GHz范围之内的所有的射频信号都是本功率计的测量范围也就是我们平常所说的-50~+10dBm之间的射频信号。AD采样的数据功率可以假定为Pad，实际的功率就可以认为是Pw，我们运用最小二乘法将采样值的功率和实际的功率拟成这样的关系公式：Pw=k×Pad+B，其中B是一个定值，然后再对频响误差进行补偿，但是不同的功率计其所反映的功率值也不相同，所以就会有频响误差的存在。

四、有限空间WIFI无线信号的测量

本文之中的设计对于有限空间WIFI信号的测量进行了系统而全面的准备，使人员可以更好的对无线信号进行系统的测量，从而得到WIFI信号覆盖的数据，更好地为我们完善设计做出贡献，我们还可以通过测量的结果制作出一个宏观的系统的图表，并且将所得到的数据制成一个折线统计图，我们可以从图表中得到关于有限空间WIFI无线信号的覆盖结果。图表如4：

五、结语

对于有线空间内的WIFI无线信号覆盖的测量是一項复杂且艰难的工作，我们一定要做好相应的设计，把测量的工作系统化，使有限空间内WIFI无线信号的测量工作的困难可以得到一定的缓解，为煤矿井下的开采工作提供便利，使经济和科技得到更好的发展。

参考文献

[1]秦刚. 有限空间之“无线”办公[J]. 微电脑世界，2001（11）

[2]杨维，孙继平，程时昕. 矿井无线通信与频率资源利用[J]. 煤炭学报，2001（05）

[3]杨维，冯锡生，孙继平，程时昕. 新一代全矿井无线信息系统理论与关键技术[J]. 煤炭学报，2004（04）