（电磁场与微波技术专业论文）nii最后一公里传输的相关技术研究.pdf

由于网络的飞速发展，新技术新应用不断涌现。作为网络重要组成部分的接入网 ( a n ) 系统正被广泛地研究和开发。就传输媒介而言，接入网一般分为无线接入网和 有线接入网两类。实现接入网的一个重要方面就是室内的无线通信和有线通信。无线 通信在室内环境下，由于室内物体的反射、透射和绕射以及散射，发射信号是通过多 条路径达到接收机，这就是众所周知的多径衰落。如果我们对电波在室内的多径传播 有比较透彻的了解，就可以适当地选择发射天线的位置，使系统的性能达到最优。限 于各种条件不可能对每个系统都进行建站测量来获得基站的最佳位置，因此，研究传 播特性就成了当务之急。本文在已有的研究方法基础上，对室内无线传播问题进行了 研究，改进了室内电波传播的混合建模方法；有线通信中的发展重点为光纤通信，由 光源一激光器输出的激光束在进入光纤前，其会聚特性直接影响进入光纤的功率，继 而影响整个光纤接入系统的性能。论文提出了理论上解决高阶模激光束聚焦难题的新 方法。主要包括以下内容： 1 将已有的二维混合建模方法( 一种结合射线跟踪法和时域有限差分法的室内无线传 播预测方法) 拓展至三维空间。给出了三维情况下如何由射线跟踪法获得对室内有 限大小复杂损耗结构的时域有限差分法( f d t d ) 计算区域的激励源。用拓展后的 方法对一简单室内环境进行了预测，使结果更加接近实际情况。 2 改进了室内无线传播的混合建模方法。通过对二维情况下f d t d 区域运用完全匹配 层( p m l ) 吸收边界条件和m u r 吸收边界条件的比较，提出了将完全匹配层( p m l ) 吸收边界条件用于f d t d 计算区域的混合建模方法，从而可使室内电波传播的预测 更准确。将改进后的混合建模方法拓展至三维情况，当面对不同的室内通信环境时， 为采用最有效的方法提供了条件。 3 室内环境中的大部分墙体有室内装饰层，它对电波传播的影响不能忽略。若将它近 似为与墙体来进行传播预测，必然产生较大的误差。本文用传输线法，对这种结构 的反射和透射系数进行了分析，给出了可以用于设计的计算公式。 4 研究了由室外到室内的电波传播现象。此时信号的主要部分是通过门窗和墙体的透 射和边缘的绕射。运用经改进的混合建模方法对有门窗和无门窗墙体的透射进行了 计算，理论结果表明木门和玻璃窗的透射高于墙体的透射。 5 提出了一种通过给出聚焦曲线获得商阶模厄米一高斯光束和拉盖尔一高斯光束通 过会聚光学系统的聚焦光斑尺寸和束腰位置的新方法，该方法可以在理论上解决高 阶模激光束聚焦这一难题。 北京邮电大学博士论文黄永明 6 掺铒光纤放大器的出现及飞速发展，已给光纤通信技术带来了一场新的革命。掺铒 光纤( e d f ) 是掺铒光纤放大器( e d f a ) 的关键元件，了解掺铒光纤的性能参数 对于掺铒光纤放大器的设计至关重要。本文对芬兰生产的新产品一一型号l f l 4 0 2 和l f 3 0 0 0 掺铒光纤进行了测试研究，结果表明这两种掺铒光纤对信号有很好的放 大作用。y j # - ，l f 3 0 0 0 的自发辐射效率较高，可用于制作光源。 i i 摘要 a b s t r a c t t h ee x p l o s i o ni nn e t w o r k sh a sr e s u l t e di nn e wt e c h n o l o g i e sa n dn e wa p p l i c a t i o n sf o r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a c c e s sn e t w o r k ( a n ) a r en o wb e i n gd e v e l o p e dw o r l d w i d e u s u a l l y ， a c c e s sn e t w o r ki n c l u d e sw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ka n dw i r e da c c e s sn e t w o r ka c c o r d i n gt o p r o p a g a t i o nt h r o u g h am e d i u m a n i m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o nf o rt h e s u c c e s s f u l i m p l e m e n t a t i o n o fa c c e s sn e t w o r ki sd o o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dw i r e d c o m m u n i c a t i o n s a st oi n d o o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h ei n d o o re n v i r o n m e n ti sp r o n et o i n t e r