移動(dòng)人體對60GHz無線局域網(wǎng)造成陰影損耗的計(jì)算模型

張　馳, 禹勝林, 王　奇

(南京信息工程大學(xué)電子與通信工程學(xué)院, 江蘇 南京　210044)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，高頻通信的研究越來越受到業(yè)界的關(guān)注。為了解決無線通信頻譜資源的稀缺問題，同時(shí)滿足對更快傳輸速率和更優(yōu)質(zhì)通信質(zhì)量的需求，60GHz頻段無線通信成了超寬帶WLAN(Wireless Local Area Networks)最有吸引力的部分[1]。由于數(shù)據(jù)的傳輸速率和帶寬成正比，而60GHz頻段無線通信技術(shù)有足夠的帶寬資源，因此其無需使用復(fù)雜的技術(shù)即可使傳輸速率達(dá)到Gbps級(jí)別。最重要的是，60GHz頻譜資源在世界范圍內(nèi)是免費(fèi)使用的，在開發(fā)成本上具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[2-3]。然而60GHz無線局域網(wǎng)也有缺點(diǎn)，如自由空間損耗和人體移動(dòng)造成的陰影損耗，尤其是在室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中，因人體的經(jīng)常移動(dòng)所造成的陰影[4]。為了解決這些問題，在60GHz頻段下必須使用高增益定向天線對抗巨大的自由空間損耗及嚴(yán)重的陰影損耗。

針對移動(dòng)人體對無線局域網(wǎng)造成陰影損耗的問題已經(jīng)提出了一些解決方法。例如，自適應(yīng)波束形成技術(shù)的智能天線可以接收經(jīng)地面反射到達(dá)接收端的反射路徑分量，而不只是經(jīng)自由空間到達(dá)接收端的直接路徑分量，同時(shí)采用2.4/5GHz和60GHz的多頻段WLAN，發(fā)生陰影損耗時(shí)其操作頻率從60GHz切換到2.4/5GHz[5-6]。若要評(píng)估解決方案的性能，我們需要描述在60GHz 頻段的WLAN中由移動(dòng)人體造成陰影損耗的特征。當(dāng)前，已有相當(dāng)多的試驗(yàn)研究記錄陰影損耗的測量結(jié)果，并分析與統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)搭建出陰影損耗模型[7-8]。

射線追蹤模型是基于幾何光學(xué)的原理，通過模擬射線的傳播路徑可以確定反射、折射和陰影等。射線追蹤模型非常適用于60GHz頻帶的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，因此，射線追蹤模型已經(jīng)成為60GHz WLAN的信道模型發(fā)展和性能評(píng)估的主要方式[9-11]。針對由移動(dòng)人體造成的陰影損耗開發(fā)出一種計(jì)算模型，以便進(jìn)行射線追蹤模擬實(shí)驗(yàn)從而對陰影損耗的各項(xiàng)性能評(píng)估。

本文提出了在60GHz WLAN中由移動(dòng)人體造成陰影損耗的計(jì)算模型，該計(jì)算模型基于射線追蹤方法的刀切模型，根據(jù)人體移動(dòng)方向與視距路徑之間的夾角對陰影損耗進(jìn)行評(píng)估，并在頻域和時(shí)間域中將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

