劉蕾 田磊 陳旭彬 唐盼 張建華

(1. 教育部泛網(wǎng)無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876； 2. 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876)

引 言

隨著高速傳輸數(shù)據(jù)需求不斷增長(zhǎng),推動(dòng)了未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中毫米波段的應(yīng)用. 隨著諸如空間波束成形,高增益自適應(yīng)天線和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,毫米波通信系統(tǒng)模型得到了進(jìn)一步的發(fā)展[1-4]. 然而,由于衍射、反射和散射損耗較大,所以周圍環(huán)境對(duì)毫米波的通信質(zhì)量影響很大. 想要發(fā)展毫米波技術(shù),就需要深入了解毫米波信道的傳播特性.

有兩種常用的方法來進(jìn)行毫米波信道建模. 一種是基于傳統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量,另一種是基于使用電磁場(chǎng)理論的仿真. 近年來,基于幾何光學(xué)原理的射線追蹤(Ray-tracing)方法由于其簡(jiǎn)單和計(jì)算高效的優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的關(guān)注[5-6]. 然而,在不同的入射角、極化方式、材料和粗糙度的情況下,透射、反射、衍射和散射的典型參數(shù)不足,射線追蹤法因?yàn)橛?jì)算復(fù)雜度的限制,較難進(jìn)行多次反射、衍射和散射的模擬,而且該方法對(duì)環(huán)境復(fù)雜度的要求較高,在較為雜亂的環(huán)境下難以得到精確的信道預(yù)測(cè)結(jié)果. 因此,當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到多徑分量,或者信號(hào)受到兩次及以上的衰減的時(shí)候,傳統(tǒng)的測(cè)量更準(zhǔn)確.

在過去的幾十年中,進(jìn)行了一些關(guān)于在28 GHz,38 GHz,60 GHz和73 GHz的毫米波信道傳播特性的研究[7-11]. 文獻(xiàn)[12]通過考慮不同室內(nèi)和室外材料對(duì)穿透損耗的影響,得到透明玻璃的穿透損耗約為3.9 dB. 此前在文獻(xiàn)[13]中提出的測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)無線信號(hào)透過透明玻璃時(shí),穿透損耗可以忽略不計(jì),而玻璃被金屬涂層覆蓋時(shí),其穿透損耗顯著提高了25 dB至50 dB. 文獻(xiàn)[14]根據(jù)對(duì)典型墻壁、地板和窗戶的透射系數(shù)的分析,描述了多層電介質(zhì)模型. 文獻(xiàn)[15]研究了入射角、介質(zhì)材料的折射率和厚度對(duì)透射系數(shù)的影響. 文獻(xiàn)[16]討論了任意層狀介質(zhì)中電磁波的透射系數(shù). 石灰石和磚墻的粗糙表面散射特性見文獻(xiàn)[17].

在此前諸多學(xué)者的研究工作中主要考慮在透射測(cè)量中,不同入射角、材料粗糙度對(duì)透射系數(shù)的影響,但是仍有一些影響透射系數(shù)的情況沒有被充分地考慮到.為了提供毫米波信道的更為準(zhǔn)確的參數(shù),

我們考慮了不同的入射角、垂直和水平極化以及發(fā)射端(Transmitter,Tx)和接收端(Receiver,Rx)之間的不同距離對(duì)系數(shù)的影響,在28 GHz高頻頻點(diǎn)下的玻璃門兩側(cè)處進(jìn)行了透射測(cè)量.

本文將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并與光滑表面和高斯粗糙表面的菲涅耳傳播定律模型進(jìn)行了對(duì)比. 觀察透射系數(shù)與不同入射角、極化方式、材料粗糙程度和收發(fā)端距離的關(guān)系. 從而為第5代移動(dòng)通信(The 5th Generation,5G)毫米波透射特性研究的進(jìn)一步發(fā)展提供參考與幫助.

1 測(cè)量準(zhǔn)備和測(cè)量方法

1.1 測(cè)量準(zhǔn)備

在測(cè)量中,使用800 MHz帶寬的信號(hào)探測(cè)儀來捕獲信道數(shù)據(jù). 在Tx側(cè),首先生成長(zhǎng)度為511的偽隨機(jī)序列,然后信號(hào)通過上變頻器調(diào)制到28 GHz,使用功率放大器將其功率增加到30 dBm. 采用一對(duì)25 dBi喇叭天線,水平方向的3 dB波束寬度為10°,垂直方向的為11°. 在Rx側(cè),低噪聲放大器可以放大接收信號(hào),保證高信噪比(Signal Noise Ratio,SNR). 接著下變頻器將接收到的信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào). 采樣率是原始偽噪聲(Pseudo-Noise,PN)序列的3倍,延遲分辨率約為0.833 ns,PN序列的整個(gè)持續(xù)時(shí)間為1.28 μs. 測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)總結(jié)在表1中.

