室内无线传播的实践范文

本文作者：毛梅译

1.简介

无线通信的蓬勃发展产生了用于个人无线电频率的新技术和应用。目前在世界范围内都正在发展个人通信系统(PCS)。用成功的PCS工具的重要条件就是室内无线通信.这包括大范围的通信位置的变化,位置的范围从住宅或办公楼、医院、工厂等的个人移动通信到把控制信息发送到机器人的固定站。室内环境易受干扰.由于受建筑物内结构的无线电波的反射、折射和散射作用,发射信号经常不止通过一条路径到达接收机。这就产生了多径衰落现象.多径引起了深衰落和信号的脉冲扩展,因此在数字无线电系统中能产生符号间干扰。尽管多径干扰极大地降低了通信系统的特性,但是我们还是很少有办法取消它。如果我们能够很好地表征多径媒介的话,那么人们能够选择发射机的位置以获得良好的传播特性,因此达到更好的连通.如果业务供应者必须通过测量每栋楼的无线电波传播来表征传播媒介的话,(在建筑物内人们推广应用他们的系统),由于包括劳动成本在内所以安装费用将是非常高的.

因此,人们对研制传播模型来预测室内环境的传播特性特别地感兴趣。一旦传播模型被确定下来,环境能够很快地被进入这样的模型以提供评估的传播特性.下一步的工作是在信号很不好的位置进行快速测量.这个方法比消耗性的程序要便宜得多,因此安装费用大幅度地减少.人们研制了许多传播模型来表征室内无线电传播。它们能被分成两个主要类别:统计模型和具体位置的传播模型。多径衰落波道的一般性统计脉冲模拟首先是由Turin提出的。结果它被跟随T盯in的研究人员和其它的研究人员用在移动无线电波道的测量、模型设计和模拟中。

最近,统计脉冲响应方法被直接或间接地用在室内无线电传播波道模拟中。Keenan和Motlcy企图明确表达统计损耗距离模型来预测以几个建筑物参数为基础的无线电覆盖范围。最近人们已经研制出了有不同公式和统计数据的一些其它统计损耗距离模型。比较起来说,具体位置的传播模型是根据电磁波传播理论的应用来表征室内无线电传播的。最近的报告把分析的电子轨迹描绘技术应用到具体位置的室内无线电传播模拟,在几篇文章_中已涉及到这样的报告。人们提出这项技术来预测路径损耗,时间变化脉冲响应和RMS延迟散布。它答应提供室内无线电覆盖范围和波道脉冲响应的快速而精确的预测。总之,在许多实际的位置中最好用具体位置的传播模拟。

2.室内电磁波传播

室内无线电波道象室外无线电波道一样不受雪、雨、苟、云或逆温的环境影响,但是由于建筑物尺寸、形状、结构、房屋布局的变化,最重要的是,结构材料的类型、建筑物内的电磁波传播是比地面移动无线电波道的电磁波传播更复杂的多径结构。例如,工厂建筑物在其结构和所用材料两方面完全不同于办公楼。内墙、外墙、顶和地面以及窗户的大小和多少所用的材料的变化、建筑物的年限、人口密度和活动也是使室内电磁波传播变复杂化的因素。

2.1路径损耗

总之,在离发射机距离为d处的幂的空间分布是d的减少的函数。这个函数是由P一1/dm的距离幂定律表示的.对自由空间而言,m等于2,据说功率增益符合平方反比律。但是,在一个封闭的环境中,现在这是不对的。Saleh和Valenzuela以及Bultittlde表明当发射机和接收机被放在能彼此看见的同一过道时,功率随1.5至1.8的m值衰减,当接收机位于远离过道的房间内时,m值是3至4。

路径损耗也随频率变化。Owen和Pundey在gooMHz和165oMH:时对办公楼内进行T测量。测量结果表明地板损耗在高频率时较大。人们发现在以毫米为单位的波长处,无线电波不能穿透最普通的建筑物材料如砖和混凝土块并且发现信号衰减随距离快速地变化。因此毫米波带似乎为提供高容量频率复用环境中宽带服务提供了一个良好的选择。根据环境中使用的建筑材料,Alexander给出了m值.信号衰减的程度取决于信号遇到的材料型号.因此,室内环境中的信号衰减能用结构材料表征.

