（电磁场与微波技术专业论文）indoor+propagation+mechanisms+and+channel+characterization+at+24+ghz+ism+band.pdf

摘要 由于i s m ( 丁业、科学和医药) 无线频段的独特性和其在室内、室外系统的潜在应 用，近几年受到了业界的广泛关注。目前已有许多数据通信系统工作在这。免费频段上。 无线局域网( w l a n ) 和蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 是两类典型的例了。为了实现这些系 统的应用，对2 4 g h z 室内无线信道进行测量、定性和建模是十分必要的。 本文的丰要目的是研究建筑物内的无线电波传播机制，分析i s m 频段( 2 4 g h z ) 通 信信道的特性，全面彻底地了解i s m 频段的通信潜力。 本文首先研究了电磁波通过各种典型材料墙壁的传播特性。通过矢量网络分析仪测试 了每种物质的介电常数和损耗角正切。五种典型的建筑材料被采用，即：玻璃、薄木片、 厚术块、木门和混凝土墙。利用一种基于连续内部多反射的理论模型估计了它们的电参 数。考虑到墙壁的损耗，本文提出了一种路径损耗模型。 在研究了建筑材料的特性之后，本文分析了电磁波的传播机制和电参数对传播机制的 影响。文中仿真了光滑表面和粗糙表面的反射因予。采用多射线模型仿真了一个厚度较 小( 相对于波长) 的光滑表面。利用多层模型仿真了一个具有多层结构的隔间。根据均 匀衍射理论计算了室内拐角的衍射场。之后，论文又分析了电参数对反射和衍射因了的 影响。 利用射线跟踪模型仿真了室内无线信道。文中分析了建筑物的电磁特性对室内无线信 道特性的影响。针对不同的电容率和电导率，仿真了信号电平、均方时延扩展和相干带 宽。我们的仿真实验针对不同的反射级别( 反射级别：每一射线的最大反射次数) a 在室内环境，由于处于发射、接收天线附近的人的走动和( 或) 终端在本地小范围的 移动导致信道变化十分频繁。文中给出了一些有关室内环境下的多径接收功率随空间、 时问的变化关系和均方时延扩展的重要结果。 测量结果和模型为不仅为无线系统的设计和安装提供了指导，同时也深刻洞察了 2 4 g h z 电波传播特性。 a b s t r a c t i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ( i s m ) b a n dh a sa t t r a c t e dt r e m e n d o u s a t t e n t i o ni nr e c e n t y e a r s d u et oi t s u n i q u ec a p a b i l i t i e s a n d p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n sf o ri n d o o ra n d o u t d o o rs y s t e m s an u m b e ro fd a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e dt o u t i l i z et h eu n l i c e n s e di n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ， a n dm e d i c a lb a n da t2 4g h z t h et w om o s tp r o m i n e n te x a m p l e so fs u c h s y s t e m sa r ew l 4 n ，a n db l u e t o o t he n a b l e dd e v i c e t oa s s i s ti nd e p l o y i n go f t h o s e s y s t e m s ，m e a s u r i n g ，c h a r a c t e r i z i n g ， a n d m o d e l i n g o f i n d o o rr a d i o p r o p a g a t i o na t2 4g h z i sr e q u i r e d t h e p r e s e n t r e s e a r c ha i m e da t i n v e s t i g a t i n g t h e p r o p a g a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c w a v e si n s i d et h e b u i l d i n ga n dt o o b t a i na t h o r o u g ha n d c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n g o ft h e p o t e n t i a l s o f2 4g h zi s mb a n d t e c h n o l o g i e sb yc h a r a c t e r i z i n gt h e2 4g h z i s mb a n dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s o n eo ft h eo b j e c t i v e so ft h i sr e s e a r c hi st oe x a m i n et h ep r o p a g a t i o nt h r o u g h w a l l sm a d eo ft y p i c a lb u i l d i n gm a t e r i a l t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t sa n dl o s s t a n g e n t so fe a c hm a t e r i a la r em e a s u r e du s i n gv e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r f i v e b u i l d i n gm a t e r i a l sh a v eb e e nu s e df o rt h i si n v e s t i g a t i o n t h e s em a t e r i a l sa r e g l a s s ，c h i pw o o d ，t h i c kw o o d ，w o o d e nd o o r ，a n dc o n c r e t ew a l l at h e o r e t i c a l m o d e lb a s e do ns u c c e s s i v ei n t e r n a lm u l t i r e f l e c t i o nh a sb e e nu s e dt oe s t i m a t e t h ed i e l e c t r i c p a r a m e t e r s ap a t h l o s sm o d e l t a k i n g i n t oa c c o u n tt h e a t t e n u a t i o nd u et ot h ew a l l sa n df l o o r si sp r e s e n t e d f o l l o w i n g t h e c h a r a c t e r i z i n g o f b u i l d i n g m a t e r i a l st h em e c h a n i s m so f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o na