戚星宇， 劉芫健， 李雙德

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

室內(nèi)辦公室環(huán)境60 GHz頻段毫米波接收功率仿真和分析*

戚星宇， 劉芫健， 李雙德

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

基于入射及反彈射線法對典型室內(nèi)辦公室環(huán)境進(jìn)行仿真，研究了60 GHz頻段的毫米波的傳播特性并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出不同位置的發(fā)射天線對應(yīng)的路徑增益和接收功率，計(jì)算出不同距離的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對應(yīng)的接收功率，為實(shí)際室內(nèi)環(huán)境發(fā)射天線位置的設(shè)定提供理論依據(jù)。

毫米波;室內(nèi)辦公室環(huán)境;接收功率

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各波段頻譜越來越緊張，毫米波由于其頻帶寬的特點(diǎn)變得越來越受歡迎。在室內(nèi)環(huán)境中，毫米波的傳播可能受到室內(nèi)家具、隔板和墻的影響而產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減。而目前由于人們的大多數(shù)時間都處在辦公室、實(shí)驗(yàn)室等室內(nèi)環(huán)境，因此這類室內(nèi)環(huán)境對信號傳播的要求更高。國內(nèi)外學(xué)者對這類環(huán)境做了大量測量分析工作。MALTSEV A等人[1-2]通過在一個復(fù)雜的辦公室環(huán)境中進(jìn)行毫米波傳播和測量工作，證實(shí)60 GHz的室內(nèi)傳播具有準(zhǔn)光學(xué)性質(zhì)，大部分發(fā)射能量由沿LOS路徑的一次二次的反射信號路徑攜帶。JACOB M[3]提出了一種基于有桌椅家具環(huán)境的會議室室內(nèi)環(huán)境的帶寬頻率在67 GHz和110 GHz之間的無線信道分析的測量。測量結(jié)果顯示，視距環(huán)境的路徑損耗指數(shù)取決于使用頻率和天線種類的不同，變化范圍為1.2～1.9。

目前有兩種可用于研究毫米波傳播力特性的模型：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定性模型[4]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔趯?shí)際測量的方法，這種方法雖然簡單但是成本高且對測量儀器的精度要求較高，所以在研究無線信道方面有一定局限性。確定性模型遵從電磁波傳播的物理理論，主要有兩種方法: 射線追蹤方法和時域有限差分方法。射線追蹤方法主要有鏡像法、最小光程法、測試射線法、入射及反彈射線法(Shooting and Bouncing Ray,簡稱SBR)、確定性射線管法和入射及反彈射線法/鏡像法(Shooting and Bouncing Ray Tracing/Image,SBR/IM)。鏡像法[5-6]是最簡單的射線跟蹤方法，不需要相交測試，效率高，一般用于簡單結(jié)構(gòu)環(huán)境，SBR可以用于復(fù)雜環(huán)境的電波傳播。本文就是基于SBR法來仿真分析毫米波在室內(nèi)辦公環(huán)境的傳播特性。

仿真是以射線追蹤方法為理論基礎(chǔ)借助Wireless Insite仿真軟件對文獻(xiàn)的室內(nèi)辦公模型進(jìn)行的，得出不同位置的接收功率(RP)并通過數(shù)據(jù)分析得出不同位置發(fā)射機(jī)傳播效果的差異。

1 仿真環(huán)境和正確性驗(yàn)證

1.1 理論基礎(chǔ)

仿真所述SBR法是對場強(qiáng)相對準(zhǔn)確的估計(jì)，是處理復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的可用方法。其中通過直射和地面反射所接收到的接收功率RP由式(1)給出：

(1)

其中，λ是波長，k是波數(shù),d1為直接路徑的距離，d2為地面反射路徑的距離，αr和αt為天線函數(shù)R(θ)表面反射的反射系數(shù)，TP是發(fā)射功率。使用式(2)轉(zhuǎn)換成路徑損耗：

(2)

圖2 參考文獻(xiàn)[8]中前6個發(fā)射機(jī)的PG散點(diǎn)圖

其中，TP是發(fā)送功率，而RP(d)是接收功率，d為發(fā)射機(jī)與接收點(diǎn)的距離。它然后被轉(zhuǎn)換成的路徑增益(PG)值[7]。在單一樓層中，這種模型傳播的損耗將被表示為：

PLtotal(dB)=20log10(f)+Nlog10(d)+Lf(n)-28

(3)

其中，N是距離功率損耗系數(shù)，f是頻率(MHz)，d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離(m)，Lf是地板穿透損耗因子(dB)，而n是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)(n≥1)之間的樓層數(shù)。

1.2 仿真環(huán)境介紹

本文參考了RAO T R[8]的室內(nèi)典型辦公室環(huán)境，辦公室環(huán)境平面圖如圖1所示。具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1 仿真環(huán)境參數(shù)材料參數(shù)

表2 材料參數(shù)