1　移動(dòng)人體造成陰影損耗的計(jì)算模型

圖1為一個(gè)擴(kuò)展的計(jì)算模型，該模型假設(shè)有三個(gè)繞射路徑和三路刀切模型；人體近似為一個(gè)長方體，長寬高分別為T、W、H；在長方體的中心取一垂直截面，長和寬分別為W、H，該平面作為刀切模型用來計(jì)算繞射損耗。盡管這種刀切模型不可以精確地計(jì)算出由一個(gè)三維人體所造成的繞射損耗，但足以計(jì)算出在各種環(huán)境中由移動(dòng)人體造成的傳播損耗。刀切模型結(jié)合射線追蹤模擬的方法可被應(yīng)用于著重由移動(dòng)人體造成傳播損耗的系統(tǒng)模擬中。在該模型中，我們把人體的高度定義為H、寬度定義為W，假設(shè)有三個(gè)傳播路徑用來計(jì)算繞射損耗、自由空間損耗和時(shí)間延遲，RX(receive接收機(jī))需要接收三條多徑信號(hào)分量。因此，我們把該計(jì)算模型稱為三路刀切模型。如圖1，繞射分量的傳播路徑在三路刀切面上的高度分別為h1、h2和h3，繞射分量的傳播路徑長度分別為d11+d21、d12+d22和d13+d23，繞射損耗的計(jì)算公式如下：

J(v)[dB]=

(1)

其中，C(v)和S(v)可由Fresnel積分表示：

(2)

傳播路徑中繞射損耗的計(jì)算參數(shù)由Vi給出，其表達(dá)式為

(3)

自由空間損耗由Li表示：

(4)

其中，λ60G為60GHz的波長。在RX接收端，除繞射波信號(hào)還要接收反射波信號(hào)分量。因此，接收端的電場強(qiáng)度Er(t)是由繞射波和反射波累加給出的：

(5)

其中M是繞射路徑的條數(shù)，N是反射路徑的條數(shù)，τi表示第i條波信號(hào)的相對時(shí)延。在本文所提的刀切模型中M=3。

2　用三路刀切模型計(jì)算幅頻特性的實(shí)例

如圖2所示，在使用射線追蹤模擬的家庭居室環(huán)境中，假設(shè)有三條繞射波路徑、六條反射波路徑(一條由天花板反射，一條由地板反射，其余為四面墻壁的反射)。如果在該模型中我們僅采用一次反射信號(hào)波，在方程(5)中M=3，N=6。

如圖3所示，定義三路刀切模型中用于計(jì)算繞射損耗的陰影參數(shù)，圖中h表示刀口平面的有效高度，d是發(fā)射機(jī)與人體中心之間的距離作垂直投影的長度。如果將人的外形近似成一個(gè)長寬高分別為T、W、H的長方體，那么用來計(jì)算繞射損耗的刀切平面可看成是一個(gè)W×H的長方形。θ是人體移動(dòng)方向與視距路徑方向之間的夾角，當(dāng)θ=90°時(shí)，人體的刀切平面模型由T×H的長方形代替W×H的長方形。

圖4所示為一個(gè)計(jì)算實(shí)例的幅頻特性，根據(jù)刀切平面的有效高度h計(jì)算出頻率范圍在59GHz-61GHz的幅頻特性。在該計(jì)算模型中，發(fā)射機(jī)TX的坐標(biāo)為(0.5，6.5)，接收機(jī)RX的坐標(biāo)為(6.9,3.5)，且發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的高度都為1.5m。假設(shè)T=0.2m、W=0.5m、H=1.7m，則人體模型的刀切矩形平面為W=0.5m、H=1.7m。天線收發(fā)端的半功率波束寬度設(shè)置為30°。當(dāng)d=1.0m，h=0.0m，此時(shí)的傳播路徑幾乎接近視距傳播，所以幅頻特性的波動(dòng)很小。隨著h的增大即出現(xiàn)陰影，直射波會(huì)有明顯的陰影損耗，將造成反射波傳播信號(hào)的強(qiáng)度高于直射波強(qiáng)度[12]。因此，為了減小或消除多徑傳輸和信道衰減的影響，提高通信系統(tǒng)的性能，在接收端需采用均衡技術(shù)[13]。

3　模型中的接收功率

在t時(shí)刻的接收信號(hào)X(f,t)可由三路刀切模型得出。若得到t時(shí)刻的X(f,t)，即可求得功率P(t),計(jì)算公式如下：

(6)

