王志彬 李國(guó)輝 張 娟 嚴(yán) 軍 王浩文

摘 要:由于目前對(duì)下一代移動(dòng)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(xiàn)跟蹤法對(duì)室外3.5 GHz頻段的電波傳播特性進(jìn)行了研究。介紹了城市微小區(qū)中的電波傳播機(jī)制、射線(xiàn)跟蹤法的基本原理和幾種常用的射線(xiàn)跟蹤方法,并在3.5 GHz對(duì)街道拐角繞射、發(fā)射天線(xiàn)的高度對(duì)傳播特性的影響以及3.5 GHz的功率時(shí)延特性進(jìn)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(duì)發(fā)射天線(xiàn)高度不是很敏感的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:射線(xiàn)跟蹤法;電波傳播模型;鏡像源;微小區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào):TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(wú)線(xiàn)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(dòng)通信進(jìn)一步爆炸式的發(fā)展,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)無(wú)線(xiàn)電波的傳播行為,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)變得愈加重要。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)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(lái)說(shuō),信道模型需要預(yù)測(cè)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?yàn)樗軌蚋嬖V人們發(fā)射機(jī)需要發(fā)射多大功率才能覆蓋一個(gè)給定區(qū)域;另一方面,信道特性影響到接收信號(hào)的真實(shí)性以及接收機(jī)接收到波形的性質(zhì)。

電波傳播模型大致可以分為兩類(lèi):統(tǒng)計(jì)模型和確定性模型。隨著蜂窩半徑的進(jìn)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(jì)模型失去了應(yīng)用的前提,而基于幾何光學(xué)和一致性繞射理論的射線(xiàn)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(cè)的確定性模型。

1 城市微小區(qū)的電波傳播機(jī)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(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布影響很大,這使得城市微小區(qū)電波傳播機(jī)制變得十分復(fù)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(jī)制如圖1所示。當(dāng)無(wú)線(xiàn)電磁波遇到比其波長(zhǎng)大得多的物體時(shí),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(shí),電磁波會(huì)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(zhǎng)相比的物體(街道上的電桿、樹(shù)木、交通標(biāo)記等)時(shí)會(huì)使電波發(fā)生散射(S),由于微小區(qū)中電波散射對(duì)信號(hào)的路徑損耗并不起主導(dǎo)作用,所以一般不考慮樹(shù)木或其他散射體的影響;當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無(wú)線(xiàn)傳輸被表面銳利的物體阻擋時(shí),發(fā)生繞射(D),此時(shí)二次波分布于整個(gè)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(jī)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(jī)制

2 射線(xiàn)跟蹤法的原理

2.1 射線(xiàn)跟蹤法的基本思想

射線(xiàn)跟蹤法的基本思想[2]是:首先確定一個(gè)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(gè)接收位置射線(xiàn)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(gè)接收位置的場(chǎng)強(qiáng),將同一接收位置處到達(dá)的所有路徑的場(chǎng)強(qiáng)做相干疊加,得到每一接收位置處總的接收?qǐng)鰪?qiáng)。

2.2 反射和繞射射線(xiàn)的計(jì)算[2,3]

射線(xiàn)每次改變方向后,其各方向的場(chǎng)分量都要改變。一般來(lái)說(shuō)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(xiàn)基坐標(biāo)系,就可使R和D簡(jiǎn)化為2×2的并矢系數(shù)矩陣。在高頻時(shí)電磁波是局部平面波,沒(méi)有在射線(xiàn)方向的場(chǎng)分量,在射線(xiàn)基坐標(biāo)系中射線(xiàn)的場(chǎng)只有沿除射線(xiàn)軸外其他兩個(gè)正交坐標(biāo)軸上的分量。假設(shè)在反射點(diǎn)或繞射點(diǎn)Q入射線(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)是Ei(Q),那么在與Q點(diǎn)距離為s處場(chǎng)點(diǎn)P的反射場(chǎng)或繞射場(chǎng)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(kuò)散因子:

