李建中，葛慧明

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司，廣東 廣州 510627）

多徑對(duì)室內(nèi)外穿透損耗測(cè)試的影響

李建中1，葛慧明2

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；
2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司，廣東 廣州 510627）

通過(guò)對(duì)電波傳播機(jī)制的研究，分析了多徑對(duì)室內(nèi)外穿透損耗測(cè)試的影響，并搭建測(cè)試環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，給出了工程上穿透損耗測(cè)試方法的建議。

多徑 反射波 包絡(luò) 駐波 穿透損耗

1 引言

中國(guó)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)物理站址早已超過(guò)150萬(wàn)個(gè)[1]，典型城區(qū)4G站距小于500m；基本可以在城鎮(zhèn)提供無(wú)縫的室外覆蓋。研究表明，隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，已從話(huà)音承載為主轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)承載為主，業(yè)務(wù)更多地集中于室內(nèi)。伴隨城市化進(jìn)程的發(fā)展，建筑物的數(shù)量和類(lèi)型大幅增加，受建筑物特性、通信建設(shè)受物業(yè)阻撓、用戶(hù)對(duì)室內(nèi)覆蓋更加挑剔等因素的影響，室內(nèi)覆蓋問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，已成為運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)。

解決室內(nèi)覆蓋主要有2類(lèi)方案：合理增加宏基站的密度，克服穿透損耗對(duì)室內(nèi)覆蓋的影響；建筑物內(nèi)部署分布式天線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。利用宏基站進(jìn)行覆蓋，單位覆蓋成本更低，施工維護(hù)方便，是一般用戶(hù)密度、中低業(yè)務(wù)密度區(qū)域的主流解決方案。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一為穿透損耗的取定，該參數(shù)對(duì)于基站覆蓋半徑的影響極為敏感，是影響網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的主要因素[2]。穿透損耗與建筑物墻體的材質(zhì)、厚度及尺寸等有關(guān)，不同地域的建筑物其特征顯著不同。關(guān)于穿透損耗，有學(xué)者以射線(xiàn)跟蹤法[3]、射線(xiàn)跟蹤法和FDTD（Finite Difference Time Domain，時(shí)域有限差分）法[4]的混合方法進(jìn)行研究，需要對(duì)建筑物進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，參數(shù)取定及運(yùn)算較為復(fù)雜，實(shí)際操作受到較大限制。工程上一般引用經(jīng)驗(yàn)值[5]或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試，對(duì)比室內(nèi)外信號(hào)差異，對(duì)該參數(shù)進(jìn)行修正和取定，獲取更適合本地建筑特征的穿透損耗值。

本文主要對(duì)產(chǎn)生損耗的原理及工程上常用的測(cè)試室內(nèi)外信號(hào)差值的確定穿透損耗方法的嚴(yán)謹(jǐn)性進(jìn)行探討，估算由于多徑傳播對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并給出了改進(jìn)建議。

2 傳播機(jī)制

當(dāng)電磁波在傳播過(guò)程中遇到2種不同媒質(zhì)的分界面時(shí)（例如從空氣傳播到樓宇外墻），因媒質(zhì)的本質(zhì)阻抗不同，電磁波在分界面上將產(chǎn)生反射和折射（透射）。入射波E0的一部分ER被反射，在第一種媒質(zhì)中傳播，另一部分ET折射入第二種媒質(zhì)。折射部分將繼續(xù)傳播，在到達(dá)墻面與空氣界面時(shí)，將再次發(fā)生反射和折射。因此，穿透損耗主要由于能量被反射、折射部分的媒質(zhì)吸收、墻體內(nèi)部折射波的再次反射等多種因素的影響。

斜入射電波媒質(zhì)表面的反射和折射如圖1所示：

圖1 斜 入射電波媒質(zhì)表面的反射和折射

產(chǎn)生的反射波和折射波特性與入射波的極化特性有關(guān)。以入射面為基準(zhǔn)，把電場(chǎng)矢量平行于入射面的波稱(chēng)為平行極化波，把電場(chǎng)矢量垂直于入射面的波稱(chēng)為垂直極化波。任意極化波總可以分解成2個(gè)平行、垂直線(xiàn)極化波來(lái)討論[6]。

折射角與入射角之間的關(guān)系可以根據(jù)2種媒質(zhì)的介電常數(shù)來(lái)確定，其關(guān)系如下（斯奈爾折射定律）[7]：

電場(chǎng)的反射系數(shù)R定義為分界面上反射波的切向電場(chǎng)強(qiáng)度與入射波的切向電場(chǎng)強(qiáng)度之比；電場(chǎng)的傳輸系數(shù)T定義為分界面上折射波的切向電場(chǎng)強(qiáng)度與入射波的切向電場(chǎng)強(qiáng)度之比。

