一種通用室內(nèi)鏈路損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚?/h1>
2015-10-19 00:33:38電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院四川成都611731
網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)管理 2015年6期 關(guān)鍵詞：模型
劉 韜，付 煒（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）
一種通用室內(nèi)鏈路損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚?/p>
劉韜，付煒
（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）
為了分析 2.405 GHz～2.480 GHz室內(nèi)場景的路徑損耗與衰落，通過測試驗(yàn)證得到了一種室內(nèi)鏈路損耗模型。該模型能較準(zhǔn)確地描述在不同場景下路徑損耗與距離之間的關(guān)系。與經(jīng)典模型相比較，該模型數(shù)據(jù)通過CC2530物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺采集得到，利用二徑模型進(jìn)行了修正，能更好地表現(xiàn)室內(nèi)電波傳播特性，具有更高的精度和通用性。此外，在環(huán)境變化的情況下，該模型的簡化形式能有效用于室內(nèi)傳播鏈路損耗的相關(guān)應(yīng)用與研究。
室內(nèi)電波傳播；傳播建模；鏈路損耗；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
0 引言
在室內(nèi)電波傳播的研究中，產(chǎn)生了多種模型，如衰減因子模型、對數(shù)距離模型等。典型衰減因子模型，如參考文獻(xiàn)［1］的室內(nèi)多墻模型和參考文獻(xiàn)［2］的室內(nèi)多層模型，通常為環(huán)境定制模型。而對數(shù)距離模型，則從路徑損耗入手，如參考文獻(xiàn)［3］將路徑損耗指數(shù)作為頻率函數(shù)；或疊加衰減量。經(jīng)典模型，即對數(shù)距離路徑損耗模型疊加水平距離衰減量得到，雖然對數(shù)距離模型通用性較好，但未體現(xiàn)電波多徑傳播。綜上所述，室內(nèi)電波傳播不僅是時變的，也是空間變化的，即對室內(nèi)環(huán)境有較強(qiáng)的依賴性［4］。因此，對通用且便利的模型的研究尤為重要。
本文首先介紹測試環(huán)境搭建及步驟；然后介紹經(jīng)典模型及一種室外模型，詳述對后者在室內(nèi)條件下的修正方法，并對兩種模型進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果顯示，修正模型精度更高，能更好地描述室內(nèi)電波傳播特性。
1 測試環(huán)境搭建及步驟
1.1測試場景及工具
測試系統(tǒng)采用CC2530開發(fā)平臺，測試軟件為SmartRF-Radio7。收發(fā)端均用 2.4 GHz頻段，3 dBi鞭狀天線，系統(tǒng)工作頻率范圍為2.405 GHz～2.48 GHz，接收靈敏度為-97 dBm。實(shí)驗(yàn)測試平臺如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)測試平臺
測試時發(fā)射端Tx置于高1.17 m講臺；接收端Rx分別置于高0.8 m桌面上的預(yù)定的10個測量點(diǎn)處。對接收端每點(diǎn)細(xì)分為16子點(diǎn)。室內(nèi)測試環(huán)境如圖2所示。
圖2 室內(nèi)測試環(huán)境
1.2測試步驟
測量室內(nèi)環(huán)境，固定收發(fā)端。設(shè)發(fā)射功率為1 dBm，在頻率2.405 GHz、2.450 GHz和2.480 GHz下測試。完成10點(diǎn)測量后，測各自頻率在1 m處接收功率并保存數(shù)據(jù)。由式（1）求PL：
其中，Gt=Gr。對每對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)篩選，設(shè) μ、σ保留（μ-σ，μ+σ）內(nèi)的數(shù)據(jù)。
2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚?/h2>
一般鏈路損耗的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀陕窂綋p耗和陰影衰落構(gòu)成。設(shè)鏈路損耗為 A （attenuation），路徑損耗為 PL （pathloss），陰影衰落為SF（shadow fading），則經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>
其中，PL為路徑損耗均值，模型修正即針對此部分。
常用室內(nèi)模型有衰減因子模型和對數(shù)距離模型等。
