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    煤礦無線通信閾功率測(cè)量不確定度的評(píng)定和判定風(fēng)險(xiǎn)研究

    2023-09-25 13:04:09鄭小磊
    現(xiàn)代信息科技 2023年16期
    關(guān)鍵詞:測(cè)量不確定度無線通信

    摘 ?要:隨著煤礦智能化的快速發(fā)展,5G、Wi-Fi 6等大功率無線基站開始應(yīng)用于煤礦井下,但是目前5G、Wi-Fi 6等的射頻閾功率已經(jīng)非常接近GB/3836.1-2021中對(duì)射頻閾功率規(guī)定的上限,存在很大的誤判風(fēng)險(xiǎn)。文章通過闡述無線射頻閾功率測(cè)量不確定的評(píng)定以及對(duì)判定風(fēng)險(xiǎn)的研究,給出了無線通信閾功率測(cè)量不確定的評(píng)定方法,結(jié)合測(cè)量不確定度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,給出了各種情況下對(duì)測(cè)量結(jié)果判定的方法和風(fēng)險(xiǎn)水平,可以有效降低檢測(cè)中心在無線通信閾功率測(cè)量中的判定風(fēng)險(xiǎn)。

    關(guān)鍵詞:無線通信;閾功率;測(cè)量不確定度;判定風(fēng)險(xiǎn)

    中圖分類號(hào):TN929.5;TD65 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? 文章編號(hào):2096-4706(2023)16-0019-05

    Research on Evaluation and Determination Risk of Measurement Uncertainty of Threshold Power of Coal Mine Wireless Communication

    ZHENG Xiaolei

    (1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou ?213015, China; 2.The State Work Safety Changzhou Inspection and Testing Center for Mine Communication and Monitoring Devices, Changzhou ?213015, China)

    Abstract: With the rapid development of coal mine intelligence, high-power wireless base stations such as 5G and Wi-Fi 6 have begun to be used in coal mines. However, the RF threshold power of the current 5G and Wi-Fi 6 has been very close to the upper limit of the RF threshold power specified in GB/3836.1-2021, and there is a great risk of miscalculation. This paper describes the evaluation of the uncertainty in the measurement of radio frequency threshold power and the study of the determination risk, and gives the evaluation method of the uncertainty in the measurement of radio communication threshold power. Combining the influence of the measurement uncertainty on the measurement results, it gives the method and risk level of the determination of the measurement results under various circumstances, which can effectively reduce the determination risk of the detection center in the measurement of radio communication threshold power.

    Keywords: wireless communication; threshold power; measurement uncertainty; determination risk

    0 ?引 ?言

    目前,煤礦正處于由人力勞動(dòng)、機(jī)械化向信息化、自動(dòng)化、智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期[1]。寬帶無線通信技術(shù)將發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì),賦能煤礦生產(chǎn)管理新范式,加速綠色、高效、安全的智慧礦山建設(shè)。寬帶無線通信主要有5G(5th Generation Mobile Networks或5th Generation Wireless Systems)和Wi-Fi 6等[2]。

    由于煤礦井下電磁環(huán)境惡劣,干擾因素多,5G和Wi-Fi 6工作頻率較高,為了保證煤礦井下無線通信距離和通信質(zhì)量,需要增大無線射頻發(fā)射功率或者選用更大增益的天線。但是GB/T 3836.1—2021[3]中6.6.2條對(duì)射頻閾功率有明確的定義和規(guī)定,比如I類設(shè)備射頻閾功率不能大于6 W,即用于煤礦井下的無線通信設(shè)備天線前的發(fā)射功率加上天線增益后的閾功率不能大于6 W。針對(duì)多端口的基站類設(shè)備,根據(jù)安標(biāo)國家中心〔2020〕36號(hào)文中的規(guī)定,等還需要考慮功率疊加?;鹃摴β蕿槊柯钒l(fā)射端的最大閾功率之和[4]。

    在5G無線通信技術(shù)之前,煤礦井下無線設(shè)備發(fā)射功率不大,閾功率遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求,此時(shí)尚未帶來判定的風(fēng)險(xiǎn),但是現(xiàn)在5G、Wi-Fi 6等的射頻閾功率已經(jīng)接近或者超過閾功率的上限要求,如果采用傳統(tǒng)的簡單接受/拒絕判定規(guī)則,則存在著較大的誤判風(fēng)險(xiǎn)??紤]測(cè)量不確定度后進(jìn)行判定,則要相對(duì)科學(xué)。但是考慮測(cè)量不確定度后,測(cè)量結(jié)果就會(huì)有多種可能,比如加上測(cè)量不確定度后,上限可能小于等于要求的上限值或者大于要求的上限值,此時(shí)針對(duì)不同的情況需要采用不同的判定方法,以降低誤判的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)不能直接做出判定的測(cè)量結(jié)果,我們可以采用降低測(cè)量不確定度或者進(jìn)行符合性聲明的包含概率的計(jì)算來進(jìn)行判定。

