室內無線傳播的實踐范文

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本文作者：毛梅譯

1.簡介

無線通信的蓬勃發展產生了用于個人無線電頻率的新技術和應用。目前在世界范圍內都正在發展個人通信系統(PCS)。用成功的PCS工具的重要條件就是室內無線通信.這包括大范圍的通信位置的變化,位置的范圍從住宅或辦公樓、醫院、工廠等的個人移動通信到把控制信息發送到機器人的固定站。室內環境易受干擾.由于受建筑物內結構的無線電波的反射、折射和散射作用,發射信號經常不止通過一條路徑到達接收機。這就產生了多徑衰落現象.多徑引起了深衰落和信號的脈沖擴展,因此在數字無線電系統中能產生符號間干擾。盡管多徑干擾極大地降低了通信系統的特性,但是我們還是很少有辦法取消它。如果我們能夠很好地表征多徑媒介的話,那么人們能夠選擇發射機的位置以獲得良好的傳播特性,因此達到更好的連通.如果業務供應者必須通過測量每棟樓的無線電波傳播來表征傳播媒介的話,(在建筑物內人們推廣應用他們的系統),由于包括勞動成本在內所以安裝費用將是非常高的.

因此,人們對研制傳播模型來預測室內環境的傳播特性特別地感興趣。一旦傳播模型被確定下來,環境能夠很快地被進入這樣的模型以提供評估的傳播特性.下一步的工作是在信號很不好的位置進行快速測量.這個方法比消耗性的程序要便宜得多,因此安裝費用大幅度地減少.人們研制了許多傳播模型來表征室內無線電傳播。它們能被分成兩個主要類別:統計模型和具體位置的傳播模型。多徑衰落波道的一般性統計脈沖模擬首先是由Turin提出的。結果它被跟隨T盯in的研究人員和其它的研究人員用在移動無線電波道的測量、模型設計和模擬中。

最近,統計脈沖響應方法被直接或間接地用在室內無線電傳播波道模擬中。Keenan和Motlcy企圖明確表達統計損耗距離模型來預測以幾個建筑物參數為基礎的無線電覆蓋范圍。最近人們已經研制出了有不同公式和統計數據的一些其它統計損耗距離模型。比較起來說,具體位置的傳播模型是根據電磁波傳播理論的應用來表征室內無線電傳播的。最近的報告把分析的電子軌跡描繪技術應用到具體位置的室內無線電傳播模擬,在幾篇文章_中已涉及到這樣的報告。人們提出這項技術來預測路徑損耗,時間變化脈沖響應和RMS延遲散布。它答應提供室內無線電覆蓋范圍和波道脈沖響應的快速而精確的預測?？傊?在許多實際的位置中最好用具體位置的傳播模擬。

2.室內電磁波傳播

室內無線電波道象室外無線電波道一樣不受雪、雨、茍、云或逆溫的環境影響,但是由于建筑物尺寸、形狀、結構、房屋布局的變化,最重要的是,結構材料的類型、建筑物內的電磁波傳播是比地面移動無線電波道的電磁波傳播更復雜的多徑結構。例如,工廠建筑物在其結構和所用材料兩方面完全不同于辦公樓。內墻、外墻、頂和地面以及窗戶的大小和多少所用的材料的變化、建筑物的年限、人口密度和活動也是使室內電磁波傳播變復雜化的因素。

2.1路徑損耗

總之,在離發射機距離為d處的冪的空間分布是d的減少的函數。這個函數是由P一1/dm的距離冪定律表示的.對自由空間而言,m等于2,據說功率增益符合平方反比律。但是,在一個封閉的環境中,現在這是不對的。Saleh和Valenzuela以及Bultittlde表明當發射機和接收機被放在能彼此看見的同一過道時,功率隨1.5至1.8的m值衰減,當接收機位于遠離過道的房間內時,m值是3至4。

路徑損耗也隨頻率變化。Owen和Pundey在gooMHz和165oMH:時對辦公樓內進行T測量。測量結果表明地板損耗在高頻率時較大。人們發現在以毫米為單位的波長處,無線電波不能穿透最普通的建筑物材料如磚和混凝土塊并且發現信號衰減隨距離快速地變化。因此毫米波帶似乎為提供高容量頻率復用環境中寬帶服務提供了一個良好的選擇。根據環境中使用的建筑材料,Alexander給出了m值.信號衰減的程度取決于信號遇到的材料型號.因此,室內環境中的信號衰減能用結構材料表征.

