建筑內(nèi)無線信號傳播特性與損耗預(yù)測方法研究

林 喆

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110161）

0 引言

近年來，隨著智慧城市的不斷發(fā)展，人們對建筑的智能化水平要求越來越高，建筑信息模型技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能建筑領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。智能建筑是指使用數(shù)字技術(shù)將建筑中的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理相結(jié)合，為用戶提供一個高效、舒適、便利的人性化建筑環(huán)境，其主要方法是使用傳感器對建筑物理狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和匯總，并在云端對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和應(yīng)用。由于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且其內(nèi)部空間和設(shè)備設(shè)施經(jīng)常發(fā)生改變，使用無線信號網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)的有線信號網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前獲取傳感器數(shù)據(jù)的主要手段，這種方式能夠極大地降低布線成本，并滿足智能建筑不斷變化及升級改造的需求，還可以為數(shù)據(jù)的云端應(yīng)用提供一種有效的解決方案[1-5]。

在建筑內(nèi)部進(jìn)行無線信號傳輸主要面臨以下三個問題：首先，應(yīng)采用何種方式在建筑內(nèi)部進(jìn)行無線信號的近距離傳輸，以確保對分散在其內(nèi)部各處的傳感器進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集；其次，哪些因素會對無線信號在建筑內(nèi)部這一復(fù)雜場景下的傳輸造成損耗，如何進(jìn)行信號強度的評估與損耗的預(yù)測，以確保無線信號傳輸?shù)目煽啃?；最后，對于不同的建筑，采用何種方法能夠批量、快速地獲得無線信號損耗預(yù)測所需要的模型數(shù)據(jù)。針對上述問題，本文以所設(shè)計建筑能耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，在無線網(wǎng)絡(luò)信號自由空間和建筑內(nèi)部傳播特性分析的基礎(chǔ)上，通過對比四種建筑內(nèi)部無線信號傳播經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，利用通用BIM（Building Information Modeling，建筑信息化模型） 軟件的API功能，開發(fā)設(shè)計了一種建筑內(nèi)部無線信號損耗預(yù)測方法[6-7]。

1 建筑能耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

建筑能耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對建筑用戶室內(nèi)所安裝的水、電、熱量和燃?xì)獾饶芎膬x表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用頻率為433MHz的 ISM（Industrial Scientific Medical，工業(yè)、科研、醫(yī)療）頻段網(wǎng)絡(luò)在建筑內(nèi)部進(jìn)行近距離信號傳輸，大量的用戶儀表通過在RS485接口上所安裝的無線信號發(fā)射模塊構(gòu)成了該網(wǎng)絡(luò)中的采集節(jié)點，樓層內(nèi)少量的無線信號接收模塊作為該網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，負(fù)責(zé)對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并在本地協(xié)議解析后通過移動網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，使用能耗數(shù)據(jù)管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)和利用，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[8-9]。

圖1 建筑能耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

ISM頻段為國際通信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）定義的供工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)使用的頻段，在我國開放使用，使用該頻段中頻率較低的433MHz是因為低頻率無線信號具有較好的繞射特性，更適合在建筑內(nèi)多分隔場景中使用。雖然采用ISM無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有諸多優(yōu)點，但該頻段網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用背景為短距離、低功耗下的信號發(fā)送與接收，其信號發(fā)射功率小、覆蓋范圍有限。此外，在實際使用過程中由于建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜，面對布署大量采集和匯聚節(jié)點的情況，就需要批量地對采集節(jié)點的無線信號強度進(jìn)行分析與預(yù)測，使其達(dá)到信號強度需求。

2 自由空間無線信號傳播特性

無線信號在空間中的傳播路徑可以分為視距傳播（LOS，line-of-sight）和非視距傳播（NLOS，non-line-of-sight）兩種情況，兩種情況都會造成無線信號的損耗，導(dǎo)致其強度發(fā)生衰減。視距傳播是指無線信號發(fā)射端和接收端之間沒有任何障礙物遮擋，無線信號沿直線由發(fā)射端傳播至接收端，是一種單純由空間傳播介質(zhì)和發(fā)射功率散射對信號強度造成的損耗，與信號收發(fā)兩端的距離和信號的頻率有關(guān)。一般可以采用自由空間傳播模型來預(yù)測和估算視距傳播的信號損耗，其衰減量可以使用式（1）的Friis方程進(jìn)行計算：