    1 ?簡單接受/拒絕判定規(guī)則及風(fēng)險(xiǎn)水平

    簡單接受/拒絕判定規(guī)則定義為在不考慮檢測(cè)不確定度影響的情況下,如果檢測(cè)結(jié)果在規(guī)定指標(biāo)的范圍內(nèi),則判定為合格,反之則判定為不合格。這種判定方法存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

    由圖1可以看出,對(duì)于情況(a)和(d)而言,可以直接判定為符合(正確接受)和不符合(正確拒絕)。對(duì)于情況(b)和(c)而言,若不考慮測(cè)量不確定度,就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的接受和錯(cuò)誤的拒絕兩種風(fēng)險(xiǎn)。尤其當(dāng)樣品的檢測(cè)值接近容許范圍的邊界值時(shí),該錯(cuò)誤評(píng)定的風(fēng)險(xiǎn)可高達(dá)50%(檢測(cè)值符合正態(tài)分布的情況)。對(duì)于上例而言,若上限值為6 W,檢測(cè)值也為6 W時(shí),根據(jù)簡單接受/拒絕判定規(guī)則,可判定為符合,但是此時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)很大,錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)可高達(dá)50%,即合格和不合格的概率各為50%。

    目前煤礦用2G、3G、4G等無線通信設(shè)備的發(fā)射功率比較小,一般閾功率遠(yuǎn)小于6 W,即圖1中(a)情況,此時(shí)采用簡單接受/拒絕判定規(guī)則對(duì)結(jié)果進(jìn)行判定風(fēng)險(xiǎn)較小,但是針對(duì)5G和Wi-Fi 6等新技術(shù)時(shí),閾功率很有可能接近6 W,此時(shí)如果不考慮測(cè)量不確定度,采用簡單接受/拒絕判定規(guī)則則有很大的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生錯(cuò)誤的判定,對(duì)檢測(cè)中心整體的質(zhì)量管控風(fēng)險(xiǎn)都有影響。

    2 ?測(cè)量不確定度和判定風(fēng)險(xiǎn)

    針對(duì)閾功率這種數(shù)值型結(jié)果,當(dāng)測(cè)量值接近限值,根據(jù)GB/T 27025—2019[5]中的規(guī)定,檢測(cè)報(bào)告需出具測(cè)量不確定度。RB/T 197—2015[6]中規(guī)定,當(dāng)測(cè)量不確定度影響到測(cè)量結(jié)果的有效性或其使用時(shí),或客戶提出要求時(shí),或當(dāng)不確定度影響到與規(guī)范限值的符合性判定時(shí),需計(jì)算包含概率約為95%的擴(kuò)展不確定度。

    在實(shí)際檢測(cè)中,測(cè)量值具有不確定度,檢測(cè)結(jié)果加上一定包含概率下的不確定度才是檢測(cè)結(jié)果的完整表述。針對(duì)圖1中(a)和(b)而言,在考慮測(cè)量不確定度的情況下,可以直接作出合格與否的判斷。針對(duì)圖1中(b)和(c)而言,在考慮測(cè)量不確定度的情況下,則不能直接判斷是否合格[7]。

    同時(shí)測(cè)量不確定度的大小對(duì)于結(jié)果的判定也有影響?;跍y(cè)得值對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行與規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)(容許限)的符合性判定時(shí),會(huì)有正確判定和錯(cuò)誤判定兩種可能[8],如圖2所示,對(duì)于相同的測(cè)得值(圖中圓點(diǎn)所示),情況A的擴(kuò)展測(cè)量不確定度區(qū)間全部位于容許區(qū)間內(nèi),情況B則有一部分?jǐn)U展測(cè)量不確定度區(qū)間位于容許區(qū)間外,此時(shí)基于測(cè)得值進(jìn)行判定,情況B由于擴(kuò)展測(cè)量不確定度較大,錯(cuò)誤接受的風(fēng)險(xiǎn)就較高。由此可見,在實(shí)際測(cè)量時(shí),通過降低測(cè)量不確定度也是一種降低判定風(fēng)險(xiǎn)的有效手段之一。

