機艙環(huán)境路徑損耗和功率覆蓋特征分析

肖 亮 龐文鎮(zhèn)， 康 姍 肖立民 張 焱

（1.廈門大學通信工程系，福建 廈門 361005；2.清華信息科學與技術國家實驗室，北京 100084；3.清華大學電子工程系，北京 100084）

引 言

隨著無線與移動通信技術的快速發(fā)展，無線移動通信的應用范圍越來越廣泛?；陲w機安全性的考慮，目前飛機機艙內仍然無法應用無線移動通信，是移動通信領域中的孤島［1］。為了解決機艙內移動通信的應用問題，滿足人們隨時隨地對無線傳輸?shù)男枨螅枰跈C艙內實現(xiàn)無線通信。實現(xiàn)機艙內無線通信的前提是要建立適合機艙環(huán)境下的無線信道模型。由于機艙環(huán)境的特殊性，現(xiàn)有的室內或室外信道模型不能直接用于機艙傳輸環(huán)境［2-3］，有必要根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，開展對機艙環(huán)境的建模工作。建立機艙環(huán)境下的信道模型，路徑損耗是必須考慮的參數(shù)之一。國內外已有部分研究機構通過使用不同的信道測試系統(tǒng)、測試方法對各種飛機機艙內部的無線傳輸環(huán)境進行了測試研究［4-5，7-8］?，F(xiàn)有機艙內的測試研究主要集中在2.4GHz頻段以下，在機艙內進行超寬帶［9-10］以及其他環(huán)境下的測試研究則很多［11-13］。國內外其他研究機構或學者目前沒有在機艙環(huán)境下對更高頻段（大于3GHz）的路徑損耗特征進行研究測試。而無線信道傳播特征對頻段的依賴性，導致在不同的頻率對應的路徑損耗參數(shù)不同［6］。因此，針對飛機機艙環(huán)境，有必要對3GHz以上的頻段開展信道的測量建模工作。根據(jù)WRC-07會議上的討論以及人們對于4G的需求，帶寬更寬，容量更大的無線通信，此次測量中選取了3.52GHz頻段進行了測量［14-15］。通過實際測量來分析路徑損耗特征，來得到一般的機艙內部無線信道模型。

同時對于機艙內無線移動通信能否得到實際應用，功率分布是必須要考慮的另一個非常重要的因素。良好的功率覆蓋能夠保證無線通信在通信范圍內正常進行，對于機艙遮擋豐富的機艙環(huán)境，很難達到理想的功率覆蓋效果。通過什么樣的方式來實現(xiàn)機艙內的無線通信，使得機艙內無線通信的質量能夠得到保證。這需要對機艙內的功率分布的實際情況進行測量。分布式系統(tǒng)具有提高發(fā)射功率的利用率和均勻的功率覆蓋的特點［16］，但目前只有全球移動通信系統(tǒng)（GSM）通信對飛機安全沒有影響的仿真［8］，沒有研究機構或學者利用分布式系統(tǒng)對機艙環(huán)境下功率覆蓋情況進行實際的測量分析。為了研究機艙內功率覆蓋的效果，本文在測量中采用了集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)分別對機艙環(huán)境下的功率覆蓋進行了測量，并對兩個系統(tǒng)的功率覆蓋效果進行了對比分析。

本文的主要貢獻包括:使用無線信道測量平臺［17］對典型飛機機艙內不同位置進行了測量，通過對測量數(shù)據(jù)的分析，統(tǒng)計了機艙內過道、靠背和桌板等不同位置的無線信道路徑損耗參數(shù)n、截距K和最小均方誤差（MMSE），為建立適合機艙場景的信道模型提供了參考；同時通過比較集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的功率覆蓋情況，得到了以下結論:當以相同大小的發(fā)射功率發(fā)射信號時，在機艙內視距和非視距共存的位置上，分布式系統(tǒng)有著比集中式更均勻的功率覆蓋效果。這為機艙內無線移動通信的實現(xiàn)提供參考方案。

