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)專項(xiàng)科研基金（20123223120003）隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各波段頻譜越來越緊張,，毫米波由于其頻帶寬的特點(diǎn)變得越來越受歡迎,。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,，因此這類室內(nèi)環(huán)境對信號傳播的要求更高。國內(nèi)外學(xué)者對這類環(huán)境做了大量測量分析工作,。MALTSEV A等人［12］通過在一個(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路徑攜帶,。JACOB M ［3］提出了一種基于有桌椅家具環(huán)境的會議室室內(nèi)環(huán)境的帶寬頻率在67 GHz和110 GHz之間的無線信道分析的測量,。測量結(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)際測量的方法,，這種方法雖然簡單但是成本高且對測量儀器的精度要求較高,，所以在研究無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,、測試射線法,、入射及反彈射線法（Shooting and Bouncing Ray,簡稱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］是最簡單的射線跟蹤方法,，不需要相交測試，效率高,，一般用于簡單結(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法是對場強(qiáng)相對準(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，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處在中心位置對各個(gè)點(diǎn)的接收情況都較為良好,，基本沒有明顯的衰減趨勢，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對應(yīng)的接收功率位置偏角落且周圍有隔板阻礙,，毫米波傳播過程中產(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9個(gè)位置的發(fā)射機(jī)對應(yīng)的RP的平均值對比可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射機(jī)6平均RP最低,，為-4512 dBm,，也就是說發(fā)射機(jī)6發(fā)出的信號傳播產(chǎn)生的PG最大。

2結(jié)論

　　通過仿真和分析可以看出SBR法在室內(nèi)電波傳播預(yù)測中的可靠性和有效性,。對于室內(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,。其他位置類似,。同時(shí)還對發(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偏弱的地方,。以上的仿真結(jié)果對現(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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