針對地下室場景4.8 GHz頻段傳播特性研究

摘" 要： 地下室無線網絡信號覆蓋一直都是關系到人們感知通信的重要民生事件，但由于其空間封閉，使得室外信號難以穿透，嚴重影響了運營商的服務質量。文中基于入射及反彈射線法/鏡像法對典型地下室環境進行建模仿真；研究了4.8 GHz頻段下有車體存在和無車體存在時的電波傳播特性并對數據進行處理；計算出不同距離的發射機與接收機對應的接收功率和路徑損耗，并與1.9 GHz頻段相應參數進行了對比，為優化網絡覆蓋提供了理論依據。通過研究表明，有車體存在時接收功率更大一些，5G頻段相比4G頻段接收功率更小一些。

關鍵詞： 地下室； 接收功率； 路徑損耗； 網絡覆蓋； 4G； 5G； 不同頻段

中圖分類號： TN929.5?34" " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）05?0023?06

Study on propagation characteristics of 4.8 GHz band for basement scenarios

SUN Lei1， DING Mao1， YIN Yiyan1， XING Feng1， LI Zhiwen1， ZHANG Jing1， ZHANG Jingyi2， JIANG Jinhong2

（1. China Mobile Communications Group Yunnan Co.， Ltd.， Kunming 650228， China;

2. College of Electronic and Optical Engineering amp; College of Flexible Electronics （Future Technology），

Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210003， China）

Abstract： Basement wireless network signal coverage has always been an important livelihood event related to people′s perception of communication. However， due to its closed space， it is difficult for outdoor signals to penetrate， which seriously affects the service quality of operators. In this paper， the typical basement environment is modeled and simulated based on the incident and bounce ray method/mirror method. The radio wave propagation characteristics of the presence of vehicle body and the absence of vehicle body in the 4.8 GHz band are studied and the data are processed， and the corresponding receiving power and path loss of transmitter and receiver at different distances are calculated and contrasted with the corresponding parameters of the 1.9 GHz band， which provides a theoretical basis for optimizing network coverage. This research has shown that the receiving power is greater when there is a vehicle body， and the receiving power at 5G frequency band is smaller than that at 4G frequency band.

Keywords： basement; receiving power; path loss; network coverage; 4G; 5G; different frequency bands

0" 引" 言

隨著數字化建設的發展，人們對網絡覆蓋提出了更高的要求。居民小區電梯、地下室無線網絡信號覆蓋一直都是關系到人們感知通信的重要民生事件，由于這些區域的特殊位置和結構，使得信號在穿透過程中被逐漸削弱，甚至會在一些地方被直接屏蔽。此時，需要保證地下室出入口處信號的連續性，以保證用戶感知的連續性。針對這一現象，國內外學者對地下室場景做了大量的測量分析工作。Supachai Phaiboon等人對兩個不同的停車場建筑以1.8 GHz的頻率進行了測量[1]，提出了一種預測停車樓路徑損耗的模型，對室內無線通信系統設計具有一定的作用。文獻[2]通過分析建筑物進入損耗（BEL）對建筑物外部和地下室之間傳播路徑的三種不同場景進行了測量仿真，并以此來預測地下室傳播模型。文獻[3]針對11 GHz、16 GHz、28 GHz和38 GHz頻段對室內辦公場景進行了信道建模和測量，研究了各個頻段的功率時延譜、均方根時延擴展等，驗證了天線陣列下球面波特性與簇生滅特性。文獻[4]選取室內教室為典型場景，研究了3.5 GHz、6 GHz、14 GHz、23 GHz、26 GHz和28 GHz頻帶的信道特性。基于視距和非視距情況下的測量結果，提出了floating?intercept和[α]?[β]?[γ]路徑損耗模型。文獻[5]通過仿真得到的路徑損耗模型分析了4個不同建筑物中5.3 GHz室內無線信道的測量結果，提取了無線信道在空間和頻率域的相關函數。本文針對地下室場景應用基于入射及反彈射線法/鏡像法[6] （Shooting and Bouncing Ray Tracing/Image， SBR/IM）的射線跟蹤法對地下停車場進行了建模及仿真，通過對比4.8 GHz頻段與1.9 GHz頻段和有車體存在與無車體存在情況下的路徑損耗和接收功率，對無線電波傳播特性進行相應的分析。

1" 射線跟蹤相關理論

1.1" 直射波

直射波是從發射機發射，不經過障礙物直接到達接收機的無線電波。在一般實際場景計算中可以視為自由空間的無線電波傳播，接收點的直射波場強與無線電波傳播路徑的距離有關，可以表示為：