n dt h ee f f e c t o fd i e l e c t r i cp a r a m e t e r so n t h e s em e c h a n i s m sa r ep r e s e n t e d r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t sf o rs m o o t ha n dr o u g h s u r f a c e sh a v e b e e ns i m u l a t e d m u l t i r a y m o d e li su s e dt os i m u l a t et h e r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t sf o ras m o o t hs u r f a c ew i t hat h i c k n e s sj sn o tt o ol a r g e c o m p a r e d t ot h ew a v e l e n g t h m u l t il a y e rm o d e li su s e dt os i m u l a t eap a r t i t i o n c o n s i s to fm a n yl a y e r s t h eu n i f o r mt h e o r yo fd i f f r a c t i o ni sa p p l i e dt oc a l c u l a t e t h ed i t a c t e df i e 】do it h ec o r n e l 1 1 1a ni n d o m o n v i l , o n l n ，n 卜7 1 1 h cc t k c l ( j f d i e l e c t r i cp a l a m e t e r so nt h er e f l e c t i o na r i dd i f f r a c t i o nc o e f f i c i e n l si sp r e s e n l e d r a y t r a c i n gm o d e lh a sb e e nu s e dt os i m u l a t et h ei n d o m r a d i oc h a n n e l 7 l h e i n f l u e n c eo ft h e b u i l d i n ge l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e s o nt h ei n d o o r r a d i o c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e np e r f o r m e d s i g n a ll e v e l ，r m sd e l a ys p r e a d ， a n dc o h e r e n c eb a n d w i d t ha r es i m u l a t e df o rd i f f e r e n tv a l u e so fp e r m i t t i v i t ya n d e o n d u c t i v i t y s i m u l a t i o n s ，, v e r e m a d e v a r y i n g t h el i m i t ，i nt h eo r d e ro f r e f l e c t i o n ( t h em a x i m u mn u m b e ro fr e f l e c t i o n st h a ta t ec o n s i d e t e df o re a c hl a y i nt h es i m u l a t i o nt 0 0 1 ) i ni n d o o re n v i r o n m e n t ，c h a n n e lv a r i a t i o n sw h i c ho c c u rn l o s tf r e q u e n t l ya r e d u et ot h em o v e m e n to fp e r s o n a ln e a rt h et r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n ga n t e n n a s a n d o rl o c a lm o v e m e n t so ft e r m i n a l sa r o u n dag i v e nl o c a t i o n s i m p o r t a n l i n f o r m a t i o na b o u ts p a t i a la n ds h o r tt i m ev a r i a t i o n sf o rm u l t i p a t hr e c e i v e d p o w e r a n dr m s d e l a ys p r e a di ni n d o o re n v i r o n m e n t si sp r e s e n t e d t h em e a s u r e m e n t sr e s u l t sa n dm o d e l sp r o v i d en o to n l y g u i d e l i n e s m w i r e l e s ss y s t e md e s i g na n di n s t a l l a t i o n ，b u ta l s og r e a ti n s i g h t si n2 4o h z w a v e p r o p a g a t i o n l l l a c k n o w l e d g m e n t s 1w o u l dl i k et oe x p r e s sm y h i g hg r a t i t u d ea n d i n d e b t e d n e s st om y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uy u a n a l lf o rh i si n v a l u a b l ei n s p i r a t i o na n ds u p p o r t i t g i v e sm eg r e a tp l e a s u r et oe x p r e s sm ys i n c e r ea p p r e c i a t i o nt of o r e i g n a f f a i r so f f i c ei nb e i j i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n sf o rt h e i r e n c o u r a g e m e n ta n ds u p p o r tt h r o u g h o u tm y d o c t o r a ls t u d y 1w o u l de k et o a c k n o w l e d g e t h e s u p p o r t a n df a c i l i t i e s p r o v i d e db y t e l e c o m m u n i c a t i o nm e t r o l o g yc e n t e ro fm i i i nb e i j i n g n ow o r d sc a ne x p r e s sm yd e e pa p p r e c i a t i o na n dg r a t i t u d et om y w i f ef o rh e r s u p p o