式中，Pr為接收功率；Pt為發(fā)射功率；Gr為接收天線增益；Gt為發(fā)射天線增益；λ為無線信號的波長；d為收發(fā)端之間的距離；L為系統(tǒng)損耗系數(shù)，一般考慮傳輸線損耗、濾波損耗等情況。

當(dāng)發(fā)射端和接收端的增益、系統(tǒng)無損耗系數(shù)均為1時，代入λ=c/f（c=3×108m/s），則可將式（1）進(jìn)行變換到無線信號在自由空間內(nèi)傳播的路徑損耗PLFSL（dB） 為：

由式（2）可以看出，無線信號在建筑內(nèi)部的自由空間損耗與其傳播距離和頻率有關(guān)，而在預(yù)估ISM頻段的路徑衰減時，因節(jié)點無線信號頻率統(tǒng)一為433MHz，因此，其路徑損耗僅與無線信號的傳輸距離d相關(guān)，即：

由上述分析可以看出，自由空間傳播模型從無線信號本身物理特性上對其在傳播路徑上的損耗進(jìn)行了表達(dá)，雖然其實際應(yīng)用場景為建筑外部幾百米或幾千米傳播范圍，但在建筑內(nèi)部仍然可以采用距離作為參量預(yù)估其基本傳播損耗[10-13]。

3 建筑內(nèi)無線信號傳播特性

雖然無線信號在自由空間內(nèi)的損耗可以使用距離作為參量進(jìn)行預(yù)測，但在建筑內(nèi)部這一復(fù)雜場景下，能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的節(jié)點一般分散在相互獨立的房間內(nèi)，在使用過程中因墻壁、樓板、家具、樓內(nèi)設(shè)施等障礙物的阻隔使絕大多數(shù)無線信號的傳播方式為非視距傳播，并將會發(fā)生反射、繞射、散射、透射等傳播路徑的改變，進(jìn)而產(chǎn)生陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)及多普勒效應(yīng)等，導(dǎo)致信號衰減，不能簡單地使用上述曼哈頓距離進(jìn)行預(yù)測。在進(jìn)行建筑內(nèi)無線信號預(yù)測時，主要應(yīng)考慮分隔損耗、樓層損耗、功能場景損耗和多徑損耗等主要因素。

3.1 分隔損耗

建筑物內(nèi)部一般都有大量的封閉（如墻體）和半封閉（如家具、設(shè)備、設(shè)施）的分隔，當(dāng)無線信號經(jīng)過這些分隔時將會發(fā)生損耗，對應(yīng)不同材質(zhì)和類型造成的損耗也不同，如表1所示。

表1 典型分隔損耗值比較（815MHz/1300MHz/2GHz）

由上表可以看出，分隔損耗主要與分隔體材質(zhì)及其電氣特性有關(guān)，難以使用通用模型表示所有種類分隔體的損耗特性，通常是依據(jù)實驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)來完成對某種材料分隔體的分隔損耗估算，在無線信號經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭薪?jīng)常使用PAF（Partition Attenuation Factor） 分隔損耗或穿墻路徑損耗Lwi，并根據(jù)對應(yīng)分隔材料的種類和數(shù)量計算分隔損耗。

在建筑內(nèi)部無線信號損耗預(yù)測方法中，對于分隔損耗主要是采用“節(jié)點信號強度修正值”進(jìn)行描述，該值用于綜合表示內(nèi)部分隔、功能場景、多徑效應(yīng)和其他不確定因素等所帶來的信號傳播損耗。對于分隔損耗，系統(tǒng)的計算規(guī)則是首先通過軟件建立采集節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的歐式路徑，然后獲取路徑上所有分隔的種類和數(shù)量，最后通過加權(quán)計算得出分隔損耗分量值。

