王滿喜，聶 皞，孫 武，王倡文

(1.中國(guó)人民解放軍63880部隊(duì)，河南洛陽(yáng) 471003;2.中國(guó)人民解放軍61936部隊(duì)，海南海口 571100)

0 引言

在通信裝備的性能測(cè)試中，外場(chǎng)場(chǎng)地測(cè)試常常會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過(guò)大和飛行條件不具備等原因而不能正常進(jìn)行，此時(shí)就需要把裝備移至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行內(nèi)場(chǎng)仿真測(cè)試。在內(nèi)場(chǎng)仿真測(cè)試中，通信鏈路傳播損耗的模擬和計(jì)算是其重要內(nèi)容，損耗模型的誤差則是影響通信裝備內(nèi)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的重要因素。通常，為了盡量減小損耗模型的誤差，在測(cè)試前需要對(duì)所選定的外場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)位之間進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)損耗模型進(jìn)行校正，但是，由于實(shí)地測(cè)試存在耗費(fèi)高和不確定因素多等缺點(diǎn)，故實(shí)測(cè)校模并不是總能實(shí)現(xiàn)。近些年來(lái)，隨著電磁仿真技術(shù)的發(fā)展，確定性的電波傳播特性預(yù)測(cè)技術(shù)，特別是確定性電波傳播特性預(yù)測(cè)技術(shù)和軟件得到了迅速發(fā)展，這為內(nèi)場(chǎng)仿真測(cè)試中所需的通信鏈路傳播損耗計(jì)算提供了一條高效準(zhǔn)確的途徑，而基于射線追蹤算法的確定性電波傳播特性預(yù)測(cè)方法是其中應(yīng)用最為廣泛的。

1 射線追蹤算法

電磁波在山地、平原、建筑物、植被和河流等不規(guī)則地形地貌環(huán)境中傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射、繞射、透射和散射等不同的傳播機(jī)理，這些機(jī)理的發(fā)生具有很大的隨機(jī)性，因此要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜環(huán)境下的電波傳播特性是相當(dāng)困難的。但是，為了滿足工程技術(shù)需要，人們還是建立了很多復(fù)雜環(huán)境下的電波傳播預(yù)測(cè)模型。其中，確定性電波傳播預(yù)測(cè)模型是在嚴(yán)格的電磁理論基礎(chǔ)上從麥克斯韋方程組導(dǎo)出的公式，根據(jù)電波傳播的初始條件和邊界條件，求解這些公式就可得到路徑上的電波傳播特性。在確定性電波傳播預(yù)測(cè)模型中，基于射線追蹤算法的預(yù)測(cè)模型是目前應(yīng)用最為廣泛的。它是基于一致性繞射理論(UTD)和幾何繞射理論(GTD)，采用射線跟蹤方法(SBR)建立的傳播預(yù)測(cè)模型，使用了一些計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法加速模型的建立和處理，在2D或3D的環(huán)境中，根據(jù)電波散射特性以及跟物體相關(guān)的反射、透射系數(shù)，利用幾何光學(xué)、UTD或GTD理論來(lái)計(jì)算電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通過(guò)將電場(chǎng)與具體的天線模式相結(jié)合來(lái)計(jì)算路徑損耗，到達(dá)時(shí)間以及到達(dá)角度等。

基于射線追蹤算法的電波傳播預(yù)測(cè)方法通常把電波傳播路徑分為3類:反射波、透射波和繞射波。電波按反射波和透射波傳播的情形如圖1所示，圖中為發(fā)射機(jī)Tx的一條射線經(jīng)過(guò)3個(gè)物體反射和透射后的電波傳播情況;電波按繞射波傳播的情形如圖2所示，圖中為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)高于建筑物頂部時(shí)發(fā)生的電波繞射和直射傳播的情況。

