室內辦公室環境60 GHz頻段毫米波接收功率仿真和分析*

戚星宇， 劉芫健， 李雙德

(南京郵電大學 電子科學與工程學院,江蘇 南京 210003)

室內辦公室環境60 GHz頻段毫米波接收功率仿真和分析*

戚星宇， 劉芫健， 李雙德

(南京郵電大學 電子科學與工程學院,江蘇 南京 210003)

基于入射及反彈射線法對典型室內辦公室環境進行仿真，研究了60 GHz頻段的毫米波的傳播特性并對數據進行處理和分析，得出不同位置的發射天線對應的路徑增益和接收功率，計算出不同距離的發射機和接收機對應的接收功率，為實際室內環境發射天線位置的設定提供理論依據。

毫米波;室內辦公室環境;接收功率

0 引言

隨著無線通信技術的不斷發展，各波段頻譜越來越緊張，毫米波由于其頻帶寬的特點變得越來越受歡迎。在室內環境中，毫米波的傳播可能受到室內家具、隔板和墻的影響而產生嚴重的衰減。而目前由于人們的大多數時間都處在辦公室、實驗室等室內環境，因此這類室內環境對信號傳播的要求更高。國內外學者對這類環境做了大量測量分析工作。MALTSEV A等人[1-2]通過在一個復雜的辦公室環境中進行毫米波傳播和測量工作，證實60 GHz的室內傳播具有準光學性質，大部分發射能量由沿LOS路徑的一次二次的反射信號路徑攜帶。JACOB M[3]提出了一種基于有桌椅家具環境的會議室室內環境的帶寬頻率在67 GHz和110 GHz之間的無線信道分析的測量。測量結果顯示，視距環境的路徑損耗指數取決于使用頻率和天線種類的不同，變化范圍為1.2～1.9。

目前有兩種可用于研究毫米波傳播力特性的模型：經驗模型和確定性模型[4]。經驗模型是基于實際測量的方法，這種方法雖然簡單但是成本高且對測量儀器的精度要求較高，所以在研究無線信道方面有一定局限性。確定性模型遵從電磁波傳播的物理理論，主要有兩種方法: 射線追蹤方法和時域有限差分方法。射線追蹤方法主要有鏡像法、最小光程法、測試射線法、入射及反彈射線法(Shooting and Bouncing Ray,簡稱SBR)、確定性射線管法和入射及反彈射線法/鏡像法(Shooting and Bouncing Ray Tracing/Image,SBR/IM)。鏡像法[5-6]是最簡單的射線跟蹤方法，不需要相交測試，效率高，一般用于簡單結構環境，SBR可以用于復雜環境的電波傳播。本文就是基于SBR法來仿真分析毫米波在室內辦公環境的傳播特性。

仿真是以射線追蹤方法為理論基礎借助Wireless Insite仿真軟件對文獻的室內辦公模型進行的，得出不同位置的接收功率(RP)并通過數據分析得出不同位置發射機傳播效果的差異。

1 仿真環境和正確性驗證

1.1 理論基礎

仿真所述SBR法是對場強相對準確的估計，是處理復雜室內環境的可用方法。其中通過直射和地面反射所接收到的接收功率RP由式(1)給出：

(1)

其中，λ是波長，k是波數,d1為直接路徑的距離，d2為地面反射路徑的距離，αr和αt為天線函數R(θ)表面反射的反射系數，TP是發射功率。使用式(2)轉換成路徑損耗：

(2)

圖2 參考文獻[8]中前6個發射機的PG散點圖

其中，TP是發送功率，而RP(d)是接收功率，d為發射機與接收點的距離。它然后被轉換成的路徑增益(PG)值[7]。在單一樓層中，這種模型傳播的損耗將被表示為：

PLtotal(dB)=20log10(f)+Nlog10(d)+Lf(n)-28

(3)