2.2衰落特性

在一個典型的室內無線電系統中,安裝在升高位置中的固定基地臺天線能與建筑物內的許多便攜式無線電或固定的接收端互通。由于建筑物內結構的無線電波的反射、折射和散射作用,發射信號常常不止通過一條路徑到達接收機,如圖1(略)所示這產生了多徑衰落現象.從間接路徑和直接路徑到達的信號分量合并并且產生了發射信號的失真.在窄帶傳輸中,多徑媒質使接收信號的相位和包絡線中產生波動。在寬帶脈沖傳輸中,會對每個發射脈沖產生一系列延遲和衰減脈沖.圖2(略)是個實驗室的模擬脈沖響應來說明多徑衰落對寬帶脈沖傳輸的影響。在連續波信號傳輸的情況下,它表明如果主要的信號路徑不在接收機和發射機之間的話,接收信號包絡線的統計用瑞利分布來描述。如果主要的路徑不存在的話,信號包絡線的統計就是Rician•

在數字脈沖傳輸中,多徑信號的延時分布是重要的因為它影響數據傳輸率。三個參數經常用來描述波道的時間分布:平均過量延時,均方根延時分布和過量延時分布.平均過量延時描述了以第一到達信號分量為準的平均傳播延時.延方根延時分布測量了關于平均過量延時的功率延時剖面圖的時間分布。過量延時分布(xdB)說明以第一到達信號分量為準的最大延時,在此多徑能量降至峰值接收電平以下的xdB。這些參數與斷電和用于不同數字調制線路圖的誤碼率有關.這些線路圖不用調均.經驗是如果波道均方根延時分布比符合持續時間小0.2的話那么就會產生小于lJ3的誤碼率。

Saleh和Valenzuefa從兩層窄建筑物中1.SGH:處測量進行觀察,在這樣的建筑物內均方根時間延遲分布值延伸到50ns。Devasirvatham在大的建筑物中在850MH:時進行測量觀察到125ns的平均均方根時間延遲分布值.RaPp叩ort報導了五個工廠建筑物中1300MH:時的測量結果。多徑分布在40到80ons的范圍內.平均過量延時和均方根延時分布值在30到30ons的范圍內。得到的不同結果是由于建筑物的不同所造成的。人們發現延時分布受工廠設備、建筑物建筑材料、建筑物年限、墻的位置和屋頂高度的影響。帶有多金屬材料的建筑物有較大的延時分布。

3.室內傳播模型的綜述當把室內無線電傳播模型的主要兩類—統計和具體位置用于室內無線系統的設計和安裝時,這兩類都有強度和限制的問題。

3.1統計模型

用于多徑衰落波道的一般統計脈沖響應模型首先是由T盯in建議用于室外無線電傳播.最近,這個統計脈沖響應方法被用于室內無線電波道傳播模擬.Saleh和Valenzuela在中等尺寸的兩層辦公樓中用他們的測量結果,與從其它研究人員處得到的測量結果一起來研制室內無線電波道的統計模型用來模擬和分析各種室內通信線路圖.人們示出了這種模型來適合測量并且這種模型通過調整其參數可以被延伸到其它建筑物。

模型假設多徑分量以叢到達。每個分量的接收振幅都是一個獨立的瑞利隨機變量,方差在叢內隨傳播延時,以及時間延時呈指數衰減.每個分量的相應相位角在[0.2司上都是獨立的均勻隨機變量。一叢中的許多叢和多徑分量組成了有不同比率的泊松到達方法。多徑分量和叢都有呈指數性的分布中間到達次數。叢的形成與建筑物結構有關,而每叢內的多徑分量都是由發射機和接收機附近的物體的多反射形成的。模型有足夠的撓度以允許測得的波道響應有合理地精確擬合法,模型太簡單了可以模擬。模型可以成功地用在辦公環境中但是把它用在幾個工廠環境中收集的多徑數據是不成功的.

