摘  要： 超寬帶信號傳播特性是超寬帶信道理論的重要組成部分。基于時域射線跟蹤方法對有金屬家具的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶信號傳播特性進(jìn)行了研究，全面考慮了包括直射、反射、繞射和透射的多徑傳播機(jī)制，仿真獲得了接收功率、均方根時延擴(kuò)展等傳播特性。仿真結(jié)果表明：（1）金屬家具的存在使得接收功率和均方根時延擴(kuò)展普遍降低；（2）在非視距傳播中高次反射與繞射的作用明顯，不可忽略。仿真結(jié)果可以為室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞： 時域射線跟蹤方法；超寬帶信號；金屬家具

0 引言

　　近年來，超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)短距離、高速率無線通信的一種解決方案，已成為室內(nèi)短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一，有著巨大的商業(yè)前景。與傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)不同的是，超寬帶系統(tǒng)具有高帶寬、大容量、低功耗、高分辨率等特點(diǎn)，在室內(nèi)、近距離、高速率以及能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)等場景下頗具吸引力[1]。

　　目前已有不少學(xué)者基于時域射線方法對室內(nèi)環(huán)境超寬帶信號的傳播特性進(jìn)行了研究。任晶晶等人[2]考慮了UWB信號的多徑效應(yīng)、障礙物遮擋效應(yīng)和穿墻效應(yīng)，建立一種時域射線模型有效地預(yù)測和分析了室內(nèi)大尺度環(huán)境下UWB信號的傳播情況。汪嘉文等人[3]分析了UWB信號的透射特性，對比了不同透射次數(shù)下功率延遲的分布情況，發(fā)現(xiàn)透射會影響接收機(jī)的功率峰值大小以及峰值時間。曹京等人[4]比較了室內(nèi)環(huán)境中垂直極化波和水平極化波在繞射影響下的功率延遲分布情況，結(jié)果表明，在考慮繞射時的垂直極化波功率延遲分布更為精確。黃強(qiáng)等人[5]通過理論計(jì)算，推導(dǎo)出了在電磁波垂直入射墻體的情況下，透射系數(shù)和反射系數(shù)的大小，并在此基礎(chǔ)上對墻體進(jìn)行建模，給出了信號在穿墻過程中經(jīng)歷的時間延遲、幅度衰減、波形失真情況。

　　綜上所述，已知文獻(xiàn)通常只側(cè)重考慮了直射、反射、繞射和透射等多徑傳播中的部分傳播機(jī)制，并且所建模的環(huán)境比較簡單，不能全面反映出超寬帶信號的傳播特性。基于以上研究現(xiàn)狀，本文基于時域射線跟蹤方法進(jìn)行建模仿真，全面考慮了上述4種傳播機(jī)制，研究了在有金屬家具的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶信號傳播特性，可以為室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境UWB通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更為精確的理論依據(jù)。

1 時域射線跟蹤方法

　　時域射線跟蹤方法通過建模跟蹤到不同射線路徑，求得時域內(nèi)的反射、透射以及繞射系數(shù)，得到每條路徑的沖激響應(yīng)，將之與發(fā)射信號進(jìn)行卷積運(yùn)算即可得到總的沖激響應(yīng)，可以分析信道的多種參數(shù)，如多徑時延、接收信號波形以及幅度大小等傳播特性。

　　1.1 時域反射系數(shù)

　　當(dāng)射線在傳播過程中遇到墻面等障礙物時會發(fā)生反射，反射射線可以根據(jù)鏡像法確定其方向矢量，反射場可以表示為：

　　其中，，括號前“+”表示垂直極化方式，“-”表示水平極化方式，下文也沿用這種表示方式。

　　1.2 時域透射系數(shù)

　　信號在穿透墻體等介質(zhì)板時，不僅會在介質(zhì)板的兩個表面發(fā)生折射現(xiàn)象，而且會在介質(zhì)板內(nèi)部產(chǎn)生損耗。透射場可以表示為：

　　第二部分是介質(zhì)板內(nèi)部的傳播損耗系數(shù)pl（t），其表達(dá)式為：

　　將第一部分與第二部分進(jìn)行時域卷積，即得到了時域透射系數(shù)。

　　1.3 時域繞射系數(shù)

　　繞射場可以表示為：

　　其中，d+（t）（i=1，2，3，4）的計(jì)算方法如下：

2 仿真結(jié)果與分析

　　2.1仿真環(huán)境

　　如圖1所示，仿真建筑的長為15 m、寬為11 m、高為2.5 m，建筑的墻面和地板都是水泥材質(zhì)，天花板是石膏材質(zhì)，房間的每一扇門都是木質(zhì)的，金屬家具放置在房間2、房間3以及餐廳的靠墻一側(cè)，各材料的電參數(shù)如表1所示。將發(fā)射天線放置在客廳靠墻一側(cè)，接收天線從房間2一直移動至餐廳中，收發(fā)天線高度為0.5 m，從而可以研究視距范圍和非視距范圍內(nèi)超寬帶信號的傳播情況。發(fā)射功率為20 dBm，天線類型均為垂直極化全向天線。發(fā)射信號為高斯二階導(dǎo)數(shù)波形，其表達(dá)式為：

