《电子技术应用》

室内办公室环境60 GHz频段毫米波接收功率仿真和分析

2016年微型机与应用第2期 作者:戚星宇, 刘芫健, 李双德
2016/3/22 19:46:00

  戚星宇, 刘芫健, 李双德

  (南京邮电大学 电子科学与工程学院,江苏 南京 210003)

    摘要:基于入射及反弹射线法对典型室内办公室环境进行仿真,研究了60 GHz频段的毫米波的传播特性并对数据进行处理和分析,得出不同位置的发射天线对应的路径增益和接收功率,计算出不同距离的发射机和接收机对应的接收功率,为实际室内环境发射天线位置的设定提供理论依据。

  关键词:毫米波;室内办公室环境;接收功率

0引言

  教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20123223120003)随着无线通信技术的不断发展,各波段频谱越来越紧张,毫米波由于其频带宽的特点变得越来越受欢迎。在室内环境中,毫米波的传播可能受到室内家具、隔板和墙的影响而产生严重的衰减。而目前由于人们的大多数时间都处在办公室、实验室等室内环境,因此这类室内环境对信号传播的要求更高。国内外学者对这类环境做了大量测量分析工作。MALTSEV A等人[12]通过在一个复杂的办公室环境中进行毫米波传播和测量工作,证实60 GHz的室内传播具有准光学性质,大部分发射能量由沿LOS路径的一次二次的反射信号路径携带。JACOB M [3]提出了一种基于有桌椅家具环境的会议室室内环境的带宽频率在67 GHz和110 GHz之间的无线信道分析的测量。测量结果显示,视距环境的路径损耗指数取决于使用频率和天线种类的不同,变化范围为12~19。

  目前有两种可用于研究毫米波传播力特性的模型:经验模型和确定性模型[4]。经验模型是基于实际测量的方法,这种方法虽然简单但是成本高且对测量仪器的精度要求较高,所以在研究无线信道方面有一定局限性。确定性模型遵从电磁波传播的物理理论,主要有两种方法: 射线追踪方法和时域有限差分方法。射线追踪方法主要有镜像法、最小光程法、测试射线法、入射及反弹射线法(Shooting and Bouncing Ray,简称SBR)、确定性射线管法和入射及反弹射线法/镜像法(Shooting and Bouncing Ray Tracing/Image,SBR/IM)。镜像法[56]是最简单的射线跟踪方法,不需要相交测试,效率高,一般用于简单结构环境,SBR可以用于复杂环境的电波传播。本文就是基于SBR法来仿真分析毫米波在室内办公环境的传播特性。

  仿真是以射线追踪方法为理论基础借助Wireless Insite仿真软件对文献的室内办公模型进行的,得出不同位置的接收功率(RP)并通过数据分析得出不同位置发射机传播效果的差异。

1仿真环境和正确性验证

  1.1理论基础

  仿真所述SBR法是对场强相对准确的估计,是处理复杂室内环境的可用方法。其中通过直射和地面反射所接收到的接收功率RP由式(1)给出:

  1.png

  其中,λ是波长,k是波数,d1为直接路径的距离,d2为地面反射路径的距离,αr和αt为天线函数R(θ)表面反射的反射系数,TP是发射功率。使用式(2)转换成路径损耗:

  2.png

  图2参考文献[8]中前6个发射机的PG散点图其中,TP是发送功率,而RP(d)是接收功率,d为发射机与接收点的距离。它然后被转换成的路径增益(PG)值[7]。在单一楼层中,这种模型传播的损耗将被表示为:

  PLtotal(dB)=20log10(f)+Nlog10(d)+Lf(n)-28(3)

  其中,N是距离功率损耗系数,f是频率(MHz),d是发射机与接收机之间的距离(m),Lf是地板穿透损耗因子(dB),而n是发射机与接收机(n≥1)之间的楼层数。

  1.2仿真环境介绍

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  本文参考了RAO T R[8]的室内典型办公室环境,办公室环境平面图如图1所示。具体参数如表1和表2所示。

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  1.3路径增益的数据结果分析

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  图2和图3分别是参考文献[8]和仿真所得的PG散点图。

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  对比图2和图3可以看出,两个结果基本一致。根据图3的发射机1~发射机6的散点图可以看出,处于办公室靠中间位置的发射机1、发射机2和发射机3的散点图分布优于其他位置。发射机1的PG集中在-70 dB~-90 dB之间,发射机2和发射机3与发射机1基本类似。而发射机6由于在角落并且有大量隔板阻挡,因此有大量的接收点PG小于-90 dB,甚至小于-100 dB。

  产生误差的可能原因是:(1)仿真材质的介质电参数的差别;(2)发射机和接收天线的位置的误差。

  1.4接收功率的结果分析

  将室内的接收点数量增加到约4 320个。 图4是来自发射机1的RP的三维图,可以看出发射机1处在中心位置对各个点的接收情况都较为良好,基本没有明显的衰减趋势,大部分接收点的RP都在40 dBm~50 dBm之间,所有点RP的平均值为-4021 dBm,在与发射机1距离d=849 m处的接收点取到RP的最大值为-3259 dBm,类似图3仿真所得前6个位置发射机的PG散点图地,在d=637 m处取到RP的最小值为-7014 dBm。

004.jpg

  图5发射机6对应的接收功率位置偏角落且周围有隔板阻碍,毫米波传播过程中产生更多的衰减,所以随着发射机与接收机距离的增大RP出现明显的衰减,且峰值和谷值相差较大。对9个位置的发射机对应的RP的平均值对比可以发现,发射机6平均RP最低,为-4512 dBm,也就是说发射机6发出的信号传播产生的PG最大。

2结论

  通过仿真和分析可以看出SBR法在室内电波传播预测中的可靠性和有效性。对于室内办公环境中不同位置发射机,越靠近中心的传播效果越好,发射机1因为在办公室模型的最中间,所以传播效果最好,无论是平均PG还是平均RP的结果都好于发射机2和发射机3。其他位置类似。同时还对发射机6出现的非视距传播,模拟了现实办公环境的一些电波传播信号偏弱的地方。以上的仿真结果对现实室内环境的发射机的位置设定提供了一点参考。

  参考文献

  [1] 杨大成. 移动传播环境[M]. 北京:机械出版社,2003.

  [2] MALTSEV A, MASLENNIKOV R, SEVASTYANOV A. Statistical channel model for 60 GHz WLAN systems in conference room environment[C]. IEEE 2010 Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation, 2010:15.

  [3] JACOB M, KURNER T. Radio channel characteristics for broadband WLAN/WPAN applications between 67 and 110 GHz[C]. IEEE EuCAP 2009, 3rd European Conference on Antennas and Propagation, 2009:26632667.

  [4] MALTSEV A, MASLENNIKOV R, SEVASTYANOV A, et al. Characteristics of indoor millimeterwave channel at 60 GHz in application to perspective WLAN system[C]. IEEE 2010 Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation, 2010:15.

  [5] TAN S Y,TAN H S. A microcellular communications propagation model based on the uniform theory of diffraction and multiple image theory[J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,1996,44(10):13171326.

  [6] GRUBISIC S, CARPES W P, LIMA C B, et al. Raytracing propagation model using image theory with a new accurate approximation for transmitted rays through walls[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2006,42(4):835838.

  [7] RAPPAPORT T S. Wireless communications: principles and practice[M]. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002.


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