AS(s)=s′s+s′

(3)

AD(s)=s′s(s+s′)

(4)

式中:s′是源點(diǎn)到Q的距離,對(duì)于射線(xiàn)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(diǎn)處的最終場(chǎng)強(qiáng)。

2.3 幾種常用的射線(xiàn)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(diǎn)的二次源。假設(shè)空間中有N個(gè)反射面,那么就會(huì)產(chǎn)生源的N個(gè)一階鏡像,N(N-1)個(gè)二階反射鏡像源和N(N-1)(N-1)個(gè)三階反射鏡像源,依此類(lèi)推。可想而之,如此下去所得的鏡像源數(shù)目會(huì)大得驚人,進(jìn)而給計(jì)算帶來(lái)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(xiàn)[5]提出了亮區(qū)的概念,文中假設(shè)建筑物無(wú)限高,并用向量來(lái)表示每個(gè)建筑物的墻面,如果某個(gè)向量的全部或部分落在一個(gè)被觀(guān)察的鏡像源的亮區(qū)中,那么該鏡像源就會(huì)產(chǎn)生關(guān)于這個(gè)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(duì)信號(hào)接收沒(méi)有貢獻(xiàn)的鏡像源舍棄掉,大大減少了計(jì)算時(shí)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(jì)算精度,但它只適用于簡(jiǎn)單的環(huán)境,在目前復(fù)雜的城市環(huán)境中,傳統(tǒng)的鏡像法顯得無(wú)能為力。

2.3.2 強(qiáng)力射線(xiàn)跟蹤法[4]

強(qiáng)力射線(xiàn)跟蹤法適用于任何復(fù)雜環(huán)境中的射線(xiàn)跟蹤。這種方法在各個(gè)方向發(fā)射射線(xiàn),如果射線(xiàn)擊中某物體表面,就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射射線(xiàn)和折射射線(xiàn),如果射線(xiàn)擊中墻角,則產(chǎn)生一簇繞射線(xiàn)。同時(shí)引入恰當(dāng)半徑的接收球以準(zhǔn)確接收射線(xiàn)。如果接收球的半徑過(guò)大,就會(huì)有兩條射線(xiàn)同時(shí)落入接收球,且同一射線(xiàn)會(huì)被計(jì)算兩次;而如果接收球的半徑太小,就可能沒(méi)有射線(xiàn)落入接收球,有用射線(xiàn)就會(huì)被排除掉。對(duì)每一個(gè)接收點(diǎn),考察位于該點(diǎn)附近且與其垂直距離為d的射線(xiàn),并將收發(fā)點(diǎn)間的射線(xiàn)在地面上的投影路徑拉直,其總長(zhǎng)度為L(zhǎng),如果二維情況下d≥φL/2或三維情況下d≥φL/3,則認(rèn)為射線(xiàn)沒(méi)有被接收,相反就認(rèn)為射線(xiàn)對(duì)信號(hào)接收有貢獻(xiàn)。φ是兩條發(fā)射射線(xiàn)間的夾角,如圖5所示。

圖5 二維射線(xiàn)跟蹤情況的接收球

3 3.5 GHz頻段實(shí)例及分析

在文獻(xiàn)[1,3,6-8]研究成果的基礎(chǔ)上,應(yīng)用射線(xiàn)跟蹤法對(duì)3.5 GHz頻段室外的路徑損耗特性進(jìn)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(rèn)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(duì)接收信號(hào)沒(méi)有貢獻(xiàn)。

圖6(a)中,發(fā)射天線(xiàn)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(xiàn)高度為1.5 m,天線(xiàn)的極化方向均為垂直極化。地面相對(duì)介電常數(shù)εr=15,電導(dǎo)率σ=7 S/m,墻面相對(duì)介電常數(shù)εr=3,電導(dǎo)率σ=0.005 S/m。