Hashemi等人研制了一個統計模型用于室內無線電傳播,這個傳播是以兩棟辦公樓中的許多多徑傳播測量的結果為基礎的.研制這個模型的數據庫由在這些辦公樓中收集的波道的12。。0幅脈沖響應剖面圖組成。在這個模型中,數據到達時間被模擬為改進的泊松分布,人們發現在本地和全球上振幅都是對數正態分布,對數平均值幾乎成線性地隨增加的過量延時而減少。模型的模擬結果與辦公環境中的測量結果一致。遺憾的是,把這個模型用到在工廠環境中收集的脈沖響應數據是不成功的.

Keenan和Motley系統地闡述了以幾個建筑物參數為基礎的無線電覆蓋范圍預測模型.在這個模型的公式中的這些參數是從測量數據求得的。模型提供了室內環境中一個快速且簡單的方法來預測路徑損耗(以分貝為單位)。這對于內部覆蓋范圍預測是有用的。但是,模型只提供路徑損耗信息并且它在一些復雜的室內環境中不能很好地工作.

Se記el和RapPaport提出了以在914MHz處測得的數據為基礎的路徑損耗模型。模型是以與距離有關系的簡單d“指數路徑損耗為基礎的。在一個開闊的建筑物中,路徑損耗指數n接近于2.對于在發射機和接收機之間有許多障礙物的環境而言,路徑損耗指數可能更高。有關的統計距離路徑損耗模型對理解建筑物中的無線電波傳播是有用的。但是,人們需要詳細的測量來得到數據以確定這些特殊建筑物模型的適當的參數.

RaPPaPort等人研制了統計波道脈沖響應模型來設計用在工廠和開闊建筑物的無線電通信系統.被稱做SIRCIM的模型現在正被許多研究人員用在計算機上來在辦公樓和工廠建筑物中測量脈沖響應和路徑損耗。模型包括第一和第二級統計來表征視線(LOS)和有障礙的地形的室內無線電波道的分離脈沖響應.人們能在整個低微波帶上用SIRCIM,寫出編碼來逐漸達到60GHz.由SIRCIM產生的數據檔案包括用于各個多徑分量以及大型路徑損耗的振幅、相位、時間延遲和路徑損耗,以便產生一個完整的傳播模型。模型的最顯著特點是它再生非?，F實的多徑波道條件因為它們是以現實世界測量為基礎的,因此可以被用于工廠和開闊建筑物的有意義的系統分析。模擬其它的多徑波道,如辦公樓是可能的。這個模型用于表征室內傳播波道是吸引人的。但是,它依靠許多測量數據來確定適當的參數以模擬室內環境的特殊類型。

3.2具體位置的傳播模型

具體位置的傳播模型是以電磁波傳播理論為基礎的來表征室內無線電傳播。與統計模型不同,具體位置的傳播模型不依賴大量的測量,但是需要室內環境的較詳細的詳情來得到建筑物內信號傳播的精確預測。理論上通過解帶有建筑物幾何結構作為邊界條件的麥克斯韋方程能夠精確地計算電磁波傳播特性。遺憾的是,這個方法需要非常復雜的數學計算并且要求有相當的超出現在微機的計算能力。因此它對于室內無線電波傳播的特點是不經濟的。所以適當的數值方法是令人感興趣的.電子軌跡描繪是個直觀的吸引人的方法,用這種方法來計算無線電信號強度、非時變脈沖響應、均方根延時分布和室內環境中的有關參數。

電子軌跡描繪的概念是以事實為根據的,這個事實就是高頻無線電波具有象射線型一樣的特性。因此信號傳播能被模擬成射線傳播。通過應用電子軌跡描繪的概念,可以從發射機位置發射射線,用已知的反射和傳輸理論,能從建筑物內有隔墻的射線的互作用發射射線。兩類電子軌跡描繪方法一鏡象法和平滑電子軌跡描繪法正被用于表征室內電磁波傳播。對于受平面限制的散射體來說,方便的是采用鏡象法來反射出特殊面的無線電波源.在鏡面和連接發射機鏡象和接收機的線相交的地方的點就是鏡面反射產生處的點.在不太復雜的幾何圖的情況下舞且在考慮少數反射的地方,這個方法很適合無線電傳播分析.平滑電子軌跡描繪法研究可以或不可以到達接收機的一束發射射線.所用的射線和從發射機到接收機位置的距離確定了可得到的空間解因此也確定了模型的精度。這個方法要求比鏡象法有更強的計算能力。

