摘  要： 基于時(shí)域射線跟蹤方法對(duì)室內(nèi)超寬帶信號(hào)傳播進(jìn)行了仿真和分析。設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于室內(nèi)帶金屬家具非視距環(huán)境的超寬帶信號(hào)信道仿真模型，用以分析和描述超寬帶信號(hào)經(jīng)室內(nèi)反射、透射和繞射傳播后的時(shí)域電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)比較分析了仿真得到的視距傳播和非視距傳播中的多徑傳播、功率時(shí)延分布等傳播參數(shù)。仿真結(jié)果可以為室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞： 超寬帶信號(hào)；時(shí)域射線跟蹤方法；非視距；傳播特性

0 引言

　　近幾年，由于超寬帶技術(shù)具有傳播速率高、系統(tǒng)容量大、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)近距離、高速率以及能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)景下頗具吸引力[1]。

　　目前已有不少學(xué)者基于時(shí)域射線跟蹤方法對(duì)室內(nèi)環(huán)境超寬帶信號(hào)的傳播特性進(jìn)行了研究。Xu Huigang等人[2]基于時(shí)域一致性繞射方法，研究了帶有一隔板的典型辦公室環(huán)境中超寬帶系統(tǒng)性能，其中考慮了直射和多次反射，證明了在通信速率比較低的情況下超寬帶信號(hào)有較好的抗多徑性能。Yao R等人[3]基于時(shí)域射線跟蹤方法，研究室內(nèi)UWB信號(hào)的傳播特性，并建立室內(nèi)多徑傳播模型。

　　綜上所述，已知文獻(xiàn)側(cè)重考慮了直射、反射、繞射和透射等多徑傳播中的部分傳播機(jī)制。由于射線跟蹤法可以適用于復(fù)雜的傳播環(huán)境，具有較高的計(jì)算精度和計(jì)算效率，可見這種方法是一種具有很高實(shí)用價(jià)值的電波傳播預(yù)測(cè)方法。本文基于時(shí)域射線跟蹤法對(duì)非視距室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的超寬帶信號(hào)的傳播特性開展研究，可以為超寬帶通信系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋提供依據(jù)。

1 時(shí)域射線追蹤法

　　在一個(gè)室內(nèi)短距離超寬帶通信系統(tǒng)中，到達(dá)接收天線的信號(hào)有許多條多徑分量，其中每一條多徑分量都是發(fā)射射線與周圍物體和環(huán)境交互作用的結(jié)果。

　　1.1 時(shí)域射線追蹤法的實(shí)現(xiàn)過程

　　時(shí)域射線跟蹤方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

　　（1）建立室內(nèi)短距離傳播環(huán)境的模型。該模型包括兩部分：首先是幾何模型，需要預(yù)先設(shè)定房間的長(zhǎng)、寬、高，發(fā)射點(diǎn)源和接收點(diǎn)的坐標(biāo)，及墻面所在平面的法向量、平面方程等。其次是物理模型，即各個(gè)墻面介質(zhì)材料的電參數(shù)。

　?。?）射線的跟蹤。在時(shí)域射線跟蹤方法中，將發(fā)射點(diǎn)視為點(diǎn)源，其發(fā)射的電波作為向各個(gè)方向傳播的射線，當(dāng)遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生3種傳播機(jī)制：反射、繞射或透射。

　?。?）接收點(diǎn)場(chǎng)的計(jì)算。確定反射、繞射或透射路徑的傳播距離和相位情況，最后計(jì)算總場(chǎng)強(qiáng)的時(shí)候，最關(guān)鍵的是要計(jì)算時(shí)域反射系數(shù)、時(shí)域繞射系數(shù)和時(shí)域透射系數(shù)這3個(gè)參數(shù)，從而得到不同路徑的沖激響應(yīng)，最后在接收端合成。

　　1.2 時(shí)域反射系數(shù)

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，反射場(chǎng)可以表示為：

　　1.3 時(shí)域繞射系數(shù)

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]可以確定繞射射線和繞射場(chǎng)的大小，繞射場(chǎng)可以表示為：

　　1.4 時(shí)域透射系數(shù)

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，透射場(chǎng)可以表示為：

　　第二部分是介質(zhì)板內(nèi)部的傳播損耗系數(shù)：

　　2 仿真結(jié)果與分析

　　2.1 仿真環(huán)境

　　利用參考文獻(xiàn)[7]針對(duì)室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行建模仿真。仿真所用時(shí)域信號(hào)為二階高斯脈沖，其表達(dá)式為：