從圖6(b)中可以看出,當(dāng)移動(dòng)臺(tái)從街道AC轉(zhuǎn)入到街道CD(非可視區(qū))時(shí),相較移動(dòng)臺(tái)直接通過(guò)街道CB(可視區(qū))時(shí)信號(hào)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(lái)討論基站天線(xiàn)高度的影響?；咎炀€(xiàn)的高度是微蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的重要參數(shù),基站天線(xiàn)高度選擇得好可以使小區(qū)有良好的信號(hào)覆蓋,并可以防止對(duì)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(duì)基站天線(xiàn)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(xiàn)

高度下的路徑損耗特性

最后對(duì)3.5 GHz頻段的功率時(shí)延特性進(jìn)行初步研究,從圖8可以看出,有25條多徑射線(xiàn)到達(dá)接收天線(xiàn),到達(dá)時(shí)間在0.75~1 μs之間。同時(shí)從圖9中可以看出(此時(shí)基站天線(xiàn)的輻射功率是0 dBm),當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)向存在可視路徑的交叉路口移動(dòng)時(shí),接收到的信號(hào)功率增大,而當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)離開(kāi)交叉路口進(jìn)入非可視區(qū)域時(shí),接收信號(hào)功率也隨著下降。可以看出有較多有效射線(xiàn)到達(dá)交叉路口。

圖8 移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)位于圖7(a)仿真區(qū)域中

C處時(shí)的功率時(shí)延譜

圖9 移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)沿圖7(a)仿真區(qū)域中

C-D移動(dòng)時(shí)的功率時(shí)延譜

4 發(fā)展與展望

隨著對(duì)下一代移動(dòng)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)研究的深入,為了更有效地減少測(cè)試和組網(wǎng)的盲目性,建立適應(yīng)性更強(qiáng)的電波傳播預(yù)測(cè)模型成為一種趨勢(shì)。相信隨著射線(xiàn)跟蹤技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,基于幾何光學(xué)和一致性繞射理論的射線(xiàn)跟蹤法必將對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)起到舉足輕重的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]卞國(guó)東,黃健.城市微小區(qū)電波傳播預(yù)測(cè)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),1996,26(6A):14-19.

[2]王勇,李朝奎.三維地理環(huán)境下電磁波場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)并行計(jì)算研究 [J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,23(2):84-87.

[3]李彤,婁媚,王豪行,等.利用射線(xiàn)跟蹤法進(jìn)行微蜂窩電波傳播預(yù)測(cè)[J].通信學(xué)報(bào),1997,18(11):1-7.

[4]Tapan K Sarkar.A Survey of Various Propagation Models for Mobile Communication [J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2003,45(3):51-82.

[5]Karim Rizk,Wagen J F,Fred Gardiol.Two-Dimensional Ray-Tracing Modeling for Propagation Prediction in Microcellular Environments[J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,1997,46(2):508-518.

[6]Athanasios G Kanatas,Ioannis D Kountouris.A UTD Propagation Model in Urban Microcellular Environments [J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,1997,46(1):185-193.

[7]鐘壽永.加速多鏡像法對(duì)非規(guī)則城市環(huán)境電磁輻射的分析計(jì)算[D].成都:電子科技大學(xué),2003.

[8]姚翠萍.基于加速多鏡像法對(duì)城市微蜂窩小區(qū)電波傳播的分析計(jì)算[D].成都:電子科技大學(xué),2006.

[9]程勇,吳劍鋒,曹偉.一種用于移動(dòng)系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)三維射線(xiàn)跟蹤模型 [J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2002,17(2):151-159.

作者簡(jiǎn)介 王志彬 男,1982年出生,河北人,碩士在讀。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)。

李國(guó)輝 男,1970年出生,湖南人,副教授。研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)與非線(xiàn)性理論。

張 娟 女,1983年出生,浙江人,碩士在讀。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)。

嚴(yán) 軍 男,1969年出生,上海人,碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、無(wú)線(xiàn)通信。

王浩文 男,1974年出生,上海人,工程師。研究方向?yàn)樾诺罍y(cè)試及測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)。