復雜環境下電波傳播損耗的測試與仿真

王滿喜，聶 皞，孫 武，王倡文

(1.中國人民解放軍63880部隊，河南洛陽 471003;2.中國人民解放軍61936部隊，海南海口 571100)

0 引言

在通信裝備的性能測試中，外場場地測試常常會由于網絡規模過大和飛行條件不具備等原因而不能正常進行，此時就需要把裝備移至實驗室內進行內場仿真測試。在內場仿真測試中，通信鏈路傳播損耗的模擬和計算是其重要內容，損耗模型的誤差則是影響通信裝備內場測試結果的重要因素。通常，為了盡量減小損耗模型的誤差，在測試前需要對所選定的外場測試點位之間進行實地測試，并利用實測數據來對損耗模型進行校正，但是，由于實地測試存在耗費高和不確定因素多等缺點，故實測校模并不是總能實現。近些年來，隨著電磁仿真技術的發展，確定性的電波傳播特性預測技術，特別是確定性電波傳播特性預測技術和軟件得到了迅速發展，這為內場仿真測試中所需的通信鏈路傳播損耗計算提供了一條高效準確的途徑，而基于射線追蹤算法的確定性電波傳播特性預測方法是其中應用最為廣泛的。

1 射線追蹤算法

電磁波在山地、平原、建筑物、植被和河流等不規則地形地貌環境中傳播時會出現反射、繞射、透射和散射等不同的傳播機理，這些機理的發生具有很大的隨機性，因此要準確預測復雜環境下的電波傳播特性是相當困難的。但是，為了滿足工程技術需要，人們還是建立了很多復雜環境下的電波傳播預測模型。其中，確定性電波傳播預測模型是在嚴格的電磁理論基礎上從麥克斯韋方程組導出的公式，根據電波傳播的初始條件和邊界條件，求解這些公式就可得到路徑上的電波傳播特性。在確定性電波傳播預測模型中，基于射線追蹤算法的預測模型是目前應用最為廣泛的。它是基于一致性繞射理論(UTD)和幾何繞射理論(GTD)，采用射線跟蹤方法(SBR)建立的傳播預測模型，使用了一些計算機圖形學的方法加速模型的建立和處理，在2D或3D的環境中，根據電波散射特性以及跟物體相關的反射、透射系數，利用幾何光學、UTD或GTD理論來計算電場和磁場，通過將電場與具體的天線模式相結合來計算路徑損耗，到達時間以及到達角度等。

基于射線追蹤算法的電波傳播預測方法通常把電波傳播路徑分為3類:反射波、透射波和繞射波。電波按反射波和透射波傳播的情形如圖1所示，圖中為發射機Tx的一條射線經過3個物體反射和透射后的電波傳播情況;電波按繞射波傳播的情形如圖2所示，圖中為發射機和接收機高于建筑物頂部時發生的電波繞射和直射傳播的情況。

圖1 反射波和透射波傳播

圖2 繞射波傳播

在算法實現中，由于計算資源有限，通常會設定可計算的反射、透射和繞射路徑數的最大值。此外，由于射線跟蹤方法是高頻分析技術，也就是說，如果障礙物的尺寸遠大于波長，并且觀察點和物體之間的距離等于波長的許多倍，此技術才可以預測出準確的結果，因此射線追蹤算法通常還規定了最低通信頻率，比如100 MHz以上。目前，射線追蹤算法已經趨于成熟，市面上已有多款商業的基于射線追蹤算法電波傳播預測模型軟件，如法國Siradel公司開發的Volcano、德國AWE公司開發的WinProp和美國REMCOM公司開發的Wireless InSite等。

不過，射線追蹤算法模型也有其自身的缺點。首先，它需要高精度的地圖和準確的站點參數，也需要更多的計算時間(往往數百倍于統計模型)。因此從經濟和人力代價考慮，射線追蹤模型并非適用于所有的場景，而較適合于在復雜的密集城區或室內場景中使用。其次，由于射線追蹤算法對所有建筑物、墻壁和屋頂等散射體無線電波傳播特性進行數字化，其中必然存在量化誤差，故其計算結果需要實際測量數據進行驗證。