2.2衰落特性

在一个典型的室内无线电系统中,安装在升高位置中的固定基地台天线能与建筑物内的许多便携式无线电或固定的接收端互通。由于建筑物内结构的无线电波的反射、折射和散射作用,发射信号常常不止通过一条路径到达接收机,如图1(略)所示这产生了多径衰落现象.从间接路径和直接路径到达的信号分量合并并且产生了发射信号的失真.在窄带传输中,多径媒质使接收信号的相位和包络线中产生波动。在宽带脉冲传输中,会对每个发射脉冲产生一系列延迟和衰减脉冲.图2(略)是个实验室的模拟脉冲响应来说明多径衰落对宽带脉冲传输的影响。在连续波信号传输的情况下,它表明如果主要的信号路径不在接收机和发射机之间的话,接收信号包络线的统计用瑞利分布来描述。如果主要的路径不存在的话,信号包络线的统计就是Rician•

在数字脉冲传输中,多径信号的延时分布是重要的因为它影响数据传输率。三个参数经常用来描述波道的时间分布:平均过量延时,均方根延时分布和过量延时分布.平均过量延时描述了以第一到达信号分量为准的平均传播延时.延方根延时分布测量了关于平均过量延时的功率延时剖面图的时间分布。过量延时分布(xdB)说明以第一到达信号分量为准的最大延时,在此多径能量降至峰值接收电平以下的xdB。这些参数与断电和用于不同数字调制线路图的误码率有关.这些线路图不用调均.经验是如果波道均方根延时分布比符合持续时间小0.2的话那么就会产生小于lJ3的误码率。

Saleh和Valenzuefa从两层窄建筑物中1.SGH:处测量进行观察,在这样的建筑物内均方根时间延迟分布值延伸到50ns。Devasirvatham在大的建筑物中在850MH:时进行测量观察到125ns的平均均方根时间延迟分布值.RaPp叩ort报导了五个工厂建筑物中1300MH:时的测量结果。多径分布在40到80ons的范围内.平均过量延时和均方根延时分布值在30到30ons的范围内。得到的不同结果是由于建筑物的不同所造成的。人们发现延时分布受工厂设备、建筑物建筑材料、建筑物年限、墙的位置和屋顶高度的影响。带有多金属材料的建筑物有较大的延时分布。

3.室内传播模型的综述当把室内无线电传播模型的主要两类—统计和具体位置用于室内无线系统的设计和安装时,这两类都有强度和限制的问题。

3.1统计模型

用于多径衰落波道的一般统计脉冲响应模型首先是由T盯in建议用于室外无线电传播.最近,这个统计脉冲响应方法被用于室内无线电波道传播模拟.Saleh和Valenzuela在中等尺寸的两层办公楼中用他们的测量结果,与从其它研究人员处得到的测量结果一起来研制室内无线电波道的统计模型用来模拟和分析各种室内通信线路图.人们示出了这种模型来适合测量并且这种模型通过调整其参数可以被延伸到其它建筑物。

模型假设多径分量以丛到达。每个分量的接收振幅都是一个独立的瑞利随机变量,方差在丛内随传播延时,以及时间延时呈指数衰减.每个分量的相应相位角在[0.2司上都是独立的均匀随机变量。一丛中的许多丛和多径分量组成了有不同比率的泊松到达方法。多径分量和丛都有呈指数性的分布中间到达次数。丛的形成与建筑物结构有关,而每丛内的多径分量都是由发射机和接收机附近的物体的多反射形成的。模型有足够的挠度以允许测得的波道响应有合理地精确拟合法,模型太简单了可以模拟。模型可以成功地用在办公环境中但是把它用在几个工厂环境中收集的多径数据是不成功的.