圖1 反射波和透射波傳播

圖2 繞射波傳播

在算法實(shí)現(xiàn)中，由于計(jì)算資源有限，通常會(huì)設(shè)定可計(jì)算的反射、透射和繞射路徑數(shù)的最大值。此外，由于射線跟蹤方法是高頻分析技術(shù)，也就是說(shuō)，如果障礙物的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，并且觀察點(diǎn)和物體之間的距離等于波長(zhǎng)的許多倍，此技術(shù)才可以預(yù)測(cè)出準(zhǔn)確的結(jié)果，因此射線追蹤算法通常還規(guī)定了最低通信頻率，比如100 MHz以上。目前，射線追蹤算法已經(jīng)趨于成熟，市面上已有多款商業(yè)的基于射線追蹤算法電波傳播預(yù)測(cè)模型軟件，如法國(guó)Siradel公司開(kāi)發(fā)的Volcano、德國(guó)AWE公司開(kāi)發(fā)的WinProp和美國(guó)REMCOM公司開(kāi)發(fā)的Wireless InSite等。

不過(guò)，射線追蹤算法模型也有其自身的缺點(diǎn)。首先，它需要高精度的地圖和準(zhǔn)確的站點(diǎn)參數(shù)，也需要更多的計(jì)算時(shí)間(往往數(shù)百倍于統(tǒng)計(jì)模型)。因此從經(jīng)濟(jì)和人力代價(jià)考慮，射線追蹤模型并非適用于所有的場(chǎng)景，而較適合于在復(fù)雜的密集城區(qū)或室內(nèi)場(chǎng)景中使用。其次，由于射線追蹤算法對(duì)所有建筑物、墻壁和屋頂?shù)壬⑸潴w無(wú)線電波傳播特性進(jìn)行數(shù)字化，其中必然存在量化誤差，故其計(jì)算結(jié)果需要實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 復(fù)雜環(huán)境下的電波傳播損耗仿真

為了檢驗(yàn)基于射線追蹤算法的電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型對(duì)復(fù)雜環(huán)境下通信鏈路傳播損耗的預(yù)測(cè)結(jié)果，該文對(duì)超短波電臺(tái)在不同地理環(huán)境條件下的通信鏈路傳播損耗進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試;同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室中，利用Wireless InSite軟件針對(duì)該外場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行了同步仿真。在此，重點(diǎn)介紹軟件仿真過(guò)程、結(jié)果對(duì)比分析和結(jié)論。

2.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

2.1.1 載入地圖

Wireless Insite軟件支持DTED地形數(shù)據(jù)作為仿真中地形數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)還支持將jpg圖片載入以便為仿真模型中地物建立標(biāo)識(shí)。仿真中，以某通信鏈路作為仿真目標(biāo)，并將獲取的測(cè)試場(chǎng)區(qū)的jpg圖片和DTED地形數(shù)據(jù)載入Wireless Insite，發(fā)射端A點(diǎn)位和接收端B點(diǎn)位的通信距離為4809.7 m。

2.1.2 地物和通信設(shè)備建模

地物建模主要指對(duì)城市建筑物和植被的建模。測(cè)試中，對(duì)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的建筑進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，結(jié)果表明測(cè)試區(qū)域內(nèi)的建筑物多為村莊內(nèi)的2層民房，高約7 m，另外還不少部分的位于路邊、田邊的散亂單層房屋。民屋的墻壁和房頂基本上均為磚瓦材質(zhì)，高度在5～8 m之間，屋頂為楔形。在建模中，由于房屋大多較為集中，而且地圖分辨率有限，不能準(zhǔn)確地分辨出單棟房屋，因此采用了對(duì)建筑物進(jìn)行簡(jiǎn)化的建模方法，將村莊內(nèi)的民房建模為高度6 m的長(zhǎng)方體，其他散亂房屋建模為高5 m的長(zhǎng)方體，房屋的材質(zhì)為磚，其物理特性描述為:厚度0.125 m，表面光滑，等效導(dǎo)電率0.001 s/m，相對(duì)介電常數(shù)為4.44。

