摘  要： 超宽带信号传播特性是超宽带信道理论的重要组成部分。基于时域射线跟踪方法对有金属家具的室内复杂环境中超宽带信号传播特性进行了研究，全面考虑了包括直射、反射、绕射和透射的多径传播机制，仿真获得了接收功率、均方根时延扩展等传播特性。仿真结果表明：（1）金属家具的存在使得接收功率和均方根时延扩展普遍降低；（2）在非视距传播中高次反射与绕射的作用明显，不可忽略。仿真结果可以为室内复杂环境中超宽带无线通信网络覆盖与优化提供理论依据。

　　关键词： 时域射线跟踪方法；超宽带信号；金属家具

0 引言

　　近年来，超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术作为实现短距离、高速率无线通信的一种解决方案，已成为室内短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一，有着巨大的商业前景。与传统无线通信系统不同的是，超宽带系统具有高带宽、大容量、低功耗、高分辨率等特点，在室内、近距离、高速率以及能量受限的传感器网络等场景下颇具吸引力[1]。

　　目前已有不少学者基于时域射线方法对室内环境超宽带信号的传播特性进行了研究。任晶晶等人[2]考虑了UWB信号的多径效应、障碍物遮挡效应和穿墙效应，建立一种时域射线模型有效地预测和分析了室内大尺度环境下UWB信号的传播情况。汪嘉文等人[3]分析了UWB信号的透射特性，对比了不同透射次数下功率延迟的分布情况，发现透射会影响接收机的功率峰值大小以及峰值时间。曹京等人[4]比较了室内环境中垂直极化波和水平极化波在绕射影响下的功率延迟分布情况，结果表明，在考虑绕射时的垂直极化波功率延迟分布更为精确。黄强等人[5]通过理论计算，推导出了在电磁波垂直入射墙体的情况下，透射系数和反射系数的大小，并在此基础上对墙体进行建模，给出了信号在穿墙过程中经历的时间延迟、幅度衰减、波形失真情况。

　　综上所述，已知文献通常只侧重考虑了直射、反射、绕射和透射等多径传播中的部分传播机制，并且所建模的环境比较简单，不能全面反映出超宽带信号的传播特性。基于以上研究现状，本文基于时域射线跟踪方法进行建模仿真，全面考虑了上述4种传播机制，研究了在有金属家具的室内复杂环境中超宽带信号传播特性，可以为室内复杂环境UWB通信系统设计提供更为精确的理论依据。

1 时域射线跟踪方法

　　时域射线跟踪方法通过建模跟踪到不同射线路径，求得时域内的反射、透射以及绕射系数，得到每条路径的冲激响应，将之与发射信号进行卷积运算即可得到总的冲激响应，可以分析信道的多种参数，如多径时延、接收信号波形以及幅度大小等传播特性。

　　1.1 时域反射系数

　　当射线在传播过程中遇到墙面等障碍物时会发生反射，反射射线可以根据镜像法确定其方向矢量，反射场可以表示为：

　　其中，，括号前“+”表示垂直极化方式，“-”表示水平极化方式，下文也沿用这种表示方式。

　　1.2 时域透射系数

　　信号在穿透墙体等介质板时，不仅会在介质板的两个表面发生折射现象，而且会在介质板内部产生损耗。透射场可以表示为：

　　第二部分是介质板内部的传播损耗系数pl（t），其表达式为：

　　将第一部分与第二部分进行时域卷积，即得到了时域透射系数。

　　1.3 时域绕射系数

　　绕射场可以表示为：

　　其中，d+（t）（i=1，2，3，4）的计算方法如下：

2 仿真结果与分析

　　2.1仿真环境

　　如图1所示，仿真建筑的长为15 m、宽为11 m、高为2.5 m，建筑的墙面和地板都是水泥材质，天花板是石膏材质，房间的每一扇门都是木质的，金属家具放置在房间2、房间3以及餐厅的靠墙一侧，各材料的电参数如表1所示。将发射天线放置在客厅靠墙一侧，接收天线从房间2一直移动至餐厅中，收发天线高度为0.5 m，从而可以研究视距范围和非视距范围内超宽带信号的传播情况。发射功率为20 dBm，天线类型均为垂直极化全向天线。发射信号为高斯二阶导数波形，其表达式为：

