《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 微波|射頻 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 毫米波40 GHz桌面無(wú)線傳輸信道鏈路損耗分析
毫米波40 GHz桌面無(wú)線傳輸信道鏈路損耗分析
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
黃 雷,周 杰,,劉 鵬
南京信息工程大學(xué) 氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,江蘇 南京210044
摘要: 根據(jù)不同的極化模式提出了一種基于距離的反射系數(shù)表示法,同時(shí)提出適合40 GHz桌面無(wú)線傳輸信道鏈路損耗的模型,。研究比較了工作在典型的桌面材料的鏈路損耗結(jié)果,同時(shí)驗(yàn)證了對(duì)理論數(shù)據(jù)擬合得到平均鏈路損耗參數(shù)方法的有效性,。比較了改進(jìn)的40 GHz與60 GHz桌面環(huán)境下的鏈路損耗,。結(jié)果表明,垂直極化模式和木制桌面材料環(huán)境下,,用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P兔枋銎骄溌窊p耗時(shí)的吻合度較高,。
中圖分類號(hào): TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.026
中文引用格式: 黃雷,周杰,,劉鵬. 毫米波40 GHz桌面無(wú)線傳輸信道鏈路損耗分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2015,41(7):92-95.
英文引用格式: Huang Lei,,Zhou Jie,,Liu Peng. 40 GHz desktop wireless transmission channel link loss analysis from millimeter wave[J].Application of Electronic Technique,2015,,41(7):92-95.
40 GHz desktop wireless transmission channel link loss analysis from millimeter wave
Huang Lei,,Zhou Jie,Liu Peng
Laboratory of Meteorological Detection and Information Processing,,Nanjing University of Information Science & Technology,, Nanjing 210044,China
Abstract: According to different polarization modes, proposing a reflection coefficient representation based on the distance and putting forward for the desktop 40 GHz wireless transmission channel link loss model. Studying and comparing link loss the materials worked in typical desktops, and to verify the validity of the data obtained by fitting the theoretical average link loss method parameters. Comparing the link loss from 60 GHz and 40 GHz at the desktop environments. The results show that the environment under the vertical polarization mode and the wooden desktop material, a higher fit will be described about average link loss.
Key words : 40 GHz,;reflection coefficient,;desktop materials; link loss

   

0 引言

    桌面無(wú)線傳輸是一種新型的毫米波短距離無(wú)線應(yīng)用技術(shù)。對(duì)高達(dá)吉比特每秒傳輸速率的研究,,使得高速桌面無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能,。由于工作頻率和傳輸環(huán)境的不同,需要給出能夠準(zhǔn)確描述40 GHz桌面無(wú)線傳輸信道的鏈路損耗模型,,用于鏈路預(yù)算和桌面?zhèn)鬏斝阅芊治?。在靜態(tài)桌面無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)中,,發(fā)送端和接收端容易達(dá)到視距(Line of Sight,LOS)傳輸,。先不考慮陰影損耗,,此時(shí),電波的傳播主要受直射路徑和桌面反射路徑的影響,??墒牵偃缰苯討?yīng)用典型的LOS傳播模型進(jìn)行鏈路損耗模型,,將產(chǎn)生很大的誤差,。這是由于典型的LOS傳播模型建立在一定假設(shè)條件上,而這些假設(shè)條件相對(duì)于工作在40 GHz頻段的桌面無(wú)線應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不合適,。

    基于前人的實(shí)踐與分析,,本文給出基于間距反射系數(shù)表示法的分析,提出改進(jìn)了的適合于40 GHz桌面無(wú)線傳輸信道鏈路損耗的模型,,研究并分析了毫米波40 GHz桌面無(wú)線傳輸信道鏈路損耗與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的比較,。

1 桌面系統(tǒng)的毫米波信號(hào)反射理論

    40 GHz桌面無(wú)線信道幾何描述如圖1所示。工作在毫米波段的發(fā)射端和接收端天線設(shè)為內(nèi)置,。其中l(wèi)1=AB表示直射路徑長(zhǎng)度,,l2=AC+CB表示桌面反射路徑長(zhǎng)度,。接收和發(fā)射天線高度分別表示為ha和hb,。收發(fā)端的間隔間距表示為d,它是直射路徑AB在x-y平面上的投影,。

tx5-t1.gif

    反射系數(shù)由電波極化模式,、入射角和介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)共同決定,水平與垂直極化模式如下:

tx5-gs1-4.gif

其中,,c=ha+hb,,對(duì)固定的桌面應(yīng)用場(chǎng)景而言,c是常數(shù),。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后,,反射系數(shù)取決于收發(fā)器兩端的間距d,以及對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景而言是固定的參數(shù)c和εr,。