f e r e n c e o w i n gt or e f l e c t i o n ，r e f r a c t i o n ，d i f f r a c t i o na n ds c a t t e r i n go fr a d i ow a v e sb y s t r u c t u r e si n s i d eab u i l d i n g ，t h et r a n s m i t t e ds i g n a lm o s to f t e nr e a c h e st h er e c e i v e rb ym o r e t h a no n ep a t h ，r e s u l t i n gi nap h e n o m e n o nk n o w na sm u l t i p a t hf a d i n g a l t h o u g hm u l t i p a t h i n t e r f e r e n c es e r i o u s l yd e g r a d e st h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，l i t t l ec a nb e d o n et oe l i m i n a t ei t h o w e v e r , i fw ec h a r a c t e r i z et h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o nw e l l ，t h es i t eo f t r a n s m i t t e r sc a r tb es e l e c t e dt oa c h i e v eg o o dp r o p a g a t i o np e r f o r m a n c e i nt h ee x t r e m e ，i f s e r v i c ep r o v i d e r sh a dt oc h a r a c t e r i z et h ep r o p a g a t i o nm e d i u m b yt a k i n gr a d i op r o p a g a t i o n m e a s u r e m e n t so f e v e r yb u i l d i n gi nw h i c ht h e yd e p l o y e dt h e i rs y s t e m ，t h ei n s t a l l a t i o nc o s t w o u l db ev e r yh i g hd u et ot h el a b o rc o s t si n v o l v e d t h e r e f o r e ，t h e r eh a sb e e nas p e c i a l i n t e r e s ti nd e v e l o p i n gf lp r o p a g a t i o nm o d e lt op r e d i c tt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n d o o re n v i r o n m e n t o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw i r e d c o m m u n i c a t i o n s b e f o r et h el a s e rb e a mp r o p a g a t e s t h r o u g h af i b e r ，i t s p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sw i l lb ei n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo f o p t i c a la c c e s sn e t w o r k b a s e do nt h e f o r m e rr e s e a r c hw o r k t h ew o r k si n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r e ： a h y b r i dm e t h o d ，w h i c h i sb a s e do n c o m b i n i n gt h es t r e n g t h o fr a y t r a c i n g a n d f i n i t e d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ( f d t d ) m e t h o d s ，f o rm o d e l i n go fi n d o o rr a d i op r o p a g a t i o n w a se x t e n d e dt o3 dp r o b l e m s t h es o u r