[E=E0e-jkdd]" "（1）

式中：[E0]表示發射機的場強；[d]表示收發機之間的直線距離；[k=2πλ]，表示波數的大小。

直射波的傳播損耗也是自由空間的路徑損耗，表示為：

[PL0=10lgPtxPrx=32.44+20lg f+20lgd-10lgGtx-10lgGrx]" "（2）

式中：[Ptx]、[Prx]分別是天線的發射功率和接收功率；[Gtx]、[Grx]分別為發射天線和接收天線的增益；[f]為信號的工作頻率，單位是MHz。

1.2" 反射波

無線電波反射發生于兩種不同介質密度的分界面處，該界面的尺寸遠遠大于電磁波的波長，由于常見入射的反射波電場并不是完全平行或者垂直于入射平面，一般將電波在固定坐標系中分解成平行和垂直于入射平面的電場分量，具體電波反射計算示意圖如圖1所示。

假定[P]為反射波上某點，反射點[O]的場強可以表示為：

[EO=Ei‖Ei⊥]" " （3）

式中：[OP]的距離為[r]；[Ei‖]和[Ei⊥]分別表示入射波水平極化波和垂直極化波電場方向上的單位矢量。

反射波[P]處的場強可表示為：

[E（P）=Er‖（r）Er⊥（r）=EO?R‖00R⊥?r'r'+r?e-jβr=Ei‖（r）Ei⊥（r）R‖00R⊥?r'r'+r?e-jβr]" "（4）

式中：[R‖]、[R⊥]分別表示電波水平極化和垂直極化下的反射系數；[β=2πλ]是波數，[λ]是工作波長。當滿足[μ1=μ2=μ0]的條件時，反射系數可根據以下公式計算：

[R‖=（ε2ε1）cosθi-ε2ε1-sin2θi（ε2ε1）cosθi+ε2ε1-sin2θi]" "（5）

[R⊥=cosθi-ε2ε1-sin2θicosθi+ε2ε1-sin2θi]" "（6）

1.3" 繞射波

繞射波是指在電磁波傳播過程中遇到尖銳的劈或者障礙物的邊緣時，電波發生改變或彎曲繞到障礙物后面所形成的波。繞射機制常見于障礙物的頂點、曲面、邊緣或其他不規則凸起尖銳的面。電波在傳播過程中與障礙物發生繞射前，電波傳播路徑上的每一個點都可以看作是一個新的波源，在障礙物后面生成一個球面的副波并相互疊加，繞射點的場強振幅和相位可以通過惠更斯菲涅爾定理計算。常見的三種繞射類型是：尖端繞射、曲面繞射和邊緣繞射，示意圖如圖2所示。

若繞射點[O]處的入射波電場為[EiO]，則繞射路徑上某觀察點[P]處的電場[EdP]可表示為：

[EP=Ed‖（r）Ed⊥（r）=Ei‖（r）Ei⊥（r）D‖00D⊥·r'r'+r?e-jβr]

（7）

式中：[D⊥]和[D‖]分別表示垂直極化波和平行極化波的電場繞射系數；[r'r+r]表示電場幅度的空間擴散衰減系數；[r]為繞射點[O]與繞射觀察點[P]之間的距離；[r']是入射線出發點（源點）與繞射點[O]之間的距離。

1.4" 射線跟蹤方法

針對無線信道傳播特性的研究，根據建模方法的不同，可以將無線信道模型分為確定性模型和隨機性模型，其中隨機性模型包括非幾何隨機模型（Non?Geometric Stochastic Model， NGSM）和基于幾何的隨機模型（Geometry?Based Stochastic Model， GBSM）[7]。確定性模型通過光射線理論或電磁傳播理論來準確地分析和預測無線信道傳播特性，如射線追蹤法（Ray Tracing）和計算電磁法（Computational Electromagnetic， CEM）等；隨機性模型通過定義的概率分布描述信道參數，這使得它們在數學上易于處理并適用于各種場景，但準確性低于確定性模型。