電子軌跡描繪可能比以麥克斯韋方程為基礎的方法的計算的要求要小得多。由于目前在個人計算機和工作站上能得到的計算能力,電子軌跡描繪法提供了傳播模擬的有爭議但是可行的方法。用于根據其詳細幾何圖和結構為基礎的每棟建筑物的可靠的具體位置電子軌跡描繪傳播預測模型在設計室內通信系統時可能是非常有效的工具.

4.用電子軌跡描繪模擬

電子軌跡描繪接近于簡單的反射和折射引起的電磁波的散射.傳輸的程度和信號通過障礙物的反射與障礙物的復雜介電常數有關。

4.1無線電信號的傳輸和反射

當信號被發射或反射到墻或隔墻時,信號衰減的程度和相位改變的數量分別取決于傳輸和反射系數。這些系數是從信號射線遇到的材料的復雜介電常數計算出的。影響信號傳輸和反射的其它因素是入射角和相關的極化。復雜的傳輸系數被定義為發射與入射電場強度的比率,復雜的反射系數被定義為反射與入射電場強度的比率。關于圖3(略),信號射線是入射到平行板上的,這個板可以是一個隔墻或墻。在圖3a(略),信號有以水平板為基礎的水平極化。水平極化的復雜傳輸和反射系數如下:在公式1一4中,。是平行板的復雜介電常數,是自由空間的介電常數,必:是入射角,E。、E,和E:分別是入射、反射和傳輸電場強度。當如圖3(略)所示信號射線遇到厚度為D的平行板時,在其穿過材料時信號是衰減的。然后給出了復雜的傳輸系數視線

4.2信號強度計算

圖4(略)示出了通過間隔發射的信號.在接收機處來自于視線路徑的接收信號強度如下:

4.3反射信號強度計算

圖5(略)示出了信號的第一級反射路徑.由于這個路徑接收機處的信號強度如下:

4.4電子軌跡描繪法

在電子軌跡描繪法中,把發射機和接收機的位置分配給由三維坐標參考的點。通常把室內環境中的墻、間隔、頂和地板模擬成給定厚度和復雜介電常數的平面。為簡單起見,曲線面能被模擬成分段平面。來自于發射機天線的射線被反射到墻、間隔、屋頂、地板和桌上等或通過墻,間隔等發射以便在接收機處到達。正如上面提到的那樣,人們已研究了兩個普通方法—鏡象法和平滑法來跟蹤發射機到接收機的射線.(a)鏡象法:這個方法假設室內環境的每個平面都是一面鏡子。對視線傳播而言,通過連接發射機和接收機跟蹤射線是容易的。對單反射傳播而言,在特殊面處反射無線電源。鏡面的相交點和把發射機圖象連接到接收機的線就是鏡面反射產生處的點。單反射傳播路徑能夠通過連接源點、反射點和接收機點而獲得。對于重復反射而方,人們首先發現了以特殊平面為基礎的無線電源的圖象。下一步就是發現以另一平面為基礎的源象的圖象,在另一平面確定了第二個反射點。遵循同一規律,能夠獲得相關平面處的所有反射點。那么就能夠獲得多反射傳播路徑.上述描繪的方法,在源象處開始被稱為正向電子軌跡描繪法。在接收機象處開始并且追溯到發射機也是可能的。這被稱為反向電子軌跡描繪法。假設圖7(略)示出的矩形房間。發射天線位于T點。而接收天線位于R點。為了從T至R跟蹤路徑。反射到2,4和3,必須發現三個圖象。首先發現墻3中接收機夭線的第一級圖象13。然后,通過在包含有墻4的半無限平面中反射第一級圖象,發現點I:.;處的第二級圖象.最后,通過在墻2中反射發現點處最高級圖象的坐標一旦所有的圖象都被發現,那么正如圖7(略)所示能夠發現完整的路徑和所有的反射點。用公式10能夠計算出這個傳播路徑的信號強度。