2 復雜環境下的電波傳播損耗仿真

為了檢驗基于射線追蹤算法的電波傳播損耗預測模型對復雜環境下通信鏈路傳播損耗的預測結果，該文對超短波電臺在不同地理環境條件下的通信鏈路傳播損耗進行了實地測試;同時，在實驗室中，利用Wireless InSite軟件針對該外場測試場景進行了同步仿真。在此，重點介紹軟件仿真過程、結果對比分析和結論。

2.1 仿真場景設置

2.1.1 載入地圖

Wireless Insite軟件支持DTED地形數據作為仿真中地形數據來源，同時還支持將jpg圖片載入以便為仿真模型中地物建立標識。仿真中，以某通信鏈路作為仿真目標，并將獲取的測試場區的jpg圖片和DTED地形數據載入Wireless Insite，發射端A點位和接收端B點位的通信距離為4809.7 m。

2.1.2 地物和通信設備建模

地物建模主要指對城市建筑物和植被的建模。測試中，對測試區域內的建筑進行了實地調研，結果表明測試區域內的建筑物多為村莊內的2層民房，高約7 m，另外還不少部分的位于路邊、田邊的散亂單層房屋。民屋的墻壁和房頂基本上均為磚瓦材質，高度在5～8 m之間，屋頂為楔形。在建模中，由于房屋大多較為集中，而且地圖分辨率有限，不能準確地分辨出單棟房屋，因此采用了對建筑物進行簡化的建模方法，將村莊內的民房建模為高度6 m的長方體，其他散亂房屋建模為高5 m的長方體，房屋的材質為磚，其物理特性描述為:厚度0.125 m，表面光滑，等效導電率0.001 s/m，相對介電常數為4.44。

測試區域內的植被主要分為2種:大面積覆蓋的麥田和路邊稀疏的白楊樹。其中麥苗的高度約30 cm，尚未成熟;白楊樹高度在12～18 m之間，樹葉尚未長大，樹冠并不茂密，且沿公路分布。在建模中，把麥田設置為地形數據的覆蓋物，其特性參數描述為:覆蓋厚度0.3 m，表面略微粗糙，對垂直極化和水平極化波的反射系數均為0.5。樹林以小面積林帶的形式建模，高度為15 m，其特性參數描述為:樹葉寬度5 cm，厚度5 mm，樹葉密度稀疏，樹枝半徑18 cm，樹枝長度0.5 m，樹枝的相對介電常數為20，等效電導率為0.39西門子/m，樹葉的相對介電常數為26。

通信設備的建模主要是發射和接收天線以及信號波形的建模。仿真中，發射信號為頻率不同的單載波信號，發射機采用的是標準的雙極天線，接收機采用理想的全向天線。

與真實測試情況不同的是，由于仿真中采用的均為確定性的模型，然而考慮到真實測試中的隨機現象，在接收點位附近放置了多個接收機，如圖3所示，接收機分布在接收點位為圓心、半徑為10 m的環狀平面上，接收機之間間距為5 m，共32個接收機，將所有接收機的平均值作為最終的仿真結果。

圖3 環狀分布的接收機

加入了發射機、接收機、村莊和樹林等地物后的通信場景三維布局圖如圖4所示。

圖4 通信場區的三維圖

2.2 仿真結果

對測試點位及周邊地形地物進行建模后，采用Wireless Insite軟件的full 3D模型進行了仿真，仿真中最大反射路徑數目為3條，最大透射路徑數目為2條，最大繞射路徑數目為2條，發射機天線高度固定為10 m，接收機天線高度為8 m和12 m。在不同頻率、不同接收天線高度時仿真得到的傳播損耗均值、損耗范圍和損耗標準差如表1所示。

