熊 鋒，王 琪

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)于在乘坐飛機(jī)的旅程中的服務(wù)需求也越來(lái)越高，飛機(jī)艙內(nèi)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已經(jīng)成為了人們的關(guān)注目標(biāo)。為了給飛機(jī)艙內(nèi)提供可靠、穩(wěn)定的通信服務(wù)，對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)的電磁波傳播特性和無(wú)線(xiàn)電覆蓋效果的準(zhǔn)確分析是非常重要的。由于飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境的特殊性和實(shí)際的物理測(cè)試的成本太高，最好使用一種電磁波傳播預(yù)測(cè)工具。

Wireless Insite是Remcom公司開(kāi)發(fā)的一種用于電磁波預(yù)測(cè)的商業(yè)性軟件，它基于射線(xiàn)跟蹤法，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際具有很大的可比性。本文將結(jié)合飛機(jī)艙的模型，用它對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)無(wú)線(xiàn)電波的傳輸覆蓋進(jìn)行仿真分

1 Wireless Insite簡(jiǎn)介

Wireless Insite最初是用于城市內(nèi)無(wú)線(xiàn)電波的傳播預(yù)測(cè)，隨著功能的發(fā)展，它的功能擴(kuò)展至非規(guī)則地形、植被、室內(nèi)及室外到室內(nèi)的傳播預(yù)測(cè)等。它基于物理學(xué)中的射線(xiàn)跟蹤模型和GTD/UTD繞射理論，使用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)快速處理射線(xiàn)傳播。

它提供3種算法給用戶(hù):2D、快速3D和全矢量3D算法，前兩種算法被用來(lái)近視估計(jì)數(shù)據(jù)。全矢量3D算法更為精確，但是計(jì)算時(shí)間比較長(zhǎng)。它通過(guò)綜合分析UTD模型、不同材料的反射系數(shù)和透射系數(shù)來(lái)估計(jì)電場(chǎng);并將結(jié)果與天線(xiàn)模式相結(jié)合，計(jì)算路徑損耗、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)角度等。

2 飛機(jī)艙內(nèi)傳播模型和射線(xiàn)追蹤技術(shù)

飛機(jī)艙內(nèi)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的復(fù)雜性在于其艙內(nèi)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)備、艙內(nèi)布置、艙內(nèi)物品及人員，并且環(huán)境變動(dòng)比較大。除了最基本的和最理想的自由空間傳播外，無(wú)線(xiàn)電波的傳輸一般受到多徑效應(yīng)的影響。在飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境中，一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉贿m用。本文使用的是確定性模型。確定性模型遵從電磁波傳輸?shù)奈锢砝碚?，主要有兩種:基于幾何光學(xué)的射線(xiàn)跟蹤法［1］和基于求解麥克斯韋方程的時(shí)域有限差分法(Finite-Diffenrence Time-Domain，F(xiàn)DTD)。但是用直接解麥克斯韋方程的純理論方法卻很少(因?yàn)閭鞑キh(huán)境的復(fù)雜性使得求解方程所需的邊界條件很難確定)，多數(shù)是采用射線(xiàn)跟蹤法，或者由射線(xiàn)跟蹤法衍生的算法。確定性模型是根據(jù)電波傳輸原理得到的，因此比較精確，但是運(yùn)算量較大，運(yùn)算時(shí)間比較長(zhǎng);并且它需要精確的輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入數(shù)據(jù)一般是各種材料的電磁屬性和空間布局結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)。

本文用在飛機(jī)艙內(nèi)的射線(xiàn)跟蹤技術(shù)是發(fā)射射線(xiàn)法，發(fā)射射線(xiàn)法又稱(chēng)為入射和反射射線(xiàn)法(Shooting and Bouncing Ray Launching Algorithm，SBR)。它的基本思想是:跟蹤從發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的每一條射線(xiàn)，射線(xiàn)遇到阻礙物時(shí)，根據(jù)入射的幾何位置和障礙物的電參數(shù)特性，按照反射、投射、繞射或者它們的組合，從而確定下一步的路徑，然后繼續(xù)對(duì)其跟蹤直到它被接收或者達(dá)到退出跟蹤條件，完成電波傳輸?shù)母欘A(yù)測(cè)。過(guò)程如圖1所示。