3.2 樓層損耗

在建筑內(nèi)部，當(dāng)無線信號的發(fā)射端和接收端處于不同樓層時，跨多樓層所造成的信號衰減稱為樓層損耗，用FAF（Floor Attenuation Factors）樓層衰減因子進(jìn)行表示。樓層損耗產(chǎn)生的原因較多：如建筑的基本結(jié)構(gòu)、功能環(huán)境、門窗數(shù)量等都會對其數(shù)值產(chǎn)生影響，圖2列舉了5個建筑的多樓層損耗值。圖中數(shù)據(jù)表明，樓層損耗存在著以下特點：不同建筑跨相同層數(shù)的樓層損耗不同；樓層損耗的值一般保持在10dB-45dB之間；首層損耗值高于其他樓層，隨著樓層的增加損耗逐漸減緩；根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，跨五層至六層后其樓層損耗保持不變。相對于分隔損耗，樓層損耗對無線信號的影響更為明顯，因此，在本信號損耗預(yù)測方法中，使用“跨層信號衰減修正值”進(jìn)行樓層損耗的預(yù)測。在使用BIM軟件進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)點損耗預(yù)測時，一般是以分樓層的形式完成節(jié)點布署的，在此過程中每個節(jié)點信息中已經(jīng)包含了所在樓層的信息，所以可使用樓層信息的差值作為依據(jù)對樓層損耗按照經(jīng)驗進(jìn)行估算，在后期系統(tǒng)使用過程中為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行測算也可以使用實地測量的方法得到更加準(zhǔn)確的樓層損耗。

圖2 樓層損耗值與跨越樓層對比

3.3 功能場景損耗

功能場景損耗是與建筑內(nèi)部的裝修裝飾、設(shè)備設(shè)施、空間布局等非結(jié)構(gòu)性環(huán)境因素相關(guān)聯(lián)的損耗，不同的功能場景（如居民樓、辦公室、商業(yè)樓、工廠）會使建筑具有不同的內(nèi)部環(huán)境，從而帶來不同的損耗。在建筑內(nèi)部無線信號傳播經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭?，通常采用不同的損耗因子或損耗系數(shù)進(jìn)行表示，如表2所示。

表2 經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械穆窂綋p耗因子或損耗系數(shù)

在建筑內(nèi)部無線信號損耗預(yù)測方法中，可以根據(jù)建筑類型對不同的功能場景中的損耗進(jìn)行預(yù)估，并采用“節(jié)點信號強度修正值”中的功能場景分量進(jìn)行修正。

3.4 多徑損耗

多徑損耗是指無線信號從發(fā)射端發(fā)射后由于多次反射、繞射、透射使其以不同的傳播路徑到達(dá)接收端，造成多條路徑的無線信號分量在到達(dá)時間、幅度、相位上存在差異，在接收端發(fā)生信號相互疊加、抵消所產(chǎn)生的選擇性衰落、時延擴展等現(xiàn)象所引起的損耗。與室外傳播不同，建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無線信號的傳播以非視距傳播為主，門、窗、走廊等都將進(jìn)一步增強多徑效應(yīng)，因此在預(yù)測信號衰減時應(yīng)考慮多徑效應(yīng)所造成的影響[14-17]。

