殷福榮,李雙德,劉芫?。暇┼]電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)
室內(nèi)有金屬家具環(huán)境超寬帶信號(hào)傳播特性研究*
殷福榮,李雙德,劉芫健
(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210003)
超寬帶信號(hào)傳播特性是超寬帶信道理論的重要組成部分?;跁r(shí)域射線跟蹤方法對(duì)有金屬家具的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶信號(hào)傳播特性進(jìn)行了研究,全面考慮了包括直射、反射、繞射和透射的多徑傳播機(jī)制,仿真獲得了接收功率、均方根時(shí)延擴(kuò)展等傳播特性。仿真結(jié)果表明:(1)金屬家具的存在使得接收功率和均方根時(shí)延擴(kuò)展普遍降低;(2)在非視距傳播中高次反射與繞射的作用明顯,不可忽略。仿真結(jié)果可以為室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化提供理論依據(jù)。
時(shí)域射線跟蹤方法;超寬帶信號(hào);金屬家具
近年來(lái),超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)短距離、高速率無(wú)線通信的一種解決方案,已成為室內(nèi)短距離無(wú)線通信極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的技術(shù)之一,有著巨大的商業(yè)前景。與傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)不同的是,超寬帶系統(tǒng)具有高帶寬、大容量、低功耗、高分辨率等特點(diǎn),在室內(nèi)、近距離、高速率以及能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)景下頗具吸引力[1]。
目前已有不少學(xué)者基于時(shí)域射線方法對(duì)室內(nèi)環(huán)境超寬帶信號(hào)的傳播特性進(jìn)行了研究。任晶晶等人[2]考慮了UWB信號(hào)的多徑效應(yīng)、障礙物遮擋效應(yīng)和穿墻效應(yīng),建立一種時(shí)域射線模型有效地預(yù)測(cè)和分析了室內(nèi)大尺度環(huán)境下UWB信號(hào)的傳播情況。汪嘉文等人[3]分析了UWB信號(hào)的透射特性,對(duì)比了不同透射次數(shù)下功率延遲的分布情況,發(fā)現(xiàn)透射會(huì)影響接收機(jī)的功率峰值大小以及峰值時(shí)間。曹京等人[4]比較了室內(nèi)環(huán)境中垂直極化波和水平極化波在繞射影響下的功率延遲分布情況,結(jié)果表明,在考慮繞射時(shí)的垂直極化波功率延遲分布更為精確。黃強(qiáng)等人[5]通過(guò)理論計(jì)算,推導(dǎo)出了在電磁波垂直入射墻體的情況下,透射系數(shù)和反射系數(shù)的大小,并在此基礎(chǔ)上對(duì)墻體進(jìn)行建模,給出了信號(hào)在穿墻過(guò)程中經(jīng)歷的時(shí)間延遲、幅度衰減、波形失真情況。
綜上所述,已知文獻(xiàn)通常只側(cè)重考慮了直射、反射、繞射和透射等多徑傳播中的部分傳播機(jī)制,并且所建模的環(huán)境比較簡(jiǎn)單,不能全面反映出超寬帶信號(hào)的傳播特性?;谝陨涎芯楷F(xiàn)狀,本文基于時(shí)域射線跟蹤方法進(jìn)行建模仿真,全面考慮了上述4種傳播機(jī)制,研究了在有金屬家具的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶信號(hào)傳播特性,可以為室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境UWB通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更為精確的理論依據(jù)。
時(shí)域射線跟蹤方法通過(guò)建模跟蹤到不同射線路徑,求得時(shí)域內(nèi)的反射、透射以及繞射系數(shù),得到每條路徑的沖激響應(yīng),將之與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行卷積運(yùn)算即可得到總的沖激響應(yīng),可以分析信道的多種參數(shù),如多徑時(shí)延、接收信號(hào)波形以及幅度大小等傳播特性。
1.1時(shí)域反射系數(shù)
當(dāng)射線在傳播過(guò)程中遇到墻面等障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射,反射射線可以根據(jù)鏡像法確定其方向矢量,反射場(chǎng)可以表示為:
1.2時(shí)域透射系數(shù)
信號(hào)在穿透墻體等介質(zhì)板時(shí),不僅會(huì)在介質(zhì)板的兩個(gè)表面發(fā)生折射現(xiàn)象,而且會(huì)在介質(zhì)板內(nèi)部產(chǎn)生損耗。透射場(chǎng)可以表示為:
第二部分是介質(zhì)板內(nèi)部的傳播損耗系數(shù)pl(t),其表達(dá)式為:
將第一部分與第二部分進(jìn)行時(shí)域卷積γ1⊥‖(t)*γ2⊥‖(t)*pl(t),即得到了時(shí)域透射系數(shù)。
1.3時(shí)域繞射系數(shù)
繞射場(chǎng)可以表示為:
數(shù),其中時(shí)域繞射系數(shù)可以表示為:
2.1仿真環(huán)境