1.測量場景的布置

測量所采用的系統(tǒng)為THU信道響應測量系統(tǒng)［18］。本次測量是在 MD-82飛機的經(jīng)濟艙內進行。發(fā)射天線呈線性布置在經(jīng)濟艙頂部，為了不受行李架的影響，天線固定在機艙兩邊行李架的塑質板上，高度為1.9m，發(fā)天線間隔2.9m，前后共布置7根發(fā)射天線，發(fā)射功率為0dBm，收發(fā)天線增益都為7dBi，如圖1（a）所示。

為了使測量更加符合實際應用中的情況，測試位置包括每個座位對應的桌板、靠背頂端和過道上對應每排座位的一個測量點，分別模擬在桌板上，座位上以及過道上使用無線通信終端（手機或筆記本電腦等）的三種場景。針對第一種測量場景，接收天線放置在座位對應的桌板上，移動范圍為6λ，高度為0.61m，如圖1（b）所示。針對第二種測量場景，收天線放置在靠背頂部，高度為1.09m，移動范圍為4λ，如圖1（a）中的收天線（Rx）；針對第三種場景，接收天線放置在餐車頂部，餐車高度為1m，移動范圍為8λ.移動速度均為0.5m／s.

圖1 MD-82機艙剖面圖和座位測量圖

2.路徑損耗參數(shù)的分析

對路徑損耗參數(shù)的分析，主要包括路徑損耗因子n、截距K和最小均方誤差（MMSE）.Friis定律對自由空間路徑損耗的描述為:接收功率PTx是以自由空間距離d為變量的函數(shù)［17］，表達式為

式中:PTx為發(fā)射天線的發(fā)射功率；GTx為發(fā)射天線的增益；GRx為接收天線的天線增益； 為自由空間損耗因子。一般在計算實際測量數(shù)據(jù)的路徑損耗中，由于環(huán)境的限制不可能達到理想的自由空間的傳輸，通常利用表達式（2）來計算路徑損耗參數(shù)［4-6］。

式（2）是根據(jù)收發(fā)天線之間的實際距離來計算路徑損耗，其中PLdB（d）為平均路徑損耗，d為發(fā)天線和收天線之間的實際空間距離（d0）是在參考距離d0=1m時的自由空間路徑損耗，εd是均值為0，方差為σd的高斯隨機分布變量，單位為dB.n為路徑損耗因子，描述隨著收發(fā)天線之間的距離變大能量損耗的速度。本文是以式（2）為參考模型，計算機艙內路徑損耗參數(shù)。

表1 不同測量位置參數(shù)統(tǒng)計表

通過計算第一根發(fā)天線單獨工作時的實際測量的數(shù)據(jù)，得到了3.52GHz THU測量系統(tǒng)在機艙內不同測量點的路徑損耗因子n，截距K和最小均方誤差（MMSE），如表1所示。在中心頻率為3.52 GHz寬帶MISO測量系統(tǒng)中，在不同的測量位置路徑損耗因子不同，過道、靠背和桌板上的路徑損耗指數(shù)值依次增大，且都小于2.并且由圖2可以看到計算采用的路徑損耗模型符合機艙內路徑損耗的實際情況。這是因為過道上的測量點都是視距沒有阻擋，且離發(fā)天線較近，信號可以直接到達接收天線，信號能量在傳輸過程中不會有較大的損失；靠背頂端的測量點相對于過道上的測量點收發(fā)天線之間的距離較遠，能量損失稍微大于過道；桌板上的各個測量點對于發(fā)天線，由于靠背的阻擋，除了發(fā)天線附近的幾個點為視距傳輸，其他測量點都為非視距，即視距和非視距共存的情況，則能量損失的比過道和靠背的測量點都要大，路徑損耗因子也對應最大。不同測量位置的路徑損耗因子都小于2的主要原因是MD-82飛機機艙空間狹小，座位密集，存在很多的反射體，經(jīng)過反射、散射的能量能夠有效地到達接收天線；在機艙內信號傳輸過程中存在波導作用。