c ee x c i t a t i o no ft h ef d t dm e t h o di s a n a l y z e d ， w h i c hf d t di su s e dt o s t u d ya r e a s c l o s et o c o m p l e xd i s c o n t i n u i t i e s t h e m e t h o di s d e s c r i b e d b yc o n s i d e r i n g a s i m p l e3 d e n v i r o n m e n ta n dt h ep r e d i c t i o nr e s u l t sa r e p r e s e n t e d t h eh y b r i dm e t h o df o r m o d e l i n go fi n d o o rr a d i op r o p a g a t i o ni si m p r o v e d f i r s t ， p e r f e c t l ym a t c h e dl a y e r ( p m l ) a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n sr a b c s ) a n dm u r sa b c sa r e a p p l i e dt ot h ec o m p l e x a r e aa tt h eb o u n d a r i e s ，r e s p e c t i v e l y t h u s ，m o r ea c c u r a t ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sc a nb eo b t a i n e db y a p p l y i n gt op m l a b c s t h e i m p r o v e dh y b r i dm e t h o di s e x t e n d e dt o3 d p r o b l e m i tw i l lb eh e l p f u lt og e n e r a t eag u i d e l i n ef o rc h o o s i n gt h em o s t e f f i c i e n tm o d e l i n gm e t h o di nd i f f e r e n ti n d o o rc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t s 1 1 1 北京邮i 乜大学博l 论文黄永明 m o s tw a l l so fi n d o o re n v f i ) n m e n t sa r ec o n s t r u c t e df r o md i e l e c t r i cl a y e r s f o re x a m p l e ， ab r i c kw a l li sw i t hac o a t i n gl a y e r t h ee f f e c t so ft h ec o a t i n gl a y e rc a n n o tb en e g l e c t e d o t h e r w i s e ，t h ea c c u r a c yo ft h ep r o p a g a t i o np r e d i c t i o n w i l lb er e d u c e d t h er e f l e c t i o n c o e f f i c i e n ta n dt r a n s m i t t e dc o e f f i c i e n to ft h es t r u c t u r ei se s s e n t i a lt op r e d i c ti n d o o rr a d i o p r o p a g a t i o n t h e t r a n s m i s s i o n l i n e a n a l o g i ss h o w na n dt h ef o r m u l a eo fr e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t sa r eo b t a i n e d p r o p a g a t i o nf r o mo u t d o o rt oi n d o o ri si m p o r t a n tt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h er e c e i v e d s i g n a l sm a i n l yi n c l u d e t h er e f r a c t e da n dd i 衢a c t e dw a v e t h e i m p r o v e d m e t h o di sd e v e l o p e dt op r e d i c tp