戚星宇， 劉芫健， 李雙德

　　(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

    摘要：基于入射及反彈射線法對(duì)典型室內(nèi)辦公室環(huán)境進(jìn)行仿真，研究了60 GHz頻段的毫米波的傳播特性并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出不同位置的發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的路徑增益和接收功率，計(jì)算出不同距離的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對(duì)應(yīng)的接收功率，為實(shí)際室內(nèi)環(huán)境發(fā)射天線位置的設(shè)定提供理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：毫米波;室內(nèi)辦公室環(huán)境;接收功率

0引言

　　教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20123223120003）隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各波段頻譜越來(lái)越緊張，毫米波由于其頻帶寬的特點(diǎn)變得越來(lái)越受歡迎。在室內(nèi)環(huán)境中，毫米波的傳播可能受到室內(nèi)家具、隔板和墻的影響而產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減。而目前由于人們的大多數(shù)時(shí)間都處在辦公室、實(shí)驗(yàn)室等室內(nèi)環(huán)境，因此這類(lèi)室內(nèi)環(huán)境對(duì)信號(hào)傳播的要求更高。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這類(lèi)環(huán)境做了大量測(cè)量分析工作。MALTSEV A等人［12］通過(guò)在一個(gè)復(fù)雜的辦公室環(huán)境中進(jìn)行毫米波傳播和測(cè)量工作，證實(shí)60 GHz的室內(nèi)傳播具有準(zhǔn)光學(xué)性質(zhì)，大部分發(fā)射能量由沿LOS路徑的一次二次的反射信號(hào)路徑攜帶。JACOB M ［3］提出了一種基于有桌椅家具環(huán)境的會(huì)議室室內(nèi)環(huán)境的帶寬頻率在67 GHz和110 GHz之間的無(wú)線信道分析的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，視距環(huán)境的路徑損耗指數(shù)取決于使用頻率和天線種類(lèi)的不同，變化范圍為12~19。

　　目前有兩種可用于研究毫米波傳播力特性的模型：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定性模型［4］。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔趯?shí)際測(cè)量的方法，這種方法雖然簡(jiǎn)單但是成本高且對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度要求較高，所以在研究無(wú)線信道方面有一定局限性。確定性模型遵從電磁波傳播的物理理論，主要有兩種方法: 射線追蹤方法和時(shí)域有限差分方法。射線追蹤方法主要有鏡像法、最小光程法、測(cè)試射線法、入射及反彈射線法（Shooting and Bouncing Ray,簡(jiǎn)稱(chēng)SBR）、確定性射線管法和入射及反彈射線法/鏡像法(Shooting and Bouncing Ray Tracing/Image,SBR/IM)。鏡像法［56］是最簡(jiǎn)單的射線跟蹤方法，不需要相交測(cè)試，效率高，一般用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)環(huán)境，SBR可以用于復(fù)雜環(huán)境的電波傳播。本文就是基于SBR法來(lái)仿真分析毫米波在室內(nèi)辦公環(huán)境的傳播特性。

　　仿真是以射線追蹤方法為理論基礎(chǔ)借助Wireless Insite仿真軟件對(duì)文獻(xiàn)的室內(nèi)辦公模型進(jìn)行的，得出不同位置的接收功率（RP）并通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出不同位置發(fā)射機(jī)傳播效果的差異。

1仿真環(huán)境和正確性驗(yàn)證

　　1.1理論基礎(chǔ)

　　仿真所述SBR法是對(duì)場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)準(zhǔn)確的估計(jì)，是處理復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的可用方法。其中通過(guò)直射和地面反射所接收到的接收功率RP由式（1）給出：

　　其中，λ是波長(zhǎng)，k是波數(shù),d1為直接路徑的距離，d2為地面反射路徑的距離，αr和αt為天線函數(shù)R(θ)表面反射的反射系數(shù)，TP是發(fā)射功率。使用式(2)轉(zhuǎn)換成路徑損耗：

　　圖2參考文獻(xiàn)［8］中前6個(gè)發(fā)射機(jī)的PG散點(diǎn)圖其中，TP是發(fā)送功率，而RP(d)是接收功率，d為發(fā)射機(jī)與接收點(diǎn)的距離。它然后被轉(zhuǎn)換成的路徑增益(PG)值［7］。在單一樓層中，這種模型傳播的損耗將被表示為：