3.機艙內功率覆蓋分析

功率覆蓋在無線通信系統(tǒng)中起著至關重要的作用，均勻的功率覆蓋能保證區(qū)域內無線通信的正常運行。尤其在環(huán)境比較復雜的通信環(huán)境中，若提供均勻有效的功率覆蓋，則能夠保證無線通信的質量。為了滿足人們在機艙這種復雜的環(huán)境中對無線通信的需求，研究該通信環(huán)境的功率覆蓋是很有必要的。本文通過測量分析不同通信系統(tǒng)在機艙內功率的覆蓋情況，為將來機艙內無線通信的實現(xiàn)應用提供參考，對分布式系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)在機艙中實測的功率分布情況進行了對比分析。文中假設7根發(fā)天線共同發(fā)射信號時的系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)；每根發(fā)天線單獨發(fā)射信號時為集中式系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)發(fā)射功率相同。

為了體現(xiàn)分布式和集中式系統(tǒng)的不同功率覆蓋情況，選取能夠代表機艙內特殊環(huán)境測量點，計算中選擇了視距和非視距共存的數(shù)據(jù)，座位上測得的接收功率進行比較。由于測量時飛機是靜止的，且機艙內無乘客，則可以假設測量場景是窄帶準靜態(tài)的，可以直接通過測量數(shù)據(jù)的信道沖擊響應來計算各個測量點接收到的功率值。計算方法如表達式所示

式中:i為每一個測量數(shù)據(jù)中選取計算的快拍數(shù)；f為每個快拍的頻點數(shù)；H（i，f）為頻域信道沖擊響應。為了避免電纜和儀器對測量結果的影響，在測量之前需要對設備和電纜的影響進行測量記錄，并在計算實際測量數(shù)據(jù)時，校除電纜和儀器的影響。

由于桌板上的測量點太多，為了不失一般性，又能夠更清楚地看到對比結果，本文選取第一根、第四根和第七根發(fā)天線單獨工作（集中式系統(tǒng)）時與所有發(fā)天線同時工作（分布式系統(tǒng)）時，機艙兩側緊挨窗口的兩列座位A號和E號座位以及靠近過道的C號座位對應的桌板上測量得到的接收功率進行比較。

從圖3的（b）、（c）、（d）中能夠看到，當發(fā)送天線為單根天線（集中式）時，桌板上各測量點的接收功率值浮動范圍較大，并且隨著收發(fā)天線之間距離的增加，接收功率在迅速地減小，不能有效地覆蓋距發(fā)射天線較遠的測量點。這是因為座位上的測量點由于靠背的阻擋，在發(fā)天線周圍的幾個點為視距傳輸，距離發(fā)天線較遠的點位非視距傳輸，座位上的測量點是視距傳輸和非視距傳輸共存的情況，機艙環(huán)境的因素引起的深衰落導致測量點接收功率值的波動。在分布式系統(tǒng)中，如圖3（a）所示，所有測量點的接收功率大小基本一致，沒有出現(xiàn)大的波動，功率很均勻地覆蓋在所有桌板上的測量點。對測量數(shù)據(jù)的分析結果表明:在機艙環(huán)境中，尤其在視距和非視距混合傳輸?shù)那闆r下，如果以相同的發(fā)射功率發(fā)射信號，分布式系統(tǒng)有著比集中式系統(tǒng)更均勻的功率覆蓋效果，能夠更有效地利用發(fā)射功率。

4.結 論

通過對機艙內測量數(shù)據(jù)的分析，得到機艙內過道、每個座位對應的靠背和桌板上的路徑損耗因子n、截距K和最小均方誤差（MMSE）.分析結果表明:過道、靠背和桌板上的路徑損耗因子是逐漸遞增，且其值都小于2.得到該結果的原因是:機艙內部空間狹小，散射物體密度很大，傳輸信號很容易被反射或散射，但經(jīng)過散射或反射的信號能夠有效地到達接收天線，因此信號能量在傳輸過程中損失較??；無線信號在機艙內的傳輸過程中存在波導效應，這為建立適合機艙內無線傳輸信道模型提供參考。同時比較了集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)在機艙內視距和非視距共存時的桌板上的功率覆蓋情況，證明了在相同的發(fā)射功率前提下，即使在視距和非視距混合存在的機艙環(huán)境中，分布式系統(tǒng)比集中式系統(tǒng)有著更公平的功率覆蓋效果，對機艙內實現(xiàn)無線移動通信提供了依據(jù)。

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