Hashemi等人研制了一个统计模型用于室内无线电传播,这个传播是以两栋办公楼中的许多多径传播测量的结果为基础的.研制这个模型的数据库由在这些办公楼中收集的波道的12。。0幅脉冲响应剖面图组成。在这个模型中,数据到达时间被模拟为改进的泊松分布,人们发现在本地和全球上振幅都是对数正态分布,对数平均值几乎成线性地随增加的过量延时而减少。模型的模拟结果与办公环境中的测量结果一致。遗憾的是,把这个模型用到在工厂环境中收集的脉冲响应数据是不成功的.

Keenan和Motley系统地阐述了以几个建筑物参数为基础的无线电覆盖范围预测模型.在这个模型的公式中的这些参数是从测量数据求得的。模型提供了室内环境中一个快速且简单的方法来预测路径损耗(以分贝为单位)。这对于内部覆盖范围预测是有用的。但是,模型只提供路径损耗信息并且它在一些复杂的室内环境中不能很好地工作.

Se记el和RapPaport提出了以在914MHz处测得的数据为基础的路径损耗模型。模型是以与距离有关系的简单d“指数路径损耗为基础的。在一个开阔的建筑物中,路径损耗指数n接近于2.对于在发射机和接收机之间有许多障碍物的环境而言,路径损耗指数可能更高。有关的统计距离路径损耗模型对理解建筑物中的无线电波传播是有用的。但是,人们需要详细的测量来得到数据以确定这些特殊建筑物模型的适当的参数.

RaPPaPort等人研制了统计波道脉冲响应模型来设计用在工厂和开阔建筑物的无线电通信系统.被称做SIRCIM的模型现在正被许多研究人员用在计算机上来在办公楼和工厂建筑物中测量脉冲响应和路径损耗。模型包括第一和第二级统计来表征视线(LOS)和有障碍的地形的室内无线电波道的分离脉冲响应.人们能在整个低微波带上用SIRCIM,写出编码来逐渐达到60GHz.由SIRCIM产生的数据档案包括用于各个多径分量以及大型路径损耗的振幅、相位、时间延迟和路径损耗,以便产生一个完整的传播模型。模型的最显著特点是它再生非常现实的多径波道条件因为它们是以现实世界测量为基础的,因此可以被用于工厂和开阔建筑物的有意义的系统分析。模拟其它的多径波道,如办公楼是可能的。这个模型用于表征室内传播波道是吸引人的。但是,它依靠许多测量数据来确定适当的参数以模拟室内环境的特殊类型。

3.2具体位置的传播模型

具体位置的传播模型是以电磁波传播理论为基础的来表征室内无线电传播。与统计模型不同,具体位置的传播模型不依赖大量的测量,但是需要室内环境的较详细的详情来得到建筑物内信号传播的精确预测。理论上通过解带有建筑物几何结构作为边界条件的麦克斯韦方程能够精确地计算电磁波传播特性。遗憾的是,这个方法需要非常复杂的数学计算并且要求有相当的超出现在微机的计算能力。因此它对于室内无线电波传播的特点是不经济的。所以适当的数值方法是令人感兴趣的.电子轨迹描绘是个直观的吸引人的方法,用这种方法来计算无线电信号强度、非时变脉冲响应、均方根延时分布和室内环境中的有关参数。

电子轨迹描绘的概念是以事实为根据的,这个事实就是高频无线电波具有象射线型一样的特性。因此信号传播能被模拟成射线传播。通过应用电子轨迹描绘的概念,可以从发射机位置发射射线,用已知的反射和传输理论,能从建筑物内有隔墙的射线的互作用发射射线。两类电子轨迹描绘方法一镜象法和平滑电子轨迹描绘法正被用于表征室内电磁波传播。对于受平面限制的散射体来说,方便的是采用镜象法来反射出特殊面的无线电波源.在镜面和连接发射机镜象和接收机的线相交的地方的点就是镜面反射产生处的点.在不太复杂的几何图的情况下舞且在考虑少数反射的地方,这个方法很适合无线电传播分析.平滑电子轨迹描绘法研究可以或不可以到达接收机的一束发射射线.所用的射线和从发射机到接收机位置的距离确定了可得到的空间解因此也确定了模型的精度。这个方法要求比镜象法有更强的计算能力。