測(cè)試區(qū)域內(nèi)的植被主要分為2種:大面積覆蓋的麥田和路邊稀疏的白楊樹(shù)。其中麥苗的高度約30 cm，尚未成熟;白楊樹(shù)高度在12～18 m之間，樹(shù)葉尚未長(zhǎng)大，樹(shù)冠并不茂密，且沿公路分布。在建模中，把麥田設(shè)置為地形數(shù)據(jù)的覆蓋物，其特性參數(shù)描述為:覆蓋厚度0.3 m，表面略微粗糙，對(duì)垂直極化和水平極化波的反射系數(shù)均為0.5。樹(shù)林以小面積林帶的形式建模，高度為15 m，其特性參數(shù)描述為:樹(shù)葉寬度5 cm，厚度5 mm，樹(shù)葉密度稀疏，樹(shù)枝半徑18 cm，樹(shù)枝長(zhǎng)度0.5 m，樹(shù)枝的相對(duì)介電常數(shù)為20，等效電導(dǎo)率為0.39西門子/m，樹(shù)葉的相對(duì)介電常數(shù)為26。

通信設(shè)備的建模主要是發(fā)射和接收天線以及信號(hào)波形的建模。仿真中，發(fā)射信號(hào)為頻率不同的單載波信號(hào)，發(fā)射機(jī)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的雙極天線，接收機(jī)采用理想的全向天線。

與真實(shí)測(cè)試情況不同的是，由于仿真中采用的均為確定性的模型，然而考慮到真實(shí)測(cè)試中的隨機(jī)現(xiàn)象，在接收點(diǎn)位附近放置了多個(gè)接收機(jī)，如圖3所示，接收機(jī)分布在接收點(diǎn)位為圓心、半徑為10 m的環(huán)狀平面上，接收機(jī)之間間距為5 m，共32個(gè)接收機(jī)，將所有接收機(jī)的平均值作為最終的仿真結(jié)果。

圖3 環(huán)狀分布的接收機(jī)

加入了發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、村莊和樹(shù)林等地物后的通信場(chǎng)景三維布局圖如圖4所示。

圖4 通信場(chǎng)區(qū)的三維圖

2.2 仿真結(jié)果

對(duì)測(cè)試點(diǎn)位及周邊地形地物進(jìn)行建模后，采用Wireless Insite軟件的full 3D模型進(jìn)行了仿真，仿真中最大反射路徑數(shù)目為3條，最大透射路徑數(shù)目為2條，最大繞射路徑數(shù)目為2條，發(fā)射機(jī)天線高度固定為10 m，接收機(jī)天線高度為8 m和12 m。在不同頻率、不同接收天線高度時(shí)仿真得到的傳播損耗均值、損耗范圍和損耗標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 路徑傳播損耗測(cè)試表

3 外場(chǎng)實(shí)地測(cè)試

在外場(chǎng)實(shí)地測(cè)試中，為了盡量減少誤差，所選擇的A—B點(diǎn)位之間的通信鏈路是沿著公路的，且地勢(shì)較為平緩;發(fā)射機(jī)由信號(hào)源加功放組合而成，發(fā)射天線采用的是籠形天線，天線架高8 m;收端天線架高分別取8 m和12 m，分別采用馬刀天線(裝備在電臺(tái)車上)和對(duì)數(shù)周期天線(裝備在電波監(jiān)測(cè)車上)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，以便比對(duì)。數(shù)據(jù)采集以對(duì)每個(gè)通信距離和天線高度的接收信號(hào)功率測(cè)量值為主，并通過(guò)小范圍移動(dòng)天線位置來(lái)重復(fù)試驗(yàn)，剔除一些數(shù)據(jù)跳變點(diǎn)以及明顯偏離趨勢(shì)的測(cè)試電平值，將幾次測(cè)量結(jié)果求均值作為接收點(diǎn)的電平值，以減弱隨機(jī)誤差的影響。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用每個(gè)設(shè)備電纜的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)試采用的鞭天線和馬刀天線采用均值法的測(cè)試結(jié)果，籠形天線采用比對(duì)法的測(cè)試結(jié)果，對(duì)數(shù)周期天線和偶極子天線采用資料給出的增益值。

