無線通信傳播在室內途徑模板范文
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本文作者：季忠黎濱洪王豪行陳興義趙耀庚單位：上海交通大學電子工程系臺灣元智大學臺灣
隨著信息時代的到來,無線通信的應用正逐漸由室外環境向室內擴展和延伸.室內的無線通信系統,如個人移動通信、無線局域網絡等正迅猛發展,它迫切需要一種對室內電波傳播特性進行評估的有效手段.研究室內電波傳播的多徑現象,建立有實用意義的室內電波傳播模型,可以為室內無線通信系統的設計提供最佳網站配置的依據.從而可節省巨額的實地設站檢測費用,具有較大的經濟效益.
室內的電波傳播不受氣候因素(如雨、雪和云等)的影響,但要受建筑物的大小、形態、結構、房間布局及室內陳設的影響,最重要的是建筑材料的影響響.室內障礙物不僅有磚墻,而且有木材、金屬、玻璃及其他材料(如地毯、墻紙等).這些材料對電波傳播的影響是不同的.近年來,由于計算水平的提高,對室內電波的傳播預測常采用射線跟蹤法[1～4].本文用射線跟蹤法對室內電波傳播的路徑損耗進行預測,提出了一種室內物體的分塊處理方法,預測結果和實地的測量結果符合較好.
1基本理論
1.1射線跟蹤法
室內大多數物體尺寸與波長相比要大得多,使得邊界條件變得復雜,采用麥克斯韋方程組進行精確求解,從實用的角度來看是不可能的,而且即使用當今速度最快的計算機,采用數值解方法,其計算時間也會很長,因而是不經濟和不實用的.由于室內無線通信所用頻率一般較高(如1.8GHz或更高),因而波長與室內大部分物體尺寸之比足夠小,電磁波可視為局部平面波,其傳播可以用幾何光學來近似,即認為電磁波沿直線傳播,使射線跟蹤法成為可能.
射線跟蹤法的基本思想是:將發射點視為點源,其發射的電磁波作為向各個方向傳輸且有一定電場強度的射線,對每根射線進行跟蹤,在遇到障礙物時按光傳輸理論進行計算,在接收點將到達該點的各條射線合并,計算接收點的場強或接收功率,從而實現電波傳播的預測.這一方法已在室外和室內的電波傳播預測中得到廣泛的應用.
1.2反射和透射
電波在室內的傳播具有多徑現象.在室內電波傳播中除直射外,反射也是一種極為重要的傳播途徑.如圖1所示,假設發射點T和接收點R在同一個房間內,則反射波除四面墻的反射外,還應包括地板和天花板的反射.室內環境中的物體通常都具有一定的厚度,有時表面還可能覆蓋有其他材料,當平面波遇到障礙物時將產生反射和透射,反射系數和透射系數通常是以多層有耗介質的情形計算的.假設共有n層各向同性非磁性介質,頂層和底層都為半空間區域(空氣).第i層的厚度為di,復介電常數為Ei,磁導率為Li=L0(L0為真空中的磁導率),復傳播常數ki=XEiLi=XEiL0.其中X為入射波的角頻率.電波以H角入射,則第一層的反射系數R和第n層的透射系數T有如下關系
2分塊模型
2.1物體的分塊
在用射線跟蹤法進行室內電波的傳播預測時必須對室內障礙物有詳細的了解,即建立一個存儲障礙物數據的數據庫,數據庫的數據以物體塊為單位存儲,記錄包括該物體塊的位置、尺寸大小、復介電常數等參數.由于室內物體表面大都是平面的,而且表面通常為矩形,因此每一物體塊的幾何形狀都可用平面矩形來表示.在室內由于不同介電特性的材料通常是交叉共存的,例如開有窗戶的水泥墻.由圖2可知,墻壁和玻璃對電磁波的反射是不同的,因而物體塊的劃分必須符合實際情況。圖3所示為房間中某一墻面的示意圖,墻上有窗,矩形的窗戶可作為一個物體塊來處理.為便于射線與物體塊求交運算,必須將墻面也劃分為矩形物體塊.圖3中虛線所示為一種劃分方法,這樣墻共有5個物體塊.在數據庫中每一個物體塊都有一個編號,處在同一平面的物體塊編號僅個位數不同.包含有多個物體塊的平面也可以作為一個物體塊來處理,其編號的個位數為0,高位數與所包含的物體塊相同.
