室外3.5 GHz電波傳播特性研究

王志彬 李國輝 張 娟 嚴 軍 王浩文

摘 要:由于目前對下一代移動通信的備選頻段——室外3.5 GHz電波傳播特性的研究還很少,基于此,應(yīng)用射線跟蹤法對室外3.5 GHz頻段的電波傳播特性進行了研究。介紹了城市微小區(qū)中的電波傳播機制、射線跟蹤法的基本原理和幾種常用的射線跟蹤方法,并在3.5 GHz對街道拐角繞射、發(fā)射天線的高度對傳播特性的影響以及3.5 GHz的功率時延特性進行了研究,得出了路徑損耗與建筑物的分布及街道寬度有關(guān)以及對發(fā)射天線高度不是很敏感的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:射線跟蹤法;電波傳播模型;鏡像源;微小區(qū)

中圖分類號:TN914 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-063-04

Research of Radio Propagation Characteristics at 3.5 GHz in Outdoor Environment

WANG Zhibin1,LI Guohui1,ZHANG Juan1,YAN Jun1,WANG Haowen2

(1.School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai,200072,China;

2.Shanghai Research Center for Wireless Communications,Shanghai,200335,China)

Abstract:There are not many researches on the characteristics in outdoor environment at 3.5 GHz,which is one of alternative frequency bands for mobile communications of next generation,radio propagation characteristics at 3.5 GHz in outdoor environment are studied by the ray-tracing method.The microcellular radio propagation mechanism,basic principles of ray-tracing method and several ray-tracing methods are introduced.Influence of the street corner diffraction and the height of antenna on the propagation characteristics are researched.And a study of power-delay profile at 3.5 GHz is presented.Finally it′s found that path loss is relative to the distribution of the constructions and width of the streets.As a consequence,path loss is not sensitive to the height of the transmitters.

Keywords:ray-tracing method;radio propagation model;mirror image source;microcellular

0 引 言

蜂窩通信的商業(yè)化成功,引起了無線工程師研究城市、郊區(qū)和室內(nèi)環(huán)境中電波傳播特性的極大興趣。隨著移動通信進一步爆炸式的發(fā)展,準確預(yù)測無線電波的傳播行為,對系統(tǒng)設(shè)計來說變得愈加重要。由于現(xiàn)場測量需要耗費大量的人力、物力和財力,建立電波傳播模型就成了一種合適、便捷和低成本的選擇。一般來說,信道模型需要預(yù)測路徑損耗,并能夠描述傳播信道的脈沖響應(yīng)。路徑損耗特性與基站設(shè)置緊密相關(guān),因為它能夠告訴人們發(fā)射機需要發(fā)射多大功率才能覆蓋一個給定區(qū)域;另一方面,信道特性影響到接收信號的真實性以及接收機接收到波形的性質(zhì)。

電波傳播模型大致可以分為兩類:統(tǒng)計模型和確定性模型。隨著蜂窩半徑的進一步縮小,在工作環(huán)境(典型的微蜂窩小區(qū)電波傳播環(huán)境處在城市建筑物的“峽谷”中)方面,傳統(tǒng)的統(tǒng)計模型失去了應(yīng)用的前提,而基于幾何光學和一致性繞射理論的射線跟蹤法能根據(jù)微小區(qū)的環(huán)境特征,給出微小區(qū)電波預(yù)測的確定性模型。

1 城市微小區(qū)的電波傳播機制

如前所述,典型的微蜂窩小區(qū)電波傳播環(huán)境處在城市建筑物的“峽谷”中,在這些微小區(qū)中由于基站一般較低,建筑物形狀、材料及街道寬度、走向等具體環(huán)境對場強分布影響很大,這使得城市微小區(qū)電波傳播機制變得十分復雜,但總體而言可以用電波的直射、反射、散射、繞射和透射等加以解釋。微區(qū)電波傳播機制如圖1所示。當無線電磁波遇到比其波長大得多的物體時,發(fā)生反射(R),反射發(fā)生在地面、墻面和家具表面,在反射發(fā)生的同時,電磁波會有部分的折射;如果電波傳播路徑包含了某些尺寸可以與波長相比的物體(街道上的電桿、樹木、交通標記等)時會使電波發(fā)生散射(S),由于微小區(qū)中電波散射對信號的路徑損耗并不起主導作用,所以一般不考慮樹木或其他散射體的影響;當發(fā)射機和接收機之間的無線傳輸被表面銳利的物體阻擋時,發(fā)生繞射(D),此時二次波分布于整個空間甚至繞射到物體的背面。根據(jù)Huygen的理論,即使收發(fā)機之間不存在直視通路,阻礙物仍可以作為二次源加以輻射[1]。