(b)平滑電子軌跡描繪法:這個方法解釋了所有可能的傳播路徑的用途。發射機和接收機都被模擬成三維空間中分離位置處的點.假設發射機和接收機處偏移和到達的所有可能的角來確定所有可能的射線,這些射線可能離開發射機并且在接收機處到達。

電子軌跡描繪是通過詳細的研究射線樹而完成的,射線樹考慮到每個平面相交處射線的分解作用。首先模型確定了視線路徑是否存在,如果存在的話計算接收信號.下一步,模型跟蹤了指定方向的源射線,并且探測目標相交是否產生.如果沒有發現相交,程序停止,然后開始在與最初射線形成角的方向的新的源射線.一旦相交,進行檢查看看射線能否到達指定的接收機位置。如果發現射線到達了接收機位置,那么計算接收信號。檢查完接收以后,入射射線被分成發射和反射射線,以同樣的方式跟蹤每條射線到下次相交。這個循環繼續直到射線密度降至指定的臨界值為止或不再相交為止。當射線的多次散射對接收功率影響不大時因為這些散射射線的振幅快速地隨距離下降,所以用這個方法現有的電子軌跡描繪不包括多散射同樣也不循環地跟蹤散射射線。在產生射線樹的每一個步驟處,測試相應的射線段看它是否已到達指定的接收位置。為了做到這一點,在接收位置的周圍建造一個接收區域,這個位置有從發射機到接收機與折疊路徑成正比的半徑,在源處的相鄰射線之間有角距。如果射線在區域處相交,那么就把它看作供給接收信號。否則的話,就把射線看作未到達接收機位置。

接收范圍有效地說明了來自源射線的發散原因.對于足夠小的射線夾角6而言,相交范圍的射線將是個精確的射線測量,這條射線直接通過接收點。借助于圖8(略)能夠證明接收范圍的物理解釋是正確的。這個圖是被跟蹤射線的兩維表示法。同樣示出了與測試射線有關的在士O發射的兩條相鄰射線。注意在三維中任何射線都多于兩條相鄰的射線,相鄰射線的方向夾角不必與坐標軸一致。

如圖8(略)所示,正確半徑(、ad/:)的接收范圍能夠精確地接收其中的一條射線.如果半徑太大,事實上能夠接收兩條射線并且能夠計算兩次同一射線路徑。同樣,如果半徑太小的話,在范圍內射線不相交并且將排除射線路徑能量。由于發覺了兩條射線的路徑損耗誤差只是幾分貝。如果那條射線帶有大量能量的話,那么丟失的反射射線將會產生更大的誤差。

5.結論

文中我們已經指出在研究室內無線通信的過程中傳播模型的重要性。傳播模型提供了許多室內環境中信號強度和時間彌散的估算法。這些數據在設計和安裝室內無線電系統時是很有價值的。傳播模型能被分成統計模型和具體的位置傳播模型。統計模型需要大量的測量數據并且不提供具體位置信息.具體位置傳播模型提供具體位置信息但需要室內環境布局的大量詳情。

統計模型能被用于最初的設計和分析而具體位置傳播模型能被用于室內無線電覆蓋區的快速精確預測。通過解麥克斯韋方程的具體位置傳播模擬代價高且不實際。電子軌跡描繪作為用于具體位置傳播模擬的近似方法是有保證的。電子軌跡描繪利用傳播環境內所有令人感興趣的物體比波長大這個事實,因此它適合于用在較高的無線電頻率范圍內。衍射理論能把其應用拓寬到較低的無線電頻率.電子軌跡描繪技術的精度很大程度上取決于傳播媒質的具體位置表示法的精度和詳情?？焖傧嗷プ饔糜嬎悱h境和高精度圖解數據庫的可用性極大地改善了電子軌跡描繪模擬的有效系數和精度.人們建議研制高精度電子軌跡描繪模型.然而,簡單、快速和廉價的PC一基電子軌跡描繪傳播模型對最初設計和分析室內無線系統的工程師是有幫助的。研制這樣的模型是很理想的。