4 建筑內(nèi)無線信號傳播經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h2>

建筑內(nèi)無線信號傳播經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕谑彝鉄o線信號傳輸理論，典型的室外傳輸模型主要有Longley-Rice、Okumura和Hata模型等，這些模型在設(shè)計時主要側(cè)重考慮地形地貌、樹木、建筑物等影響下的無線信號遠(yuǎn)距離傳輸特性，并不適用于在建筑內(nèi)使用。常見的室內(nèi)無線信號傳播模型有確定性模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢煞N。確定性模型是基于電磁傳播理論對無線信號在室內(nèi)的傳播情況進(jìn)行分析和預(yù)測，如射線追蹤法利用幾何光學(xué)理論，認(rèn)為電磁波能量由無限細(xì)小的傳播通道傳播，從而與周圍環(huán)境作用形成反射、折射等傳播現(xiàn)象，進(jìn)而通過幾何參量的計算得出最終結(jié)果，具有較高的準(zhǔn)確性。但此類模型在建模過程中需要將建筑的結(jié)構(gòu)、障礙物和所用材料的電磁參數(shù)等信息進(jìn)行精確的描述，還需要在后期進(jìn)行大量的計算，因此只適合在某一特定、簡單的建筑空間內(nèi)部使用，不具有通用性。經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^大量的測試，對同一類環(huán)境下無線信號傳播的統(tǒng)計特性進(jìn)行分析，進(jìn)而確定的一種統(tǒng)計性傳播模型，它只需要確定基本的建筑及環(huán)境信息，就可以利用公式獲得預(yù)測結(jié)果，因此具有簡單、運算速度快等特點，被廣泛用于工程實踐中的無線信號強度預(yù)測。常見的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀袑?shù)路徑損耗模型、衰減因子模型、Keenan-Motley模型、ITU-R P.1238模型和COST-231多墻模型等。

4.1 對數(shù)路徑損耗模型

對數(shù)路徑損耗模型的表達(dá)式為：

其中，PL（d0）為信號采集節(jié)點到參考點之間的自由空間損耗，為了簡化計算，參考點距離d0一般取1 m，可以由測量或經(jīng)驗值獲得；Xσ為由陰影衰落引起的均值為0，標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的正態(tài)隨機變量；n為經(jīng)過測試的功能環(huán)境參量（如零售商店，n=2.2，σ=8.7dB；辦公環(huán)境，n=2.4，σ=9.6dB；金屬設(shè)備工廠，n=3.3，σ=6.8dB）。

從式（4）可以看出，對數(shù)路徑損耗模型采用距離作為影響無線信號損耗的主要變量，同時又在模型中加入了與功能環(huán)境相關(guān)的變量n，隨機變量Xσ也對建筑內(nèi)距離相同但存在分隔、多層情況所造成部分信號損耗隨機分布這一特征進(jìn)行了體現(xiàn)。但因公式中變量n和變量Xσ的給出范圍有限，使其無法在全部功能場景中應(yīng)用，同時該模型未充分考慮樓層損耗這一影響無線信號的重要因素。

4.2 Keenan-Motley模型

Keenan-Motley模型（簡稱K-M模型），該模型包含了對樓層損耗和分隔損耗累計值，其表達(dá)式為：

式中，nWj、nFi分別為無線信號發(fā)射端和接收端之間的墻壁分隔數(shù)量和樓層數(shù)量，LWj、Lfi為分隔損耗因子和樓層損耗因子，LWj的建議值為3dB，LFi的建議值為20dB。該模型雖然分別考慮了分隔損耗和樓層損耗，具有計算簡單的特點，但是由于所采用的損耗因子為損耗平均值，且沒有考慮功能場景的影響，因此一般均作為預(yù)測參考模型使用，并可以在后期的使用過程中對其進(jìn)行修正以得到更加準(zhǔn)確的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

4.3 衰減因子模型

衰減因子模型是基于建筑結(jié)構(gòu)和墻體、樓層阻隔而設(shè)計的無線信號損耗預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?D模型下，它采用線段將無線信號的發(fā)射端和接收端連接起來，認(rèn)為線段路徑所穿透的樓層和墻體損耗將會使損耗預(yù)測更加準(zhǔn)確，其表達(dá)式為：

式中，nSF為建筑同層衰減指數(shù)，與建筑功能和環(huán)境相關(guān)；FAF為各層的樓層損耗；PAF為各分隔的損耗。該模型還可以使用下述表達(dá)式：

式中，nMF為跨層衰減指數(shù)，nMF可以通過測量或已經(jīng)給定的數(shù)據(jù)庫獲得，其典型值如表3所示，各類分隔損耗PAF值同表1所示。