其中，N是距離功率損耗系數，f是頻率(MHz)，d是發射機與接收機之間的距離(m)，Lf是地板穿透損耗因子(dB)，而n是發射機與接收機(n≥1)之間的樓層數。

1.2 仿真環境介紹

本文參考了RAO T R[8]的室內典型辦公室環境，辦公室環境平面圖如圖1所示。具體參數如表1和表2所示。

表1 仿真環境參數材料參數

表2 材料參數

1.3 路徑增益的數據結果分析

圖2和圖3分別是參考文獻[8]和仿真所得的PG散點圖。

對比圖2和圖3可以看出，兩個結果基本一致。根據圖3的發射機1～發射機6的散點圖可以看出，處于辦公室靠中間位置的發射機1、發射機2和發射機3的散點圖分布優于其他位置。發射機1的PG集中在-70 dB～-90 dB之間，發射機2和發射機3與發射機1基本類似。而發射機6由于在角落并且有大量隔板阻擋，因此有大量的接收點PG小于-90 dB，甚至小于-100 dB。

產生誤差的可能原因是：(1)仿真材質的介質電參數的差別；(2)發射機和接收天線的位置的誤差。

1.4 接收功率的結果分析

圖1 辦公室平面圖

將室內的接收點數量增加到約4 320個。 圖4是來自發射機1的RP的三維圖，可以看出發射機1處在中心位置對各個點的接收情況都較為良好，基本沒有明顯的衰減趨勢，大部分接收點的RP都在40 dBm～50 dBm之間，所有點RP的平均值為-40.21 dBm，在與發射機1距離d=8.49 m處的接收點取到RP的最大值為-32.59 dBm，類似地，在d=6.37 m處取到RP的最小值為-70.14 dBm。

圖3 仿真所得前6個位置發射機的PG散點圖

圖4 發射機1對應的接收功率

圖5 發射機6對應的接收功率

圖5是發射機6所對應的RP的三維圖。發射機6所處位置偏角落且周圍有隔板阻礙，毫米波傳播過程中產生更多的衰減，所以隨著發射機與接收機距離的增大RP出現明顯的衰減，且峰值和谷值相差較大。對9個位置的發射機對應的RP的平均值對比可以發現，發射機6平均RP最低，為-45.12 dBm，也就是說發射機6發出的信號傳播產生的PG最大。

2 結論

通過仿真和分析可以看出SBR法在室內電波傳播預測中的可靠性和有效性。對于室內辦公環境中不同位置發射機，越靠近中心的傳播效果越好，發射機1因為在辦公室模型的最中間，所以傳播效果最好，無論是平均PG還是平均RP的結果都好于發射機2和發射機3。其他位置類似。同時還對發射機6出現的非視距傳播，模擬了現實辦公環境的一些電波傳播信號偏弱的地方。以上的仿真結果對現實室內環境的發射機的位置設定提供了一點參考。

[1] 楊大成. 移動傳播環境[M]. 北京：機械出版社,2003.

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[3] JACOB M, KURNER T. Radio channel characteristics for broadband WLAN/WPAN applications between 67 and 110 GHz[C]. IEEE EuCAP 2009， 3rd European Conference on Antennas and Propagation, 2009:2663-2667.

[4] MALTSEV A, MASLENNIKOV R, SEVASTYANOV A, et al. Characteristics of indoor millimeter-wave channel at 60 GHz in application to perspective WLAN system[C]. IEEE 2010 Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation, 2010:1-5.

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[7] RAPPAPORT T S. Wireless communications: principles and practice[M]. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002.

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Simulation and analysis of millimeter-wave received power of indoor office environment

Qi Xingyu， Liu Yuanjian， Li Shuangde

(College of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

In this paper, the method of SBR / IM (Shooting and Bounding Ray Tracing/Image) is used to simulate the indoor office environment, which is aimed at studying the millimeter-wave propagation characteristics. Data is processed and analyzed, which is used to get the corresponding path gain and receive power of different transmit antennas in different positions. The received power of different distances between transmitters and receivers are also calculated. All of the results could provide a theoretical basis for setting the location of transmitter in real indoor environment.

millimeter-wave; indoor office environment; received power

TN92

A

1674-7720(2016)02-0063-03

戚星宇， 劉芫健， 李雙德. 室內辦公室環境60 GHz頻段毫米波接收功率仿真和分析[J] .微型機與應用，2016,35(2)：63-65,72.

2015-08-26)

戚星宇(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：射線追蹤算法、信道建模等。E-mail：qixingyu9278@163.com。

劉芫健(1973-)，男，博士，教授,博士生導師，主要研究方向：計算電磁學、射線追蹤算法、電磁理論的數值計算等。

李雙德(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信道建模、超寬帶信道等。

*國家自然科學基金(61372045);教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20123223120003)