圖1 SBR跟蹤樹(shù)形圖

在飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境中，可以根據(jù)要求的精度設(shè)置一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度閾值，當(dāng)射線(xiàn)強(qiáng)度低于這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度閾值時(shí)，就停止追蹤。

3 仿真模型建立及參數(shù)說(shuō)明

3.1 仿真模型的設(shè)計(jì)

參照波音B737-400的機(jī)身和機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的三維飛機(jī)艙模型。機(jī)身長(zhǎng)25m，艙頂高度為2.20m，行李架高度為1.68m。發(fā)射機(jī)放置在機(jī)身中間軸處，接收機(jī)分3個(gè)不同高度接收，相應(yīng)代表人體坐立時(shí)腳跟、膝蓋、頭部的高度。結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 B737-400機(jī)身模型參數(shù)

圖3 建模實(shí)物圖

3.2 參數(shù)說(shuō)明

在仿真過(guò)程中，本文選取一致性繞射理論(UTD)的Full3-D的SBR模型。射線(xiàn)跟蹤過(guò)程可以得出發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳播路徑，UTD用來(lái)估計(jì)每條射線(xiàn)的復(fù)數(shù)電場(chǎng)強(qiáng)度。使用2.4GHz的WiFi信號(hào)，中心頻率為2400MHz，中心帶寬為 5MHz，發(fā)射功率為0dbm。選取的天線(xiàn)類(lèi)型:發(fā)射機(jī)為 ±30°定向天線(xiàn)(Direction Antenna)，發(fā)射線(xiàn)機(jī)為線(xiàn)性分布，接收機(jī)為全向天線(xiàn)(Omnidirectional Antenna)。天線(xiàn)增益設(shè)為2.0dBi。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在這里需要了解一下Wireless Insite里有關(guān)的計(jì)算公式［2］，接收功率為:

其中，PR為平均時(shí)間接收功率，Np為路徑的數(shù)量，Pi為第i條路徑的平均時(shí)間接收功率。

其中，λ為電磁波波長(zhǎng)，β為傳輸波形的重疊頻譜，η0為自由空間阻抗，Eθ，i，Eφ，i為關(guān)于 θ、φ 在接收路徑中第i條路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度。θi，φi是第i條射線(xiàn)到達(dá)方向。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，得出一些相關(guān)數(shù)據(jù):

如位于0.5m高度，接收點(diǎn)(580)，可以得到其接收功率為－83.000dbm，路徑損耗為63.990dbm等數(shù)值。

場(chǎng)景1 在加入人體模型的情況，人體模型的介電常數(shù)為54，電導(dǎo)率2.3。進(jìn)行3個(gè)不同接收機(jī)高度的仿真分析，接收情況如圖4所示，可以根據(jù)分布圖得出接收功率覆蓋效果。圖4中橫軸為接受功率，縱軸為累計(jì)概率。

圖4 接收功率分布圖

場(chǎng)景2 無(wú)人情況環(huán)境下，3個(gè)不同接收機(jī)高度，接收情況如圖5所示。

圖5 接收功率分布圖

通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)景的仿真結(jié)果分析，加上實(shí)際WiFi信號(hào)源功率一般為15～18dbm，對(duì)比WiFi信號(hào)的接收靈敏度(接收機(jī)靈敏度定義了接收機(jī)可以接收到的并仍能正常工作的最低信號(hào)強(qiáng)度)－83dbm，仿真的結(jié)果是正確的。飛機(jī)艙內(nèi)0.1m處，無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度最好，而加入人體模型對(duì)仿真結(jié)果影響不大?？梢?jiàn)在實(shí)際的飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境中，人體對(duì)總的無(wú)線(xiàn)信號(hào)接受功率影響不大，因此在飛機(jī)艙內(nèi)復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)電傳播環(huán)境中，可以省略一定的人為干擾因素。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于射線(xiàn)跟蹤法對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)的2.4GHz-WiFi信號(hào)傳播覆蓋進(jìn)行了研究，在Wirelss Insite的仿真平臺(tái)上，對(duì)艙內(nèi)有人和無(wú)人的場(chǎng)景進(jìn)行了仿真，得到了飛機(jī)艙內(nèi)WiFi信號(hào)傳播情況。但是本文沒(méi)有考慮到其它頻率的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播分析，以及對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局。未來(lái)工作將繼續(xù)往這兩方面發(fā)展，進(jìn)行進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)。

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