3 反射信號(hào)對(duì)室外信號(hào)的影響分析

在室外測(cè)試時(shí)，接收機(jī)天線(xiàn)收到的信號(hào)主要有2部分：信號(hào)源發(fā)射的直射波；經(jīng)墻體反射后的反射波。如圖2所示，即存在多徑信號(hào)。根據(jù)反射系數(shù)公式，墻體的介電常數(shù)取8，可以估算出垂直入射時(shí)反射系數(shù)約為0.48。

圖2 多徑傳播示意圖

存在入射波和反射波時(shí)，依據(jù)反射波存在與否及反射波的大小，波分為以下3種類(lèi)型：

（1）行波：即無(wú)反射波出現(xiàn)；

（2）全駐波：即全部反射，其包絡(luò)為以入射波半波長(zhǎng)為周期的正弦波；

（3）混合波：既有行波成分，又有駐波成分。

由于墻體不是理想導(dǎo)體，因此反射波是部分能量，接收機(jī)收到的將是混合波。當(dāng)收發(fā)天線(xiàn)、反射點(diǎn)在一條直線(xiàn)上時(shí)，在沿著入射方向的路線(xiàn)上，接收信號(hào)的包絡(luò)隨距離變化。其幅度變化為E0-ER至E0+ER，幅度變化規(guī)律近似為周期是入射波半波長(zhǎng)的正弦波。

當(dāng)R=0.48時(shí)，反射波的場(chǎng)強(qiáng)為0.48E0，接收機(jī)收到的混合波其幅度變化范圍為0.52E0至1.48E0，最大值與最小值差別為2.8倍。此種情況下接收機(jī)測(cè)試到的能量在不同的位置應(yīng)該有不同的強(qiáng)度。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況分析

測(cè)試場(chǎng)景為：輸出功率-10dBm，頻率1 878MHz，發(fā)射天線(xiàn)距離墻面3.7m。接收天線(xiàn)自距離墻面0.32m處，以2cm的步長(zhǎng)，垂直墻面往發(fā)射機(jī)方向移動(dòng)。接收機(jī)采集速率約為100Samples/s，單點(diǎn)采集時(shí)間為20s。采集結(jié)果具體如表1所示：

表1 垂直方向測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)的接收信號(hào)有明顯的周期性變化。由于場(chǎng)強(qiáng)峰值的位置與發(fā)射天線(xiàn)的位置、饋線(xiàn)的長(zhǎng)度等有關(guān)，難以準(zhǔn)確確定波峰的位置；同時(shí)，距離的測(cè)量也有一定的誤差。因此，所采樣的數(shù)值雖然呈周期性變化，但無(wú)法保證采樣點(diǎn)的最大值即為場(chǎng)強(qiáng)最大值。

由于已知其場(chǎng)強(qiáng)的變化為正弦波特征，因此可采用擬合的方式，利用測(cè)試結(jié)果來(lái)獲取其主要參數(shù)。擬合的變量為幅度、相移、幅度偏置?？梢岳肊xcel規(guī)劃求解的功能[8]，對(duì)3個(gè)變量進(jìn)行求解。代價(jià)函數(shù)設(shè)定為擬合值與測(cè)試值的差異。由于變量少、值域窄，也可以采用VBA編程進(jìn)行擬合。求解后可接受的場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)值擬合結(jié)果為：幅度5.1、相移206°、偏置10.2。

測(cè)試數(shù)據(jù)折算后擬合結(jié)果如圖3所示：

圖3 測(cè)試數(shù)據(jù)折算后擬合結(jié)果

由此推算出場(chǎng)強(qiáng)最大值與最小值差別為2.9倍，對(duì)應(yīng)接收電平（dBm）差異9.3dB。與理論推算極為接近。

5 多徑環(huán)境下室外信號(hào)分布

在平行于反射面的方向上，由于傳播路徑差變化緩慢，因此水平方向上接收?qǐng)鰪?qiáng)隨距離變化的周期較長(zhǎng)，變化幅度較小。隨著入射角的增大（入射方向與反射面法線(xiàn)的夾角），反射系數(shù)增大，由此電場(chǎng)的變化幅度也會(huì)增大。在一路反射波的情況下，距離差d為：

以墻面為坐標(biāo)軸，x0、y0為發(fā)射源位置，x1、y1為接收機(jī)位置。

發(fā)射源（-10dBm，f=1878MHz）距離墻面200m、1.4m時(shí)，墻體室外局部的電平變化（2m×2m區(qū)域，1cm分辨率）情況如圖4所示：

