武有文 洪 利 姚振靜 韓智明 李亞南

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地震廢墟環(huán)境下Wi-Fi無線信號傳播模型參數(shù)測量1

武有文1，2）洪 利1，2）姚振靜2）韓智明2）李亞南2）

1）中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580 2）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065200

本文主要針對地震廢墟下手機Wi-Fi無線定位，分析實際廢墟環(huán)境下Wi-Fi 2.4G無線信號的傳播特性。通過對廢墟結(jié)構(gòu)的分析，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行信道測量，對大尺度和小尺度衰減兩種特性進行信道分析。采取理論預(yù)測和實際測量分析相結(jié)合的方法，對2008年5·12汶川地震的極重災(zāi)區(qū)遺址進行了廢墟實地測量。對大尺度衰減進行路徑損耗和鋼筋混凝土吸收損耗分析，對小尺度衰減進行了平均超量時延和均方根時延分析，利用加窗、計算滑動均值，得到廢墟下2.4G無線信號的傳播規(guī)律，為下一步定位工作提供理論基礎(chǔ)。

Wi-Fi 信道 建模 定位 路徑損耗

引言

我國是地震災(zāi)害多發(fā)的國家（高孟潭等，2008）。如何快速有效地獲取和評估災(zāi)情信息已成為降低地震損失的重點研究內(nèi)容（崔麗萍等，2016）。目前，我國在地震后主要依賴于傳統(tǒng)的搜救犬或生命探測儀等進行搜救工作。由于生命探測儀在工作時受距離、光線、廢墟材質(zhì)、溫度和濕度等因素影響，在進行搜救時具有盲目性和不確定性，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。除了直接探測人體生命特征的探測技術(shù)，通過探測受災(zāi)人員身邊的一些能發(fā)出信號的物品，以此來找到受災(zāi)人員的相關(guān)技術(shù)也逐漸成為生命探測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，約80%的人持有帶Wi-Fi的智能手機和平板電腦（Chen等，2010a），絕大部分人都將手機隨身攜帶。當(dāng)?shù)卣鹨l(fā)建筑物坍塌時，手機和平板電腦成為散落在人們身邊的僅有設(shè)備。通過對這些設(shè)備進行探測和定位，可以間接地找到被壓埋的人員的大概位置，再配合生命探測設(shè)備，即可將人員及時救出。

目前手機檢測方法分為被動式和主動式2種（柴倫尚，2014）。由于被動式手機檢測通過手機信號進行探測，要求手機處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，因此，該方法對處于通信網(wǎng)絡(luò)中斷狀態(tài)的手機是無效的。地震發(fā)生后，房屋道路坍塌，各處線路中斷，基站被破壞，加上暴雨等次生災(zāi)害的影響，往往導(dǎo)致通信鏈路及無線網(wǎng)絡(luò)中斷（李世雄等，2016），手機等設(shè)備無法與基站進行通信，且被壓埋者通常喪失行為能力，無法對手機進行操作或嘗試連接網(wǎng)絡(luò)，因此被動式手機檢測方法不適合用于檢測救援。主動式手機檢測方法是指手機主動對外發(fā)射某種信號，外界通過對該信號進行采集和處理，再根據(jù)定位算法得到手機位置，代表技術(shù)主要有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、輔助全球定位系統(tǒng)（Assisted Global Positioning System，AGPS）、基站通訊系統(tǒng)（Location Based Service，LBS）及Wi-Fi定位技術(shù)（Wi-Fi Positioning System）。GPS一般用于空曠的戶外定位，進行復(fù)雜的室內(nèi)定位時，存在較大誤差；AGPS需要基站輔助GPS精確定位，而震后基站被毀，無法進行定位；LBS同樣需要手機處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)時才能用來對手機定位。Wi-Fi定位通過對手機發(fā)射的Wi-Fi信號進行采集與濾波處理，結(jié)合定位算法，得到手機位置。因構(gòu)建Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)和使用矢量分析儀成本較低，且操作簡易，本文采用基于主動手機探測Wi-Fi定位方法，對廢墟信道進行測量分析。

研究基于Wi-Fi的手機定位救援方法，首先需要分析地震廢墟環(huán)境下Wi-Fi無線信號的傳播特征及相應(yīng)的傳播規(guī)律，為基于信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）定位算法的運用提供理論支撐。