如圖1所示,仿真建筑的長(zhǎng)為15m、寬為11m、高為2.5m,建筑的墻面和地板都是水泥材質(zhì),天花板是石膏材質(zhì),房間的每一扇門(mén)都是木質(zhì)的,金屬家具放置在房間2、房間3以及餐廳的靠墻一側(cè),各材料的電參數(shù)如表1所示。將發(fā)射天線放置在客廳靠墻一側(cè),接收天線從房間2一直移動(dòng)至餐廳中,收發(fā)天線高度為0.5m,從而可以研究視距范圍和非視距范圍內(nèi)超寬帶信號(hào)的傳播情況。發(fā)射功率為20dBm,天線類(lèi)型均為垂直極化全向天線。發(fā)射信號(hào)為高斯二階導(dǎo)數(shù)波形,其表達(dá)式為:
其中,Ep是脈沖能量,τ=0.11ns,Tc=0.5ns。
圖1 建筑平面圖
表1 室內(nèi)環(huán)境材料的電參數(shù)
2.2結(jié)果與討論
金屬家具對(duì)接收功率的影響如圖2所示,可以看出,金屬家具的存在會(huì)導(dǎo)致接收功率波動(dòng)-5.27~14.33dBm。這是因?yàn)樾盘?hào)無(wú)法穿透金屬家具,只能通過(guò)多次反射或者繞射的方式到達(dá)接收點(diǎn),很大程度上限制了超寬帶信號(hào)良好的穿透能力,從而導(dǎo)致在放置金屬家具后整體的接收功率有所下降。
圖2 金屬家具對(duì)接收功率的影響圖
圖3比較了有無(wú)金屬家具存在的情況下,不同反射次數(shù)對(duì)接收功率的影響。從中可以看出,不存在金屬家具時(shí),增加計(jì)算的反射次數(shù)雖然使得到達(dá)接收機(jī)的所有射線中反射路徑增多,但是并沒(méi)有使接收功率變大;而在加入金屬后,增加計(jì)算時(shí)的反射次數(shù)使得接收功率變化明顯。房間中有金屬家具時(shí)多次反射路徑占主導(dǎo)地位,為了增大接收機(jī)接收到的能量,提高計(jì)算的反射次數(shù)效果明顯。
圖3 不同反射次數(shù)對(duì)接收功率的影響
圖4比較了有無(wú)金屬家具存在的情況下,不同繞射次數(shù)對(duì)接收功率的影響。從中可以看出,不存在金屬家具時(shí),繞射對(duì)接收功率的影響幾乎可以不計(jì),但是加入金屬家具后,特別是在非視距傳播中,考慮繞射后的接收功率比不考慮繞射的功率平均提高了4.15 dB。由此可見(jiàn),在有金屬家具的房間中,引入繞射路徑可以大大提高接收機(jī)的功率。
圖4 不同繞射次數(shù)對(duì)接收功率的影響
圖5比較了有無(wú)金屬家具存在的情況下,不同透射次數(shù)對(duì)接收功率的影響。當(dāng)不存在金屬家具時(shí),僅考慮2次透射得到的接收功率較低,考慮3次和4次透射得到的接收功率比較接近。但是在加入金屬家具后,情況明顯不同。在視距傳播中,接收功率有起伏,但是差距不大;而在非視距中,接收功率值并沒(méi)有隨著透射次數(shù)的增加而逐漸增大,反而在考慮4次透射后有所下降,金屬家具的存在使得房間中的透射路徑變得更加復(fù)雜。綜合以上的分析,在對(duì)有金屬家具的復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行仿真時(shí),考慮到射線跟蹤的計(jì)算效率與準(zhǔn)確度,需將仿真參數(shù)設(shè)置為5次反射、1次繞射、3次透射。
圖5 不同透射次數(shù)對(duì)接收功率的影響
均方根時(shí)延擴(kuò)展根據(jù)多徑信號(hào)的功率時(shí)延分布,對(duì)其取二階矩計(jì)算得到,它反映了信號(hào)多徑擴(kuò)散的程度。從圖6可以看出,當(dāng)存在金屬家具時(shí),時(shí)延擴(kuò)展在6.3~22.1ns之間;不存在金屬家具時(shí),時(shí)延擴(kuò)展在11.5~30.3ns之間。由于金屬家具的影響,使得接收信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展下降,這一點(diǎn)在非視距范圍內(nèi)尤為顯著,下降的最大幅度為15.8ns。如果沒(méi)有金屬家具的阻擋,在非視距范圍內(nèi)往往最先到達(dá)接收機(jī)的是穿過(guò)墻體的透射信號(hào),隨后才是多次反射和繞射信號(hào),必然會(huì)導(dǎo)致功率時(shí)延分布在較寬的時(shí)間域中;而在視距范圍內(nèi),最先到達(dá)的總是直射信號(hào),因而金屬家具對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的影響較小。
圖6 金屬家具對(duì)RMS時(shí)延擴(kuò)展的影響圖
本文基于時(shí)域射線跟蹤方法研究了有金屬家具的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶信號(hào)傳播特性。研究結(jié)果表明,金屬家具的存在使得接收功率普遍降低,因?yàn)樾盘?hào)無(wú)法在金屬體中發(fā)生透射作用,大大抑制了超寬帶信號(hào)良好的穿透性能,此時(shí)若增加計(jì)算反射的次數(shù)或者考慮其影響,可以使接收功率得到明顯提高;金屬家具的存在還使得均方根時(shí)延擴(kuò)展降低,這一點(diǎn)在非視距傳播中尤為顯著。研究結(jié)果為超寬帶信號(hào)在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ),有利于調(diào)制解調(diào)技術(shù)、各種抗衰落技術(shù)等無(wú)線通信技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。
[1]劉偉榮,何云.物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.