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)在頻率低端的接收信號(hào)功率很穩(wěn)，移車后變化也不大。使用馬刀天線，天線架高8 m，在頻率225.75 MHz，移車前后接收信號(hào)電平則相差了14 dB之多，315.75 MHz移車后幾乎接收不到信號(hào)。使用對(duì)數(shù)周期天線，在頻率最高端有3個(gè)信號(hào)不穩(wěn)定，難以讀取數(shù)據(jù)。處理后的傳播損耗測(cè)試結(jié)果表2所示，表中8 m和12 m表示接收機(jī)天線架高。

表2 通信鏈路傳播損耗

4 結(jié)果對(duì)比與分析

測(cè)試結(jié)果對(duì)比中以接收點(diǎn)位為圓心、半徑為10 m的環(huán)狀平面上間距為5 m的32個(gè)接收機(jī)得到的損耗結(jié)果的均值作為Wireless Insite軟件仿真的最終結(jié)果，并將此次結(jié)果與外場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果以及理論自由空間計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 接收天線高度為8 m時(shí)的損耗對(duì)比

圖6 接收天線高度為12 m時(shí)的損耗對(duì)比

圖7 實(shí)測(cè)損耗和仿真損耗之差

從上面的比對(duì)結(jié)果可以看出:

①接收機(jī)天線從8 m升高到12 m，傳播損耗平均降低2 dB;

②隨著頻率的增加，傳播損耗總體趨勢(shì)為增加，但在300 MHz附近出現(xiàn)拐點(diǎn);

③由于地形、地物的影響，接收路徑損耗相比自由空間損耗平均高19 dB(接收天線高12 m)和22 dB(接收天線高8 m);

④不同接收機(jī)位置的略微變動(dòng)都將對(duì)傳播損耗產(chǎn)生影響，在半徑10 m范圍內(nèi)損耗跨度的平均范圍為7.9 dB(接收天線高12 m)和9.4 dB(接收天線高8 m)，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.1 dB(接收天線高12 m)和2.4 dB(接收天線高8 m)，這是由不同接收機(jī)位置接收到建筑物的反射路徑差異造成的;

⑤仿真損耗和實(shí)測(cè)損耗隨頻率和天線高度的變化趨勢(shì)一致，二者之間的誤差在10 dB以內(nèi)，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.5 dB，這基本滿足了內(nèi)場(chǎng)仿真測(cè)試對(duì)環(huán)境特性模擬真實(shí)性的需要，因此采用基于射線追蹤算法的確定性電波傳播損耗預(yù)測(cè)方法對(duì)復(fù)雜環(huán)境下通信鏈路傳播損耗計(jì)算是可行的;

⑥誤差主要來(lái)源于實(shí)測(cè)誤差、對(duì)環(huán)境數(shù)字化過(guò)程中的量化誤差以及算法對(duì)射線的取舍誤差，在實(shí)際應(yīng)用中要減小誤差，必須對(duì)環(huán)境進(jìn)行更精確的量化描述。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述通過(guò)外場(chǎng)實(shí)地測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室軟件仿真2種手段，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下某典型通信鏈路的傳播損耗進(jìn)行了計(jì)算，測(cè)試和仿真結(jié)果表明了采用基于射線追蹤算法的確定性電波傳播損耗預(yù)測(cè)方法對(duì)復(fù)雜環(huán)境下通信鏈路傳播損耗計(jì)算的可行性。這為通信裝備仿真測(cè)試中所需的通信鏈路傳播損耗預(yù)測(cè)與估計(jì)提供了一條高效準(zhǔn)確的方法，該方法的應(yīng)用將大大提高通信裝備內(nèi)場(chǎng)仿真測(cè)試的準(zhǔn)確度和可信度。 ■

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