r t ，e n c o u r a g e m e n tt h r o u g h o u t t h es t u d y ia mv e r yg r a t e f u lt om yf r i e n dm r k a r e e mf o rh i sa s s i s t a n c ea n ds u p p o r t d u r i n gm y w o r k c h a p t e r 1 i n t r o d u c t i o n 1 1w h a ti st h ei s m i s mi sa na c r o n y mf o ri n d u s t r i a l s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l t h i sr e f e r st ot h e u n l i c e n s e dr a d i ob a n d s ，w h i c ha r et y p i c a l l yu n u s e dd u et oi n t e r f e r e n c ef r o m m e d i c a l i n d u s t r i a la n ds c i e n t i f i ce q u i p m e n t t e c h n o l o g i e ss u c ha sw i r e l e s s l a n sa n db l u e t o o t hu s et h e s eb a n d ss i n c en og o v e r n m e n t a la p p r o v a li s n e e d e df o rt r a n s m i s s i o n ，m a k i n gi tag r e a td e a lc h e a p e r w h i l s ti n t e r f e r e n c ei s s t i l la ni s s u e ，t e c h n o l o g i e sf o ro v e r c o m i n gi ta r eb u i l ti n t om o s tt e c h n o l o g i e s u s i n g t h e s eb a n d s t h el i c e n s e f r e ei s mb a n d sh a v eb e e ns e ta s i d e i n t e r n a t i o n a l l y f o ru s ei ni n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a la p p l i c a t i o n s i n e a c ho ft h e s eb a n d s ，t h er a d i od e v i c e sa r er e q u i r e dt ou s es p r e a ds p e c t r u m m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s t h et w ot y p e so fa l l o w e ds p r e a ds p e c t r u mm o d u l a t i o n a r ed i r e c ts e q u e n c e ( d s s s ) a n d f r e q u e n c yh o p p i n g ( f h s s ) 1 1 2t h ei s mb a n da l l o c a t i o n s t h e f o l l o w i n g a r et h ei n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n dm e d i c a l ( i s m ) b a n d a l l o c a t i o n s ： 9 0 2 m h z 一9 2 8 m h z 2 4 0 0 0g h z 一2 4 8 3 5g h z 5 2 7 5g h z5 8 7 5g h z 9 0 0m h z c o r d l e s sp h o n e s ，s o m ew a n ，p r o p r i e t a r yl a n ，i n d u s t r i a lh e a t i n g ( r e m o t ec o n t r o l s ，i n s t r u m e n t a t i o n ，a n dt e l e m e t r y ) 2 4g h z c o r d l e s sp h o n e s 。b l u e t o o t h ，8 0 2 1 i b ( w i f i ) ，h o m e r f ，m i c r o w a v e o v e n s 5g h z m o b i l es a t e l l i t e ，8 0 2 1l a ，h i p e r l a n 2 ，h i p e r t a n 8 0 2 1 53 ，f i x e d w i r e l e s s 1 。3i s mb a n db e r i e f i t s t h e f o l l o w i n ga r et h ei n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n dm e d i c a l ( i s m ) b a n db e n e f i t s i n h e r e n t l yr e s i s t a n tt or f i n t e r f e r e n c e m u l t i p l es y s t e m s c a ns h a r et h eb a n d r u l e so fc o o p e r a t i o r ta r ei np l a c e t w o 。w a yc o m m u n i c a t i o na l l o w s f o r a c k n o w l e d g e dd a t at r a n s f e rw i t h r e t r a n s m i t sa sn e e d e d a u t o m a t i cl o a db a l a n c i n g r e m o t em o n i t o r i n go ft h e s en e t w o r k si sp o s s i b l e a b i l i t yt o d e t e c ta n dc o r r e c t d e v e l o p i n gp r o b l e m sb e f o r et h e y a f f e c t s u s e r s a d d i t i o n a la c c e s sp o i n t s p r o v i d eg r e a t e rc a p a c i t y u pt o1 5a c c e s sp o i n t s w i t hc u r r e n te t h e r n e tt r e n d s t h e r ei sn ol i m i t a t i o no nb a c k b o n e c a p a c i t y n e wb a n d si nt h e5g h zr a n g ew i l lh a n d l eh i g hd a t ar a t et r a f f i c nol i m i t a t i o no nt y p eo fd a t ac o m m u n i c a t e d s u p p o r t sp h o n e s ( v o i p ) s u p p o r t w i r e l e s sp d ad e v i c e s s i m p l i f i e df r e q u e n c ym a n a g e m e n t ， c a n s u p p o r t f u t u r ed e v e l o p m e n t ， ，i n f r a s t r u c t u r ei sl e s sc o s t l yt h a nf o rc o m p a r a b l et r a d i t i o n a lt e l e m e t r y t a k ea d v a n t a g eo fl o w e rc o s t st h a tr e s u l tf r o mh i g h e rv o l u m e sw h e n u s i n gs t a n d a r d s 。