圖1 微小區(qū)電波傳播機制

2 射線跟蹤法的原理

2.1 射線跟蹤法的基本思想

射線跟蹤法的基本思想[2]是:首先確定一個發(fā)射源的位置,根據(jù)3D地圖上的建筑物特征和分布找出發(fā)射源到每個接收位置射線的所有傳播路徑,然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論/一致性繞射理論等確定反射和繞射損耗等,這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個接收位置的場強,將同一接收位置處到達的所有路徑的場強做相干疊加,得到每一接收位置處總的接收場強。

2.2 反射和繞射射線的計算[2,3]

射線每次改變方向后,其各方向的場分量都要改變。一般來說反射系數(shù)R和繞射系數(shù)D都是3×3的并矢系數(shù)矩陣,但如果選擇射線基坐標系,就可使R和D簡化為2×2的并矢系數(shù)矩陣。在高頻時電磁波是局部平面波,沒有在射線方向的場分量,在射線基坐標系中射線的場只有沿除射線軸外其他兩個正交坐標軸上的分量。假設(shè)在反射點或繞射點Q入射線的場強是Ei(Q),那么在與Q點距離為s處場點P的反射場或繞射場為:

Er,d(P)=Ei(Q)?H(Q,s)?e-jks

(1)

其中:k=2π/λ是波數(shù)。

H(Q,s)=R?AS(s)

D?AD(s)

(2)

其中:AS(s)和AD(s)分別是反射波和繞射波的擴散因子:

AS(s)=s′s+s′

(3)

AD(s)=s′s(s+s′)

(4)

式中:s′是源點到Q的距離,對于射線的多次反射和繞射,可以連續(xù)應(yīng)用上面的公式,這樣就能得到接收點處的最終場強。

2.3 幾種常用的射線跟蹤法

2.3.1 鏡像法[4]

鏡像法建立在反射定律、折射定律和解析幾何理論的基礎(chǔ)上,它關(guān)于所有的反射面產(chǎn)生鏡像源,而這些鏡像源又作為隨后反射點的二次源。假設(shè)空間中有N個反射面,那么就會產(chǎn)生源的N個一階鏡像,N(N-1)個二階反射鏡像源和N(N-1)(N-1)個三階反射鏡像源,依此類推?？上攵?如此下去所得的鏡像源數(shù)目會大得驚人,進而給計算帶來巨大的困難,示意圖如圖2所示。

圖2 兩鏡面A,B間的源s形成的鏡像

文獻[5]提出了亮區(qū)的概念,文中假設(shè)建筑物無限高,并用向量來表示每個建筑物的墻面,如果某個向量的全部或部分落在一個被觀察的鏡像源的亮區(qū)中,那么該鏡像源就會產(chǎn)生關(guān)于這個向量的高階鏡像源,否則不產(chǎn)生高階鏡像源,從而將那些對信號接收沒有貢獻的鏡像源舍棄掉,大大減少了計算時間。圖3和圖4分別表示了由建筑物墻面造成的反射以及位于建筑物前的鏡像源的亮區(qū)。

圖3 建筑物墻面造成的反射

圖4 位于建筑物前鏡像源的亮區(qū)

鏡像法具有較高的計算精度,但它只適用于簡單的環(huán)境,在目前復雜的城市環(huán)境中,傳統(tǒng)的鏡像法顯得無能為力。

2.3.2 強力射線跟蹤法[4]