a t hl o s so fab u i l d i n gw i t h o u ta n dw i t haw o o dd o o ra n d g l a s sw i n d o w sf o ra no u t d o o rt r a n s m i t t e r t h er e s u l t so fc o m p u t a t i o n ss h o wt h a tw a v e p r o p a g a t e st h r o u g ho p e n i n g s ，s u c h a sw i n d o w s ，r a t h e rt h a nt h r o u g ht h ew a l l t h e f o c u s i n gc u r v e s ，w h i c hh i g h e ro r d e rm o d el a s e rb e a m s ：g a u s s h e r m i t eb e a m sa n d g a u s s l a g u e r r eb e a m sp r o p a g a t et h r o u g haf o c u s i n go p t i c a ls y s t e m ，a r eo b t a i n e do nt h e b a s i so f h u y g e n s f r e s n e lp r i n c i p l e a n d s a m p l i n gt h e o r y a n d b yp r o g r a m m i n g a n d c a l c u l a t i n g t h e r e f o r e ，t h ep o s i t i o no f t h eb e a m sw a i s ta n dt h es i z eo ff o c a ls p o tc a nb e a c q u i r e d i tt h u sh a sp r o v i d e dan e w m e t h o df o rr e s e a r c h i n gt h ef o c u s i n gc h a r a c t e r i s t i co f h i g h e ro r d e rm o d e l a s e rb e a m s t h e e m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n t o f e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) h a sr e s u l t s i nan e wr e v o l u t i o no fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u e s b e c a u s ee r b i u m d o p e d f i b e r ( e d f ) i so n eo f c r u c i a lp a r t so f e d f a ，i ti sn e c e s s a r yf o rs y s t e md e s i g n e r st og e tt h e p a r a m e t e r so fe d f e d fl f l 4 0 2a n dl f 3 0 0 0a r en e m ym a d ei nf i n l a n d m e a s u r e m e n t s h a v eb e e nm a d eo ft h ep e r f o r m a n c e so fe d fl f l 4 0 2a n dl f 3 0 0 0o nt h ea m p l i f i c a t i o na n d t h ee f f i e i e n c i e so ft h e i ra m p l i f i c a t i o na r ew e l l b e c a u s et h es p o n t a n e o u se m i s s i o ne f f e c t so f l f 3 0 0 0a r e h i g h ，i tc a nb ea sas o u r c ea p p l i c a t i o n 第一帝绪论 一一 第一章绪论 l l 研究背景 今天的我们，脚下的路从网络开始，从光纤丌始，从“0 ”和“1 ”开始。社会 对信息的需求推动了信息产业的发展，迫切要求各种专业信息系统共同经过一个信息 网络、能使任何人在任何地点、任何时间，将文本、声音、图像、电视信息传送任 何地点的任何人，这就是国家信息基础设施( n a t i o n a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e n i lo 由国 家骨于电信网f 数字交换网、光纤网、数字微波网、卫星通信网等) 构成的高速通信 网为n i l 高速信息传送的通道。