b a s e d i n f r a s t r u c t u r ee l e m e n t s 2 1 4t h e2 4g h zi s mb a n d t h i sn e q u e n c ) r a n g eh a sb e e ns e ta s i d eb yt h ef e d e r a lc o m m u n i c a t i o n c o m m i s s i o n ( f c c ) ，a n di sg e n e r a l l yl a b e l e dt h ei s mb a n d af e w ) r e a r sa g o a p p l ea n ds e v e r a lo t h e rl a r g ec o r p o r a t i o n sr e q u e s t e dt h a tt h e ( f c c ) a l l o w t h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k sw i t h i nt h i sf e q u e n c yr a n g e w h a tw eh a v e t o d a yi sap r o t o c o la n ds y s t e m t h a ta l l o w sf o ru n l i c e n s e du s eo fr a d i o sw i t h i na p r e s c r i b e dp o w e rl e v e l t h ei s mb a n di sp o p u l a t e db yi n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c a n dm e d i c a ld e v i c e st h a ta r ea l ll o w p o w e rd e v i c e s ，b u tc a n i n t e r f e r ew i t h e a c h o t h e r 3 j a d v a n t a g e ：t h e 2 4g h zb a n d s r e l a t i v e l y l o wf r e q u e n c ym a k e si t y e w a p p r o p r i a t e f o r m o b i l e r o a m i n g a n d l o n g e rr a n g e f i x e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，a n di t sl i c e n s e e x e m p ts t a t u ss t r e a m l i n e si m p l e m e n t a t i o n a n d c o m p l i a n c ew o r l d w i d e ， t h e2 4g h zb a n dh a ss e v e r a la d v a n t a g e so v e rt h e9 0 0m h zi s mb a n d i n a d d i t i o nt ot h eb e n e f i t sl i s t e da b o v e ，t h e2 4g h zb a n dh a st h r e et i m e sm o r e b a n d w i d t hc a p a b i l i t y ，m a k i n gi tm o r es u i t a b l ef o rd a t a 。c e n t r i cc o m m e r c i a la n d i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s m o r e o v e r ，r e c e n tf c cr u l e sm o d i f i c a t i o n sa l l o wu pt o 4 0 0w a t t se f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ( e i r p ) f o rp o i n t 。t o p o i n tl i n k si n t h e2 4g h zb a n d f a c i l i t a t i n gs u p e r i o ro p e r a t i n gr a n g e 2 4g h zi sa l s oa w o r l d w i d el i c e n s e f r e eb a n d ；t h e9 0 0m h zb a n di sl i c e n s e f l e eo n l yi nn o r t h a m e r i c aa n da u s t r a l i aa n dl i m i t st h ed e p l o y m e n tp o s s i b i l i t i e sf o r9 0 0m h z p r o d u c t s 【4 j t h e9 0 0m h zi s mb a n di sa l s oh e a v i l yc o n g e s t e dw i t hc o n s u m e rp r o d u c t s a n do t h e rt e c h n o l o g i e s i ni n d u s t r i a la n dc o m m e r c i a ls e t t i n g s ，f o re x a m p l e ， 9 0 0m h zt r a n s c e i v e r sa r eo f t e na d v e r s e l ya f f e c t e db yp a g i n go rc e l lp h o n e t o w e r s ，w h i c ho p e r a t ea th i g hp o w e r a n d j u s ta b o v e o rb e l o wt h i sb a n d d i s a d v a n t a g * e d u e t oi t sa l m o s tg l o b a la v a i l a b i l i t y t h e2 4g h zi n d u s t r y s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ( i s m ) u n l i c e n s e db a n dc o n s t i t u t e sap o p u l a rf r e q u e n c y b a n ds u i t a h l et ol o wc o s tr a d i os o l u t i o n ss u c ha st h eo n e sp r o p o s e df o rw p a n 。 