無線局域網(wǎng)AP設(shè)備性能測試環(huán)境構(gòu)建方法研究

鐘大平

面對(duì)AP產(chǎn)品種類繁多、質(zhì)量參差不齊的局面，選擇性能優(yōu)異、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品顯得尤為重要。為準(zhǔn)確測試AP的各項(xiàng)吞吐量性能指標(biāo)，分析了AP設(shè)備吞吐量降低、波動(dòng)較大的原因，提出采用屏蔽室金屬表面附加木質(zhì)柵格介質(zhì)的方法來降低Q值。通過理論分析與仿真相結(jié)合的方法，獲得了木質(zhì)柵格的最佳尺寸。實(shí)驗(yàn)表明，該方法完全滿足AP設(shè)備性能測試要求，且具有建設(shè)周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

WLAN AP 性能測試環(huán)境 吞吐量 屏蔽室 木質(zhì)柵格

中圖分類號(hào)：TN925.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-06-0081-06

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的高速增長，蜂窩網(wǎng)面臨著巨大的流量壓力，移動(dòng)運(yùn)營商在移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上的投入與產(chǎn)出嚴(yán)重不成比例，迫切需要更有效的技術(shù)手段緩解所面臨的巨大壓力。考慮到WLAN網(wǎng)絡(luò)本身具有可移動(dòng)、高帶寬、低成本、簡單易用和擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)營商不約而同地將WLAN建設(shè)作為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。

WLAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的快速擴(kuò)張，使得提升WLAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的需求日益凸顯。除了不斷進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化外，面對(duì)AP（無線接入點(diǎn)）產(chǎn)品種類繁多、質(zhì)量參差不齊的局面，選擇性能優(yōu)異、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品也是快速提升業(yè)務(wù)質(zhì)量的最有效手段之一。若要準(zhǔn)確測試出AP的各項(xiàng)吞吐量性能指標(biāo)，必須具有穩(wěn)定且適用于AP產(chǎn)品特性的測試環(huán)境。本文針對(duì)在實(shí)驗(yàn)室中如何構(gòu)建AP的性能測試環(huán)境進(jìn)行深入研究，提出了一種實(shí)用性強(qiáng)、性能優(yōu)越且成本很低的環(huán)境構(gòu)建方法。

2 AP性能測試環(huán)境現(xiàn)狀

現(xiàn)有的AP性能測試環(huán)境主要有以下幾類：

（1）采用空曠場地測試：此方法容易實(shí)施，但隨著WLAN的普及，運(yùn)營商、企業(yè)、家庭架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)越來越多，加上WLAN本身采用2.4GHz的開放頻段，干擾信號(hào)（如微波爐、藍(lán)牙等）無處不在，很難保證周邊沒有信號(hào)干擾。因此，在干擾源不穩(wěn)定的情況下，無法準(zhǔn)確測量設(shè)備的性能指標(biāo)。

（2）采用微波暗室測試：可以有效屏蔽外部信號(hào)源的干擾，但無法體現(xiàn)設(shè)備的真實(shí)性能。這是因?yàn)?02.11n的MIMO（多輸入多輸出）/SDM（空分復(fù)用）應(yīng)用于衰落環(huán)境，可以有效地進(jìn)行多流傳輸。若采用微波暗室，由于反射較少，與MIMO設(shè)備適用的衰落分布場有較大差異，不能真正體現(xiàn)設(shè)備的真實(shí)性能。

（3）采用光滑表面屏蔽室測試：可以有效屏蔽外部信號(hào)源的干擾，但由于屏蔽室內(nèi)部表面采用光滑的金屬材料，極易發(fā)生電磁波鏡面反射，導(dǎo)致在接收天線處有較大頻率選擇性衰落，同樣不能很好地測量出設(shè)備的真實(shí)性能。

（4）采用帶有吸波材料的屏蔽室測試：可以有效屏蔽外部信號(hào)源的干擾，而且能有效控制鏡面發(fā)射，但建設(shè)周期長、價(jià)格昂貴。

基于上述情況，本文提出在屏蔽室內(nèi)壁附加木質(zhì)柵格的方法，即對(duì)第3類測試方法進(jìn)行改進(jìn)，其目的是降低屏蔽室金屬內(nèi)壁對(duì)電磁波的反射，構(gòu)造一種既能改善頻率選擇性衰落，又能適用于MIMO機(jī)制的無線電磁環(huán)境，從而可以準(zhǔn)確地測量AP的各項(xiàng)吞吐量性能指標(biāo)。