2 毫米波兩徑模型與室內(nèi)鏈路損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?/strong>

2.1 改進(jìn)的LOS鏈路損耗模型

    在桌面LOS環(huán)境下,,改進(jìn)的鏈路損耗[1]可以通過(guò)傳統(tǒng)的LOS模型表示為:

    tx5-gs5.gif

其中,λ為波長(zhǎng),,Ql1是發(fā)射天線和接收天線對(duì)于直射路徑的天線增益乘積,,Ql2是發(fā)射天線和接收天線對(duì)于桌面反射路徑的天線增益乘積。

2.2 室內(nèi)鏈路損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?/strong>

    正常情況下,,40 GHz桌面應(yīng)用系統(tǒng)仍是一種室內(nèi)信道模型[2],。廣泛使用的平均鏈路損耗模型表達(dá)式為:

tx5-gs6-7.gif

3 數(shù)值結(jié)果與討論

3.1 不同材質(zhì)桌面信號(hào)發(fā)射系數(shù)

    反射系數(shù)RTE和RTM隨著間距d變化比較的情況如圖2所示,。使用的桌面材料為木材(εr=2)、PVC板(εr=3.5)以及瓷板(εr=8),。從圖2中可知,,水平極化模式下反射系數(shù)RTE始終為負(fù)值,隨著收發(fā)端間距的增加而減小,,并趨近于-1,。在同一收發(fā)器間距下,瓷板桌面有較大的反射系數(shù)絕對(duì)量,。對(duì)于垂直極化模式而言,,隨著收發(fā)端間距d的增加,反射系數(shù)會(huì)從正值穿過(guò)零點(diǎn)后變?yōu)樨?fù)值,,最后也同水平極化模式一樣趨近于-1,。垂直極化模式下RTM將經(jīng)過(guò)零點(diǎn),此時(shí)將收發(fā)端間距定義為dBA,,而此時(shí)的入射角就是布魯斯特角(Brewster Angle),。由式(4)可以得到:

    tx5-gs8.gif

    此時(shí),桌面材料對(duì)反射系數(shù)的影響與過(guò)零點(diǎn)位置dBA有關(guān),。當(dāng)d<dBA時(shí),,反射系數(shù)為正值,在同一收發(fā)器間距下,,瓷板桌面有較大的反射系數(shù),。當(dāng)d>dBA時(shí),反射系數(shù)為負(fù)值,,在同一收發(fā)器間距下,,木制桌面有較大的反射系數(shù)絕對(duì)值量??梢钥闯?,只要收發(fā)端之間的間距和c不改變,則反射系數(shù)就不會(huì)改變,。

tx5-t2.gif

    在傳統(tǒng)的室內(nèi)LOS鏈路損耗模型中,,反射系數(shù)通常被指定為常數(shù)(如-1),以達(dá)到簡(jiǎn)化的目的,,這在較長(zhǎng)間距時(shí)是滿足實(shí)際環(huán)境情況的,。但是,從圖2可以看出,,在40 GHz桌面無(wú)線應(yīng)用中,,兩種模式的反射系數(shù)只有在收發(fā)端間距足夠遠(yuǎn)的情況下才近似為-1。而桌面的有效工作范圍多數(shù)情況下僅處于3 m之內(nèi),,假如直接將反射系數(shù)取值為-1將產(chǎn)生較大誤差,。因此,,對(duì)于40 GHz桌面應(yīng)用環(huán)境,反射系數(shù)必須依據(jù)環(huán)境參數(shù)具體考慮,。