2.2求交運算
在室內射線的跟蹤算法中,主要的運算是求交運算,即判斷射線是否與物體塊相交而發生反射和透射,實際上是求射線和平面矩形相交.設物體塊所在平面的方程為當ti≥0時,交點在射線上,連接原點到該交點的線段用矢量s表示.物體塊為一矩形,用一個頂點和連接頂點的兩條相互垂直的邊u和v來表示,連接原點到該頂點的線段用矢量x表示.若滿足:則交點在矩形內,即射線與該矩形所表示的物體塊相交,發生反射和透射.
3射線跟蹤算法
3.1幾何元素的表示
用射線跟蹤法進行室內傳播預測所涉及到的幾何元素(點、有向線段、方向、面)可定義如下:(1)點.表達諸如源點、場點、反射點和透射點的幾何特征,其數值表達用直角坐標系中x,y,z表示,數值計算時用3個實數表示.(2)有向線段.連接起始點和終止點的一段有向線段,用于表示入射線、反射線和透射線,計算時用一個起始點、一個方向和一個表示長度的實數表達.(3)方向.為一個單位矢量,表達諸如有向線段的方向、平面的法線、射線基坐標系中的坐標軸方向等.其數值表達由該單位矢量末端處的3個直角坐標表示.(4)面.主要為矩形區域平面.用于表示物體塊和確定反射點、透射點.在計算機中用一個點和以該點為起始點的兩個有向線段以及該矩形所在平面的法線方向來表示.為不引起混亂,規定兩個邊緣的方向與平面的法線方向成右手螺旋關系.
3.2射線跟蹤
射線的跟蹤過程實際就是射線與物體塊求交的判斷運算過程,由于從發射天線出發的射線在遇到物體塊時又會產生反射射線、透射射線,所以整個跟蹤過程是一個遞歸過程.遞歸的深度取決于所預先規定的射線被丟棄的衰減系數,例如可將反射的衰減系數定為2,透射的衰減系數定為3,如被丟棄的衰減系數為10,意味著一根射線在經過5次反射或2次反射或2次透射后將停止跟蹤,此時認為該射線的場強已衰減到很小.顯然,預定的衰減系數越大,到達接收點的射線越多,但計算量將大大增加.在跟蹤過程中,若射線被接收和跑出室內環境,則停止跟蹤.整個跟蹤過程如圖4所示.對從發射天線以一定的張角出發的每一射線進行圖示的操作.射線的初始化包括確定射線的方向、起始點和電場強度.
4預測和測量結果
一般實際測量的是功率,接收點平均接收功率可表示為Pt為發射功率;Gt、Gr分別為發射和接收天線的增益;li(si)為第i條射線經過實際路程si到達接收點的功率損耗因子;rji、tki分別為第i條射線第j次反射的反射率、第k次透射的透射率.則路徑損耗為驗證上述分塊模型,對一個房間進行實測和預測.整個房間被分為20多個物體塊,房間大小為5m×7.45m×2.7m,發射和接收天線都是半波振子,距地板的高度均為1.5m,頻率為1.7GHz.發射和接收天線都沿垂直地板方向放置.由于發射和接收天線都有方向性,在計算時已加以考慮.圖5所示為發射天線位置固定,接收天線位置移動,對9個接收天線位置點(編號為N)的路徑損耗進行的預測值和測量值的比較.圖中有些點測量值和預測值存在一定誤差,其原因主要有:障礙物的介電常數估計不準確;室內的小尺寸物體對電波影響未加考慮；對室內的一些家具(如少量的桌椅)未加考慮.由圖5可見,預測結果和實測結果吻合較好,這表明在用射線跟蹤法進行室內電波傳播預測時,采用物體分塊的方法可以得到比較高的預測精度.