3 AP性能與測試環(huán)境的關(guān)

聯(lián)分析

在第3類測試方法中，光滑表面屏蔽室會(huì)引起較大的頻域選擇性衰落，從而導(dǎo)致AP設(shè)備的吞吐量明顯降低且波動(dòng)大，與空曠環(huán)境下的性能差別很大。其原因是屏蔽室由光滑的金屬板構(gòu)成，發(fā)射的電磁波按照鏡面反射，在接收天線處產(chǎn)生較大的頻率選擇性衰落，表現(xiàn)在頻域上就是OFDM（正交頻分復(fù)用）信道在整個(gè)頻帶的載波上SNR（信噪比）出現(xiàn)很大的頻率選擇性變動(dòng)，從而引入較大的ISI（符號(hào)間干擾），致使吞吐量與空曠無干擾環(huán)境相差較大。這一結(jié)論可以從實(shí)測結(jié)果對(duì)比和理論分析兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 反射情況的實(shí)測驗(yàn)證

屏蔽室金屬內(nèi)壁的反射情況可以通過以下方法進(jìn)行驗(yàn)證：多信號(hào)合成可以從EVM（向量誤差幅度）值來觀察，較大的EVM表示較多的信號(hào)合成，即反射較為嚴(yán)重。

圖1為AP與接收距離15cm的測試信號(hào)，為802.11g 54Mbps模式。接收天線垂直放置，在周圍（1m內(nèi)）沒有平整金屬面，可以看到EVM值為-21dB。

圖2配置與上述相同，只是在近處（30cm內(nèi)）放置一塊20cm×20cm的金屬擋板，此時(shí)反射更加嚴(yán)重，EVM下降至-17dB左右。其原因?yàn)榈竭_(dá)接收天線的強(qiáng)度相當(dāng)?shù)男盘?hào)增加，引起信號(hào)合成誤差。

金屬擋板引起的吞吐率變化也可以很好地驗(yàn)證前面的分析結(jié)論。在接收天線附近（30cm內(nèi)）沒有放置金屬擋板的情況下，整個(gè)頻道各個(gè)子載波的SNR基本一致；而一旦放置金屬擋板，不同子載波的SNR是不同的。

針對(duì)上述兩種情況做AP吞吐量的對(duì)比測試發(fā)現(xiàn)，在沒有放置金屬擋板時(shí)，上行吞吐量在84Mbps、下行吞吐量在66Mbps左右；而一旦放置金屬擋板，則吞吐量明顯下降，具體如圖3所示。

3.2 吞吐量降低原因和理論分析

根據(jù)微波理論，內(nèi)壁金屬的屏蔽室包含有非常多的諧振模，尺寸越大，腔體的Q值（表征屏蔽室對(duì)電磁波的吸收率）越高，此時(shí)反射越大。為了簡化分析，通過對(duì)邊長為0.2m的正方形腔體進(jìn)行仿真，得到其15個(gè)諧振模的分布，結(jié)果如圖4所示。

對(duì)于諧振模13和14進(jìn)行電場分布分析，并將其轉(zhuǎn)化為功率。其中，模式13的頻率為2.371 81GHz、Q為6 726，則其3dB帶寬為2.371 81/6 726≈35.263kHz，功率譜分布如圖5所示。

模式14的頻率為2.372 03GHz、Q為6 722，則其3dB帶寬為2.372 03/

6 722≈35.288kHz，功率譜分布如圖6所示。

上述仿真功率譜分布意味著如果在屏蔽室內(nèi)加入一個(gè)激勵(lì)（AP發(fā)射信號(hào)），則其信號(hào)強(qiáng)度在空間的分布如圖5和圖6所示。對(duì)于上述空間中的A點(diǎn)，在模式13下（主諧振頻率2.371 81GHz），可以接收到很強(qiáng)的信號(hào)；而在模式14下（主諧振頻率2.372 03GHz），信號(hào)強(qiáng)度則很弱。endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激勵(lì)起非常多的諧振模，此時(shí)屏蔽室的Q值很高，導(dǎo)致接收時(shí)在OFDM子載波的帶寬內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈頻率選擇性衰落。如果調(diào)制帶寬內(nèi)存在頻率選擇性衰落，則會(huì)引起符號(hào)間干擾，降低AP設(shè)備的吞吐量性能，并且容易出現(xiàn)吞吐量波動(dòng)的現(xiàn)象。