1.3 路徑增益的數(shù)據(jù)結(jié)果分析

圖2和圖3分別是參考文獻(xiàn)[8]和仿真所得的PG散點(diǎn)圖。

對比圖2和圖3可以看出，兩個結(jié)果基本一致。根據(jù)圖3的發(fā)射機(jī)1～發(fā)射機(jī)6的散點(diǎn)圖可以看出，處于辦公室靠中間位置的發(fā)射機(jī)1、發(fā)射機(jī)2和發(fā)射機(jī)3的散點(diǎn)圖分布優(yōu)于其他位置。發(fā)射機(jī)1的PG集中在-70 dB～-90 dB之間，發(fā)射機(jī)2和發(fā)射機(jī)3與發(fā)射機(jī)1基本類似。而發(fā)射機(jī)6由于在角落并且有大量隔板阻擋，因此有大量的接收點(diǎn)PG小于-90 dB，甚至小于-100 dB。

產(chǎn)生誤差的可能原因是：(1)仿真材質(zhì)的介質(zhì)電參數(shù)的差別；(2)發(fā)射機(jī)和接收天線的位置的誤差。

1.4 接收功率的結(jié)果分析

圖1 辦公室平面圖

將室內(nèi)的接收點(diǎn)數(shù)量增加到約4 320個。 圖4是來自發(fā)射機(jī)1的RP的三維圖，可以看出發(fā)射機(jī)1處在中心位置對各個點(diǎn)的接收情況都較為良好，基本沒有明顯的衰減趨勢，大部分接收點(diǎn)的RP都在40 dBm～50 dBm之間，所有點(diǎn)RP的平均值為-40.21 dBm，在與發(fā)射機(jī)1距離d=8.49 m處的接收點(diǎn)取到RP的最大值為-32.59 dBm，類似地，在d=6.37 m處取到RP的最小值為-70.14 dBm。

圖3 仿真所得前6個位置發(fā)射機(jī)的PG散點(diǎn)圖

圖4 發(fā)射機(jī)1對應(yīng)的接收功率

圖5 發(fā)射機(jī)6對應(yīng)的接收功率

圖5是發(fā)射機(jī)6所對應(yīng)的RP的三維圖。發(fā)射機(jī)6所處位置偏角落且周圍有隔板阻礙，毫米波傳播過程中產(chǎn)生更多的衰減，所以隨著發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離的增大RP出現(xiàn)明顯的衰減，且峰值和谷值相差較大。對9個位置的發(fā)射機(jī)對應(yīng)的RP的平均值對比可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射機(jī)6平均RP最低，為-45.12 dBm，也就是說發(fā)射機(jī)6發(fā)出的信號傳播產(chǎn)生的PG最大。

2 結(jié)論

通過仿真和分析可以看出SBR法在室內(nèi)電波傳播預(yù)測中的可靠性和有效性。對于室內(nèi)辦公環(huán)境中不同位置發(fā)射機(jī)，越靠近中心的傳播效果越好，發(fā)射機(jī)1因?yàn)樵谵k公室模型的最中間，所以傳播效果最好，無論是平均PG還是平均RP的結(jié)果都好于發(fā)射機(jī)2和發(fā)射機(jī)3。其他位置類似。同時還對發(fā)射機(jī)6出現(xiàn)的非視距傳播，模擬了現(xiàn)實(shí)辦公環(huán)境的一些電波傳播信號偏弱的地方。以上的仿真結(jié)果對現(xiàn)實(shí)室內(nèi)環(huán)境的發(fā)射機(jī)的位置設(shè)定提供了一點(diǎn)參考。

[1] 楊大成. 移動傳播環(huán)境[M]. 北京：機(jī)械出版社,2003.

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Simulation and analysis of millimeter-wave received power of indoor office environment

Qi Xingyu， Liu Yuanjian， Li Shuangde

(College of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

In this paper, the method of SBR / IM (Shooting and Bounding Ray Tracing/Image) is used to simulate the indoor office environment, which is aimed at studying the millimeter-wave propagation characteristics. Data is processed and analyzed, which is used to get the corresponding path gain and receive power of different transmit antennas in different positions. The received power of different distances between transmitters and receivers are also calculated. All of the results could provide a theoretical basis for setting the location of transmitter in real indoor environment.

millimeter-wave; indoor office environment; received power

TN92

A

1674-7720(2016)02-0063-03

戚星宇， 劉芫健， 李雙德. 室內(nèi)辦公室環(huán)境60 GHz頻段毫米波接收功率仿真和分析[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：63-65,72.

2015-08-26)

戚星宇(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：射線追蹤算法、信道建模等。E-mail：qixingyu9278@163.com。

劉芫健(1973-)，男，博士，教授,博士生導(dǎo)師，主要研究方向：計(jì)算電磁學(xué)、射線追蹤算法、電磁理論的數(shù)值計(jì)算等。

李雙德(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信道建模、超寬帶信道等。

*國家自然科學(xué)基金(61372045);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20123223120003)