其中，B是接收信號(hào)的帶寬，fc是載波頻率。在式子(6)中，假設(shè)參數(shù)B=1.76GHz，人體的移動(dòng)速度為4km/h，計(jì)算出接收功率特性如圖5所示。由圖可得，人體的移動(dòng)方向與視距路徑方向之間的夾角越小其陰影損耗深度越大，陰影的時(shí)間也更長。

4　實(shí)測結(jié)果

4.1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置

本文提出的，在60GHz下由移動(dòng)人體造成陰影損耗的擴(kuò)展計(jì)算模型，需要進(jìn)行陰影測量以證實(shí)模型的有效性。根據(jù)人體的移動(dòng)位置，使用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測幅頻特性。采用的人體模型與真實(shí)人體相近，其參數(shù)設(shè)定為T=0.2m、W=0.5m、H=1.7m，人體移動(dòng)速度設(shè)定為4km/h。接收端功率P(t)可由式(6)計(jì)算得出。

4.2　幅頻特性的評(píng)估

當(dāng)θ=30°，h分別為0m和0.125m時(shí)的幅頻特性，如圖6所示。我們可以觀察到，當(dāng)h=0.125m時(shí)，產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性損耗；而當(dāng)h=0m時(shí)，幅頻特性幾乎與預(yù)期的一樣平坦，這個(gè)結(jié)果和圖4所描述的結(jié)果完全一致。此外，實(shí)驗(yàn)中測量的陰影損耗約為20dB，這也完全符合圖4所示的計(jì)算結(jié)果。

4.3　評(píng)估不同參數(shù)θ對接收功率的影響

其他參數(shù)相同，θ值分別取30°、60°和90°，比較其接受功率的測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。當(dāng)θ=30°和60°時(shí)，計(jì)算結(jié)果與測量結(jié)果相吻合，包括陰影損耗的深度及損耗持續(xù)的時(shí)間。這說明本文所提出的刀切模型即人體近似成矩形平面的方法，可以用在射線追蹤模擬系統(tǒng)中來估計(jì)由移動(dòng)人體造成的陰影損耗及其持續(xù)的時(shí)間。但θ=90°時(shí)，陰影損耗的測量結(jié)果大于計(jì)算結(jié)果，并且測得的損耗持續(xù)時(shí)間要長于計(jì)算結(jié)果所給出的時(shí)間。我們認(rèn)為這種不一致是由不適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)造成的，刀切模型尺寸偏小或者模型中發(fā)送端和人體之間的距離與計(jì)算的參數(shù)有誤差等原因。事實(shí)上，我們假設(shè)刀切面的中心為人體的中心，當(dāng)移動(dòng)方向與視距路徑方向垂直時(shí)，刀切面的中心點(diǎn)到發(fā)射機(jī)之間的距離要大于刀邊和發(fā)射機(jī)之間的距離。我們認(rèn)為，刀邊和發(fā)射機(jī)之間的距離越短繞射損耗越大，陰影周期越長。

5　結(jié)束語

無線局域網(wǎng)空間中由移動(dòng)人體造成的陰影損耗問題，通常采取2.4/5GHz和60GHz多頻段WLAN，當(dāng)陰影發(fā)生時(shí)操作頻段從60GHz切換到2.4/5GHz波段。但2.4/5GHz頻帶提供了更大、更可靠的覆蓋范圍，從而在傳輸過程中造成60GHz波段的資源浪費(fèi)。本文提出了由移動(dòng)人體造成陰影損耗的刀切計(jì)算模型。通過比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果，該模型可以用于人體移動(dòng)方向與視距路徑方向夾角為30°和60°的射線追蹤模擬中。我們還發(fā)現(xiàn)陰影損耗不僅造成接收信號(hào)功率的損失，而且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性損耗。但是，實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)θ=90°時(shí)，所提出的模型與計(jì)算結(jié)果不一致，我們還需要改進(jìn)計(jì)算模型的性能。