表1 路徑傳播損耗測試表

3 外場實地測試

在外場實地測試中，為了盡量減少誤差，所選擇的A—B點位之間的通信鏈路是沿著公路的，且地勢較為平緩;發射機由信號源加功放組合而成，發射天線采用的是籠形天線，天線架高8 m;收端天線架高分別取8 m和12 m，分別采用馬刀天線(裝備在電臺車上)和對數周期天線(裝備在電波監測車上)進行重復測量，以便比對。數據采集以對每個通信距離和天線高度的接收信號功率測量值為主，并通過小范圍移動天線位置來重復試驗，剔除一些數據跳變點以及明顯偏離趨勢的測試電平值，將幾次測量結果求均值作為接收點的電平值，以減弱隨機誤差的影響。數據處理過程中，采用每個設備電纜的實測數據，測試采用的鞭天線和馬刀天線采用均值法的測試結果，籠形天線采用比對法的測試結果，對數周期天線和偶極子天線采用資料給出的增益值。

測試中發現在頻率低端的接收信號功率很穩，移車后變化也不大。使用馬刀天線，天線架高8 m，在頻率225.75 MHz，移車前后接收信號電平則相差了14 dB之多，315.75 MHz移車后幾乎接收不到信號。使用對數周期天線，在頻率最高端有3個信號不穩定，難以讀取數據。處理后的傳播損耗測試結果表2所示，表中8 m和12 m表示接收機天線架高。

表2 通信鏈路傳播損耗

4 結果對比與分析

測試結果對比中以接收點位為圓心、半徑為10 m的環狀平面上間距為5 m的32個接收機得到的損耗結果的均值作為Wireless Insite軟件仿真的最終結果，并將此次結果與外場實測結果以及理論自由空間計算結果進行對比分析，對比結果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 接收天線高度為8 m時的損耗對比

圖6 接收天線高度為12 m時的損耗對比

圖7 實測損耗和仿真損耗之差

從上面的比對結果可以看出:

①接收機天線從8 m升高到12 m，傳播損耗平均降低2 dB;

②隨著頻率的增加，傳播損耗總體趨勢為增加，但在300 MHz附近出現拐點;

③由于地形、地物的影響，接收路徑損耗相比自由空間損耗平均高19 dB(接收天線高12 m)和22 dB(接收天線高8 m);

④不同接收機位置的略微變動都將對傳播損耗產生影響，在半徑10 m范圍內損耗跨度的平均范圍為7.9 dB(接收天線高12 m)和9.4 dB(接收天線高8 m)，平均標準偏差為3.1 dB(接收天線高12 m)和2.4 dB(接收天線高8 m)，這是由不同接收機位置接收到建筑物的反射路徑差異造成的;

⑤仿真損耗和實測損耗隨頻率和天線高度的變化趨勢一致，二者之間的誤差在10 dB以內，平均標準偏差為4.5 dB，這基本滿足了內場仿真測試對環境特性模擬真實性的需要，因此采用基于射線追蹤算法的確定性電波傳播損耗預測方法對復雜環境下通信鏈路傳播損耗計算是可行的;

⑥誤差主要來源于實測誤差、對環境數字化過程中的量化誤差以及算法對射線的取舍誤差，在實際應用中要減小誤差，必須對環境進行更精確的量化描述。

5 結束語

上述通過外場實地測試和實驗室軟件仿真2種手段，對復雜環境下某典型通信鏈路的傳播損耗進行了計算，測試和仿真結果表明了采用基于射線追蹤算法的確定性電波傳播損耗預測方法對復雜環境下通信鏈路傳播損耗計算的可行性。這為通信裝備仿真測試中所需的通信鏈路傳播損耗預測與估計提供了一條高效準確的方法，該方法的應用將大大提高通信裝備內場仿真測試的準確度和可信度。 ■

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