表1 測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)

我們?cè)诒本┼]電大學(xué)教三樓玻璃門兩端進(jìn)行了測(cè)量. 玻璃門由厚度為1.1 cm的透明玻璃制成. 如圖1所示,Tx側(cè)是戶外環(huán)境,Rx側(cè)是室內(nèi)環(huán)境.

圖1 測(cè)量環(huán)境

1.2 透射測(cè)量規(guī)劃

為了獲得精確的透射系數(shù),在99個(gè)Tx-Rx位置和99個(gè)視距(Line-of-Sight,LOS)路徑位置在玻璃門兩側(cè)進(jìn)行了28 GHz的測(cè)量,用玻璃門打開時(shí)的接收信號(hào)作為參考. 為了研究不同極化方式,收發(fā)端距離和入射角對(duì)穿透特性的影響,我們?cè)O(shè)計(jì)了三種測(cè)量場(chǎng)景.

1.2.1 角度和極化對(duì)穿透特性影響

如圖2所示,Tx和Rx按照所需要的入射和接收角度相向放置在玻璃門的兩側(cè). 發(fā)射和接收天線采用水平(垂直)極化方式.θe和θt分別代表入射角和透射角.dt和dr分別表示TX和RX到玻璃門的距離. 在我們的測(cè)量中,遠(yuǎn)場(chǎng)距離設(shè)置為2.4 m,可以通過式(1)計(jì)算:

(1)

式中:La是天線的最大尺寸,為11 cm;λ是電磁波的波長(zhǎng).

在測(cè)量中,dt和dr都設(shè)為2.5 m,入射角從0°開始每隔5°測(cè)量一次,直到80°. 透射系數(shù)可以由不同入射角和不同極化方式的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到.

圖2 探究不同入射角和極化方式對(duì)透射系數(shù)影響的測(cè)量示意圖

1.2.2 距離對(duì)透射特性影響

為了研究距離對(duì)透射性能的影響,將Tx和Rx放置在玻璃門的兩側(cè),并放置在一條線上． 圖3和圖4提供了測(cè)量示意圖.dt和dr同時(shí)從0.4 m增加到3.5 m,間隔為0.1 m,入射角設(shè)為0°和45°.

圖3 0°入射角下探究不同Tx-Rx距離對(duì)透射系數(shù)影響的測(cè)量示意圖

圖4 45°入射角下探究不同Tx-Rx距離對(duì)透射系數(shù)影響的測(cè)量示意圖

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 透射系數(shù)

2.1.1 電介質(zhì)半空間的透射系數(shù)

當(dāng)電磁波照射在光滑的表面上時(shí),著名的菲涅爾透射因子可用于描述穿透特性.定律中考慮了材料類型,入射角和極化類型.該材料的特征可以由復(fù)介電常數(shù)表示:

(2)

式中:介電常數(shù)ε=ε0εr;σe是導(dǎo)電率;fc是載波頻率.

斯涅爾定律描述了入射角與電磁波的反射角之間的關(guān)系為θr=θe,透射角由式(3)給出:

(3)

式中:θr,θe和θt分別是反射角,入射角和透射角;δ1和δ2分別是介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù). 透射系數(shù)可以由文獻(xiàn)[18]計(jì)算為:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:TM表示橫向磁性,磁場(chǎng)分量平行于邊界;TE是橫向電場(chǎng)情況,電場(chǎng)分量平行于邊界. 在測(cè)量中,垂直極化是由TE描述的,而水平極化則由TM描述.

2.1.2 分層電介質(zhì)的透射系數(shù)

式(4)、(5)中的透射系數(shù)僅考慮到電介質(zhì)半空間的一個(gè)電介質(zhì)界面.但實(shí)際的測(cè)量場(chǎng)景則是介電層兩側(cè)被空氣所包圍,需要考慮波穿過介電層的透射問題.所以總透射系數(shù)可以由部分波之和給出[18]:

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中,θe1,θt1和θe2,θt2分別指從空氣到玻璃的入射角和透射角及從玻璃到空氣的入射角和透射角.同理,垂直極化的透射系數(shù)T1和T2可以由式(5)得到,反射系數(shù)R1與R2由式(7)計(jì)算.

2.1.3 散射情況下的透射系數(shù)

式(8)的透射系數(shù)僅考慮表面光滑的鏡面穿透情況.當(dāng)電介質(zhì)的表面不是理想光滑時(shí),粗糙的表面會(huì)導(dǎo)致散射現(xiàn)象,從而減小了透射波的功率.對(duì)于粗糙表面的情況,存在散射損耗因子ρs[19]:

(13)

式中,σh是表面高度和平均表面高度的偏差. 因?yàn)樯⑸涞膿p耗也會(huì)影響透射系數(shù),所以我們考慮到可以通過粗糙表面的散射損耗因子ρs來修改如式(8)表達(dá)的透射系數(shù)的理論公式. 所以本文最終提出的透射系數(shù)模型Trough為

Trough=ρsT.