电子轨迹描绘可能比以麦克斯韦方程为基础的方法的计算的要求要小得多。由于目前在个人计算机和工作站上能得到的计算能力,电子轨迹描绘法提供了传播模拟的有争议但是可行的方法。用于根据其详细几何图和结构为基础的每栋建筑物的可靠的具体位置电子轨迹描绘传播预测模型在设计室内通信系统时可能是非常有效的工具.

4.用电子轨迹描绘模拟

电子轨迹描绘接近于简单的反射和折射引起的电磁波的散射.传输的程度和信号通过障碍物的反射与障碍物的复杂介电常数有关。

4.1无线电信号的传输和反射

当信号被发射或反射到墙或隔墙时,信号衰减的程度和相位改变的数量分别取决于传输和反射系数。这些系数是从信号射线遇到的材料的复杂介电常数计算出的。影响信号传输和反射的其它因素是入射角和相关的极化。复杂的传输系数被定义为发射与入射电场强度的比率,复杂的反射系数被定义为反射与入射电场强度的比率。关于图3(略),信号射线是入射到平行板上的,这个板可以是一个隔墙或墙。在图3a(略),信号有以水平板为基础的水平极化。水平极化的复杂传输和反射系数如下:在公式1一4中,。是平行板的复杂介电常数,是自由空间的介电常数,必:是入射角,E。、E,和E:分别是入射、反射和传输电场强度。当如图3(略)所示信号射线遇到厚度为D的平行板时,在其穿过材料时信号是衰减的。然后给出了复杂的传输系数视线

4.2信号强度计算

图4(略)示出了通过间隔发射的信号.在接收机处来自于视线路径的接收信号强度如下:

4.3反射信号强度计算

图5(略)示出了信号的第一级反射路径.由于这个路径接收机处的信号强度如下:

4.4电子轨迹描绘法

在电子轨迹描绘法中,把发射机和接收机的位置分配给由三维坐标参考的点。通常把室内环境中的墙、间隔、顶和地板模拟成给定厚度和复杂介电常数的平面。为简单起见,曲线面能被模拟成分段平面。来自于发射机天线的射线被反射到墙、间隔、屋顶、地板和桌上等或通过墙,间隔等发射以便在接收机处到达。正如上面提到的那样,人们已研究了两个普通方法—镜象法和平滑法来跟踪发射机到接收机的射线.(a)镜象法:这个方法假设室内环境的每个平面都是一面镜子。对视线传播而言,通过连接发射机和接收机跟踪射线是容易的。对单反射传播而言,在特殊面处反射无线电源。镜面的相交点和把发射机图象连接到接收机的线就是镜面反射产生处的点。单反射传播路径能够通过连接源点、反射点和接收机点而获得。对于重复反射而方,人们首先发现了以特殊平面为基础的无线电源的图象。下一步就是发现以另一平面为基础的源象的图象,在另一平面确定了第二个反射点。遵循同一规律,能够获得相关平面处的所有反射点。那么就能够获得多反射传播路径.上述描绘的方法,在源象处开始被称为正向电子轨迹描绘法。在接收机象处开始并且追溯到发射机也是可能的。这被称为反向电子轨迹描绘法。假设图7(略)示出的矩形房间。发射天线位于T点。而接收天线位于R点。为了从T至R跟踪路径。反射到2,4和3,必须发现三个图象。首先发现墙3中接收机夭线的第一级图象13。然后,通过在包含有墙4的半无限平面中反射第一级图象,发现点I:.;处的第二级图象.最后,通过在墙2中反射发现点处最高级图象的坐标一旦所有的图象都被发现,那么正如图7(略)所示能够发现完整的路径和所有的反射点。用公式10能够计算出这个传播路径的信号强度。