作为电信网重要组成部分的接入网( a c c e s sn e t w o r k ， a n ) ，其投资占电信网的比重日益增加，约占4 7 5 0 。接入网是由业务节点接 口( s n l ) 和相关用户网络接口( n u i ) 之间的一系列传送实体( 诸如线路设施和传输设施) 所组成的为传送电信业务提供所需传送承载能力的实施系统【“。由于从业务节点到用户 终端在绝大多数情况下距离不超过4 k m ，在城市多数情况可能只有l k m 口l ，接入网是 网络数字化的最后一段，因此被称为信息高速公路的“最后一公里”1 4 1 p j 。 接入网的概念自从建立起电话业务网之后就存在着，只是它的作用不像今天这样突 出。今天的接入网正被广泛地开发，成为广大企业家和研究者关注的焦点1 6 - 1 6 j 。就传输 媒介而言。接入网一般分为无线接入网和有线接入网两类7 j 。 ( 1 ) 无线接入网：包括移动卫星系统，蜂窝移动通信系统集群通信系统，一 点到多点微波通信系统，微微蜂窝的无线本地接入系统( p h s 、p a s 、p a c s 、 d e c t ) 等，覆盖面也有大的如s c d m a 。当然室内的还有蓝牙( b l u et o o t h ) 系统等【”1 。 ( 2 )有线接入网：主要指光纤接入网、光缆同轴混合接入网、铜线电缆、双绞 线、电话线( 一般为铜线) 接入网【l8 1 。由于光纤通信具有通信容量大、质 量高、性能稳定、防电磁干扰、保密性强等优点。在干线通信中，光纤扮 演着重要角色，在有线接入网中，光纤接入也是发展的重点。 目前，接入网多采用的是无线和有线相结合的接入方案，并且表现为综合业务( 如 数据、图像、多媒体通信) 接入的特点。接入网主要功能见表1 1 。由于接入网环境的 复杂性，很难用一简单的信道模型来研究，所以实现接入网技术的一个重要方面就是 研究和了解室内无线传播和有线传播( 如，激光束传播) 特性。 对于无线传播，众所周知，影响陆地移动无线通信信道特性的主要原因是多径传播， 这在室内尤为明显。发射机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境中障碍物的作 用，产生反射、透射、绕射以及散射。这样，到达接收机时将是从多条路径传来的多 个信号的迭加。多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，即产生 所谓的多径衰落，将严重影响信号的传输质量。另外，电波在自山空间传播引起的扩 散损耗以及阴影效应引起慢衰落也将影响接收信号。虽然，多径效应严重影响了通信 北京邮电大学博上论文 黄永叨 表1 1 接入网主要功能表 t a b l e l im a i nf u n c t i o n so f a c c e s sn e t w o r k 接入网承担业务电话、视像、传真、多媒体等 接入网提供的电路 h 或1 盯6 4 彤枷，分组、帧中继、a t m 、p o n 等 通道基于6 4 k b p 通道，基于帧中继通道，基于a t m 等 传输系统对称线、光纤、微波通信、无线广播等 传输的物理媒介双绞线、同轴电缆、光缆、无线传播等 系统的性能，但要去除它是不可能的。如果对传播环境有透彻的了解，就可以选择合 适的地点来设置基站，使系统的性能达到最优。仅仅依靠实地测量需要花费大量的人 力和物力，又往往很难得到期望的结果，既不明智也不经济，因此，除测量技术之外， 还迫切需要对室内无线传播特性进行理论研究，建立一个描述无线信道特性的模型即 传播预测模型。 无线通信传播特性的研究主要解决三个问题 第一，在某个特定的频段和某种特定的环境中，电波传播和接收信号衰落的物理机 制是什么? 这是基础的理论问题，为解决其它问题作指导。 第二，信号功率从发射机到接收机在传播路径上损失了多少? 无线信号路径损耗 的预测对系统设计与规划具有指导意义。这样才能更好地完成微蜂窝系统的 无线覆盖设计。 第三，接收信号的幅度、相位、各多径分量到达的时间与功率分布是如何变化的? 服从什么样的统计规律? 以便，针对信号的衰落特征，研究开发相应的抗衰 落技术。 除了理论成果外，从工程角度讲，传播特性的研究将导致两个主要应用成果【1 9 】1 2 0 ( 1 ) 建立传播预测模型。根据理论分析或测量数据的统计分析或两者的结合，建 立各种类型的传播预测模型，在给定频率、距离、收发信机天线高度、环境特征等参 数时，预测路径损耗，用于无线通信的系统设计。 ( 2 ) 为实现仿真提供基础。根据传播特性研究的理论结果、测量数据统计分析结 果，可用硬件或软件实现电波在通信环境中传播过程和传播特性的仿真。当发射机发 出的信号通过这种信道仿真器到达接收机时，其接收信号特性应与实际信道到达接收 机时的特性相一致。应用信道仿真器，可在实验室内进行无线传输系统的试验，更有 生型塑 效地进行调制解调技术、各种抗衰落技术等无线传输技术的研究和开发 无线接入网绝不是用来取代有线接入网，而是用来弥补有线接入网之不足，以达到 网络延伸之目的1 2 1 1 。有线接入网中的最重要的个分支是光纤接入网，其传输媒介主 要依赖光纤，在光纤中运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取 代传统通信方式中的电信号，从而实现信息的传递的。