傳統(tǒng)的無線信道研究主要包括對城市區(qū)域的室內(nèi)、室外、室內(nèi)到室外3種范圍的傳播模型研究（Turin等，1972；Toeltsch等，2002），其結(jié)論表明，傳統(tǒng)的無線信道傳播模型并不適用于震后廢墟環(huán)境。只有通過對震后廢墟環(huán)境下的無線信道進行理論估計和實際測量，才能獲得其傳播特性，從而建立適用的無線信道模型。國外對災(zāi)害環(huán)境下的無線信道傳播模型有一定研究，但都是針對移動通信標準的頻段，如434MHz、868MHz（DiCarlofelice等，2015）、900MHz和1800MHz（Chai等，2013），而國內(nèi)相關(guān)的研究較少。柴倫尚（2014）提出“基于GSM和DCS體制的手機定位方法的無線信道研究”，也是針對移動通信頻段電波信號傳播的無線信道進行建模仿真，實現(xiàn)主動式手機探測定位方法。

本文對廢墟下Wi-Fi 2.4G頻段傳輸?shù)臒o線信號進行測量，對數(shù)據(jù)處理后得到信道沖擊響應(yīng)，并得到功率的延遲分布，以分析信道大小尺度的表征參數(shù)。在實際廢墟測量場景下，分析了信號的頻率響應(yīng)，最終建立了路徑損耗模型。該模型分為自由空間損耗和穿透廢墟的損耗兩部分，然后對該模型進行了仿真驗證。小尺度參數(shù)主要包括平均超量時延和均方根時延。

1 廢墟環(huán)境下無線電波傳播特性

地震災(zāi)害發(fā)生后的廢墟坍塌狀況在受災(zāi)程度和建筑環(huán)境等因素的影響下各不相同，不同建筑材料對信號的損耗也各不相同，導(dǎo)致路徑損耗衰減指數(shù)變化較大（柴倫尚，2014；Jiao等，2014），因此無法用通用模型模擬不同的災(zāi)害環(huán)境，分析和提取有用的隨機信道參數(shù)，并得到災(zāi)害現(xiàn)場信道的真實傳播規(guī)律。

無線信號在傳輸過程中遇到障礙物時有可能發(fā)生直射、反射、繞射和散射現(xiàn)象（鄭金金，2013；Cheng等，2015）?；谶@些現(xiàn)象的影響，信號在無線信道中的衰減一般分為大尺度衰減和小尺度衰落2種（劉江濤，2011；Jayaram等，2014）。

1.1 大尺度衰減

大尺度衰減特性由無線電波傳輸路徑損耗和陰影衰減組成。無線通信中，發(fā)射機和接收機的距離越遠，接收到的信號強度越小，即信號強度的損耗隨著距離的增大而增大，這種強度的變化是指數(shù)型的。根據(jù)路徑損耗模型，如果已知發(fā)送端無線電波的強度和距離，則可以推算出接收端無線信號強度；如果已知收發(fā)兩端的無線信號強度，則可以推算出發(fā)送機和接收機之間的距離，這種理論廣泛用于定位算法中，例如基于RSSI的各種定位算法等。陰影衰減效應(yīng)是指無線電波在傳播過程中碰到較大的障礙物時（如劇烈的地勢變化以及高大建筑物阻擋），穿透障礙物導(dǎo)致其能量發(fā)生衰減。這兩種衰減的產(chǎn)生都是由于信號傳輸距離較遠，故為大尺度特性。

自由空間的路徑損耗可表示為：

或表示為：

式中為光速，表示頻率。由式（4）可知路徑損耗隨收發(fā)天線間距離和信號頻率的增大而增大。現(xiàn)有的研究中使用的信號最高頻率為移動通信頻段的1800MHz，因其頻率高導(dǎo)致信號穿墻損耗嚴重，通信頻段定位需要與基站通信，不適合地震等災(zāi)后環(huán)境?；赪i-Fi的定位救援原理是在現(xiàn)場布排接入點（Access Point，AP，即簡單路由），激發(fā)手機與其通信，捕獲信號并進行定位分析，相比基站定位，有較高時效性和可操作性。