其中經(jīng)典對數(shù)距離模型為：
其中，n為路徑損耗指數(shù)。
［5］中提出了一種通用城鎮(zhèn)路徑損耗模型，即：
其中，d0是參照距離（m），d0≥λ/2；d為收發(fā)間距（m）；λ是波長（m）；n為路徑損耗指數(shù)；α為衰減量（dB/m）；β為功率指數(shù)，用于修正天線差異［5］。
若將式（4）分為 PLmain和 PLexcess，即：
其中：
則室內(nèi)傳播中反射、折射對PL的影響更明顯。以兩徑傳播為例，如圖3所示。
圖3 典型兩徑模型
從圖3可見，在室內(nèi)傳播中，用水平距離線性衰減量修正 PLexcess并不恰當(dāng)。如泰勒級數(shù)展開，各分量權(quán)值不同。對 PLexcess，設(shè)各路徑能耗不同，各路徑每單位傳播距離能耗相同，將傳播等效在垂直方向。按反射次數(shù)展開，則最短路徑和一次地面折射路徑起主要作用。故可用兩徑模型對 PLexcess修正，即：
其中，a是長距傳遞因子（dB/m）；b是短距傳遞因子（dB/m）。則室內(nèi)傳播模型為：
其中，d0為參照距離（m），d0≥λ/2；d是收發(fā)間距（m）；λ是波長（m）；n是路徑損耗指數(shù)；β是功率指數(shù)；a是長距傳遞因子（dB/m）；b是短距傳遞因子（dB/m）；SF是陰影衰落。
3 修正模型驗(yàn)證
3.1修正模型參數(shù)
對測試數(shù)據(jù)以經(jīng)典模型和修正模型擬合，得到不同頻率該場景的經(jīng)典模型參數(shù)如表1所示，修正模型參數(shù)如表2所示。
表1 經(jīng)典模型在不同頻率下的模型參數(shù)
表2 修正模型在不同頻率下的模型參數(shù)
從表1可見，經(jīng)典模型衰減因子為正，以衰減為主。衰減因子與頻率無明顯關(guān)系。對修正模型，引入功率指數(shù)β。在相同收發(fā)天線時設(shè)β=2［5］。而從表2知，β不固定，且可能與環(huán)境相關(guān)，如頻率與室內(nèi)結(jié)構(gòu)。通過β的修正，引起了路徑損耗指數(shù)n下降。修正后n接近自由空間傳播。a與b隨頻率遞增其絕對值遞增。傳遞因子可能是頻率函數(shù)。從表2可知b均為正，以衰減為主；a為負(fù)，以補(bǔ)償為主。修正模型描述了多徑傳播對路徑損耗的補(bǔ)償和衰減。
3.2修正模型的驗(yàn)證
將數(shù)據(jù)按距離排序求均值，對路徑損耗測量均值繪圖。利用修正模型對測得的數(shù)據(jù)擬合，繪制修正模型擬合曲線，如圖4所示。
圖4 路徑損耗測量均值與修正模型預(yù)測值的對比
比較經(jīng)典模型與修正模型。對數(shù)據(jù)按式（3）和式（9）進(jìn)行處理，所得結(jié)果利用均方根誤差（RMSE）比較，結(jié)果如表3所示。RMSE越小，模型精度越高。從表3可以看出，修正模型RMSE更小。不含陰影衰落時，修正模型比經(jīng)典模型更優(yōu)。
表3 修正模型VS.經(jīng)典模型
3.3陰影衰落
陰影衰落模型是通過接收功率在均值附近對前述路徑損耗擬合后的差值，該差值包含所有大尺度條件下因散射、折射等未能擬合的數(shù)值。對差值進(jìn)行隨機(jī)分布建模，所得的模型即為陰影衰落 SF［3］。
對不同頻率下的SF進(jìn)行統(tǒng)計描述，繪制概率密度函數(shù)圖后發(fā)現(xiàn) SF～N（μ，σ）2。結(jié)論與參考文獻(xiàn)［3］SF滿足正態(tài)分布相符。記錄不同頻率的分布參數(shù)。引入邊界以觀察修正模型的容差范圍，定義下界為概率P＞0.005時的差值，上界為P＞0.95時的差值，結(jié)果如表4所示。
表4 修正模型在不同頻率下的模型參數(shù)
結(jié)合不同頻率，SF的分布參數(shù)為 μSF≈0.070 1，σSF≈5.297 0；其參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為σμSF≈0.211 5，σσSF≈0.783 4。邊界值較標(biāo)準(zhǔn)差能包含更多數(shù)據(jù)，故可適當(dāng)擴(kuò)展SF區(qū)間，求得更大容差范圍。在含陰影衰落時對比兩模型的RMSE，如表5所示，可知修正模型更可靠。
表5 修正模型VS.經(jīng)典模型（含陰影衰落）
4 結(jié)語
綜上所述，修正模型由PL和SF組成，主要用于不同頻率不同室內(nèi)環(huán)境的鏈路損耗分析。修正模型引入了功率指數(shù)，功率指數(shù)是環(huán)境參數(shù)，其引入使路徑損耗指數(shù)更接近自由傳播條件。而長距衰減因子和短距衰減因子的引入，更好地體現(xiàn)了由多徑傳播引起的功率補(bǔ)償與衰減。更重要的是，修正模型RMSE更小，即修正模型更可靠，能更好地滿足室內(nèi)電波傳播鏈路損耗的應(yīng)用與研究。
參考文獻(xiàn)
［1］DEGLI-ESPOSTI V，F(xiàn)ALCIASECCA G，F(xiàn)USCHINI F.A meaningful indoor path-loss formula［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2013，12：872-875.