4 測試環(huán)境的改進(jìn)方案

從上述分析可以看出，若要解決屏蔽室反射問題，一個(gè)的方法就是降低屏蔽室的Q值，從而減小頻率選擇性衰落。降低Q值的通常方法是加載，即增加可吸收電磁波的介質(zhì)。

基于以上考慮，改進(jìn)方案采用在屏蔽室內(nèi)壁附加木質(zhì)柵格（介電常數(shù)3.7，損耗角正切0.05）的方式來改善Q值。

4.1 Q值的計(jì)算

根據(jù)電磁理論，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式獲得：

其中，τrms為時(shí)延擴(kuò)展均方根，表征信道多徑時(shí)延的大小，通常將屏蔽室的τrms調(diào)整為接近真實(shí)環(huán)境的時(shí)延擴(kuò)展即可；f為電磁信號(hào)的頻率；Qtotal表征諧振強(qiáng)度。

IEEE組織對(duì)各種信道的時(shí)延進(jìn)行了建模評(píng)估，具體參數(shù)如表1所示：

表1 各信道建模評(píng)估參數(shù)表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常規(guī)的辦公室環(huán)境；Model E代表一般開發(fā)空間下的環(huán)境。因此，如果要在屏蔽室中模擬辦公室環(huán)境，則選擇τrms=50ns。根據(jù)式（1）計(jì)算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木質(zhì)柵格尺寸計(jì)算方法

設(shè)木材條的深度為h，寬度為t，木材框格的內(nèi)尺寸為f×g，木材檔條在屏蔽室四壁上存在，按照?qǐng)D7建立參考坐標(biāo)系。

根據(jù)電磁場理論和微擾法計(jì)算可知，以TE10l模為例，Q值的計(jì)算公式如下：

+

（2）

其中，各參數(shù)含義如下：

Qorgin：未加載前的Q；

Qadd：加載后的Q，對(duì)于屏蔽室，Qorgin為存在金屬損耗時(shí)的Q，Qadd為加載木質(zhì)柵格后存在介質(zhì)損耗的Q；

μ：真空磁導(dǎo)率；

ε：真空介電常數(shù)；

εr：木材相對(duì)介電常數(shù)；

tanδ：木材損耗角正切；

K：真空波數(shù)，；

η：真空波阻抗，377歐；

RS：屏蔽室金屬壁表面電阻；

l：TE10l的標(biāo)號(hào)l；

a、b、d：分別為屏蔽室的長、寬、高；

h、t、f、g：分別為木質(zhì)柵格的深度、截面邊長、內(nèi)框長度、內(nèi)框?qū)挾取?/p>

因此，通過解方程可獲得如下關(guān)系：

+

（3）

其中，f、τrms可根據(jù)實(shí)際場景并結(jié)合表1中IEEE的有關(guān)規(guī)定取值。

4.3 木質(zhì)柵格尺寸的優(yōu)化

因?yàn)槎ㄖ担宜鯭total=2πf1×τrms為常數(shù)，則可確定出函數(shù)關(guān)系表達(dá)式：X（f，g，h，t）=K。其中，K為常數(shù)，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t為變量的函數(shù)。

為了提高屏蔽室反射電磁波發(fā)射波的均勻性，可以將木材檔條的間距設(shè)為波長附近，對(duì)于2.4GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；對(duì)于5.8GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此對(duì)于WLAN AP設(shè)備，一般同時(shí)支持2.4GHz和5.8GHz頻率，f和g的取值范圍為5.2～12.5cm效果較好。

將上述f和g的取值代入表達(dá)式，可獲得函數(shù)表達(dá)式：Y（h，t）=J，其中J為常數(shù)。對(duì)于h和t，從成本的角度，當(dāng)其面積最小時(shí)最省材料，根據(jù)表達(dá)式X（h，t）=J，當(dāng)（h*t）最小時(shí)，求得h=hmin、t=tmin，因此可確定h的取值范圍為h≥hmin、t的取值范圍為t≥tmin。