　　其中，Ep是脈沖能量，τ=0.11 ns，Tc=0.5 ns。

　　室內(nèi)環(huán)境平面圖如圖1所示，其中兩個(gè)房間尺寸一樣，均為長(zhǎng)4 m、寬5 m、高5 m。小正方體的金屬尺寸均為長(zhǎng)1 m、寬1 m、高1 m。發(fā)射天線和接收天線均采用全向天線，發(fā)射天線高度為1.5 m，接收天線高度為      1 m。發(fā)射天線的發(fā)射功率為20 dBm。仿真房間的電磁參數(shù)如表1所示。

　　2.2 仿真結(jié)果與分析

　　從圖1可以看出，接收天線1在直射路徑可到達(dá)的區(qū)域，接收天線2在只有透射、反射和繞射路徑到達(dá)的區(qū)域。接收天線1和2的時(shí)域信號(hào)波形如圖2~圖5所示。

　　比較圖2和圖3可以看出，由于視距傳播直射路徑直接到達(dá)接收點(diǎn)，無阻礙物的限制，因此到達(dá)接收天線1的時(shí)間要比非視距傳播到達(dá)接收天線2的時(shí)間短。在視距傳播中，在直射區(qū)域直射路徑最先到達(dá)且信號(hào)最強(qiáng)，在全部的多徑信號(hào)中占絕大部分能量；在非視距傳播中，沒有直射路徑，透射路徑最先到達(dá)。

　　從圖2~圖5中可以看出，當(dāng)發(fā)射信號(hào)是垂直極化時(shí)，在發(fā)射天線處，每條射線管的信號(hào)在Z軸方向上都有分量，導(dǎo)致了接收端豎直分量比水平極化要多。當(dāng)發(fā)射天線信號(hào)是水平極化波時(shí)，信號(hào)時(shí)域波形在水平面上的投影比垂直極化波多，導(dǎo)致了接收天線端的水平面上的X、Y軸上的分量較多。但是在通信系統(tǒng)中天線大多數(shù)都是豎直放置的，選擇發(fā)射信號(hào)為垂直極化波時(shí)，Z軸方向接收到的信號(hào)明顯要比水平極化波強(qiáng)，接收功率也就越大，因此在無線通信中天線類型一般要選擇垂直極化天線。

　　帶有金屬家具的視距接收天線1和非視距接收天線2的功率時(shí)延分布如圖6和圖7所示。

　　比較圖6和圖7可以看出，視距傳播是直達(dá)射線并且占大部分功率，多次反射、透射和繞射射線攜帶的能量很小，而非視距傳播，攜帶能量最強(qiáng)的射線不能明顯區(qū)別出來，在文中最強(qiáng)的射線是透射射線，多次反射和繞射射線所攜帶的能量也比較大。

　　τA是指最先到達(dá)接收天線的第一條徑的時(shí)延，τrms是信號(hào)功率延時(shí)分布的二階矩，能很好地表征無線通信中的碼間干擾。BC是由多徑傳播中信號(hào)的反射、繞射等引起的：

　　從表2中可以看出，天線的極化形式對(duì)視距傳播和非視距傳播的均方根時(shí)延擴(kuò)展影響很小，可以忽略。另外，UWB信號(hào)室內(nèi)傳播時(shí)均方根時(shí)延擴(kuò)展大于信號(hào)波形寬度，所以UWB信號(hào)經(jīng)歷的是頻率選擇性衰落。

3 結(jié)論

　　本文基于射線跟蹤法研究了室內(nèi)非視距環(huán)境中超寬帶信號(hào)的傳播特性。研究結(jié)果表明，在UWB信號(hào)室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境傳播過程中，為了提高接收效率，發(fā)射接收天線極化形式可選擇垂直極化；在視距傳播中，直射路徑最先到達(dá)且信號(hào)最強(qiáng)，在全部的多徑信號(hào)中占絕大部分能量；在非視距傳播中，沒有直射路徑，透射路徑最先到達(dá)；天線的極化形式對(duì)視距傳播和非視距傳播的均方根時(shí)延擴(kuò)展影響很小，可以忽略；UWB信號(hào)經(jīng)歷的是頻率選擇性衰落。

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