由于激光( l a s e r - - l i g h t a m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n ，意思是“受激辐射的光放大”) 具有 单色性、亮度商、相干性和方向性三大特点，所以光纤通信采用激光器作为光源，由 于使用的半导体激光器是大功率的，出射的激光束涉及高阶模激光束1 2 2 】：厄米一高斯 ( g a u s s b i e r m i t e ) 光束和拉盖尔一高期( g a u s s - l a g u e r r e ) 光束。半导体激光器发出的光大 部分都很集中，很容易射入光纤端面。但有时激光束集中的效果不十分理想，因而研 究高阶模激光束在进入光纤前，先通过个会聚光学系统的传播特性是十分必要的。 激光器和光纤的问世，拉开了光纤通信的序幕。随着光纤通信系统传输距离的延伸 和全光通信网络的兴起，光纤损耗成了限制光信号传输的重要因素之一。9 0 年代初掺 铒光纤放大器的出现及其近几年的飞速发展，已给光纤通信技术带来了一场新的革命 瞄3 】；掺铒光纤放大器在1 5 5 0 n m 窗口既可以将数字信号，也可以将模拟信号进行直接 全光放大，并对码型和速率都是透明的，而且由于其本身具有高增益、高输出功率、 宽带宽、低噪声、对偏振无关等优点，已成为新一代长距离、大容量、高速率光纤通 信系统中不可缺少的光纤器件。掺铒光纤是掺铒光纤放大器的重要组成部分，同时， 又是掺铒光纤激光器的核心组件，因此，了解掺铒光纤的性能和掌握其相关参数对于 这两种器件的设计至关重要。 1 2 室内无线传播的国内外研究现状和研究方法概述 无线通信传播预测模型的研究对通信系统的规划设计的意义以及由此而产生的经 济效益已成为广大的通信和电波传播研究者的共识。随着无线通信技术的高速发展， 室内电波传播的预测问题，受到了国内外学术界的高度重视，权威刊物i e e et r a n so n v e h i c u l a rt e c h n o l o g y - i e e et r a n so na n t e n n a sa n dp r o p a g a t i o n ，i e ep r o m i c r o w a v e a n t e n n a sp r o p a g a t i o n ，i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e da r e a si nc o m m u n i c a t i o n s 以及i e e e a n t e n n a sa n dp r o p a g a t i o nm a g a z i n e 等，有相当多的关于室内电波传播的论文发表。国 际上的一些著名的通信公司投入了大量的资金和人力进行理论建模研究，开发预测软 件等，如a t & t 1 2 ”。清华大学从二十世纪九十年代初期开始了这一领域的研究”11 2 6 1 ， 上海交通大学自1 9 9 5 年也对这课题开展了研究1 2 7 】，并与台湾元智大学合作进行室内 无线传播的研究f 2 ”引。北京邮电大学在二十世纪九十年中后期丌展了室外电波传播预 测的探索【3 4 3 q ，本人从2 0 0 0 年开始进入国家自然科学基金重点资助课题：“电磁场理 论与电磁兼容的关键技术”( 6 9 9 3 1 0 3 0 ) ，主要研究室内无线传播的预测方法1 3 7 39 1 。另 北京e t t i ”e 大学博上论文黄永1 m 外，从事这方面钻研的还有南京邮电大学【柏埽口国防科学技术大学1 4 ”等。 为了建立室内电波传播的预测模型。许多研究者进行了大量的测量实验，主要内 容包括信道的脉冲响应、路径损耗等。一般的多径衰落的脉冲响应统计模型是由t u r i n l 4 刈 首先提出来的，这一模型随后被他的研究小组和其他研究者用于测量和模拟室外移动 通信信道1 4 3 _ 4 7 1 ，r a p p a p o r t 等人直接或间接地将这一模型用于室内的电波传播【4 b - 5 。 k e n e n a n 和m o t l e y 等人建立了包括建筑物参数的统计公式【5 3 5 6 】。 如果说脉冲响应方法描述的是信道的微观特性，那么路径损耗描述的则是宏观特 性。路径损耗信息对确定系统的覆盖区域和选择最佳的基站位置具有至关重要的意义。 室内信道表现出比室外无线信道更大的路径损耗，而且在很短的距离内可能有很大的 变化。由于环境的复杂，还没有个普遍适用的路径损耗模型。许多研究者对此进行 了大量的工作，一些预测模型也被提出，这些模型大体可分为两类：统计模型和确定 性模型。 1 2 1 统计模型( e m p i r i c a lm o d e l s ) 大体上有四种不同的统计模型”8 引，主要是对移动通信服务区域内的场强进行实地 测量，在大量实测数据中用统计方法拟合路径损耗的变化规律。 a ) 模型l ：按照这种模型，接收信号的功率与发射和接收天线间的距离成指数反 比率，即p ( d ) = 最d 一，其中，( d ) 是距发射天线为d 处的接收功率，只是d = l m 时的 功率，h 值取决于环境f 5 7 7 6 1 。