用于研究無線信道在不同場景下的傳播特性的光線追蹤方法種類繁多，不同的方法適用于不同的場景，主要的方法有鏡像法、最小光程法、測試射線法[8]、入射及反彈射線法[9]（Shooting and Bouncing Ray， SBR）、入射及反彈射線法/鏡像法（SBR/IM）等。鏡像法通常用于簡單的結構環境，但很難應用于復雜的環境。最小光程法的基本原理與鏡像法一致，不采用反射定律來確定墻面反射點的位置，而是通過對光程取極小值的方法來確定墻面的各次反射點的坐標位置，這在后續工作中非常有效，但同樣很難應用于復雜環境。測試射線法不需要事先確定接收點的位置，適用于復雜場景下的場強預測，缺點是需要接收球，預測精度受接收球半徑的影響，計算效率不高。入射及反彈射線法不需要接收球，可以應用于復雜環境，但需要大量的計算。SBR/IM法是一種修正的入射及反彈射線技術的確定性方法，其技術實現步驟如圖3所示，適用于預測室內的無線信道特性，計算效率和精度有顯著的提高[10?11]。本文就是基于SBR/IM算法來分析典型地下停車場模型在5G頻段的電波傳播特性。

2" 仿真環境和正確性驗證

2.1" 理論基礎

經過直射和地面反射所接收到的接收功率如式（8）所示：

[RP=TPλ4π2αrαte-jkd1d1+e-jkd2d2]" "（8）

式中：[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]為發射功率。

式（9）將接收功率轉化成路徑損耗[7]：

[PL（dB）=10lgTPRP（d）] （9）

式中：[TP]是發射功率；[RP（d）]是接收功率；[d]為發射機與接收點的距離。

2.2" 仿真環境介紹

本文模型是通過測量南京郵電大學電光學科樓B樓地下停車場繪制的，地下停車場場景圖如圖4所示，其空間模型如圖5所示，兩側為停車場的出入口，內部由墻、柱子和車位構成。仿真頻率[12?13]選擇中國移動5G通信頻段4.8 GHz和中國移動4G通信頻率1.9 GHz，模型總長80 m、寬60 m，環境結構的電參數和仿真參數如表1、表2所示。將發射點設置在天花板正中心的位置，接收點覆蓋整個地下停車場，共計300個接收點。

2.3" 路徑損耗分析

地下室場景中有車體存在和無車體存在兩種情況，對地下停車場的路徑損耗數據結果進行分析。圖6和圖7分別是4.8 GHz和1.9 GHz頻段下仿真得到的有車體存在時地下停車場的路徑損耗情況，圖8和圖9分別是4.8 GHz和1.9 GHz頻段下仿真得到的無車體存在時的路徑損耗。從圖中可以看出，車輛是否停放對于接收信號的路徑損耗結果影響較小，路徑損耗的數值變化不大，但是4G頻段和5G頻段存在一定的差異性，從整體趨勢來看是相似的，但是4G頻段相比5G頻段來說路徑損耗更小一些。

2.4" 接收功率分析

通過對比4.8 GHz和1.9 GHz頻段下有車體存在和無車體存在的情況，對地下停車場的[RP]數據結果進行了分析，將地下停車場的接收點數量增加到300個。

圖10和圖11展示了4.8 GHz和1.9 GHz頻段下有車體存在時的[RP]分布情況，圖12和圖13分別是4.8 GHz和1.9 GHz頻段下無車體存時的[RP]分布情況。

可以明顯看出，由于發射機處于天花板的中心位置，每個點的接收情況都較為良好，4.8 GHz頻段下有車體存在的[RP]值處于-63.5～-14.4 dBm之間，無車體存在的[RP]值處于-57.2～-14.9 dBm之間。同時，4.8 GHz頻段下有車體存在時所有點[RP]的平均值為-36.54 dBm，無車體存在時所有點[RP]的平均值為-36.57 dBm。而1.9 GHz頻段下有車體存在時[RP]值處于-59.6～-9.1 dBm，無車體存在時[RP]值處于-54.8～-10.2 dBm。同時，有車體存在時所有點[RP]的平均值為-29.44 dBm，無車體存在時所有點[RP]的平均值為-29.94 dBm。從圖中還可以看出，靠近門口的接收功率較小，而中間靠近發射點的停車位接收功率相比其他位置要大，4G頻段相比5G頻段接收功率更大一些。

3" 結" 語

本文基于射線跟蹤法，通過仿真對比分析了典型地下停車場中4.8 GHz和1.9 GHz頻段的傳播特性，通過仿真驗證了SBR/IM法在室內電波傳播預測中存在的可靠性和有效性。對于地下停車場環境，其接收功率的主要貢獻來自于直射、反射和繞射。通過研究發現，有車體存在時接收功率更大一些，5G頻段相比4G頻段接收功率更小一些。以上仿真結果可以對現實地下停車場環境發射機的布放及優化提供參考。

注：本文通訊作者為張靜怡。

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