1.2 小尺度衰減

相比于大尺度衰減，無線信道小尺度衰減特性指當(dāng)待測設(shè)備移動較小的距離時，接收信號在短期內(nèi)發(fā)生的非常小的變化，表現(xiàn)為接收信號在幅度、相位或時延上快速變化的現(xiàn)象。小尺度衰減主要是由于多徑現(xiàn)象和多普勒現(xiàn)象造成的。無線電波在實際信道傳輸過程中，信號遇到障礙物時會發(fā)生散射、反射和繞射現(xiàn)象，產(chǎn)生多條路徑，最終到達接收端的信號相當(dāng)于多條路徑上的信號疊加所得結(jié)果，即多徑現(xiàn)象。多普勒現(xiàn)象是由于接收機和發(fā)射機之間相對運動造成的。

小尺度衰減有2個主要特點，分別為電磁波的時延擴展和無線信道的時變特點。多徑現(xiàn)象使信號在時域表現(xiàn)為時延擴展，可用平均超量時延和均方根時延來表示；在頻域表現(xiàn)為選擇性衰減，可以用相關(guān)帶寬來表示。在極小時間間隔內(nèi)，廢墟下無線信道可視為快速時不變系統(tǒng)（Chai等，2013），所以平均超量時延及均方根時延都可以使用功率延遲分布（PDP）來計算。功率延遲分布為本地的瞬時功率分布的平均值，實際上常以信道的脈沖響應(yīng)來計算，即：

在無線信道的小尺度建模之中，萊斯分布和瑞利分布是使用最廣泛的兩種建模方式。

2 廢墟環(huán)境信道測量

當(dāng)前主要的信道測量方法有2種（孟娟，2009），即時域測量法和頻域掃頻測量法。前者通過發(fā)射端不斷發(fā)送脈沖信號，用帶通濾波器在接收端進行接收，再對數(shù)據(jù)進行一系列數(shù)學(xué)處理即可得到信道脈沖響應(yīng)。后者在頻域進行測量，在接收端捕捉穿過信道后的數(shù)據(jù)，再利用傅里葉反變換即可獲得信道的復(fù)數(shù)響應(yīng)。時域測量系統(tǒng)對發(fā)送信號的時間分辨率及接收端示波器采樣率的要求較高，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度和成本較高，加上廢墟環(huán)境本身存在諸多的影響因素，所以本文主要采用頻域掃頻測量方法。該方法操作較容易，設(shè)備需求少，需要的主要儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer，VNA），只要增加所測量的帶寬即可提高系統(tǒng)分辨率。通過對不同類型的實際廢墟場景下的無線信道進行頻域測量，以及對測量數(shù)據(jù)進行處理，得到各類型廢墟場景的無線信道參數(shù)表征和不同類型的信道轉(zhuǎn)換函數(shù)（Channel Transmission Function，CTF），再對其進行傅里葉反變換得到時域響應(yīng)函數(shù)。

2.1 信道測量設(shè)計

由于所測環(huán)境為震后廢墟場景，震后供電一般遭到破壞，再加上測量環(huán)境復(fù)雜，為了更快、更高效地確定該環(huán)境下信道模型，本文使用自帶儲電功能且方便攜帶的矢量分析儀，實驗采用安捷倫手持式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N9918A。

本文運用頻域掃頻測量方法進行信道測量，測量系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)包括手持式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N9918A、功率放大器、一對收發(fā)天線。實驗中所有的設(shè)備通過同軸電纜連接，所測數(shù)據(jù)則通過USB接口保存到U盤中。在無線信道測量實驗中，天線參數(shù)的選擇對結(jié)果影響較大。由于常用路由器天線在水平方向上是全向的，實驗所用的路由器也為全向天線。Chai等（2013）的研究表明，垂直極化的接收信號強度大于水平極化方式，故本實驗選擇使用垂直極化方式接收信號。