最后，結(jié)合屏蔽室的尺寸，在上述范圍內(nèi)適當(dāng)選擇f、g、h、t值，并通過軟件仿真，當(dāng)電磁信號(hào)強(qiáng)度分布較為均勻且局部不出現(xiàn)過高Q值時(shí)，即可獲得滿足要求的木質(zhì)柵格尺寸。

4.4 木質(zhì)柵格的選材方法

通過對(duì)幾種常見木材介電性質(zhì)的分析發(fā)現(xiàn)，采用馬尾松的指標(biāo)可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室內(nèi)造成豐富的場空間差異。如果采用損耗角正切更大的材料，則Q值更低。但實(shí)際上加入松木后的Q值，已經(jīng)可以滿足相關(guān)帶寬的要求。另外，木材的介電常數(shù)受含水率、密度、紋理方向和頻率等多種因素的影響。

4.5 新方案的實(shí)測驗(yàn)證

通過上述方法改造后，測試數(shù)據(jù)獲得了明顯改善，從而有效證明了該方法的有效性和實(shí)用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量為例，改造前為61.145Mbps，改造后為94.333Mbps，提升了54.3%。

5 結(jié)束語

本文就如何構(gòu)造滿足AP設(shè)備性能測試要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)屏蔽室光滑金屬表面產(chǎn)生鏡面反射，引起AP設(shè)備吞吐量降低且波動(dòng)較大的原因進(jìn)行了測試對(duì)比驗(yàn)證和詳細(xì)的理論分析，得出減小Q值可以改善頻率選擇性衰落的結(jié)論。而降低Q值的方法就是加載，即增加可吸收電磁波的介質(zhì)。因此，本文提出采用屏蔽室金屬表面附加木質(zhì)柵格的方法，并通過理論推導(dǎo)與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合，優(yōu)化得到木質(zhì)柵格的最佳尺寸。實(shí)驗(yàn)表明，該方法完全滿足AP設(shè)備性能測試要求。相比同類方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建設(shè)周期從3～6個(gè)月縮短為7天，建設(shè)成本僅為前者的1/20～1/15，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙昱. 無線局域網(wǎng)應(yīng)用介紹[J]. 當(dāng)代通信， 2000（10）.

[2] 王娜，周北琦，劉先會(huì)，等. 無線局域網(wǎng)設(shè)備天線性能測試[J]. 現(xiàn)代電信科技， 2012（5）： 32-34.

[3] 郝立平. 無線局域網(wǎng)性能的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2004.

[4] 張震，辛?xí)杂? 無線局域網(wǎng)非法AP定位方案研究[A]. 廣東通信2010青年論壇優(yōu)秀論文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的雙頻天線設(shè)計(jì)[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2011.★endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激勵(lì)起非常多的諧振模，此時(shí)屏蔽室的Q值很高，導(dǎo)致接收時(shí)在OFDM子載波的帶寬內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈頻率選擇性衰落。如果調(diào)制帶寬內(nèi)存在頻率選擇性衰落，則會(huì)引起符號(hào)間干擾，降低AP設(shè)備的吞吐量性能，并且容易出現(xiàn)吞吐量波動(dòng)的現(xiàn)象。

4 測試環(huán)境的改進(jìn)方案

從上述分析可以看出，若要解決屏蔽室反射問題，一個(gè)的方法就是降低屏蔽室的Q值，從而減小頻率選擇性衰落。降低Q值的通常方法是加載，即增加可吸收電磁波的介質(zhì)。

基于以上考慮，改進(jìn)方案采用在屏蔽室內(nèi)壁附加木質(zhì)柵格（介電常數(shù)3.7，損耗角正切0.05）的方式來改善Q值。

4.1 Q值的計(jì)算

根據(jù)電磁理論，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式獲得：

其中，τrms為時(shí)延擴(kuò)展均方根，表征信道多徑時(shí)延的大小，通常將屏蔽室的τrms調(diào)整為接近真實(shí)環(huán)境的時(shí)延擴(kuò)展即可；f為電磁信號(hào)的頻率；Qtotal表征諧振強(qiáng)度。