強力射線跟蹤法適用于任何復雜環(huán)境中的射線跟蹤。這種方法在各個方向發(fā)射射線,如果射線擊中某物體表面,就會同時產(chǎn)生反射射線和折射射線,如果射線擊中墻角,則產(chǎn)生一簇繞射線。同時引入恰當半徑的接收球以準確接收射線。如果接收球的半徑過大,就會有兩條射線同時落入接收球,且同一射線會被計算兩次;而如果接收球的半徑太小,就可能沒有射線落入接收球,有用射線就會被排除掉。對每一個接收點,考察位于該點附近且與其垂直距離為d的射線,并將收發(fā)點間的射線在地面上的投影路徑拉直,其總長度為L,如果二維情況下d≥φL/2或三維情況下d≥φL/3,則認為射線沒有被接收,相反就認為射線對信號接收有貢獻。φ是兩條發(fā)射射線間的夾角,如圖5所示。

圖5 二維射線跟蹤情況的接收球

3 3.5 GHz頻段實例及分析

在文獻[1,3,6-8]研究成果的基礎(chǔ)上,應(yīng)用射線跟蹤法對3.5 GHz頻段室外的路徑損耗特性進行了研究。

首先考慮街道拐角繞射的影響。文中考慮反射和繞射次數(shù)最多為兩次,并考慮反射-繞射波、繞射-反射波、繞射-反射-反射波和反射-反射-繞射波,而認為繞射-反射-繞射波、反射-繞射-反射波、三次反射波和三次繞射波對接收信號沒有貢獻。

圖6(a)中,發(fā)射天線在Tx處,高度為25 m,發(fā)射頻率為3.5 GHz,發(fā)射功率為0 dBm;接收天線高度為1.5 m,天線的極化方向均為垂直極化。地面相對介電常數(shù)εr=15,電導率σ=7 S/m,墻面相對介電常數(shù)εr=3,電導率σ=0.005 S/m。

從圖6(b)中可以看出,當移動臺從街道AC轉(zhuǎn)入到街道CD(非可視區(qū))時,相較移動臺直接通過街道CB(可視區(qū))時信號出現(xiàn)了較大衰落,也即路徑損耗增大,圖中為40~60 dB,這與建筑物的分布、街道寬度有關(guān)[1]。

接下來討論基站天線高度的影響?；咎炀€的高度是微蜂窩系統(tǒng)設(shè)計需要解決的重要參數(shù),基站天線高度選擇得好可以使小區(qū)有良好的信號覆蓋,并可以防止對鄰小區(qū)造成干擾[1]。在城市微小區(qū)系統(tǒng)中,從圖7(b)中可以看出路徑損耗特性對基站天線高度不是很敏感。

圖6 仿真區(qū)域及其街道A-C-B和

A-C-D上的路徑損耗

圖7 仿真區(qū)域及不同基站天線

高度下的路徑損耗特性

最后對3.5 GHz頻段的功率時延特性進行初步研究,從圖8可以看出,有25條多徑射線到達接收天線,到達時間在0.75~1 μs之間。同時從圖9中可以看出(此時基站天線的輻射功率是0 dBm),當移動臺天線向存在可視路徑的交叉路口移動時,接收到的信號功率增大,而當移動臺天線離開交叉路口進入非可視區(qū)域時,接收信號功率也隨著下降。可以看出有較多有效射線到達交叉路口。

圖8 移動臺天線位于圖7(a)仿真區(qū)域中

C處時的功率時延譜

圖9 移動臺天線沿圖7(a)仿真區(qū)域中

C-D移動時的功率時延譜

4 發(fā)展與展望

隨著對下一代移動無線系統(tǒng)研究的深入,為了更有效地減少測試和組網(wǎng)的盲目性,建立適應(yīng)性更強的電波傳播預(yù)測模型成為一種趨勢。相信隨著射線跟蹤技術(shù)的進一步發(fā)展,基于幾何光學和一致性繞射理論的射線跟蹤法必將對未來網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計起到舉足輕重的作用。

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作者簡介 王志彬 男,1982年出生,河北人,碩士在讀。電磁場與微波技術(shù)專業(yè)。

李國輝 男,1970年出生,湖南人,副教授。研究方向為微波技術(shù)與非線性理論。

張 娟 女,1983年出生,浙江人,碩士在讀。電磁場與微波技術(shù)專業(yè)。

嚴 軍 男,1969年出生,上海人,碩士生導師。研究方向為信號處理、無線通信。

王浩文 男,1974年出生,上海人,工程師。研究方向為信道測試及測試軟件開發(fā)。