　　其中，Ep是脉冲能量，τ=0.11 ns，Tc=0.5 ns。

　　2.2 结果与讨论

　　金属家具对接收功率的影响如图2所示，可以看出，金属家具的存在会导致接收功率波动-5.27~14.33 dBm。这是因为信号无法穿透金属家具，只能通过多次反射或者绕射的方式到达接收点，很大程度上限制了超宽带信号良好的穿透能力，从而导致在放置金属家具后整体的接收功率有所下降。

　　图3比较了有无金属家具存在的情况下，不同反射次数对接收功率的影响。从中可以看出，不存在金属家具时，增加计算的反射次数虽然使得到达接收机的所有射线中反射路径增多，但是并没有使接收功率变大；而在加入金属后，增加计算时的反射次数使得接收功率变化明显。房间中有金属家具时多次反射路径占主导地位，为了增大接收机接收到的能量，提高计算的反射次数效果明显。

　　图4比较了有无金属家具存在的情况下，不同绕射次数对接收功率的影响。从中可以看出，不存在金属家具时，绕射对接收功率的影响几乎可以不计，但是加入金属家具后，特别是在非视距传播中，考虑绕射后的接收功率比不考虑绕射的功率平均提高了4.15 dB。由此可见，在有金属家具的房间中，引入绕射路径可以大大提高接收机的功率。

　　图5比较了有无金属家具存在的情况下，不同透射次数对接收功率的影响。当不存在金属家具时，仅考虑2次透射得到的接收功率较低，考虑3次和4次透射得到的接收功率比较接近。但是在加入金属家具后，情况明显不同。在视距传播中，接收功率有起伏，但是差距不大；而在非视距中，接收功率值并没有随着透射次数的增加而逐渐增大，反而在考虑4次透射后有所下降，金属家具的存在使得房间中的透射路径变得更加复杂。综合以上的分析，在对有金属家具的复杂室内环境进行仿真时，考虑到射线跟踪的计算效率与准确度，需将仿真参数设置为5次反射、1次绕射、3次透射。

　　均方根时延扩展根据多径信号的功率时延分布，对其取二阶矩计算得到，它反映了信号多径扩散的程度。从图6可以看出，当存在金属家具时，时延扩展在6.3~22.1 ns之间；不存在金属家具时，时延扩展在11.5~30.3 ns之间。由于金属家具的影响，使得接收信号的时延扩展下降，这一点在非视距范围内尤为显著，下降的最大幅度为15.8 ns。如果没有金属家具的阻挡，在非视距范围内往往最先到达接收机的是穿过墙体的透射信号，随后才是多次反射和绕射信号，必然会导致功率时延分布在较宽的时间域中；而在视距范围内，最先到达的总是直射信号，因而金属家具对时延扩展的影响较小。

3结论

　　本文基于时域射线跟踪方法研究了有金属家具的室内复杂环境中超宽带信号传播特性。研究结果表明，金属家具的存在使得接收功率普遍降低，因为信号无法在金属体中发生透射作用，大大抑制了超宽带信号良好的穿透性能，此时若增加计算反射的次数或者考虑其影响，可以使接收功率得到明显提高；金属家具的存在还使得均方根时延扩展降低，这一点在非视距传播中尤为显著。研究结果为超宽带信号在室内复杂环境中的无线通信网络规划设计提供基础，有利于调制解调技术、各种抗衰落技术等无线通信技术的研究和开发。

参考文献

　　[1] 刘伟荣，何云.物联网与无线传感器网络[M].北京：电子工业出版社，2013.

　　[2] 任晶晶，冯荻，陈卫东.基于时域射线法的IR-UWB信号穿墙传播建模与分析[J].微波学报，2012，28（2）：9-15.

　　[3] 汪嘉文，宋丹，施秦健，等.室内环境下超宽带信号透射特性仿真与分析[J].中国新通信，2013（21）：115-116.

　　[4] 刘芜健，曹京，张敏胜，等.基于TD-UTD的室内复杂环境超宽带信号传播特性研究[J].南京邮电大学学报，2013，33（4）：25-28.

　　[5] 黄强，施展，刘其康.超宽带电磁波的穿墙传播特性研究[J].信息技术，2014（9）：167-172.