張　馳, 禹勝林, 王　奇

(南京信息工程大學電子與通信工程學院, 江蘇 南京　210044)

隨著網(wǎng)絡技術的突飛猛進，高頻通信的研究越來越受到業(yè)界的關注。為了解決無線通信頻譜資源的稀缺問題，同時滿足對更快傳輸速率和更優(yōu)質通信質量的需求，60GHz頻段無線通信成了超寬帶WLAN(Wireless Local Area Networks)最有吸引力的部分[1]。由于數(shù)據(jù)的傳輸速率和帶寬成正比，而60GHz頻段無線通信技術有足夠的帶寬資源，因此其無需使用復雜的技術即可使傳輸速率達到Gbps級別。最重要的是，60GHz頻譜資源在世界范圍內是免費使用的，在開發(fā)成本上具有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢[2-3]。然而60GHz無線局域網(wǎng)也有缺點，如自由空間損耗和人體移動造成的陰影損耗，尤其是在室內網(wǎng)絡傳輸環(huán)境中，因人體的經(jīng)常移動所造成的陰影[4]。為了解決這些問題，在60GHz頻段下必須使用高增益定向天線對抗巨大的自由空間損耗及嚴重的陰影損耗。

針對移動人體對無線局域網(wǎng)造成陰影損耗的問題已經(jīng)提出了一些解決方法。例如，自適應波束形成技術的智能天線可以接收經(jīng)地面反射到達接收端的反射路徑分量，而不只是經(jīng)自由空間到達接收端的直接路徑分量，同時采用2.4/5GHz和60GHz的多頻段WLAN，發(fā)生陰影損耗時其操作頻率從60GHz切換到2.4/5GHz[5-6]。若要評估解決方案的性能，我們需要描述在60GHz 頻段的WLAN中由移動人體造成陰影損耗的特征。當前，已有相當多的試驗研究記錄陰影損耗的測量結果，并分析與統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)搭建出陰影損耗模型[7-8]。

射線追蹤模型是基于幾何光學的原理，通過模擬射線的傳播路徑可以確定反射、折射和陰影等。射線追蹤模型非常適用于60GHz頻帶的模擬仿真實驗，因此，射線追蹤模型已經(jīng)成為60GHz WLAN的信道模型發(fā)展和性能評估的主要方式[9-11]。針對由移動人體造成的陰影損耗開發(fā)出一種計算模型，以便進行射線追蹤模擬實驗從而對陰影損耗的各項性能評估。

本文提出了在60GHz WLAN中由移動人體造成陰影損耗的計算模型，該計算模型基于射線追蹤方法的刀切模型，根據(jù)人體移動方向與視距路徑之間的夾角對陰影損耗進行評估，并在頻域和時間域中將實驗結果與計算結果進行比較。

1　移動人體造成陰影損耗的計算模型

圖1為一個擴展的計算模型，該模型假設有三個繞射路徑和三路刀切模型；人體近似為一個長方體，長寬高分別為T、W、H；在長方體的中心取一垂直截面，長和寬分別為W、H，該平面作為刀切模型用來計算繞射損耗。盡管這種刀切模型不可以精確地計算出由一個三維人體所造成的繞射損耗，但足以計算出在各種環(huán)境中由移動人體造成的傳播損耗。刀切模型結合射線追蹤模擬的方法可被應用于著重由移動人體造成傳播損耗的系統(tǒng)模擬中。在該模型中，我們把人體的高度定義為H、寬度定義為W，假設有三個傳播路徑用來計算繞射損耗、自由空間損耗和時間延遲，RX(receive接收機)需要接收三條多徑信號分量。因此，我們把該計算模型稱為三路刀切模型。如圖1，繞射分量的傳播路徑在三路刀切面上的高度分別為h1、h2和h3，繞射分量的傳播路徑長度分別為d11+d21、d12+d22和d13+d23，繞射損耗的計算公式如下：

J(v)[dB]=

(1)

其中，C(v)和S(v)可由Fresnel積分表示：

(2)

傳播路徑中繞射損耗的計算參數(shù)由Vi給出，其表達式為

(3)

自由空間損耗由Li表示：

(4)

其中，λ60G為60GHz的波長。在RX接收端，除繞射波信號還要接收反射波信號分量。因此，接收端的電場強度Er(t)是由繞射波和反射波累加給出的：

(5)

其中M是繞射路徑的條數(shù)，N是反射路徑的條數(shù)，τi表示第i條波信號的相對時延。在本文所提的刀切模型中M=3。

2　用三路刀切模型計算幅頻特性的實例

如圖2所示，在使用射線追蹤模擬的家庭居室環(huán)境中，假設有三條繞射波路徑、六條反射波路徑(一條由天花板反射，一條由地板反射，其余為四面墻壁的反射)。如果在該模型中我們僅采用一次反射信號波，在方程(5)中M=3，N=6。