IEEE組織對(duì)各種信道的時(shí)延進(jìn)行了建模評(píng)估，具體參數(shù)如表1所示：

表1 各信道建模評(píng)估參數(shù)表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常規(guī)的辦公室環(huán)境；Model E代表一般開發(fā)空間下的環(huán)境。因此，如果要在屏蔽室中模擬辦公室環(huán)境，則選擇τrms=50ns。根據(jù)式（1）計(jì)算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木質(zhì)柵格尺寸計(jì)算方法

設(shè)木材條的深度為h，寬度為t，木材框格的內(nèi)尺寸為f×g，木材檔條在屏蔽室四壁上存在，按照?qǐng)D7建立參考坐標(biāo)系。

根據(jù)電磁場理論和微擾法計(jì)算可知，以TE10l模為例，Q值的計(jì)算公式如下：

+

（2）

其中，各參數(shù)含義如下：

Qorgin：未加載前的Q；

Qadd：加載后的Q，對(duì)于屏蔽室，Qorgin為存在金屬損耗時(shí)的Q，Qadd為加載木質(zhì)柵格后存在介質(zhì)損耗的Q；

μ：真空磁導(dǎo)率；

ε：真空介電常數(shù)；

εr：木材相對(duì)介電常數(shù)；

tanδ：木材損耗角正切；

K：真空波數(shù)，；

η：真空波阻抗，377歐；

RS：屏蔽室金屬壁表面電阻；

l：TE10l的標(biāo)號(hào)l；

a、b、d：分別為屏蔽室的長、寬、高；

h、t、f、g：分別為木質(zhì)柵格的深度、截面邊長、內(nèi)框長度、內(nèi)框?qū)挾取?/p>

因此，通過解方程可獲得如下關(guān)系：

+

（3）

其中，f、τrms可根據(jù)實(shí)際場景并結(jié)合表1中IEEE的有關(guān)規(guī)定取值。

4.3 木質(zhì)柵格尺寸的優(yōu)化

因?yàn)槎ㄖ担宜鯭total=2πf1×τrms為常數(shù)，則可確定出函數(shù)關(guān)系表達(dá)式：X（f，g，h，t）=K。其中，K為常數(shù)，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t為變量的函數(shù)。

為了提高屏蔽室反射電磁波發(fā)射波的均勻性，可以將木材檔條的間距設(shè)為波長附近，對(duì)于2.4GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；對(duì)于5.8GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此對(duì)于WLAN AP設(shè)備，一般同時(shí)支持2.4GHz和5.8GHz頻率，f和g的取值范圍為5.2～12.5cm效果較好。

將上述f和g的取值代入表達(dá)式，可獲得函數(shù)表達(dá)式：Y（h，t）=J，其中J為常數(shù)。對(duì)于h和t，從成本的角度，當(dāng)其面積最小時(shí)最省材料，根據(jù)表達(dá)式X（h，t）=J，當(dāng)（h*t）最小時(shí)，求得h=hmin、t=tmin，因此可確定h的取值范圍為h≥hmin、t的取值范圍為t≥tmin。

最后，結(jié)合屏蔽室的尺寸，在上述范圍內(nèi)適當(dāng)選擇f、g、h、t值，并通過軟件仿真，當(dāng)電磁信號(hào)強(qiáng)度分布較為均勻且局部不出現(xiàn)過高Q值時(shí)，即可獲得滿足要求的木質(zhì)柵格尺寸。

4.4 木質(zhì)柵格的選材方法

通過對(duì)幾種常見木材介電性質(zhì)的分析發(fā)現(xiàn)，采用馬尾松的指標(biāo)可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室內(nèi)造成豐富的場空間差異。如果采用損耗角正切更大的材料，則Q值更低。但實(shí)際上加入松木后的Q值，已經(jīng)可以滿足相關(guān)帶寬的要求。另外，木材的介電常數(shù)受含水率、密度、紋理方向和頻率等多種因素的影響。

4.5 新方案的實(shí)測驗(yàn)證

通過上述方法改造后，測試數(shù)據(jù)獲得了明顯改善，從而有效證明了該方法的有效性和實(shí)用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量為例，改造前為61.145Mbps，改造后為94.333Mbps，提升了54.3%。