    3 ?不確定度的評(píng)定

    3.1 ?閾功率的定義

    閾功率的定義為發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積。按照ITU-RBS.561-2,閾功率被認(rèn)為等于等效全向輻射功率(EIRP)。

    實(shí)際測(cè)量中,射頻發(fā)射功率的計(jì)量單位為dBm,天線增益的計(jì)量單位dB,因此閾功率的算式為:

    P閥功率= P發(fā)射功率+ G天線增益

    針對(duì)確定型號(hào)的天線來說,天線增益是一個(gè)固定值,因此閾功率的測(cè)量不確定度就是發(fā)射功率的測(cè)量不確定度。因此我們只需要評(píng)定發(fā)射功率的測(cè)量不確定度即可。

    3.2 ?發(fā)射功率的測(cè)量

    以煤礦用5G基站為例,根據(jù)煤礦5G無線通信系統(tǒng)檢驗(yàn)方案,一般采用直接測(cè)量法,信號(hào)分析儀通過饋線直接連接基站測(cè)量最大發(fā)射功率。選用匹配的饋線,饋線的損耗和失配忽略不計(jì)。下面我們以常州檢測(cè)中心檢測(cè)用的羅德施瓦茨的FSV3013信號(hào)和頻譜分析儀為例,按照J(rèn)JF 1059.1—2012[9]和GB/T 27418—2017[10]中的規(guī)定方法,計(jì)算27 dBm這個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量不確定度。

    3.3 ?數(shù)學(xué)模型

    根據(jù)3.2的測(cè)量方法,我們建立以下數(shù)學(xué)模型:

    Pn = Px

    式中:Pn為基站最大發(fā)射功率標(biāo)稱值;Px為FSV3013信號(hào)和頻譜分析儀的測(cè)量值。

    3.4 ?不確定度傳播率

    式中:靈敏系數(shù)c = ?Pn / ?Px = 1,故 。

    3.5 ?標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源

    根據(jù)測(cè)量的儀器和方法,我們選用匹配的饋線,饋線的損耗和失配忽略不計(jì)。綜合考慮對(duì)測(cè)量不確定度影響最大的因素,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來源主要有以下幾個(gè)方面:

    1)由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1,測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為A類不確定度,我們采用貝塞爾法進(jìn)行評(píng)定。

    我們利用FSV3013信號(hào)和頻譜分析儀對(duì)5G基站的27 dBm測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行10次測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表1所示。

    2)由測(cè)量儀器最大允許誤差引入的不確定分量u2,由測(cè)量儀器最大允許誤差引入的測(cè)量不確定屬于B類不確定度。根據(jù)測(cè)量儀器FSV3013信號(hào)和頻譜分析儀的技術(shù)規(guī)格書,在5G測(cè)量頻段內(nèi)的最大允許誤差為±0.39 dB,其服從均勻分布,半寬α = 0.39 dB。

    故:

    3)由測(cè)量儀器分辨率引入的不確定度u3,根據(jù)測(cè)量儀器FSV3013信號(hào)和頻譜分析儀的技術(shù)規(guī)格書,其分辨率為0.01 dBm,服從均勻分布,半寬α = 0.005 dB

    比較u1和u3可知,由測(cè)量儀器分辨率引入的不確定度分量遠(yuǎn)小于測(cè)量重復(fù)性引入的分了,故u3可以忽略不計(jì)。

    4)由失配引入的不確定度u4,根據(jù)技術(shù)規(guī)格書,F(xiàn)SV3013信號(hào)和頻譜分析儀的駐波比為S1≤1.3,基站的射頻端口駐波比為S2≤1.2,則根據(jù)以下算式分別計(jì)算反射系數(shù)F1和F2:

    代入數(shù)值計(jì)算得:

    F1 = 0.13,F(xiàn)2 = 0.09

    則最大適配誤差:

    Mmax = 8.68×F1×F2 = 0.10 dB

    由此半寬α = 0.10 dB,服從反正弦分布:

    5)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc,合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算,以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是互不相關(guān)的,不確定度來源如表2所示。

    所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為:

    6)擴(kuò)展不確定度U,根據(jù)GB/T 27418—2017中6.2.1規(guī)定,擴(kuò)展不確定度U = kuc。

    根據(jù)GB/T 27418—2017中6.3.3的規(guī)定,k = 2時(shí),所形成的區(qū)間具有的包含概率為95%。

    因主要分量為正態(tài)分布,因此P = 95%時(shí),取包含因子k = 2,則擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度U為:U = kuc = 2×0.268 dB = 0.54 dB。