2.2 廢墟環(huán)境無線信道測量

本文中進行信道測量的現(xiàn)場是“5·12”汶川地震的極重災(zāi)區(qū)——北川老縣城的震后廢墟堆。接收天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接相連，發(fā)射天線固定在廢墟內(nèi)部高1m的支架上，測量時，接收天線固定不變，發(fā)射天線可隨支架自由移動（模擬救援定位過程）。廢墟內(nèi)部設(shè)置一個N×M的矩形方格陣，如圖2，間隔為1m。在測量時，方格陣盡可能覆蓋整個廢墟內(nèi)部可能有人員生還的小空間。對方格陣每個節(jié)點上的值進行多次測量，取均值作為結(jié)果進行最終計算。

圖1 頻域掃頻測量系統(tǒng)框架圖

圖2 測量用N×M點陣

實際測量情況見圖3，測量場景為北川縣曲山小學(xué)遺址。圖中為小學(xué)3層教學(xué)樓，震后基本全部倒塌，選擇廢墟內(nèi)部較大的一個空間進行測量，入口為圖中所示C處，所測區(qū)域在圖中C處的右側(cè)，長7m，寬5m，高2m，設(shè)置4×6點陣，記為P1—P24。測量示意圖如圖4，五角星表示接收天線與網(wǎng)格的相對位置，實際接收天線在測量空間入口處，即圖3中的C處。

圖3 曲山小學(xué)測量點整體情況

圖4 測量場景內(nèi)部圖

3 廢墟信道參數(shù)分析

對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀所采集的數(shù)據(jù)按式（9）進行計算，獲得頻域的信道傳遞函數(shù)：

式中，代表樣本數(shù)目。時域采樣間隔等于，步長。由公式（11），運用信道脈沖響應(yīng)計算得到功率延遲分布，得到文中所示廢墟環(huán)境下無線信道模型大小尺度參量模型。

3.1 信道大尺度參數(shù)分析

功率時延分布（Power Delay Profile，PDP）描述信道在時間上的色散，指發(fā)射功率經(jīng)過多徑信道的傳輸后在接收端的能量分布，假設(shè)為廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射（Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering，WSSUS）信道，則可用下式計算：

通過對多次測量的數(shù)據(jù)進行滑動平均計算，得到測量場景下的頻率響應(yīng)，計算得到，并對其運用滑動平均的方式進行處理。

P1和P24分別為測量中路徑損耗最大和最小的2個點，其路徑損耗情況如圖5所示。主要原因是P1距離天線最近，損耗較小，而P24離天線最遠，損耗比較大。通過計算，路徑損耗標準差在［1.38dB，4.14dB］區(qū)間變動。

在對場景進行信道特征實際測量時，記錄了各個測量點收發(fā)端的相對位置，即能確定接收和發(fā)射天線之間距離，由式（13）可求得無線信號在傳播過程中的損耗：

式中是光速，是無線信號頻率，是收發(fā)天線之間距離。結(jié)合式（14）可以計算得到信號穿透廢墟損耗：

在不同頻段，不同障礙物對無線信號的阻礙效果是不同的，地震后，墻體坍塌后露出的鋼筋支架、水泥、鋼筋混凝土墻體、木頭或合成材料造的家具等混合在一起，共同阻礙信號的傳播。理論上，可以將混合材料分割后抽象為若干層障礙物疊加的模型，估計損耗可由式（15）表示：

Fig. 5. Path loss of Wi-Fi 2.4G in Qushan primary school

本文中測量的廢墟場景下，收發(fā)天線間主要的阻擋物是鋼筋混凝土材質(zhì)的墻體，測量得到穿透損耗值為約0.92dB/cm。因此，在接下來的計算中，取頻率在2450MHz時測得的穿透 鋼筋混凝土的損耗因子0.92dB/cm。由此，可用公式技術(shù)出穿透損耗預(yù)測值，式中=0.92dB/cm，=28cm為本文場景中的鋼筋混凝土層的厚度， 再根據(jù)公式（14）計算得到穿透損耗測量值。在2450MHz時的無線信號穿過鋼筋混凝土層的預(yù)測值和測量值如圖7。