［2］AUSTIN A C M，NEVE J M，ROWE G B.Modeling propagation in multi-floor buildings using the FDTD method［J］.IEEE Transactions on Antennas and Wireless Propagation，2011，59（11）：4239-4246.
［3］VALCARCEA，Zhang Jie.Empirical indoor-to-outdoor propagation model for residential areas at 0.9～3.5 GHz［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2010，9：682-685.
［4］AWAD M K，WONG K T，Li Zhengbin.An integrated overview of the open literature′s empirical data on the indoor radiowave channel′s delay properties［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（5）：1451-1468.
［5］ANDRUSENKO J，MILLER R L，ABRAHAMSON J A，et al.VHFgeneral urbanpathloss model for short range ground-to-ground communications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（10）：3302-3310.
A general em pirical indoor path-loss model
Liu Tao，F(xiàn)u Wei
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）
An indoor path-loss formula is introduced to analyze the path-loss and fading in indoor scenarios between 2.405GHz and 2.480GHz.The formula can well reproduce the path-loss versus distance trend in different scenarios.Its data is derived from a simple system emulators of CC2530 compared with other models.It modifies the classical log-log formula with a two-ray model.The new formula gives a better performance in both accuracy and generality.Moreover，its compact formulation simplifies its use for theoretical studies and applications on indoor radio communication，while the environment varies.
indoor radio communication；propagation-modeling；path-loss；empirical model
TN99
A
1674-7720（2015）06-0069-03
2014-10-29）
劉韜（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：室內(nèi)電波傳播應(yīng)用及研究。
付煒（1972-），男，博士，副教授，主要研究方向：射頻、微波和毫米波電路與系統(tǒng)、無線傳播信道、微波及毫米波測量技術(shù)等。
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劉 韜，付 煒（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）
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劉韜，付煒
（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）
為了分析 2.405 GHz～2.480 GHz室內(nèi)場景的路徑損耗與衰落，通過測試驗(yàn)證得到了一種室內(nèi)鏈路損耗模型。該模型能較準(zhǔn)確地描述在不同場景下路徑損耗與距離之間的關(guān)系。與經(jīng)典模型相比較，該模型數(shù)據(jù)通過CC2530物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺采集得到，利用二徑模型進(jìn)行了修正，能更好地表現(xiàn)室內(nèi)電波傳播特性，具有更高的精度和通用性。此外，在環(huán)境變化的情況下，該模型的簡化形式能有效用于室內(nèi)傳播鏈路損耗的相關(guān)應(yīng)用與研究。
室內(nèi)電波傳播；傳播建模；鏈路損耗；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
0 引言
在室內(nèi)電波傳播的研究中，產(chǎn)生了多種模型，如衰減因子模型、對數(shù)距離模型等。典型衰減因子模型，如參考文獻(xiàn)［1］的室內(nèi)多墻模型和參考文獻(xiàn)［2］的室內(nèi)多層模型，通常為環(huán)境定制模型。而對數(shù)距離模型，則從路徑損耗入手，如參考文獻(xiàn)［3］將路徑損耗指數(shù)作為頻率函數(shù)；或疊加衰減量。經(jīng)典模型，即對數(shù)距離路徑損耗模型疊加水平距離衰減量得到，雖然對數(shù)距離模型通用性較好，但未體現(xiàn)電波多徑傳播。綜上所述，室內(nèi)電波傳播不僅是時變的，也是空間變化的，即對室內(nèi)環(huán)境有較強(qiáng)的依賴性［4］。因此，對通用且便利的模型的研究尤為重要。