3.2 桌面鏈路損耗改進(jìn)模型與傳統(tǒng)LOS模型比較

    圖3(a)~(c)給出了水平極化模式下,,3種材料桌面鏈路損耗的數(shù)值仿真結(jié)果。垂直極化模式下3種桌面材料相應(yīng)的鏈路損耗由圖3(d)~(f)給出,。為方便比較,,圖中同時(shí)給出了反射系數(shù)R=-1時(shí),相應(yīng)環(huán)境下的鏈路損耗數(shù)值仿真,。從圖3可以看出,,對(duì)于水平極化模式,當(dāng)桌面材料的相對(duì)介電常數(shù)值增加,,則鏈路損耗的變化加劇,,此時(shí)鏈路損耗的變化接近于反射系數(shù)R=-1的情況。

tx5-t3.gif

    對(duì)于垂直極化模式而言,,反射材料的相對(duì)介電常數(shù)增加時(shí),,鏈路損耗的變化很少。垂直極化模式下比水平極化模式下的數(shù)據(jù)吻合度高,,誤差也較小,。

    對(duì)于水平極化模式而言,相對(duì)介電常數(shù)較小,,反射系數(shù)R=-1的簡(jiǎn)化同樣會(huì)帶來(lái)較大誤差,,只有當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)增大時(shí),誤差才會(huì)縮小,。因此,,反射系數(shù)R=-1所帶來(lái)的誤差不能輕易忽略,。

3.3 桌面毫米波系統(tǒng)平均鏈路損耗特性比較

    在進(jìn)行無(wú)線信道的鏈路分析時(shí),,一般應(yīng)用平均鏈路損耗(Mean Path Loss)作為經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行覆蓋范圍和信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算。平均鏈路損耗[3]可由鏈路損耗局部最大值與最小值平均得到,。在PVC板桌面材料下,,對(duì)鏈路損耗以對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線擬合結(jié)果如圖4所示。圖中,,可以用直線方程y=px+q表示平均鏈路損耗,,且d取值不是從零開(kāi)始,而是從某一特定參考間距d0開(kāi)始,,得到平均鏈路損耗的方程應(yīng)該描述為:

    tx5-gs9.gif

tx5-t4.gif

    從這個(gè)擬合得到的模型形式上看,,鏈路損耗理論預(yù)測(cè)結(jié)果在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的擬合直線表達(dá)式與經(jīng)驗(yàn)?zāi)P驮谛问缴鲜且恢碌模渲袛M合直線的斜率p和截距q可以分別表示為p=10n,,q=PL(d0),。曲線的擬合度(Goodness of Fit)用均方根誤差[4](Root Mean Squared Error,,RMSE)給出,它的定義如下:

    tx5-gs10.gif

其中,,e表示擬合誤差,,N表示樣本點(diǎn)數(shù)。RMSE越小,,表示擬合度越好,。

    三種桌面材料中,水平與垂直極化模式下鏈路損耗經(jīng)曲線擬合后的結(jié)果,,包括擬合直線的斜率p和截距q,,以及均方根誤差RMSE,如表1所示,。從表中可以看出,,水平極化模式下的值多大于垂直極化模式下的值。即用式(9)表示垂直極化模式下的平均鏈路損耗,,有更好的吻合度,。同時(shí),在水平極化模式下,,隨著桌面材料的相對(duì)介電常數(shù)εr的增大,,RMSE在水平極化模式下將增大,而在垂直極化模式下將減小,。這是因?yàn)?如圖3所示)在水平極化模式下,,εr的增加將導(dǎo)致鏈路損耗的兩徑起伏變化加劇,因此RMSE將加大,。相反,,就垂直極化模式而言,曲線擬合時(shí)的RMSE會(huì)隨之減小,。

    從表1中看出,,雖然曲線擬合的RMSE結(jié)果會(huì)隨著極化模式及相對(duì)介電常數(shù)的變化而變化,但擬合后的平均鏈路損耗卻體現(xiàn)出對(duì)極化模式和桌面材料的不敏感,。在表1中,,擬合后的直線斜率和截距基本不會(huì)改變。這表明,,式(9)適用于不同極化模式和不同桌面材料環(huán)境下的平均鏈路損耗表達(dá),,得到的對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的擬合直線斜率和截距僅與收發(fā)天線的高度和工作頻率有關(guān)。

tx5-b1.gif

3.4 40 GHz室內(nèi)鏈路損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)P团c實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