5 結(jié)束語

本文就如何構(gòu)造滿足AP設(shè)備性能測試要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)屏蔽室光滑金屬表面產(chǎn)生鏡面反射，引起AP設(shè)備吞吐量降低且波動(dòng)較大的原因進(jìn)行了測試對(duì)比驗(yàn)證和詳細(xì)的理論分析，得出減小Q值可以改善頻率選擇性衰落的結(jié)論。而降低Q值的方法就是加載，即增加可吸收電磁波的介質(zhì)。因此，本文提出采用屏蔽室金屬表面附加木質(zhì)柵格的方法，并通過理論推導(dǎo)與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合，優(yōu)化得到木質(zhì)柵格的最佳尺寸。實(shí)驗(yàn)表明，該方法完全滿足AP設(shè)備性能測試要求。相比同類方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建設(shè)周期從3～6個(gè)月縮短為7天，建設(shè)成本僅為前者的1/20～1/15，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙昱. 無線局域網(wǎng)應(yīng)用介紹[J]. 當(dāng)代通信， 2000（10）.

[2] 王娜，周北琦，劉先會(huì)，等. 無線局域網(wǎng)設(shè)備天線性能測試[J]. 現(xiàn)代電信科技， 2012（5）： 32-34.

[3] 郝立平. 無線局域網(wǎng)性能的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2004.

[4] 張震，辛?xí)杂? 無線局域網(wǎng)非法AP定位方案研究[A]. 廣東通信2010青年論壇優(yōu)秀論文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的雙頻天線設(shè)計(jì)[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2011.★endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激勵(lì)起非常多的諧振模，此時(shí)屏蔽室的Q值很高，導(dǎo)致接收時(shí)在OFDM子載波的帶寬內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈頻率選擇性衰落。如果調(diào)制帶寬內(nèi)存在頻率選擇性衰落，則會(huì)引起符號(hào)間干擾，降低AP設(shè)備的吞吐量性能，并且容易出現(xiàn)吞吐量波動(dòng)的現(xiàn)象。

4 測試環(huán)境的改進(jìn)方案

從上述分析可以看出，若要解決屏蔽室反射問題，一個(gè)的方法就是降低屏蔽室的Q值，從而減小頻率選擇性衰落。降低Q值的通常方法是加載，即增加可吸收電磁波的介質(zhì)。

基于以上考慮，改進(jìn)方案采用在屏蔽室內(nèi)壁附加木質(zhì)柵格（介電常數(shù)3.7，損耗角正切0.05）的方式來改善Q值。

4.1 Q值的計(jì)算

根據(jù)電磁理論，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式獲得：

其中，τrms為時(shí)延擴(kuò)展均方根，表征信道多徑時(shí)延的大小，通常將屏蔽室的τrms調(diào)整為接近真實(shí)環(huán)境的時(shí)延擴(kuò)展即可；f為電磁信號(hào)的頻率；Qtotal表征諧振強(qiáng)度。

IEEE組織對(duì)各種信道的時(shí)延進(jìn)行了建模評(píng)估，具體參數(shù)如表1所示：

表1 各信道建模評(píng)估參數(shù)表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常規(guī)的辦公室環(huán)境；Model E代表一般開發(fā)空間下的環(huán)境。因此，如果要在屏蔽室中模擬辦公室環(huán)境，則選擇τrms=50ns。根據(jù)式（1）計(jì)算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木質(zhì)柵格尺寸計(jì)算方法