本文首先介紹測試環(huán)境搭建及步驟；然后介紹經(jīng)典模型及一種室外模型，詳述對后者在室內(nèi)條件下的修正方法，并對兩種模型進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果顯示，修正模型精度更高，能更好地描述室內(nèi)電波傳播特性。
1 測試環(huán)境搭建及步驟
1.1測試場景及工具
測試系統(tǒng)采用CC2530開發(fā)平臺，測試軟件為SmartRF-Radio7。收發(fā)端均用 2.4 GHz頻段，3 dBi鞭狀天線，系統(tǒng)工作頻率范圍為2.405 GHz～2.48 GHz，接收靈敏度為-97 dBm。實(shí)驗(yàn)測試平臺如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)測試平臺
測試時發(fā)射端Tx置于高1.17 m講臺；接收端Rx分別置于高0.8 m桌面上的預(yù)定的10個測量點(diǎn)處。對接收端每點(diǎn)細(xì)分為16子點(diǎn)。室內(nèi)測試環(huán)境如圖2所示。
圖2 室內(nèi)測試環(huán)境
1.2測試步驟
測量室內(nèi)環(huán)境，固定收發(fā)端。設(shè)發(fā)射功率為1 dBm，在頻率2.405 GHz、2.450 GHz和2.480 GHz下測試。完成10點(diǎn)測量后，測各自頻率在1 m處接收功率并保存數(shù)據(jù)。由式（1）求PL：
其中，Gt=Gr。對每對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)篩選，設(shè) μ、σ保留（μ-σ，μ+σ）內(nèi)的數(shù)據(jù)。
2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚?/h2>
一般鏈路損耗的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀陕窂綋p耗和陰影衰落構(gòu)成。設(shè)鏈路損耗為 A （attenuation），路徑損耗為 PL （pathloss），陰影衰落為SF（shadow fading），則經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>
其中，PL為路徑損耗均值，模型修正即針對此部分。
常用室內(nèi)模型有衰減因子模型和對數(shù)距離模型等。
其中經(jīng)典對數(shù)距離模型為：
其中，n為路徑損耗指數(shù)。
［5］中提出了一種通用城鎮(zhèn)路徑損耗模型，即：
其中，d0是參照距離（m），d0≥λ/2；d為收發(fā)間距（m）；λ是波長（m）；n為路徑損耗指數(shù)；α為衰減量（dB/m）；β為功率指數(shù)，用于修正天線差異［5］。
若將式（4）分為 PLmain和 PLexcess，即：
其中：
則室內(nèi)傳播中反射、折射對PL的影響更明顯。以兩徑傳播為例，如圖3所示。
圖3 典型兩徑模型
從圖3可見，在室內(nèi)傳播中，用水平距離線性衰減量修正 PLexcess并不恰當(dāng)。如泰勒級數(shù)展開，各分量權(quán)值不同。對 PLexcess，設(shè)各路徑能耗不同，各路徑每單位傳播距離能耗相同，將傳播等效在垂直方向。按反射次數(shù)展開，則最短路徑和一次地面折射路徑起主要作用。故可用兩徑模型對 PLexcess修正，即：
其中，a是長距傳遞因子（dB/m）；b是短距傳遞因子（dB/m）。則室內(nèi)傳播模型為：
其中，d0為參照距離（m），d0≥λ/2；d是收發(fā)間距（m）；λ是波長（m）；n是路徑損耗指數(shù)；β是功率指數(shù)；a是長距傳遞因子（dB/m）；b是短距傳遞因子（dB/m）；SF是陰影衰落。
3 修正模型驗(yàn)證
3.1修正模型參數(shù)
對測試數(shù)據(jù)以經(jīng)典模型和修正模型擬合，得到不同頻率該場景的經(jīng)典模型參數(shù)如表1所示，修正模型參數(shù)如表2所示。
表1 經(jīng)典模型在不同頻率下的模型參數(shù)
表2 修正模型在不同頻率下的模型參數(shù)
從表1可見，經(jīng)典模型衰減因子為正，以衰減為主。衰減因子與頻率無明顯關(guān)系。對修正模型，引入功率指數(shù)β。在相同收發(fā)天線時設(shè)β=2［5］。而從表2知，β不固定，且可能與環(huán)境相關(guān)，如頻率與室內(nèi)結(jié)構(gòu)。通過β的修正，引起了路徑損耗指數(shù)n下降。修正后n接近自由空間傳播。a與b隨頻率遞增其絕對值遞增。傳遞因子可能是頻率函數(shù)。從表2可知b均為正，以衰減為主；a為負(fù)，以補(bǔ)償為主。修正模型描述了多徑傳播對路徑損耗的補(bǔ)償和衰減。
3.2修正模型的驗(yàn)證
將數(shù)據(jù)按距離排序求均值，對路徑損耗測量均值繪圖。利用修正模型對測得的數(shù)據(jù)擬合，繪制修正模型擬合曲線，如圖4所示。
圖4 路徑損耗測量均值與修正模型預(yù)測值的對比
比較經(jīng)典模型與修正模型。對數(shù)據(jù)按式（3）和式（9）進(jìn)行處理，所得結(jié)果利用均方根誤差（RMSE）比較，結(jié)果如表3所示。RMSE越小，模型精度越高。從表3可以看出，修正模型RMSE更小。不含陰影衰落時，修正模型比經(jīng)典模型更優(yōu)。
表3 修正模型VS.經(jīng)典模型
3.3陰影衰落
陰影衰落模型是通過接收功率在均值附近對前述路徑損耗擬合后的差值，該差值包含所有大尺度條件下因散射、折射等未能擬合的數(shù)值。對差值進(jìn)行隨機(jī)分布建模，所得的模型即為陰影衰落 SF［3］。