视距内( l o s ) h = 1 5 1 8 ，而在拥挤的工厂内， ：2 4 2 8 s s l ；制造工厂的建筑物楼层h = 1 4 。3 3 【6 l 】【6 2 】；在一个商业楼内，当发射和接收在相邻 的楼层时n = 3 9 ( 6 3 j ；在一办公楼内的走廊里” o ta ) 毒 图3 7 由两个半无限大平面电导体组成的二维空间的墙角 ( a ) t x 被视为一个无限大的电场线源；( b ) 等效源 f i g 3 7t h e2 dp r o b l e mo f ac o m e rf o r m e db yt w o h a l f - p l a n ee l e c t r i cc o n d u c t o r s ( a ) a n i n f i n i t ee l e c t r i cl i n es o u r c el o c a t e da t t x ；( b ) e q u i v a l e n ts o t l r c e s 图3 8 展示了沿0 0 的精确解与由混合建模方法预测的场强分布的对比图，f d t d 计算区域的空间网格步长为, z 2 5 。由图可见，二者吻合得很好。 图3 8 以混合建模方法计算图3 7 中沿o o1 的场强分布与精确解的对比 f i g 3 8ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h eh y b r i dm e t h o ds o l u t i o na n de x a c ts o l u t i o n o f e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na l o n go o i n f i g 3 7 第三章二维混合建模方法 3 4 3 预测和实测的比较 图3 9 所示为测试房屋的侧视图，外墙上有金属框的窗户，并且窗户间由混凝土柱 隔开。其它墙面由混凝土墙和木门构成。发射天线为有2 3 个振子的垂直极化y a g i 天 线。该发射机位于距房屋外墙8 8 8 米处，电波入射方向与墙面所成角度为3 0 ，见图3 1 0 。 接收天线为标准的偶极天线。测量路径o l o ，与窗户平行，距离外墙内表面d = 1 米。测 得的沿o t o ，的信号包络如图3 1 1 所示，清晰起见：在纵轴方向上有一3 5d b 的偏移。 灞凝土墙 图3 9 文献【1 2 l 中所测试房间的侧视图，测试1 2 9 g h z 电波传播通过房间墙壁的透射 h g 3 9s i d ev i e wo f t h er o o mf o rm e a s u r e m e n t r e p o r t e d 1 1 2 】 o f w a v e p e n e t r a t i o nt h r o u g ha ne x t e r i o rw a l la t1 2 9 g h z 发射机距离房霞8 8 8 米 e “l 2 5 。t a n - s = 0 1 2 厚2 堑：2 m - _ 。b = 5 。t a n s - 0 厚度t0 5 c m 匕= 驴3 ，l a n 6 - - 0 厚度；2 5 c m 图3 1 0 文献中所测试房间的俯视图 f i g 3 1 0t o p v i e wo f t h er o o mf o rm e a s u r e m e n t r e p o r t e d i 2 士墙 北京邮1 u 大学 尊l ：论文黄水明 对于这种远区域的仿真，在二维情形下，发射机可以视为线电场源。笔者分别运用 传统的射线跟踪法和混合建模方法来研究这个问题。材料特性和一些结构尺寸选用文 献3 】中的。在混合建模方法中，矩形区域a b c d 的尺寸为7 5 2 9 2 ，含部分外墙，如 图3 1 0 所示。此区域的场强分布受金属框窗户影响。由于发射机距离房屋较远，为了 考虑混凝土柱子的影响，在射线跟踪法计算中，将射线扇形的张角设为o ，叭。当射线 的强度低于4 0 d b 时，对该射线的跟踪终止。在这种情况下，闽值被设置为房间内和靠 近窗户的信号强度。在射线跟踪法计算中不考虑窗框的散射效应。用混合建模方法和 射线跟踪法对1 2 9 g h z 的电磁波通过房间墙壁透射的场强预测与实测的对比见图3 1 1 。 由于缺乏准确的材料特性和结构信息，例如墙的厚度、金属框的宽度以及门的尺寸等， 计算结果完全重现测得的信号包络是不可能的。然而，由图3 “可见，用混合建模方 法的计算结果准确地再现了实测信号包络的快衰落现象，衰落深度超过2 0 3 0 d b 。由于 几何光学的近似，射线跟踪法的计算结果沿测试路径的变化更加平坦，与文献”i 中报道 的结果类似。文献【3 l 中的结果展示了比图3 1 1 中的射线跟踪结果更小的起伏。笔者的 计算中采用了比文献【3 】更高一些的阈值，所以考虑房间内的反射较少。另外，射线跟踪 法和混合建模方法还预测了混凝土柱子附近被观测到的信号包络的额外衰减。总之， 混合建模方法预测的结果比射线跟踪法预测的与测量结果吻合得更好些，说明在室内 无线传播建模方法中，这种方法将更具有潜在的优势。 