圖4 室外多徑環(huán)境下場(chǎng)強(qiáng)隨距離變化情況

仿真顯示，當(dāng)發(fā)射源距離墻面較遠(yuǎn)（200m）時(shí)，局部區(qū)域的反射點(diǎn)及入射角變化較小，沿墻面平行方向場(chǎng)強(qiáng)變化較??；當(dāng)發(fā)射源距離墻面較近（1.4m）時(shí)，水平方向變化較慢，0.5m的距離幾乎無(wú)變化。這2種情況下垂直墻面方向場(chǎng)強(qiáng)均變化劇烈，視頻段與墻面材質(zhì)不同，數(shù)厘米的距離有5dB至10dB的變化。

因此，在通過(guò)測(cè)試室內(nèi)外信號(hào)差值確定穿透損耗時(shí)，其測(cè)試結(jié)果主要取決于測(cè)試點(diǎn)離墻面的距離。以瓷磚墻面為例，測(cè)量值在直射波+2dB至直射波-6dB之間。若室外以單點(diǎn)或天線(xiàn)距墻面固定距離連續(xù)移動(dòng)方式測(cè)試時(shí)，室外場(chǎng)強(qiáng)由于多徑的影響下，不同位置的測(cè)量值差異較大，隨機(jī)誤差大。且其測(cè)量中值將低于實(shí)際值2dB，即穿透損耗偏小，小區(qū)覆蓋半徑偏大。

根據(jù)理論分析及實(shí)際測(cè)試顯示，外立面貼瓷磚的墻面反射了25%的能量；由于反射能量的影響，垂直方向1/4波長(zhǎng)（約4cm）的距離變化內(nèi)將引起近10dB的接收電平變化。玻璃材質(zhì)的墻面（介電常數(shù)約為4[9-10]）約反射11%的能量，實(shí)測(cè)其接收電平變化約為6dB。根據(jù)3GPP的EPA（Extended Pedestrian A model）模型，第二徑強(qiáng)度比主徑低-1dB[11]，即復(fù)雜情況下短距離內(nèi)快衰落將超過(guò)24dB。此時(shí)引起的測(cè)量誤差更大，多徑造成的接收電平變化不容忽視。

6 結(jié)論

由于多徑的影響，室外接收電平與到墻面的距離強(qiáng)相關(guān)，在10cm的尺度上電平變化為5dB至10dB。單點(diǎn)采集或沿墻面方向移動(dòng)采集時(shí)，隨機(jī)誤差較大，室外接收電平測(cè)量值低于實(shí)際值，會(huì)導(dǎo)致穿透損耗測(cè)試值偏小，其后果是室內(nèi)實(shí)際覆蓋效果劣于設(shè)計(jì)預(yù)期。因此，以對(duì)比室內(nèi)外電平差方式測(cè)量穿透損耗時(shí)，應(yīng)根據(jù)所測(cè)試的頻段、信號(hào)源的位置，在室外距墻面不同距離的多個(gè)位置或以縱向小范圍移動(dòng)的方式采集足夠多的樣本進(jìn)行計(jì)算來(lái)減少多徑的影響?；蛘卟徊捎脤?duì)比室內(nèi)外電平差的方式，而是選取室外為自由空間傳播環(huán)境，通過(guò)修正傳播距離，直接計(jì)算穿透損耗的方法來(lái)獲取更準(zhǔn)確的結(jié)果。

[1] 中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng). 中國(guó)移動(dòng)基站總數(shù)年底將達(dá)180萬(wàn)個(gè)[EB/OL]. (2014-06-26). http://www.cnii.com.cn/ wireless/2014-06/26/content_1388371.htm.

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[11] 3GPP TS 36.101 V9.9.0. User Equipment (UE) radio transmission and reception[S]. 2011.★

李建中：工程師，畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任職于廣州杰賽科技股份有限公司，從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化工作，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在移動(dòng)通信規(guī)劃優(yōu)化中的應(yīng)用。

葛慧明：學(xué)士，現(xiàn)任中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部副總經(jīng)理，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、天線(xiàn)及信號(hào)干擾。

Impact of Multipath on Indoor and Outdoor Penetration Loss Test

LI Jian-zhong1, GE Hui-ming2
(1. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China; 2. China United Network Communications Co., Ltd., Guangdong Branch, Guangzhou 510627, china)

Based on radio wave propagation mechanism, the impact of multipath on indoor and outdoor penetration loss test was analyzed in this paper. Test environment was established and proposal on penetration loss test method was presented.

multipath refl ected wave envelope standing wave penetration loss

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.12.007

TN929.5

A

1006-1010(2015)12-0033-04

李建中,葛慧明. 多徑對(duì)室內(nèi)外穿透損耗測(cè)試的影響[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(12): 33-36.

2015-04-07

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn