室外3.5 GHz电波传播特性研究

摘 要:由于目前对下一代移动通信的备选频段――室外3.5 GHz电波传播特性的研究还很少,基于此,应用射线跟踪法对室外3.5 GHz频段的电波传播特性进行了研究。介绍了城市微小区中的电波传播机制、射线跟踪法的基本原理和几种常用的射线跟踪方法,并在3.5 GHz对街道拐角绕射、发射天线的高度对传播特性的影响以及3.5 GHz的功率时延特性进行了研究,得出了路径损耗与建筑物的分布及街道宽度有关以及对发射天线高度不是很敏感的结论。

关键词:射线跟踪法;电波传播模型;镜像源;微小区

中图分类号:TN914 文献标识码:A

文章编号: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

蜂窝通信的商业化成功,引起了无线工程师研究城市、郊区和室内环境中电波传播特性的极大兴趣。随着移动通信进一步爆炸式的发展,准确预测无线电波的传播行为,对系统设计来说变得愈加重要。由于现场测量需要耗费大量的人力、物力和财力,建立电波传播模型就成了一种合适、便捷和低成本的选择。一般来说,信道模型需要预测路径损耗,并能够描述传播信道的脉冲响应。路径损耗特性与基站设置紧密相关,因为它能够告诉人们发射机需要发射多大功率才能覆盖一个给定区域;另一方面,信道特性影响到接收信号的真实性以及接收机接收到波形的性质。

电波传播模型大致可以分为两类:统计模型和确定性模型。随着蜂窝半径的进一步缩小,在工作环境(典型的微蜂窝小区电波传播环境处在城市建筑物的“峡谷”中)方面,传统的统计模型失去了应用的前提,而基于几何光学和一致性绕射理论的射线跟踪法能根据微小区的环境特征,给出微小区电波预测的确定性模型。

1 城市微小区的电波传播机制

如前所述,典型的微蜂窝小区电波传播环境处在城市建筑物的“峡谷”中,在这些微小区中由于基站一般较低,建筑物形状、材料及街道宽度、走向等具体环境对场强分布影响很大,这使得城市微小区电波传播机制变得十分复杂,但总体而言可以用电波的直射、反射、散射、绕射和透射等加以解释。微区电波传播机制如图1所示。当无线电磁波遇到比其波长大得多的物体时,发生反射(R),反射发生在地面、墙面和家具表面,在反射发生的同时,电磁波会有部分的折射;如果电波传播路径包含了某些尺寸可以与波长相比的物体(街道上的电杆、树木、交通标记等)时会使电波发生散射(S),由于微小区中电波散射对信号的路径损耗并不起主导作用,所以一般不考虑树木或其他散射体的影响;当发射机和接收机之间的无线传输被表面锐利的物体阻挡时,发生绕射(D),此时二次波分布于整个空间甚至绕射到物体的背面。根据Huygen的理论,即使收发机之间不存在直视通路,阻碍物仍可以作为二次源加以辐射[1]。

图1 微小区电波传播机制

2 射线跟踪法的原理

2.1 射线跟踪法的基本思想

射线跟踪法的基本思想[2]是:首先确定一个发射源的位置,根据3D地图上的建筑物特征和分布找出发射源到每个接收位置射线的所有传播路径,然后根据菲涅耳等式和几何绕射理论/一致性绕射理论等确定反射和绕射损耗等,这样相应得到每条路径到每个接收位置的场强,将同一接收位置处到达的所有路径的场强做相干叠加,得到每一接收位置处总的接收场强。

2.2 反射和绕射射线的计算[2,3]

射线每次改变方向后,其各方向的场分量都要改变。一般来说反射系数R和绕射系数D都是3×3的并矢系数矩阵,但如果选择射线基坐标系,就可使R和D简化为2×2的并矢系数矩阵。在高频时电磁波是局部平面波,没有在射线方向的场分量,在射线基坐标系中射线的场只有沿除射线轴外其他两个正交坐标轴上的分量。假设在反射点或绕射点Q入射线的场强是Ei(Q),那么在与Q点距离为s处场点P的反射场或绕射场为:

Er,d(P)=Ei(Q)•H(Q,s)•e-jks

(1)

其中:k=2π/λ是波数。

H(Q,s)=R•AS(s)

D•AD(s)

(2)

其中:AS(s)和AD(s)分别是反射波和绕射波的扩散因子:

AS(s)=s′s+s′

(3)

AD(s)=s′s(s+s′)

(4)

式中:s′是源点到Q的距离,对于射线的多次反射和绕射,可以连续应用上面的公式,这样就能得到接收点处的最终场强。

2.3 几种常用的射线跟踪法

2.3.1 镜像法[4]

镜像法建立在反射定律、折射定律和解析几何理论的基础上,它关于所有的反射面产生镜像源,而这些镜像源又作为随后反射点的二次源。假设空间中有N个反射面,那么就会产生源的N个一阶镜像,N(N-1)个二阶反射镜像源和N(N-1)(N-1)个三阶反射镜像源,依此类推。可想而之,如此下去所得的镜像源数目会大得惊人,进而给计算带来巨大的困难,示意图如图2所示。

图2 两镜面A,B间的源s形成的镜像

文献[5]提出了亮区的概念,文中假设建筑物无限高,并用向量来表示每个建筑物的墙面,如果某个向量的全部或部分落在一个被观察的镜像源的亮区中,那么该镜像源就会产生关于这个向量的高阶镜像源,否则不产生高阶镜像源,从而将那些对信号接收没有贡献的镜像源舍弃掉,大大减少了计算时间。图3和图4分别表示了由建筑物墙面造成的反射以及位于建筑物前的镜像源的亮区。

图3 建筑物墙面造成的反射

图4 位于建筑物前镜像源的亮区

镜像法具有较高的计算精度,但它只适用于简单的环境,在目前复杂的城市环境中,传统的镜像法显得无能为力。

2.3.2 强力射线跟踪法[4]

强力射线跟踪法适用于任何复杂环境中的射线跟踪。这种方法在各个方向发射射线,如果射线击中某物体表面,就会同时产生反射射线和折射射线,如果射线击中墙角,则产生一簇绕射线。同时引入恰当半径的接收球以准确接收射线。如果接收球的半径过大,就会有两条射线同时落入接收球,且同一射线会被计算两次;而如果接收球的半径太小,就可能没有射线落入接收球,有用射线就会被排除掉。对每一个接收点,考察位于该点附近且与其垂直距离为d的射线,并将收发点间的射线在地面上的投影路径拉直,其总长度为L,如果二维情况下d≥φL/2或三维情况下d≥φL/3,则认为射线没有被接收,相反就认为射线对信号接收有贡献。φ是两条发射射线间的夹角,如图5所示。

图5 二维射线跟踪情况的接收球

3 3.5 GHz频段实例及分析

在文献[1,3,6-8]研究成果的基础上,应用射线跟踪法对3.5 GHz频段室外的路径损耗特性进行了研究。

首先考虑街道拐角绕射的影响。文中考虑反射和绕射次数最多为两次,并考虑反射-绕射波、绕射-反射波、绕射-反射-反射波和反射-反射-绕射波,而认为绕射-反射-绕射波、反射-绕射-反射波、三次反射波和三次绕射波对接收信号没有贡献。

图6(a)中,发射天线在Tx处,高度为25 m,发射频率为3.5 GHz,发射功率为0 dBm;接收天线高度为1.5 m,天线的极化方向均为垂直极化。地面相对介电常数εr=15,电导率σ=7 S/m,墙面相对介电常数εr=3,电导率σ=0.005 S/m。

从图6(b)中可以看出,当移动台从街道AC转入到街道CD(非可视区)时,相较移动台直接通过街道CB(可视区)时信号出现了较大衰落,也即路径损耗增大,图中为40~60 dB,这与建筑物的分布、街道宽度有关[1]。

接下来讨论基站天线高度的影响。基站天线的高度是微蜂窝系统设计需要解决的重要参数,基站天线高度选择得好可以使小区有良好的信号覆盖,并可以防止对邻小区造成干扰[1]。在城市微小区系统中,从图7(b)中可以看出路径损耗特性对基站天线高度不是很敏感。

图6 仿真区域及其街道A-C-B和

A-C-D上的路径损耗

图7 仿真区域及不同基站天线

高度下的路径损耗特性

最后对3.5 GHz频段的功率时延特性进行初步研究,从图8可以看出,有25条多径射线到达接收天线,到达时间在0.75~1 μs之间。同时从图9中可以看出(此时基站天线的辐射功率是0 dBm),当移动台天线向存在可视路径的交叉路口移动时,接收到的信号功率增大,而当移动台天线离开交叉路口进入非可视区域时,接收信号功率也随着下降。可以看出有较多有效射线到达交叉路口。

图8 移动台天线位于图7(a)仿真区域中

C处时的功率时延谱

图9 移动台天线沿图7(a)仿真区域中

C-D移动时的功率时延谱

4 发展与展望

随着对下一代移动无线系统研究的深入,为了更有效地减少测试和组网的盲目性,建立适应性更强的电波传播预测模型成为一种趋势。相信随着射线跟踪技术的进一步发展,基于几何光学和一致性绕射理论的射线跟踪法必将对未来网络规划和设计起到举足轻重的作用。

参考文献

[1]卞国东,黄健.城市微小区电波传播预测[J].东南大学学报,1996,26(6A):14-19.

[2]王勇,李朝奎.三维地理环境下电磁波场强预测并行计算研究 [J].湖南科技大学学报:自然科学版,2008,23(2):84-87.

[3]李彤,娄媚,王豪行,等.利用射线跟踪法进行微蜂窝电波传播预测[J].通信学报,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]钟寿永.加速多镜像法对非规则城市环境电磁辐射的分析计算[D].成都:电子科技大学,2003.

[8]姚翠萍.基于加速多镜像法对城市微蜂窝小区电波传播的分析计算[D].成都:电子科技大学,2006.

[9]程勇,吴剑锋,曹伟.一种用于移动系统场强预测的准三维射线跟踪模型 [J].电波科学学报,2002,17(2):151-159.

作者简介 王志彬 男,1982年出生,河北人,硕士在读。电磁场与微波技术专业。

李国辉 男,1970年出生,湖南人,副教授。研究方向为微波技术与非线性理论。

张 娟 女,1983年出生,浙江人,硕士在读。电磁场与微波技术专业。

严 军 男,1969年出生,上海人,硕士生导师。研究方向为信号处理、无线通信。

王浩文 男,1974年出生,上海人,工程师。研究方向为信道测试及测试软件开发。