接收天线的位置 图3 1 1 利用混合建模方法和射线跟踪法对 图3 1 0 所示在d = l m 处沿。i d 2 场强预测与实测的比较 f i g 3 1 1c o m p a r i s o no f s i m u l a t i o nr e s u l t sb yt h eh y b r i dm e t h o da n d r a yt r a c i n gm e t h o dw i t h m e a s u r e d s i g n a le n v e l o pa l o n gt h em e a s u r i n gc o u r s e d j0 2 i nf i g 3 10w h e nd = 】m 1 2 1 兰三垦三丝! 曼垒些堡互塑 3 5 小结 射线跟踪法是一种有效的室内传播预测方法，然而涉及散射问题时，不能准确描述 电波传播特性。结合射线跟踪法和时域有限差分( f d t d ) 法的混合建模方法可以弥补 这方面的欠缺。这种混合建模方法在按照要求的准确度剪裁室内环境方面具有灵活性。 f d t d 模块很容易与射线跟踪程序连接在一起，同时也可对简单场景单独进行计算。 参考文献 1 g y a n g ，k p a h l a v a n ，a n dj fl e e ，“a3 dp r o p a g a t i o nm o d e lw i t hp o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n l n d o o r r a d i o c h a n n e l s ”，p r o c , 1 e e e g l o b e c o m 9 3 ，h o u s t o n ，n o v , 1 9 9 3 ，p p 1 2 5 2 1 2 5 6 2 s y s e i d e l a n d s r a p p a p o r t “s i t e - s p e c i f i cp r o p a g a t i o np r e d i c t i o nf o rw i r e l e s si n b u i l d i n g p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n ”，1 e e et r a n s o nv e h i c u l a rt e c h n o l o g y , v 0 1 4 3 ，n o 4 ， n o v , 1 9 9 4 p p 8 7 9 8 9 】 3 c y a n g ，b w u ，a n dc ，k o ，ar a y t r a c i n gm e t h o df o rm o d e l i n gi n d o o rw a v ep r o p a g a t i o na n d p e n e t r a t i o n ”，i e e et r a n s a n t e n n a sp r o p a g a t i o n ，v o l4 6 ，1 9 9 8 ，p p 9 0 7 - 9 19 4 j h t a r n g ，wr c h a n ga n db j h s u ，“t h r e e - d i m e n s o n a lm o d e l i n go f9 0 0m h za n d2 4 4g h z r a d i op r o p a g a t i o ni nc o r r i d o r s ”，i e e et r a n s o nv e h i c u l a rt e c h n o l o g y ，v 0 1 4 6 ，n o 2 ，1 9 9 7 ，p p 5 1 9 5 2 7 5 c m h oa n dt s r a p p a p o r t “w i r e l e s sc h a n n e lp r e d i c t i o ni nam o d e mo f f i c eb u i l d i n gu s i n ga n i m a g e d b a s e dr a y t r a c i n g m e t h o d ”，p r o c l e e e g l o b e c o m 9 3 ，h o u s t o n ，t x ，1 9 9 3 ，p p 1 2 4 7 1 2 5 1 6 j 砒m c k o w na n dr l h a m i l t o n ，j r , ，“r a yt r a c i n ga sad e s i g nt o o lf o rr a d i on e t w o r k s ”，t e e e n e t w o r k m a g ，1 9 9 1 ，v 0 1 5 , n o 6 ，p p 2 7 - 3 0 7 a jr u s t a k oj r ，n a m i t a y , gj o w e n s ，a n dr s r o m a n “r a d i op r o p a g a t i o na tm i c r o w a v e f r e q u e n c