對不同頻率下的SF進(jìn)行統(tǒng)計描述，繪制概率密度函數(shù)圖后發(fā)現(xiàn) SF～N（μ，σ）2。結(jié)論與參考文獻(xiàn)［3］SF滿足正態(tài)分布相符。記錄不同頻率的分布參數(shù)。引入邊界以觀察修正模型的容差范圍，定義下界為概率P＞0.005時的差值，上界為P＞0.95時的差值，結(jié)果如表4所示。
表4 修正模型在不同頻率下的模型參數(shù)
結(jié)合不同頻率，SF的分布參數(shù)為 μSF≈0.070 1，σSF≈5.297 0；其參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為σμSF≈0.211 5，σσSF≈0.783 4。邊界值較標(biāo)準(zhǔn)差能包含更多數(shù)據(jù)，故可適當(dāng)擴(kuò)展SF區(qū)間，求得更大容差范圍。在含陰影衰落時對比兩模型的RMSE，如表5所示，可知修正模型更可靠。
表5 修正模型VS.經(jīng)典模型（含陰影衰落）
4 結(jié)語
綜上所述，修正模型由PL和SF組成，主要用于不同頻率不同室內(nèi)環(huán)境的鏈路損耗分析。修正模型引入了功率指數(shù)，功率指數(shù)是環(huán)境參數(shù)，其引入使路徑損耗指數(shù)更接近自由傳播條件。而長距衰減因子和短距衰減因子的引入，更好地體現(xiàn)了由多徑傳播引起的功率補(bǔ)償與衰減。更重要的是，修正模型RMSE更小，即修正模型更可靠，能更好地滿足室內(nèi)電波傳播鏈路損耗的應(yīng)用與研究。
參考文獻(xiàn)
［1］DEGLI-ESPOSTI V，F(xiàn)ALCIASECCA G，F(xiàn)USCHINI F.A meaningful indoor path-loss formula［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2013，12：872-875.
［2］AUSTIN A C M，NEVE J M，ROWE G B.Modeling propagation in multi-floor buildings using the FDTD method［J］.IEEE Transactions on Antennas and Wireless Propagation，2011，59（11）：4239-4246.
［3］VALCARCEA，Zhang Jie.Empirical indoor-to-outdoor propagation model for residential areas at 0.9～3.5 GHz［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2010，9：682-685.
［4］AWAD M K，WONG K T，Li Zhengbin.An integrated overview of the open literature′s empirical data on the indoor radiowave channel′s delay properties［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（5）：1451-1468.
［5］ANDRUSENKO J，MILLER R L，ABRAHAMSON J A，et al.VHFgeneral urbanpathloss model for short range ground-to-ground communications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（10）：3302-3310.
A general em pirical indoor path-loss model
Liu Tao，F(xiàn)u Wei
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）
An indoor path-loss formula is introduced to analyze the path-loss and fading in indoor scenarios between 2.405GHz and 2.480GHz.The formula can well reproduce the path-loss versus distance trend in different scenarios.Its data is derived from a simple system emulators of CC2530 compared with other models.It modifies the classical log-log formula with a two-ray model.The new formula gives a better performance in both accuracy and generality.Moreover，its compact formulation simplifies its use for theoretical studies and applications on indoor radio communication，while the environment varies.
indoor radio communication；propagation-modeling；path-loss；empirical model
TN99
A
1674-7720（2015）06-0069-03
2014-10-29）
劉韜（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：室內(nèi)電波傳播應(yīng)用及研究。
付煒（1972-），男，博士，副教授，主要研究方向：射頻、微波和毫米波電路與系統(tǒng)、無線傳播信道、微波及毫米波測量技術(shù)等。
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