    7)測(cè)量值的表述,因此,使用FSV3013測(cè)量基站射頻端口發(fā)射功率的測(cè)量值為(Px ± 0.54)dBm,k = 2。

    8)測(cè)量不確定度分析,根據(jù)以上計(jì)算過程可知,測(cè)量不確定度是綜合考慮了測(cè)量過程中各種影響因素,合成的表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性,與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。其中由測(cè)量儀器最大允許誤差引入的不確定分量最大,如果我們選用最大允許誤差為±0.78 dB的N9020B信號(hào)分析儀,同理可以計(jì)算出擴(kuò)展不確定度U = 0.94 dB,k = 2。

    由此可見,選用合適的測(cè)量儀器,可以適當(dāng)降低測(cè)量不確定度。

    4 ?測(cè)量結(jié)果的判定

    4.1 ?相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

    RB/T 214—2017《檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定能力評(píng)價(jià)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)通用要求》的4.5.21條款中提出當(dāng)需要對(duì)檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行說明時(shí),“適當(dāng)時(shí),給出符合或不符合要求或規(guī)范的聲明”[11]。

    CNAS-CL01:2018《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》的7.8.6.1條款規(guī)定:“當(dāng)作出與規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)符合性聲明時(shí),實(shí)驗(yàn)室應(yīng)考慮與所用判定規(guī)則相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)水平(如錯(cuò)誤接受、錯(cuò)誤拒絕以及統(tǒng)計(jì)假設(shè)),將所使用的判定規(guī)則制定成文件,并應(yīng)用判定規(guī)則”[12]。

    4.2 ?射頻發(fā)射功率測(cè)量結(jié)果的判定

    假設(shè)我們對(duì)2×500 MW的5G基站進(jìn)行測(cè)量,換算成dBm單位則每端口射頻功率最大為26.99 dBm,根據(jù)閾功率不能大于6 W計(jì)算出單端口閾功率不能超過34.77 dBm,進(jìn)而推導(dǎo)出天線增益不能超過7.78 dBi。

    下面我們就單端口發(fā)射功率上限值為26.99 dBm的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判定。閾功率為加上天線增益后的值,天線增益為固定值,判斷方法類似。

    4.3 ?聲明符合規(guī)范

    如果測(cè)量值加上擴(kuò)展不確定度后,低于規(guī)定的上限,則可以聲明符合規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。即測(cè)量值加上擴(kuò)展不確定度后,依然低于26.99 dBm,測(cè)試可以直接判定為合格。

    以我們剛才計(jì)算測(cè)量不確定的時(shí)候測(cè)量結(jié)果(26.33±0.54)dBm,k = 2為例,此時(shí)測(cè)量值26.33 dBm加上擴(kuò)展不確定度0.54 dB后為26.87 dBm,小于測(cè)量上限26.99 dBm,可直接判定為符合規(guī)范要求。

    4.4 ?聲明不符合規(guī)范

    如果測(cè)量值減去擴(kuò)展不確定度后,超出了規(guī)定的上限值,則聲明不符合規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。即測(cè)量值減去擴(kuò)展不確定度后,依然低于26.99 dBm,測(cè)試可以直接判定為合格。

    以測(cè)量結(jié)果(27.63±0.54)dBm,k = 2為例,此時(shí)測(cè)量值27.63 dBm減去擴(kuò)展不確定度0.54 dB之后為27.09 dBm,大于測(cè)量上限26.99 dBm,可直接判定為不符合規(guī)范要求。

    4.5 ?不能直接判斷符合性

    如果測(cè)量值加上或減去擴(kuò)展不確定度后,與規(guī)定上限值重疊,不能據(jù)此判定符合或不符合規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

    以采用N9020B測(cè)量結(jié)果為例,測(cè)量結(jié)果為(26.33±0.94)dBm,k = 2。此時(shí)測(cè)量值26.33 dBm加上不確定度0.94 dB后為27.27 dBm,超過上限值26.99 dBm,同時(shí)超過部分不超過不確定度,那么不能直接判定,可采用以下兩種方法解決:

    1)選用精度更高的儀器,重新評(píng)定測(cè)量不確定度,在滿足測(cè)量值加上擴(kuò)展不確定度后依然小于發(fā)射功率上限要求后再進(jìn)行判定。