　　PLtotal(dB)=20log10(f)+Nlog10(d)+Lf(n)－28(3)

　　其中，N是距離功率損耗系數(shù)，f是頻率(MHz)，d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離(m)，Lf是地板穿透損耗因子（dB），而n是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)（n≥1）之間的樓層數(shù)。

　　1.2仿真環(huán)境介紹

　　本文參考了RAO T R［8］的室內(nèi)典型辦公室環(huán)境，辦公室環(huán)境平面圖如圖1所示。具體參數(shù)如表1和表2所示。

　　1.3路徑增益的數(shù)據(jù)結(jié)果分析

　　圖2和圖3分別是參考文獻(xiàn)［8］和仿真所得的PG散點(diǎn)圖。

　　對(duì)比圖2和圖3可以看出，兩個(gè)結(jié)果基本一致。根據(jù)圖3的發(fā)射機(jī)1~發(fā)射機(jī)6的散點(diǎn)圖可以看出，處于辦公室靠中間位置的發(fā)射機(jī)1、發(fā)射機(jī)2和發(fā)射機(jī)3的散點(diǎn)圖分布優(yōu)于其他位置。發(fā)射機(jī)1的PG集中在-70 dB~-90 dB之間，發(fā)射機(jī)2和發(fā)射機(jī)3與發(fā)射機(jī)1基本類(lèi)似。而發(fā)射機(jī)6由于在角落并且有大量隔板阻擋，因此有大量的接收點(diǎn)PG小于-90 dB，甚至小于-100 dB。

　　產(chǎn)生誤差的可能原因是：(1)仿真材質(zhì)的介質(zhì)電參數(shù)的差別；(2)發(fā)射機(jī)和接收天線的位置的誤差。

　　1.4接收功率的結(jié)果分析

　　將室內(nèi)的接收點(diǎn)數(shù)量增加到約4 320個(gè)。 圖4是來(lái)自發(fā)射機(jī)1的RP的三維圖，可以看出發(fā)射機(jī)1處在中心位置對(duì)各個(gè)點(diǎn)的接收情況都較為良好，基本沒(méi)有明顯的衰減趨勢(shì)，大部分接收點(diǎn)的RP都在40 dBm~50 dBm之間，所有點(diǎn)RP的平均值為-4021 dBm，在與發(fā)射機(jī)1距離d=849 m處的接收點(diǎn)取到RP的最大值為-3259 dBm，類(lèi)似圖3仿真所得前6個(gè)位置發(fā)射機(jī)的PG散點(diǎn)圖地，在d=637 m處取到RP的最小值為-7014 dBm。

　　圖5發(fā)射機(jī)6對(duì)應(yīng)的接收功率位置偏角落且周?chē)懈舭遄璧K，毫米波傳播過(guò)程中產(chǎn)生更多的衰減，所以隨著發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離的增大RP出現(xiàn)明顯的衰減，且峰值和谷值相差較大。對(duì)9個(gè)位置的發(fā)射機(jī)對(duì)應(yīng)的RP的平均值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射機(jī)6平均RP最低，為-4512 dBm，也就是說(shuō)發(fā)射機(jī)6發(fā)出的信號(hào)傳播產(chǎn)生的PG最大。

2結(jié)論

　　通過(guò)仿真和分析可以看出SBR法在室內(nèi)電波傳播預(yù)測(cè)中的可靠性和有效性。對(duì)于室內(nèi)辦公環(huán)境中不同位置發(fā)射機(jī)，越靠近中心的傳播效果越好，發(fā)射機(jī)1因?yàn)樵谵k公室模型的最中間，所以傳播效果最好，無(wú)論是平均PG還是平均RP的結(jié)果都好于發(fā)射機(jī)2和發(fā)射機(jī)3。其他位置類(lèi)似。同時(shí)還對(duì)發(fā)射機(jī)6出現(xiàn)的非視距傳播，模擬了現(xiàn)實(shí)辦公環(huán)境的一些電波傳播信號(hào)偏弱的地方。以上的仿真結(jié)果對(duì)現(xiàn)實(shí)室內(nèi)環(huán)境的發(fā)射機(jī)的位置設(shè)定提供了一點(diǎn)參考。

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