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.
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,。
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:
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:
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:
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:
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,。
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。
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:
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:
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)。
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)。
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