艦船艙室環(huán)境下電波傳播特性的仿真和分析

閻 超,葛莉華,范嘯平

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海200011)

近年來無線移動通信技術發(fā)展迅速，技術發(fā)展的同時必然會對通信容量和質量提出更高的需求，通信質量與無線通信傳輸頻段有關，頻段越高，所提供的信息傳輸帶寬就越大，電波所攜帶的信息就越多。當今主流無線通信網(wǎng)絡采用的頻段就是移動網(wǎng)絡通信采用的900 MHz頻段[1]和在無線局域網(wǎng)進行近距離通信技術中所采用的2.4 GHz頻段[2]，此外，60 GHz頻段作為未來發(fā)展?jié)摿薮罂梢灾С指邘拏鬏斈芰Φ臒o線通信傳輸頻段也成為了當今的研究熱點[3]。目前的移動通信技術主要應用在室外蜂窩通信網(wǎng)絡中，無線局域網(wǎng)技術是在室內(nèi)提供短距離通信，這種短距離無線通信的主要需求特點和環(huán)境多為人口密度大的辦公場所及家庭室內(nèi)環(huán)境。其共同特點都是用戶可以利用通信用戶終端通過移動基站與其他終端進行通信。

常見的室外環(huán)境包括不同高度的建筑物、街道等情景，移動通信電波在室外環(huán)境中傳播有建筑物的遮擋，會發(fā)生反射、散射等現(xiàn)象，電波傳播的信道多是采用基本的基于統(tǒng)計學的經(jīng)典信道模型[4]。常見的室內(nèi)環(huán)境，墻壁多為混凝土和磚墻結構，門窗為木質或玻璃材質?？臻g特點表現(xiàn)為開放性，室內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境通過門窗等部位實現(xiàn)連通。國內(nèi)學者對室內(nèi)電波傳播特性已經(jīng)做過很多研究[5]，室內(nèi)環(huán)境下的無線通信網(wǎng)絡特點是無線基站發(fā)射功率小，波長較短，無線電波在室內(nèi)同時產(chǎn)生發(fā)射、透射、散射等復雜的光學現(xiàn)象。艦船艙室內(nèi)部與普通室內(nèi)環(huán)境在結構和材料方面有較大差異，重點表現(xiàn)為封閉性，封閉性會造成電波能量損失緩慢，空間區(qū)域劃分復雜形成的艙室內(nèi)部空間幾何結構復雜的特點對電波傳播路徑形成影響。目前針對艦船艙室內(nèi)部環(huán)境的電波傳播特性的研究相對較少，相關文獻報道很少。

目前艙室內(nèi)部通信系統(tǒng)多采用有線自動電話和聲力電話等傳統(tǒng)通信方式，缺點是只能在艙室固定地點進行通信，隨著裝備的信息化程度提高和通信技術快速發(fā)展，艙室內(nèi)部引入無線通信手段對提升用戶通信體驗和增加通信便捷性有重要意義。本文在艙室模型中引入了射線跟蹤法對三種通信頻段下電波傳播特性仿真建模，并且進行了對比分析。

1 基本方法和原理

傳統(tǒng)的無線通信信道所采用的信道模型為基于統(tǒng)計學的信道模型，其中比較經(jīng)典的統(tǒng)計學模型如瑞利模型[6]。在室內(nèi)空間環(huán)境中，無線通信網(wǎng)絡所采用頻段波長大多為厘米波或者近毫米波，室內(nèi)物品的幾何尺寸都要比波長量級大得多，這就使得電波在傳播過程中的邊界約束條件變得非常復雜，如果采用麥克斯韋方程組進行精確求解需要耗費很大的計算資源，也會耗費很長的時間，麥氏方程組在此情況下適應度很低。當波長與物體幾何尺寸相比足夠小的時候，電磁波在空間環(huán)境中的傳播可以用幾何光學來近似描述，認為電磁波是沿著直線傳播的，電波傳播過程遵守幾何光學定律。在此思想基礎上產(chǎn)生了射線跟蹤法。

射線跟蹤法是基于幾何光學理論和幾何繞射的理論，是對高頻電磁波傳播特性進行估算的一種方法，它的核心思想假設就是用射線模擬電磁波波束，傳播過程中的電磁波的波長看作為零，首先要確定收發(fā)天線周圍的物理環(huán)境特性，再根據(jù)反射、繞射等現(xiàn)象尋找出可能到達天線的射線傳播路徑，最后依據(jù)基本電磁場理論計算出反應實際信道的相關參數(shù)。射線跟蹤法應用電磁波理論建立模型，理論基礎牢固，應用結果具有普遍適用性，具有計算預測精度高、計算速度快的特點。

2 軟件計算準確性驗證

本文要借助Wireless Insite計算軟件平臺進行建模和仿真計算，Wireless Insite是一款能夠在特定物理環(huán)境下對電磁波傳播特性進行仿真的軟件，軟件的內(nèi)部設計計算原理就是基于射線跟蹤法，這款軟件的開發(fā)程度現(xiàn)在已經(jīng)相當成熟。為了驗證Wireless Insite軟件對電波傳輸預測的準確性，進而證明軟件的計算原理和計算結果真實可靠，我們對文獻[7]中的實際測量環(huán)境進行了建模仿真。模型如圖1所示：房間長為15.6 m，寬為14.06 m，發(fā)射信號頻率為60 GHz，接收接收天線和發(fā)射天線的高度均設置為1 m，發(fā)射天線為喇叭天線，接收天線在全向天線，天線的極化方式為垂直極化，發(fā)射功率為10 dBm。房間的墻壁有混凝土和玻璃兩種材料組成，天花板和地板都在混凝土結構，設置電波在傳播過程中經(jīng)歷5次反射、1次繞射和1次透射。在房間的一角處有擋板，發(fā)射機位置和接收機的路徑分別布置在擋板的兩側。

