飛機(jī)艙內(nèi)無線電傳播覆蓋研究

熊 鋒，王 琪

(南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對于在乘坐飛機(jī)的旅程中的服務(wù)需求也越來越高，飛機(jī)艙內(nèi)的無線通信技術(shù)已經(jīng)成為了人們的關(guān)注目標(biāo)。為了給飛機(jī)艙內(nèi)提供可靠、穩(wěn)定的通信服務(wù)，對飛機(jī)艙內(nèi)的電磁波傳播特性和無線電覆蓋效果的準(zhǔn)確分析是非常重要的。由于飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境的特殊性和實(shí)際的物理測試的成本太高，最好使用一種電磁波傳播預(yù)測工具。

Wireless Insite是Remcom公司開發(fā)的一種用于電磁波預(yù)測的商業(yè)性軟件，它基于射線跟蹤法，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際具有很大的可比性。本文將結(jié)合飛機(jī)艙的模型，用它對飛機(jī)艙內(nèi)無線電波的傳輸覆蓋進(jìn)行仿真分

1 Wireless Insite簡介

Wireless Insite最初是用于城市內(nèi)無線電波的傳播預(yù)測，隨著功能的發(fā)展，它的功能擴(kuò)展至非規(guī)則地形、植被、室內(nèi)及室外到室內(nèi)的傳播預(yù)測等。它基于物理學(xué)中的射線跟蹤模型和GTD/UTD繞射理論，使用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)快速處理射線傳播。

它提供3種算法給用戶:2D、快速3D和全矢量3D算法，前兩種算法被用來近視估計(jì)數(shù)據(jù)。全矢量3D算法更為精確，但是計(jì)算時(shí)間比較長。它通過綜合分析UTD模型、不同材料的反射系數(shù)和透射系數(shù)來估計(jì)電場;并將結(jié)果與天線模式相結(jié)合，計(jì)算路徑損耗、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)角度等。

2 飛機(jī)艙內(nèi)傳播模型和射線追蹤技術(shù)

飛機(jī)艙內(nèi)無線環(huán)境的復(fù)雜性在于其艙內(nèi)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)備、艙內(nèi)布置、艙內(nèi)物品及人員，并且環(huán)境變動(dòng)比較大。除了最基本的和最理想的自由空間傳播外，無線電波的傳輸一般受到多徑效應(yīng)的影響。在飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境中，一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉贿m用。本文使用的是確定性模型。確定性模型遵從電磁波傳輸?shù)奈锢砝碚?，主要有兩種:基于幾何光學(xué)的射線跟蹤法［1］和基于求解麥克斯韋方程的時(shí)域有限差分法(Finite-Diffenrence Time-Domain，F(xiàn)DTD)。但是用直接解麥克斯韋方程的純理論方法卻很少(因?yàn)閭鞑キh(huán)境的復(fù)雜性使得求解方程所需的邊界條件很難確定)，多數(shù)是采用射線跟蹤法，或者由射線跟蹤法衍生的算法。確定性模型是根據(jù)電波傳輸原理得到的，因此比較精確，但是運(yùn)算量較大，運(yùn)算時(shí)間比較長;并且它需要精確的輸入數(shù)據(jù)庫，輸入數(shù)據(jù)一般是各種材料的電磁屬性和空間布局結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)。

本文用在飛機(jī)艙內(nèi)的射線跟蹤技術(shù)是發(fā)射射線法，發(fā)射射線法又稱為入射和反射射線法(Shooting and Bouncing Ray Launching Algorithm，SBR)。它的基本思想是:跟蹤從發(fā)射天線發(fā)出的每一條射線，射線遇到阻礙物時(shí)，根據(jù)入射的幾何位置和障礙物的電參數(shù)特性，按照反射、投射、繞射或者它們的組合，從而確定下一步的路徑，然后繼續(xù)對其跟蹤直到它被接收或者達(dá)到退出跟蹤條件，完成電波傳輸?shù)母欘A(yù)測。過程如圖1所示。

圖1 SBR跟蹤樹形圖

在飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境中，可以根據(jù)要求的精度設(shè)置一個(gè)信號強(qiáng)度閾值，當(dāng)射線強(qiáng)度低于這個(gè)信號強(qiáng)度閾值時(shí)，就停止追蹤。

3 仿真模型建立及參數(shù)說明

3.1 仿真模型的設(shè)計(jì)

參照波音B737-400的機(jī)身和機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的三維飛機(jī)艙模型。機(jī)身長25m，艙頂高度為2.20m，行李架高度為1.68m。發(fā)射機(jī)放置在機(jī)身中間軸處，接收機(jī)分3個(gè)不同高度接收，相應(yīng)代表人體坐立時(shí)腳跟、膝蓋、頭部的高度。結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 B737-400機(jī)身模型參數(shù)