    本節(jié)提取了文獻(xiàn)[4]中10個(gè)LOS點(diǎn)的鏈路損耗值,,對(duì)這些測(cè)試數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成對(duì)數(shù)坐標(biāo)后的結(jié)果近似的擬合為直線y=10·2.2x+80.4,,與經(jīng)驗(yàn)?zāi)P褪?6)比對(duì)后,n=2.2,。結(jié)果與一般的室內(nèi)LOS環(huán)境中的鏈路損耗指數(shù)[5]n=2近似,。表明直接對(duì)測(cè)試或理論預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合與利用公式進(jìn)行計(jì)算所得到的結(jié)果近似相同,。

4 40 GHz與60 GHz桌面無(wú)線信道鏈路損耗比較[6]

    改進(jìn)后的鏈路損耗模型,由于運(yùn)用了隨間距變化的反射系數(shù),,從而在整個(gè)作用間距范圍內(nèi)的波動(dòng)有所減小,。與40 GHz比較的測(cè)試工作頻率為62.5 GHz,發(fā)射端和接收端天線高度都為15 cm,,采用垂直極化模式,。62.5 GHz鏈路損耗明顯高于40 GHz鏈路損耗,并隨著間距的增大,,兩者的差距并不明顯,。在提出的改進(jìn)桌面環(huán)境理論預(yù)測(cè)損耗模型中,40 GHz與62.5 GHz桌面環(huán)境預(yù)測(cè)損耗也有相似的一面,。兩種鏈路損耗擬合雖然有明顯的差異,,但對(duì)于鏈路損耗指數(shù)n,兩者的斜率近似相等,,且都接近于2,,這也與前文所示的值近似。

5 結(jié)束語(yǔ)

    根據(jù)不同的極化模式提出了一種基于間距的反射系數(shù)表示法,。針對(duì)桌面視距鏈路環(huán)境的特點(diǎn),,提出了適合40 GHz桌面無(wú)線傳輸應(yīng)用的鏈路損耗模型。將得到的理論預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與40 GHz室內(nèi)毫米波傳播損耗進(jìn)行比較,,同時(shí),,對(duì)不同桌面材料和極化模式下的鏈路損耗進(jìn)行了比較。結(jié)果表明垂直極化模式和木制桌面材料環(huán)境下,,40 GHz短距離桌面無(wú)線信道鏈路損耗起伏較小,,使得在用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P兔枋銎骄溌窊p耗時(shí)的吻合度較高。將平均鏈路損耗表達(dá)式的參數(shù)與40 GHz室內(nèi)鏈路損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),,擬合后的直線斜率與鏈路損耗指數(shù)有對(duì)應(yīng)性,,所以在保持相同的誤差要求下,可以用對(duì)理論預(yù)測(cè)模型進(jìn)行曲線擬合的方法替代傳統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境下需要進(jìn)行大量測(cè)試后才可得到的平均鏈路損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。最后,,比較得出了40 GHz與60 GHz的共性與差異,得出在40 GHz短距離視距桌面無(wú)線傳輸時(shí),,可以得到比典型的LOS模型更適合的鏈路損耗的表達(dá)。

參考文獻(xiàn)

[1] SMULDERS P.Exploiting the 60 GHz band for local wireless multimedia access:prospects sand future directions[J].IEEE Communications Magazine,,2002,,40(1):40-147.

[2] SMULDERS P E M.Deterministic modeling of indoor radio propagation at 40-60 GHz[J].Wireless Personal Communications,1995(1):127-135.

[3] SARKAR T K,,JI Z,,KIM K,,et al.A survey of various propagation models for mobile communication[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2003,,45(3):51-82.

[4] 張貽華,,陳志強(qiáng),葉家駿,,等.40 GHz毫米波室內(nèi)傳播損耗分析[J].電子測(cè)量技術(shù),,2010,33(6):44-46.

[5] KAREDA J,,JOHANSSON A J,,TUFVESSON F,et al.A measurement-based fading model for wireless personal area networks[J].IEEE Transactions,,Wireless Communications,,2008,7(11):4575-4585.

[6] 付煒.短距離無(wú)線通訊中傳播特性理論研究及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)[D].成都:電子科技大學(xué),,2009.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。