[2]任晶晶,馮荻,陳衛(wèi)東.基于時(shí)域射線法的IR-UWB信號(hào)穿墻傳播建模與分析[J].微波學(xué)報(bào),2012,28(2):9-15.
[3]汪嘉文,宋丹,施秦健,等.室內(nèi)環(huán)境下超寬帶信號(hào)透射特性仿真與分析[J].中國(guó)新通信,2013(21):115-116.
[4]劉蕪健,曹京,張敏勝,等.基于TD-UTD的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境超寬帶信號(hào)傳播特性研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(4):25-28.
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全新Netduino 3登陸Mouser新增Wi-Fi連接功能助力快速建立原型
貿(mào)澤電子(Mouser Electronics)開(kāi)始分銷(xiāo)Netduino 3電子平臺(tái),能夠使商業(yè)硬件解決方案和個(gè)人電子項(xiàng)目快速上市,同時(shí)提供了最大的設(shè)計(jì)靈活性并降低了風(fēng)險(xiǎn)。最新版本的開(kāi)源Netduino平臺(tái)不但具有讓先前版本廣受歡迎的最佳功能,還增加了Wi-Fi連接功能。
Mouser分銷(xiāo)的Netduino 3為針對(duì)Microsoft.NET Micro Framework而設(shè)計(jì)的開(kāi)源電子平臺(tái),結(jié)合了高級(jí)編碼的便利性與STM32 F4系列微控制器的原始功能集。Netduino 3基板型采用搭載168 MHz ARM Cortex-M4處理器的32位STM32F427VG微控制器(內(nèi)置可實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)同步的1MB雙區(qū)閃存),而Netduino 3Wi-Fi和以太網(wǎng)型采用支持2MB雙區(qū)閃存的STM32F427VI微控制器。所有Netduino 3板都支持高達(dá)256 KB的SRAM,其中包括64KB內(nèi)核耦合存儲(chǔ)器(CCM)。Netduino 3Wi-Fi板支持采用開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)、WEP和WAP2方式的802.11b/g/n(2.4 GHz)Wi-Fi安全性協(xié)議,更加入了對(duì)SSL 3.0和TLS 1.2加密協(xié)議的支持。Netduino 3以太網(wǎng)板還具有一個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)端口。
與Netduino 2相同,此新版本具有兼容Arduino的頭,包括22個(gè)GPIO引腳、一個(gè)SPI和I2C、4個(gè)UART(一個(gè)RTS/CTS)、6個(gè)PWM通道以及6個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通道。該板還支持3個(gè)用于附加即插即用功能的GoBus 2.0端口和具有高達(dá)2GB存儲(chǔ)能力的microSIF插槽。Netduino 3還包括可在將來(lái)增強(qiáng)功能的可升級(jí)固件。
欲知更多詳情,敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://www.mouser.com/new/netduino/netduino-netduino-3/。(貿(mào)澤電子供稿)
Study on the propagation characteristics of UWB signal in the indoor environment with metallic furniture
Yin Furong,Li Shuangde,Liu Yuanjian
(College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)
The propagation characteristics of ultra-wideband(UWB)is the important part of UWB channel theory.In this paper,the propagation characteristics of UWB signal in the indoor complex environment with metallic furniture are discussed based on the time domain ray tracing method.A numberofpropagation parametersare analyzed byconsidering ofmultipath propagation mechanisms including direct ray,reflection,diffraction and transmission,such as the received power,root-mean-square(RMS)delay spread,and so on.The results show that:(1)The received power and RMS delay spread are reduced as the existence of metallic furniture.(2)The multi-reflection and diffraction are important in NLOS and they can′t be ignored.These results provide the theoretical basis for wireless communication network coverage and optimization of UWB signal in indoor complex environment.
the time domain ray tracing method;ultra-wideband signal;metallic furniture
TN92
A
1674-7720(2015)16-0062-04
殷福榮,李雙德,劉芫?。覂?nèi)有金屬家具環(huán)境超寬帶信號(hào)傳播特性研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(16):62-65.
2015-03-27)
殷福榮(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向:射線追蹤方法等。
李雙德(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向:信道建模、計(jì)算電磁學(xué)等。
劉芫?。?973-),男,博士,教授,主要研究方向:計(jì)算電磁學(xué)、射線追蹤方法等。
國(guó)家自然科學(xué)基金(60372045);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20123223120003)