《電子技術(shù)應(yīng)用》
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室內(nèi)非視距環(huán)境超寬帶信號(hào)傳播特性研究
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第24期
李雙德,,劉芫健,,戚星宇
(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(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化提供理論依據(jù)。
Abstract:
Key words :

  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(wú)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:

 ?。?)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),。

  (2)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,。

  (3)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:

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  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:

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  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:

  67.jpg

  第二部分是介質(zhì)板內(nèi)部的傳播損耗系數(shù):

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  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:

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  其中,,Ep是脈沖能量,τ=0.11 ns,,Tc=0.5 ns,。

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  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。

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  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(wú)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(wú)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。

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  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(lái),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(wú)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:

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  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,。

參考文獻(xiàn)

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