圖1 文獻仿真模型平面圖

運行仿真計算得出接收天線接收功率曲線圖，與原文中實際測量功率值進行比對研究，圖2和圖3分別是原文獻中的接收功率測量值和基于軟件模型的仿真計算值，對比結果明顯的可以看出，兩者的結果基本的衰減趨勢呈現(xiàn)出了良好的一致性，接收功率幅度都幾種在-80～-120 dBm的范圍內(nèi)，在小范圍的距離區(qū)間上面的曲線的抖動有區(qū)別，可能的原因是原文中對玻璃墻區(qū)域沒有給出準確位置和尺寸，在仿真建模中和原文實際測量情景有細微差別。總體看來，仿真結果符合實際測量結果，證明軟件計算結果準確可靠。

圖2 文獻中實際測量結果

圖3 模型仿真計算結果

3 仿真計算和分析

本文選擇計算的仿真模型是經(jīng)過簡化處理的艦船艙室走廊模型如圖4～5所示，走廊艙壁和天花板均為金屬結構，地板上面鋪設有橡膠材料。艙壁上面設有屏蔽門，在艙壁門關閉狀態(tài)時，艙室內(nèi)部接近于電磁屏蔽狀態(tài)。圖6～7為三維仿真模型圖，仿真模型主要計算參數(shù)設置見表1，模型中的發(fā)射機設置為固定點，接收機為“L”型路徑均勻分布在走廊中，相對于發(fā)射機的位置，接收機的路徑有視距范圍（0～13m）和非視距范圍（13～19m）兩部分組成。

圖4 簡化后艙室走廊平面圖

圖5 走廊模型仿真模型結構圖

表1 仿真模型計算參數(shù)

仿真結果如圖6所示，900 MHz頻段的接收功率范圍為-46.15 dBm～7.07 dBm，平均接收功率為-6.07 dBm；2.4GHz頻段的接收功率范圍為-62.65 dBm～0.633 dBm，平均接收功率為-15.35 dBm；60GHz頻段的接收功率范圍為-93.06 dBm～-29.87 dBm，平均接收功率為-44.97 dBm；隨著接收機與發(fā)射機之間的距離增加，在視距范圍內(nèi)接收功率變化幅度較小，但是在短距離的范圍內(nèi)功率曲線有劇烈的抖動,原因是可能是由多徑反射路徑的快速變化造成的。在非視距范圍內(nèi)接收功率隨著距離的增加呈現(xiàn)出快速下降的趨勢，下降幅度最大可達30 dBm，非視距環(huán)境下電波傳播到達的路徑變少，造成區(qū)域接收功率變小?？傮w看來，視距范圍信號的衰減原小于非視距范圍。從不同頻段對比分析角度來看，接收功率隨著頻率的增大而降低，信號頻率越高，傳播過程中衰減越嚴重，60 GHz高頻段不適合應用于長距離信號組網(wǎng)傳輸。

圖6 接收功率仿真結果

圖7為電波信號傳播的時延擴展特性，時延擴展是由于信號經(jīng)過不同路徑到達接收機的時間不同而造成的時間維度上的擴展效應。信號的時延擴展越大越容易引起碼間干擾，進而限制了信號在多徑信道傳輸過程中的碼元的最大傳輸速率，相反時延擴展越小，想干帶寬就越大，傳輸信息速率和抑制碼間串擾的能力就越大。從結果可以看出，2.4 GHz和900 MHz頻段，時延擴展的平均值分別在2.30 E-8s和2.32E-8s，兩者只有微小的差別。60GHz頻段的時延擴展最小，平均值為2.16E-8s。60 GHz時延擴展較小，符合支持高帶寬的頻段特性。從視距和非視距的角度分析，非視距區(qū)域的時延擴展比視距區(qū)域的時延擴展相比差一個數(shù)量級，原因可能為經(jīng)過多重反射后到達非視距范圍的衰減信號較少且時延相差較短造成的。

圖7 時延擴展仿真結果

4 結論

利用現(xiàn)有的成熟通信技術，依據(jù)艦船艙室特點為實際環(huán)境進行設計?，F(xiàn)階段艦船艙室內(nèi)部無線通信系統(tǒng)選頻采用移動通信900 MHz頻段和局域網(wǎng)的2.4 GHz頻段在通信質量上無實質性差異，可以滿足網(wǎng)絡通信需求?？沙休d高帶寬的60 GHz頻段無線電波適用于短距離信息傳輸，在艦船內(nèi)部進行無線組網(wǎng)，通信信號能量損耗較大，基于當前艦船內(nèi)部無線通信對信道容量和帶寬無很高的需求，60 GHz頻段在此應用環(huán)境下優(yōu)勢不明顯。無線通信基站的布置設計盡量避免較多的非視距電波信號覆蓋區(qū)域，信號功率經(jīng)過多次反射等過程后衰減嚴重，通信質量受影響較大。