由圖可知，實際測量值圍繞預(yù)測值上下波動，但不是很劇烈。原因是實際測量環(huán)境下混凝土層不可能完全一樣，不同點的厚度、密度及內(nèi)部材料的構(gòu)排都存在差值，屬于不可避免的誤差，加上震后混凝土層上碎土和碎石堆積以及裂縫等，造成電磁波穿過混凝土層時被吸收、散射、衍射和泄露，使各點的衰減值各不相同。在P1—P20，混凝土損耗測量值呈上升趨勢，這是因為測量點的ID值越大越靠近橫梁，信號穿透的橫梁厚度有細微的變化；在P21—P24點位，測量值也呈起點不同的上升趨勢，這是由于混凝土層并不是水平的，而是有一定的斜度，導(dǎo)致各點到所穿透點的距離不完全一樣，存在細小差別。經(jīng)過計算測量值與預(yù)測值誤差約為3.81dB。

3.2 信道小尺度參數(shù)分析

本節(jié)主要研究小尺度特性的2個參數(shù)特征，分別為平均超量時延和均方根時延擴展。平均超量時延是衡量信號多徑分量的能量集中度，可以通過對多徑分量幅值的平方進行加權(quán)平均計算得到：

實際通信中，由于頻帶有限寬，信號碼元都存在一定的擴展，接收到的每一個碼元都會受到在該脈沖之前其他碼元的擴展干擾，距離該脈沖越近，干擾越大。

4 結(jié)論

本文通過對“5·12”汶川地震災(zāi)害區(qū)北川老縣城遺址的實際測量，分析了地震廢墟環(huán)境下無線信號傳播模型的參數(shù)特性。主要從大尺度和小尺度衰減兩方面進行分析。路徑損耗主要通過反傅里葉變換進行計算和分析，并計算得到其標準差在［1.38dB，4.14dB］間波動。 另外，研究了鋼筋混凝土對Wi-Fi 2.4G無線信號的穿透損耗，通過分析其耗損因子為= 0.92dB/cm。小尺度衰減包括平均超量時延和均方根時延擴展的特性。分析表明，相比移動通信頻段，Wi-Fi 2.4G信號頻率較高，無論是在自由空間傳播還是穿透廢墟，都有比較快的衰減，限制了傳播距離。但震后基站被毀，手機和基站通訊中斷的情況下，無法采集手機GSM900和GSM1800信號進行定位。本文研究基于手機Wi-Fi的主動探測方法，可通過盡可能多的安置接入點來克服傳播距離短的缺點，提高定位精度，這比其它被動手機檢測更容易實現(xiàn)，同時具備便利和低成本的優(yōu)勢。本文的結(jié)果可為下一步進行震后手機定位探測研究提供理論基礎(chǔ)。

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Parameter Measurement of Wi-Fi Radio Signal Propagating in Constrction Ruins by Earthquake

Wu Youwen1, 2）, Hong Li1, 2）, Yao Zhenjing2）, Han Zhiming2）and Li Ya'nan2）

1） China University of Petroleum, Qingdao 266580, China 2） Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065200, China

In this paper, we analyzed the transmission characteristic of Wi-Fi 2.4G wireless signal in the actual ruins environment, and studied the mobile phone Wi-Fi wireless location under the construction ruins by earthquake. Based on the analysis of the structure of the ruins, the vector network analyzer is used to measure the channel, and channel analysis is carried out from both large and small scale fading. After combining the theoretical prediction and experimental measuring at the site of “5·12” Wenchuan earthquake in China in 2008, the campaign is conducted from large scale fading and small scale attenuation parameters. Large scale attenuation is carried out by analyzing the path loss and the penetration loss of some particular materials, and small scale attenuation is experienced by analyzinging the mean excess delay and the root mean square delay. With the methods including window added and moving average, we obtain the regulation of the Wi-Fi 2.4G radio signal which is essential for further localization.

Wi-Fi；Channel；Modeling；Localization；Path loss

1基金項目 地震科技星火計劃項目：基于手機搜索的生命探測平臺的研究（XH14072）

2016-06-29

武有文，女，生于1993年。碩士生研究生，研究方向：無線通信技術(shù)。E-mail：xiaoyouzi56@qq.com

洪利，男，生于1968年。博士后，教授。研究方向：災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)與儀器。E-mail：hongli2050@qq.com

武有文，洪利，姚振靜，韓智明，李亞南，2017．地震廢墟環(huán)境下Wi-Fi無線信號傳播模型參數(shù)測量．震災(zāi)防御技術(shù)，12（1）：210—219．doi：10.11899/zzfy20170122