　　其中，Ep是脈沖能量，τ=0.11 ns，Tc=0.5 ns。

　　2.2 結(jié)果與討論

　　金屬家具對接收功率的影響如圖2所示，可以看出，金屬家具的存在會導(dǎo)致接收功率波動-5.27~14.33 dBm。這是因?yàn)樾盘枱o法穿透金屬家具，只能通過多次反射或者繞射的方式到達(dá)接收點(diǎn)，很大程度上限制了超寬帶信號良好的穿透能力，從而導(dǎo)致在放置金屬家具后整體的接收功率有所下降。

　　圖3比較了有無金屬家具存在的情況下，不同反射次數(shù)對接收功率的影響。從中可以看出，不存在金屬家具時，增加計(jì)算的反射次數(shù)雖然使得到達(dá)接收機(jī)的所有射線中反射路徑增多，但是并沒有使接收功率變大；而在加入金屬后，增加計(jì)算時的反射次數(shù)使得接收功率變化明顯。房間中有金屬家具時多次反射路徑占主導(dǎo)地位，為了增大接收機(jī)接收到的能量，提高計(jì)算的反射次數(shù)效果明顯。

　　圖4比較了有無金屬家具存在的情況下，不同繞射次數(shù)對接收功率的影響。從中可以看出，不存在金屬家具時，繞射對接收功率的影響幾乎可以不計(jì)，但是加入金屬家具后，特別是在非視距傳播中，考慮繞射后的接收功率比不考慮繞射的功率平均提高了4.15 dB。由此可見，在有金屬家具的房間中，引入繞射路徑可以大大提高接收機(jī)的功率。

　　圖5比較了有無金屬家具存在的情況下，不同透射次數(shù)對接收功率的影響。當(dāng)不存在金屬家具時，僅考慮2次透射得到的接收功率較低，考慮3次和4次透射得到的接收功率比較接近。但是在加入金屬家具后，情況明顯不同。在視距傳播中，接收功率有起伏，但是差距不大；而在非視距中，接收功率值并沒有隨著透射次數(shù)的增加而逐漸增大，反而在考慮4次透射后有所下降，金屬家具的存在使得房間中的透射路徑變得更加復(fù)雜。綜合以上的分析，在對有金屬家具的復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行仿真時，考慮到射線跟蹤的計(jì)算效率與準(zhǔn)確度，需將仿真參數(shù)設(shè)置為5次反射、1次繞射、3次透射。

　　均方根時延擴(kuò)展根據(jù)多徑信號的功率時延分布，對其取二階矩計(jì)算得到，它反映了信號多徑擴(kuò)散的程度。從圖6可以看出，當(dāng)存在金屬家具時，時延擴(kuò)展在6.3~22.1 ns之間；不存在金屬家具時，時延擴(kuò)展在11.5~30.3 ns之間。由于金屬家具的影響，使得接收信號的時延擴(kuò)展下降，這一點(diǎn)在非視距范圍內(nèi)尤為顯著，下降的最大幅度為15.8 ns。如果沒有金屬家具的阻擋，在非視距范圍內(nèi)往往最先到達(dá)接收機(jī)的是穿過墻體的透射信號，隨后才是多次反射和繞射信號，必然會導(dǎo)致功率時延分布在較寬的時間域中；而在視距范圍內(nèi)，最先到達(dá)的總是直射信號，因而金屬家具對時延擴(kuò)展的影響較小。

3結(jié)論

　　本文基于時域射線跟蹤方法研究了有金屬家具的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中超寬帶信號傳播特性。研究結(jié)果表明，金屬家具的存在使得接收功率普遍降低，因?yàn)樾盘枱o法在金屬體中發(fā)生透射作用，大大抑制了超寬帶信號良好的穿透性能，此時若增加計(jì)算反射的次數(shù)或者考慮其影響，可以使接收功率得到明顯提高；金屬家具的存在還使得均方根時延擴(kuò)展降低，這一點(diǎn)在非視距傳播中尤為顯著。研究結(jié)果為超寬帶信號在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，有利于調(diào)制解調(diào)技術(shù)、各種抗衰落技術(shù)等無線通信技術(shù)的研究和開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉偉榮，何云.物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

　　[2] 任晶晶，馮荻，陳衛(wèi)東.基于時域射線法的IR-UWB信號穿墻傳播建模與分析[J].微波學(xué)報，2012，28（2）：9-15.

　　[3] 汪嘉文，宋丹，施秦健，等.室內(nèi)環(huán)境下超寬帶信號透射特性仿真與分析[J].中國新通信，2013（21）：115-116.

　　[4] 劉蕪健，曹京，張敏勝，等.基于TD-UTD的室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境超寬帶信號傳播特性研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報，2013，33（4）：25-28.

　　[5] 黃強(qiáng)，施展，劉其康.超寬帶電磁波的穿墻傳播特性研究[J].信息技術(shù)，2014（9）：167-172.