設(shè)木材條的深度為h，寬度為t，木材框格的內(nèi)尺寸為f×g，木材檔條在屏蔽室四壁上存在，按照?qǐng)D7建立參考坐標(biāo)系。

根據(jù)電磁場理論和微擾法計(jì)算可知，以TE10l模為例，Q值的計(jì)算公式如下：

+

（2）

其中，各參數(shù)含義如下：

Qorgin：未加載前的Q；

Qadd：加載后的Q，對(duì)于屏蔽室，Qorgin為存在金屬損耗時(shí)的Q，Qadd為加載木質(zhì)柵格后存在介質(zhì)損耗的Q；

μ：真空磁導(dǎo)率；

ε：真空介電常數(shù)；

εr：木材相對(duì)介電常數(shù)；

tanδ：木材損耗角正切；

K：真空波數(shù)，；

η：真空波阻抗，377歐；

RS：屏蔽室金屬壁表面電阻；

l：TE10l的標(biāo)號(hào)l；

a、b、d：分別為屏蔽室的長、寬、高；

h、t、f、g：分別為木質(zhì)柵格的深度、截面邊長、內(nèi)框長度、內(nèi)框?qū)挾取?/p>

因此，通過解方程可獲得如下關(guān)系：

+

（3）

其中，f、τrms可根據(jù)實(shí)際場景并結(jié)合表1中IEEE的有關(guān)規(guī)定取值。

4.3 木質(zhì)柵格尺寸的優(yōu)化

因?yàn)槎ㄖ担宜鯭total=2πf1×τrms為常數(shù)，則可確定出函數(shù)關(guān)系表達(dá)式：X（f，g，h，t）=K。其中，K為常數(shù)，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t為變量的函數(shù)。

為了提高屏蔽室反射電磁波發(fā)射波的均勻性，可以將木材檔條的間距設(shè)為波長附近，對(duì)于2.4GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；對(duì)于5.8GHz頻率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此對(duì)于WLAN AP設(shè)備，一般同時(shí)支持2.4GHz和5.8GHz頻率，f和g的取值范圍為5.2～12.5cm效果較好。

將上述f和g的取值代入表達(dá)式，可獲得函數(shù)表達(dá)式：Y（h，t）=J，其中J為常數(shù)。對(duì)于h和t，從成本的角度，當(dāng)其面積最小時(shí)最省材料，根據(jù)表達(dá)式X（h，t）=J，當(dāng)（h*t）最小時(shí)，求得h=hmin、t=tmin，因此可確定h的取值范圍為h≥hmin、t的取值范圍為t≥tmin。

最后，結(jié)合屏蔽室的尺寸，在上述范圍內(nèi)適當(dāng)選擇f、g、h、t值，并通過軟件仿真，當(dāng)電磁信號(hào)強(qiáng)度分布較為均勻且局部不出現(xiàn)過高Q值時(shí)，即可獲得滿足要求的木質(zhì)柵格尺寸。

4.4 木質(zhì)柵格的選材方法

通過對(duì)幾種常見木材介電性質(zhì)的分析發(fā)現(xiàn)，采用馬尾松的指標(biāo)可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室內(nèi)造成豐富的場空間差異。如果采用損耗角正切更大的材料，則Q值更低。但實(shí)際上加入松木后的Q值，已經(jīng)可以滿足相關(guān)帶寬的要求。另外，木材的介電常數(shù)受含水率、密度、紋理方向和頻率等多種因素的影響。

4.5 新方案的實(shí)測驗(yàn)證

通過上述方法改造后，測試數(shù)據(jù)獲得了明顯改善，從而有效證明了該方法的有效性和實(shí)用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量為例，改造前為61.145Mbps，改造后為94.333Mbps，提升了54.3%。

5 結(jié)束語

本文就如何構(gòu)造滿足AP設(shè)備性能測試要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)屏蔽室光滑金屬表面產(chǎn)生鏡面反射，引起AP設(shè)備吞吐量降低且波動(dòng)較大的原因進(jìn)行了測試對(duì)比驗(yàn)證和詳細(xì)的理論分析，得出減小Q值可以改善頻率選擇性衰落的結(jié)論。而降低Q值的方法就是加載，即增加可吸收電磁波的介質(zhì)。因此，本文提出采用屏蔽室金屬表面附加木質(zhì)柵格的方法，并通過理論推導(dǎo)與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合，優(yōu)化得到木質(zhì)柵格的最佳尺寸。實(shí)驗(yàn)表明，該方法完全滿足AP設(shè)備性能測試要求。相比同類方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建設(shè)周期從3～6個(gè)月縮短為7天，建設(shè)成本僅為前者的1/20～1/15，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙昱. 無線局域網(wǎng)應(yīng)用介紹[J]. 當(dāng)代通信， 2000（10）.

[2] 王娜，周北琦，劉先會(huì)，等. 無線局域網(wǎng)設(shè)備天線性能測試[J]. 現(xiàn)代電信科技， 2012（5）： 32-34.

[3] 郝立平. 無線局域網(wǎng)性能的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2004.

[4] 張震，辛?xí)杂? 無線局域網(wǎng)非法AP定位方案研究[A]. 廣東通信2010青年論壇優(yōu)秀論文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的雙頻天線設(shè)計(jì)[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2011.★endprint