圖3 建模實(shí)物圖

3.2 參數(shù)說明

在仿真過程中，本文選取一致性繞射理論(UTD)的Full3-D的SBR模型。射線跟蹤過程可以得出發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳播路徑，UTD用來估計(jì)每條射線的復(fù)數(shù)電場強(qiáng)度。使用2.4GHz的WiFi信號，中心頻率為2400MHz，中心帶寬為 5MHz，發(fā)射功率為0dbm。選取的天線類型:發(fā)射機(jī)為 ±30°定向天線(Direction Antenna)，發(fā)射線機(jī)為線性分布，接收機(jī)為全向天線(Omnidirectional Antenna)。天線增益設(shè)為2.0dBi。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在這里需要了解一下Wireless Insite里有關(guān)的計(jì)算公式［2］，接收功率為:

其中，PR為平均時(shí)間接收功率，Np為路徑的數(shù)量，Pi為第i條路徑的平均時(shí)間接收功率。

其中，λ為電磁波波長，β為傳輸波形的重疊頻譜，η0為自由空間阻抗，Eθ，i，Eφ，i為關(guān)于 θ、φ 在接收路徑中第i條路徑的電場強(qiáng)度。θi，φi是第i條射線到達(dá)方向。

通過實(shí)驗(yàn)仿真，得出一些相關(guān)數(shù)據(jù):

如位于0.5m高度，接收點(diǎn)(580)，可以得到其接收功率為－83.000dbm，路徑損耗為63.990dbm等數(shù)值。

場景1 在加入人體模型的情況，人體模型的介電常數(shù)為54，電導(dǎo)率2.3。進(jìn)行3個(gè)不同接收機(jī)高度的仿真分析，接收情況如圖4所示，可以根據(jù)分布圖得出接收功率覆蓋效果。圖4中橫軸為接受功率，縱軸為累計(jì)概率。

圖4 接收功率分布圖

場景2 無人情況環(huán)境下，3個(gè)不同接收機(jī)高度，接收情況如圖5所示。

圖5 接收功率分布圖

通過對不同場景的仿真結(jié)果分析，加上實(shí)際WiFi信號源功率一般為15～18dbm，對比WiFi信號的接收靈敏度(接收機(jī)靈敏度定義了接收機(jī)可以接收到的并仍能正常工作的最低信號強(qiáng)度)－83dbm，仿真的結(jié)果是正確的。飛機(jī)艙內(nèi)0.1m處，無線信號強(qiáng)度最好，而加入人體模型對仿真結(jié)果影響不大?？梢娫趯?shí)際的飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境中，人體對總的無線信號接受功率影響不大，因此在飛機(jī)艙內(nèi)復(fù)雜的無線電傳播環(huán)境中，可以省略一定的人為干擾因素。

5 結(jié)束語

本文基于射線跟蹤法對飛機(jī)艙內(nèi)的2.4GHz-WiFi信號傳播覆蓋進(jìn)行了研究，在Wirelss Insite的仿真平臺上，對艙內(nèi)有人和無人的場景進(jìn)行了仿真，得到了飛機(jī)艙內(nèi)WiFi信號傳播情況。但是本文沒有考慮到其它頻率的無線信號傳播分析，以及對飛機(jī)艙內(nèi)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局。未來工作將繼續(xù)往這兩方面發(fā)展，進(jìn)行進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)。

［1］季忠，黎濱洪，王豪行，等.用射線跟蹤法對室內(nèi)電波傳播進(jìn)行預(yù)測［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，14(2):160-165.

［2］吳志忠.移動(dòng)通信無線電波傳播［M］.北京:人民郵電出版社，2002.

［3］王玉芳.無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(20):23-24.

［4］Niebla C.Coverage and capacity planning for aircraft incabin wireless heterogeneous networks［C］//IEEE the 58th Vehicular Technology Conference.2003:1658-1662.

［5］Diaz N R，Esquitino J E.Wideband channel characterization for wireless communications inside a short haul aircraft［C］//IEEE the 59th Vehicular Technology Conference.2004:223-228.

［6］Youssef M，Vahala L，Beggs J.Wireless network simulation in aircraft cabins［C］//IEEE Antennas and Propagation Society Symposium.2004:2223-2226.

［7］周宏成.WCDMA室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)規(guī)劃［J］.廣東通信技術(shù)，2005，25(11):2-5.

［8］黃云飛，唐永麗，朱裕江.3G室內(nèi)分布系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及測試方法研究［J］.移動(dòng)通信，2006，30(4):53-57.

［9］劉慎發(fā).分布式天線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2007.

［10］Berkhahn S O，Wiegmann M，Leipold F，et al.Architecture of future cabin management systems［C］//Proceedings of the 2nd International Workshop on Aircraft System Technologies.2009:267-276.

［11］Fischer W，Schirrmacher M，Schmidt I，et al.A UWB-based wireless extension for the aircraft management system［C］//Proceedings of the 2nd International Workshop on Aircraft System Technologies.2009:277-286.

［12］Glahn W.iC-RFID intellgent catering processes and services using RFID-a German funded R＆T project［C］//Proceedings of the 2nd International Workshop on Aircraft System Technologies.2009:287-291.

［13］張雷鳴.室內(nèi)無線分布系統(tǒng)的規(guī)劃［J］.鐵道通信信號，2005，41(12):60-62..

［14］陳克云，陸港祥.新型室內(nèi)無線覆蓋解決方案探索［J］.廣東通信技術(shù)，2010，30(11):46-50.