    2)如果沒有更好的儀器,此時(shí)又必須做出符合性聲明,那么我們可以采用計(jì)算符合性聲明的包含概率來進(jìn)行符合性聲明。

    4.6 ?符合性聲明的包含概率的計(jì)算

    我們以N9020B測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,最大發(fā)射功率要求≤26.99 dBm,測(cè)得值為26.33 dBm,擴(kuò)展不確定度為U95 = 0.94 dB,k = 2。

    利用以下公式計(jì)算kp:

    式中:xm為規(guī)范限值26.99 dBm;μ為測(cè)量均值26.33 dBm;u為標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.47 dB;U95為包含概率95%測(cè)量不確定度0.94;其中,U95 = k×u,k為包含因子2;p為kp概率下的包含因子。

    采用插值法計(jì)算包含概率p:

    因此判定合格包含概率90%(一般僅報(bào)整數(shù)),也就是說本次測(cè)量結(jié)果判定合格的概率為90%,有10%的概率存在誤判的可能性。此時(shí)需要在報(bào)告首頁檢驗(yàn)結(jié)論處打“*”號(hào)說明,并在首頁備注欄聲明:本次檢驗(yàn)發(fā)射功率/閾功率項(xiàng)測(cè)得值高于規(guī)定限值的部分小于該項(xiàng)測(cè)量不確定度,本結(jié)論是在包含概率為90%上做出的,特此說明。

    5 ?結(jié) ?論

    本文通過闡述無線射頻閾功率測(cè)量不確定的評(píng)定以及對(duì)判定風(fēng)險(xiǎn)的研究,提出了無線通信閾功率測(cè)量不確定的評(píng)定方法,并結(jié)合測(cè)量不確定度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,分析了各種情況下對(duì)測(cè)量結(jié)果判定的方法和風(fēng)險(xiǎn)水平,可以有效降低檢測(cè)中心在無線通信閾功率測(cè)量中的判定風(fēng)險(xiǎn),也可以為研發(fā)部門在設(shè)備選型階段提供一定的參考:

    1)煤礦用無線設(shè)備射頻閾功率不大于6 W是GB/T 3836.1—2021中明確規(guī)定的,同時(shí)根據(jù)安標(biāo)中心的管理要求,多端口設(shè)備還需要考慮功率疊加。在設(shè)備選型階段,研發(fā)部門需要產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書計(jì)算閾功率,計(jì)算出來的閾功率應(yīng)小于6 W。如果計(jì)算出來接近或者超過6 W,應(yīng)選用發(fā)射功率小一些基站或者天線增益小一些的天線,以免出現(xiàn)送審后不合格或者不能做出確定性判斷的情況。

    2)檢測(cè)中心在檢測(cè)過程中,如果檢測(cè)出來的射頻閾功率明顯小于或者大于上限值要求時(shí),即考慮不確定度后,依然小于或者大于限值,則可以直接做出確定性符合或者不符合的判斷。此時(shí)判定風(fēng)險(xiǎn)很小。

    3)檢測(cè)中心在檢測(cè)過程中,若測(cè)量值加上或減去擴(kuò)展不確定度后,與規(guī)定的上限值重疊,即測(cè)得值高于規(guī)定限值的部分小于該項(xiàng)測(cè)量不確定度,此時(shí)可以選用精度更高的儀器,重新評(píng)定測(cè)量不確定度,在滿足測(cè)量值加上擴(kuò)展不確定度后依然小于發(fā)射功率上限要求后再進(jìn)行判定,或者采用計(jì)算符合性聲明的包含概率來進(jìn)行符合性聲明。采用符合性聲明的包含概率來進(jìn)行符合性聲明,一般是跟客戶充分溝通的情況下才進(jìn)行,此時(shí)檢測(cè)中心要承擔(dān)一定的誤判風(fēng)險(xiǎn)。在考慮判定風(fēng)險(xiǎn)的前提下,一般不建議采用此種方式。

    4)根據(jù)不同情況采取不同的規(guī)則對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行符合性評(píng)定,考慮了不確定度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,使得檢測(cè)結(jié)果更科學(xué)和準(zhǔn)確,檢測(cè)各方都應(yīng)重視檢測(cè)中判定規(guī)則的應(yīng)用。

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    作者簡介:鄭小磊(1986—),男,漢族,江蘇如東人,高級(jí)工程師,本科,研究方向:實(shí)驗(yàn)室管理、礦用防爆電氣設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)、計(jì)量管理、計(jì)量校準(zhǔn)等。

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