(b)平滑电子轨迹描绘法:这个方法解释了所有可能的传播路径的用途。发射机和接收机都被模拟成三维空间中分离位置处的点.假设发射机和接收机处偏移和到达的所有可能的角来确定所有可能的射线,这些射线可能离开发射机并且在接收机处到达。

电子轨迹描绘是通过详细的研究射线树而完成的,射线树考虑到每个平面相交处射线的分解作用。首先模型确定了视线路径是否存在,如果存在的话计算接收信号.下一步,模型跟踪了指定方向的源射线,并且探测目标相交是否产生.如果没有发现相交,程序停止,然后开始在与最初射线形成角的方向的新的源射线.一旦相交,进行检查看看射线能否到达指定的接收机位置。如果发现射线到达了接收机位置,那么计算接收信号。检查完接收以后,入射射线被分成发射和反射射线,以同样的方式跟踪每条射线到下次相交。这个循环继续直到射线密度降至指定的临界值为止或不再相交为止。当射线的多次散射对接收功率影响不大时因为这些散射射线的振幅快速地随距离下降,所以用这个方法现有的电子轨迹描绘不包括多散射同样也不循环地跟踪散射射线。在产生射线树的每一个步骤处,测试相应的射线段看它是否已到达指定的接收位置。为了做到这一点,在接收位置的周围建造一个接收区域,这个位置有从发射机到接收机与折叠路径成正比的半径,在源处的相邻射线之间有角距。如果射线在区域处相交,那么就把它看作供给接收信号。否则的话,就把射线看作未到达接收机位置。

接收范围有效地说明了来自源射线的发散原因.对于足够小的射线夹角6而言,相交范围的射线将是个精确的射线测量,这条射线直接通过接收点。借助于图8(略)能够证明接收范围的物理解释是正确的。这个图是被跟踪射线的两维表示法。同样示出了与测试射线有关的在士O发射的两条相邻射线。注意在三维中任何射线都多于两条相邻的射线,相邻射线的方向夹角不必与坐标轴一致。

如图8(略)所示,正确半径(、ad/:)的接收范围能够精确地接收其中的一条射线.如果半径太大,事实上能够接收两条射线并且能够计算两次同一射线路径。同样,如果半径太小的话,在范围内射线不相交并且将排除射线路径能量。由于发觉了两条射线的路径损耗误差只是几分贝。如果那条射线带有大量能量的话,那么丢失的反射射线将会产生更大的误差。

5.结论

文中我们已经指出在研究室内无线通信的过程中传播模型的重要性。传播模型提供了许多室内环境中信号强度和时间弥散的估算法。这些数据在设计和安装室内无线电系统时是很有价值的。传播模型能被分成统计模型和具体的位置传播模型。统计模型需要大量的测量数据并且不提供具体位置信息.具体位置传播模型提供具体位置信息但需要室内环境布局的大量详情。

统计模型能被用于最初的设计和分析而具体位置传播模型能被用于室内无线电覆盖区的快速精确预测。通过解麦克斯韦方程的具体位置传播模拟代价高且不实际。电子轨迹描绘作为用于具体位置传播模拟的近似方法是有保证的。电子轨迹描绘利用传播环境内所有令人感兴趣的物体比波长大这个事实,因此它适合于用在较高的无线电频率范围内。衍射理论能把其应用拓宽到较低的无线电频率.电子轨迹描绘技术的精度很大程度上取决于传播媒质的具体位置表示法的精度和详情。快速相互作用计算环境和高精度图解数据库的可用性极大地改善了电子轨迹描绘模拟的有效系数和精度.人们建议研制高精度电子轨迹描绘模型.然而,简单、快速和廉价的PC一基电子轨迹描绘传播模型对最初设计和分析室内无线系统的工程师是有帮助的。研制这样的模型是很理想的。