(14)

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

測(cè)量結(jié)束之后,原始數(shù)據(jù)用于計(jì)算透射系數(shù):

(15)

式中:pt是接收到的透射功率;而pref是接收到的參考功率. 接收功率可以由RX端收集的IQ原始數(shù)據(jù)計(jì)算出來.

3 測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)量分析中電介質(zhì)界面的典型性質(zhì)如下:玻璃的相對(duì)介電常數(shù)為εr=8 F/m;真空介電常數(shù)ε0=8.854×10-12F/m;相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1 H/m;28 GHz時(shí)玻璃門的電導(dǎo)率為σe=0.23 S/m[19].

透射系數(shù)由公式(15)計(jì)算可得,使用玻璃門打開時(shí)的接收功率作為參考. 圖5和圖6描繪了垂直和水平天線極化方式下透射系數(shù)的結(jié)果.

在圖5中,當(dāng)入射角從0°增加到80°時(shí)垂直極化的透射系數(shù)從0.8減小到0.25. 圖6給出了水平極化的透射系數(shù)結(jié)果: 總體趨勢(shì)是一開始保持穩(wěn)定,隨著入射角度不斷增大,透射系數(shù)隨之逐漸增大,當(dāng)入射角為70°左右時(shí)達(dá)到最大值,入射角繼續(xù)增大至70°和80°之間時(shí)透射系數(shù)有所減小; 高斯粗糙表面模型計(jì)算出的透射系數(shù)比65°入射角時(shí)的測(cè)量結(jié)果大0.1.

對(duì)比圖5和圖6中兩種天線極化方式的透射系數(shù)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)水平極化的透射系數(shù)要比垂直極化的大,而且水平極化的透射系數(shù)隨角度增大而穩(wěn)定地小幅增長(zhǎng)再回落,而垂直極化的透射系數(shù)隨角度增大而呈現(xiàn)明顯遞減趨勢(shì)．

理想光滑表面與高斯粗糙面模型透射系數(shù)的比較結(jié)果也在圖5和圖6中給出. 由于測(cè)試玻璃表面有厚度偏差σh=0.3 mm,導(dǎo)致理想光滑表面的預(yù)測(cè)結(jié)果和高斯粗糙表面模型之間有細(xì)微的差異. 通過計(jì)算測(cè)量所得數(shù)據(jù)與兩種模型之間的方差,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在垂直和水平兩種極化方式下測(cè)量數(shù)據(jù)與高斯粗糙表面模型更為擬合.

考慮到天線的方向圖和遠(yuǎn)場(chǎng)情況,我們也研究了不同距離對(duì)穿透特性的影響. 如圖7所示,透射場(chǎng)景下的接收功率隨距離的變化趨勢(shì)與LOS場(chǎng)景的結(jié)果一致. 在比較LOS和穿透的接收功率后,我們得出結(jié)論:0°入射角時(shí)的穿透損耗在2.63 dB和3.23 dB之間;而當(dāng)入射角為45°時(shí),穿透損耗范圍在5.16～5.91 dB之間.

圖5 測(cè)量結(jié)果與理論垂直極化的透射系數(shù)對(duì)比

圖6 測(cè)量結(jié)果與理論水平極化的透射系數(shù)對(duì)比

圖7 穿透特性與距離關(guān)系(dt和dr表示Tx和Rx到玻璃門的距離)

4 結(jié) 論

本文使用垂直極化和水平極化的天線在28 GHz

的頻點(diǎn)下進(jìn)行了對(duì)玻璃門透射系數(shù)的測(cè)量. 然后將測(cè)量數(shù)據(jù)與式(8)的理想光滑表面模型和式(14)提出的高斯粗糙表面模型進(jìn)行比較. 本文給出了玻璃門的準(zhǔn)確透射系數(shù),這些系數(shù)是我們用不同入射角和不同天線極化方式測(cè)量的數(shù)據(jù)分析得出的. 為了驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,將測(cè)量數(shù)據(jù)與菲涅爾公式的理論結(jié)果進(jìn)行比較. 雖然光滑表面的菲涅耳公式和高斯粗糙面菲涅耳公式都與測(cè)量數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同,但結(jié)果表明,透射系數(shù)均可以與高斯粗糙面菲涅爾公式進(jìn)行精確建模與擬合. 此外,還分析了不同入射角下的穿透損耗,研究了測(cè)量結(jié)果與對(duì)數(shù)距離模型的聯(lián)系.

本文在前人對(duì)透射研究的基礎(chǔ)之上更加深入地研究了入射角度、天線極化方式及收發(fā)端之間距離對(duì)透射性能的影響,并給出了每種測(cè)量變量下的透射系數(shù)值,同時(shí)與理想光滑表面及高斯粗糙表面兩種模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證. 這些分析結(jié)果都為毫米波系統(tǒng)的未來發(fā)展提供了參考和幫助.

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