如圖3所示，定義三路刀切模型中用于計算繞射損耗的陰影參數(shù)，圖中h表示刀口平面的有效高度，d是發(fā)射機與人體中心之間的距離作垂直投影的長度。如果將人的外形近似成一個長寬高分別為T、W、H的長方體，那么用來計算繞射損耗的刀切平面可看成是一個W×H的長方形。θ是人體移動方向與視距路徑方向之間的夾角，當θ=90°時，人體的刀切平面模型由T×H的長方形代替W×H的長方形。

圖4所示為一個計算實例的幅頻特性，根據(jù)刀切平面的有效高度h計算出頻率范圍在59GHz-61GHz的幅頻特性。在該計算模型中，發(fā)射機TX的坐標為(0.5，6.5)，接收機RX的坐標為(6.9,3.5)，且發(fā)射機與接收機的高度都為1.5m。假設T=0.2m、W=0.5m、H=1.7m，則人體模型的刀切矩形平面為W=0.5m、H=1.7m。天線收發(fā)端的半功率波束寬度設置為30°。當d=1.0m，h=0.0m，此時的傳播路徑幾乎接近視距傳播，所以幅頻特性的波動很小。隨著h的增大即出現(xiàn)陰影，直射波會有明顯的陰影損耗，將造成反射波傳播信號的強度高于直射波強度[12]。因此，為了減小或消除多徑傳輸和信道衰減的影響，提高通信系統(tǒng)的性能，在接收端需采用均衡技術[13]。

3　模型中的接收功率

在t時刻的接收信號X(f,t)可由三路刀切模型得出。若得到t時刻的X(f,t)，即可求得功率P(t),計算公式如下：

(6)

其中，B是接收信號的帶寬，fc是載波頻率。在式子(6)中，假設參數(shù)B=1.76GHz，人體的移動速度為4km/h，計算出接收功率特性如圖5所示。由圖可得，人體的移動方向與視距路徑方向之間的夾角越小其陰影損耗深度越大，陰影的時間也更長。

4　實測結果

4.1　實驗參數(shù)的設置

本文提出的，在60GHz下由移動人體造成陰影損耗的擴展計算模型，需要進行陰影測量以證實模型的有效性。根據(jù)人體的移動位置，使用微波網(wǎng)絡分析儀檢測幅頻特性。采用的人體模型與真實人體相近，其參數(shù)設定為T=0.2m、W=0.5m、H=1.7m，人體移動速度設定為4km/h。接收端功率P(t)可由式(6)計算得出。

4.2　幅頻特性的評估

當θ=30°，h分別為0m和0.125m時的幅頻特性，如圖6所示。我們可以觀察到，當h=0.125m時，產生嚴重的頻率選擇性損耗；而當h=0m時，幅頻特性幾乎與預期的一樣平坦，這個結果和圖4所描述的結果完全一致。此外，實驗中測量的陰影損耗約為20dB，這也完全符合圖4所示的計算結果。

4.3　評估不同參數(shù)θ對接收功率的影響

其他參數(shù)相同，θ值分別取30°、60°和90°，比較其接受功率的測量結果與計算結果，如圖7所示。當θ=30°和60°時，計算結果與測量結果相吻合，包括陰影損耗的深度及損耗持續(xù)的時間。這說明本文所提出的刀切模型即人體近似成矩形平面的方法，可以用在射線追蹤模擬系統(tǒng)中來估計由移動人體造成的陰影損耗及其持續(xù)的時間。但θ=90°時，陰影損耗的測量結果大于計算結果，并且測得的損耗持續(xù)時間要長于計算結果所給出的時間。我們認為這種不一致是由不適當?shù)挠嬎銋?shù)造成的，刀切模型尺寸偏小或者模型中發(fā)送端和人體之間的距離與計算的參數(shù)有誤差等原因。事實上，我們假設刀切面的中心為人體的中心，當移動方向與視距路徑方向垂直時，刀切面的中心點到發(fā)射機之間的距離要大于刀邊和發(fā)射機之間的距離。我們認為，刀邊和發(fā)射機之間的距離越短繞射損耗越大，陰影周期越長。

5　結束語

無線局域網(wǎng)空間中由移動人體造成的陰影損耗問題，通常采取2.4/5GHz和60GHz多頻段WLAN，當陰影發(fā)生時操作頻段從60GHz切換到2.4/5GHz波段。但2.4/5GHz頻帶提供了更大、更可靠的覆蓋范圍，從而在傳輸過程中造成60GHz波段的資源浪費。本文提出了由移動人體造成陰影損耗的刀切計算模型。通過比較計算結果和實測結果，該模型可以用于人體移動方向與視距路徑方向夾角為30°和60°的射線追蹤模擬中。我們還發(fā)現(xiàn)陰影損耗不僅造成接收信號功率的損失，而且會產生嚴重的頻率選擇性損耗。但是，實測結果表明，當θ=90°時，所提出的模型與計算結果不一致，我們還需要改進計算模型的性能。