表3 跨層衰減指數(shù)nMF及標(biāo)準(zhǔn)差典型值

4.4 COST-231多墻模型

COST-231多墻模型從自由空間路徑損耗、分隔損耗、樓層損耗、功能環(huán)境等多個角度綜合對無線信號的損耗進(jìn)行了表示，其表達(dá)式為：

式中，nwi為歐式路徑所穿過分隔的數(shù)量；Lwi為分隔i的分隔損耗（輕質(zhì)墻損耗1.9-3.4dB；重量級墻體6.9dB）；nf為間隔層數(shù)；Lf為分層損耗（14.8-18.3dB），LC為功能環(huán)境修正分量；b推薦值為0.46。COST-231多墻模型對建筑內(nèi)無線信號的損耗進(jìn)行了全面的表達(dá)，同時，并且能夠?qū)Σ煌指舻拇┩笓p耗進(jìn)行計算，還考慮了樓層損耗的非線性解析，因此也是在預(yù)測無線信號傳輸損耗時所參考的最主要模型[18-20]。

5 建筑內(nèi)無線信號損耗的預(yù)測

對于建筑能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中無線信號損耗的預(yù)測可以采用上述經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行，但在模型的應(yīng)用過程中需要對與采集和匯聚節(jié)點相關(guān)聯(lián)的建筑信息進(jìn)行獲取，本系統(tǒng)利用通用BIM軟件Revit設(shè)計了一個建筑內(nèi)部無線信號損耗預(yù)測系統(tǒng)，通過其可以在建筑模型中進(jìn)行節(jié)點的布署，并可以批量、快速獲得經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭兴枰年P(guān)聯(lián)信息，在建筑的設(shè)計階段就可以完成對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的規(guī)劃、布署和驗證。區(qū)別于傳統(tǒng)建筑軟件的物理空間表達(dá)方式，Revit軟件能夠以數(shù)據(jù)化模型的形式在建筑的設(shè)計、施工、使用、管理等全生命周期中為使用者提供建筑相關(guān)數(shù)據(jù)信息，其API功能還為開發(fā)者提供了這些信息的二次開發(fā)接口。

本系統(tǒng)首先在軟件中創(chuàng)建了能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點和匯聚節(jié)點的構(gòu)件模型，使用該構(gòu)件可以在任意Revit的3D建筑模型中進(jìn)行節(jié)點的布署，并自動以構(gòu)件名稱關(guān)鍵字區(qū)分采集節(jié)點和匯聚節(jié)點，再通過對構(gòu)件信息的提取得到經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎闼柘嚓P(guān)參數(shù)，其布署和設(shè)置界面如圖3所示。

圖3 采集及匯聚節(jié)點的布署和設(shè)置界面

對于布署后的采集節(jié)點和匯聚節(jié)點，系統(tǒng)將根據(jù)其所在的位置信息自動計算生成自由空間距離、分隔損耗和樓層損耗，并可以對功能場景修正分量進(jìn)行設(shè)置，最終預(yù)測節(jié)點信號的損耗和信號強度，其界面如圖4所示。

圖4 節(jié)點無線信號損耗預(yù)測界面

后期測試使用上述系統(tǒng)在如圖5所示的建筑模型內(nèi)進(jìn)行無線信號損耗的預(yù)測，該模型為一具有15個采集節(jié)點和1個匯聚節(jié)點的多分隔結(jié)構(gòu)的建筑，其自由空間損耗和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛽p耗測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)功能測試模型

圖6 無線信號傳播損耗測試結(jié)果

6 結(jié)論

測試結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)對建筑內(nèi)部的無線信號損耗進(jìn)行預(yù)測時，其結(jié)果與各節(jié)點在建筑中的位置和分隔情況具有高度的關(guān)聯(lián)性，系統(tǒng)能夠結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部的無線信號損耗進(jìn)行正確地預(yù)測；通過對比自由空間模型，各經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯ㄖ?nèi)部的分隔損耗、功能場景損耗等均進(jìn)行了修正，且修正趨勢基本一致；COST-231多墻模型的損耗值與實際無線信號損耗值相符，對比其它經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌虮ＷC各節(jié)點無線信號強度的可靠性，更適合作為預(yù)測信號強度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>