3 w l a n ，a n db l u t o o t h t h i ss h a r i n go ft h es p e c t r u ma n l o n gv a l i o u sw i r e l e s s d e v i c e st h a tc a n e 1 ) c r a t e i nt h es a m ee n v i r o n m e n t m a y l e a dt ( js e v e r ( ! i n t e r f e r e n c ea n dr e s u l ti ns i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n1 5 1 1 5t h e2 4g h zi ni n d o o r a p p l i c a t i o n s v a r i o u ss p r e a ds p e c t r u mi n d o o rr a d i oc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n su s et h e 2 4g h zb a n d 【6 t h i si n c l u d e sw l a ns y s t e m s ( n o tn e c e s s a r i l yo ft h et y p e i e e e8 0 2 1 l b ) 【7 】，c o r d l e s sp h o n e s ，w i r e l e s sm e d i c a lt e l e m e t r ye q u i p m e n ta n d b l u e t o o t hs h o r t r a n g ew i r e l e s sa p p l i c a t i o n s ，w h i c hi n c l u d ec o n n e c t i n g p r i n t e r s t oc o m p u t e r sa n dc o n n e c t i n gm o d e m so rh a n d s 。f r e ek i t st om o b i l ep h o n e s 【8 f i g u r e ( 1 - 1 ) s h o w st h es i m p l e s tw l a nc o n f i g u r a t i o n ，w h i c hc o n n e c t sas e to f p c so rn o t eb o o k sw i t hw i r e l e s sa d a p t e r s t h ew i d e s ts p r e a du s eo fw l a n st od a t ei sf o ri n t e r n a ln e t w o r k i n go fp c s a n dp e r i p h e r a l s h e r et h ef u n c t i o n a l i t yp r o v i d e di se s s e n t i a l l ys i m i l a rt ot h a t o f f e r e db yac o n v e n t i o n a lw i r e dn e t w o r k ，b u t ，c r u c i a l l y ，a l l o w su s e r st ob e h a v e i nan o m a d i cf a s h i o nw i t h i nt h eo f f i c ee n v i r o n m e n t ，m o v i n gf l e e l ya r o u n dt h e c o v e r a g ea r e ab u tb e i n gs t a t i ca tt h ep o i n to fi n t e r a c t i o nw i t ht h el a n i t s e l f 【9 】t h i sp e r m i t sam o r ef l e x i b l ew o r k i n gs t y l e ，a n da l s oa l l o w sg r e a t e r p l a n n i n gf l e x i b i l i t yi nt e r m s o ft h eo f f i c el a y o u ta n du s eo fs p a c e t h u sf a r ，t h e a p p r o a c h h a s p r o v e dp a r t i c u l a r l y a t t r a c t i v et o c o m p a n i e sh a v i n g a h o t d e s k i n g a p p r o a c h ，f o re x a m p l ew h e r eal a r g es a l e sf o r c ei sc o n c e r n e d ，o rf o r a r e a ss u c ha sc o n f e r e n c ef a c i l i t i e sa n dm e e t i n gr o o m sw h e r eu s e r sm a yb e p r e s e n t f o raf a i r l yb r i e fp e r i o do ft i m e ，b u tw i l lr e q u i r eaw i d er a n g eo f i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ( i c t ) f a c i l i t i e sw h i l s ti nt h ea r e a i ti s i n t e r e s t i n g t on o t e h o w e v e r ，t h a ta l t h o u g h w l a nm a n u f a c t u r e r sa r e e n t h u s i a s t i ct op r o m o t et h ea d v a n t a g e so fw i r e l e s sc o n n e c t i v i t y ，t h e r er e m a i n s ag e n e r a lv i e wt h a tw l a n sa r ep r o b a b l ya tt h e i rm o s tv a l u a b l ew h e nu s e da s as u p p l e m e n tt o ，r a t h e rt h a nac o m p l e t es u b s t i t u t ef o r ，c a b l e t h eb a n d w i d t h o f f e r e d b y c a t 5 c a b l i n g f o r e x a m p l e ，c o m b i n e d w i t hi t s i m m u n i t y t o i n t e r f e r e n c e ，i s c h a r a c t e r i s t i c s t h a t r a d i o c a n n o t c u r r e n t l ym e e t a n o t h e r 4 c o m m o n a p p l i c a t i o n o fw l a nt e c h n o l o g yi si nr e t a i la n d w a r e h o u s i n g e n v i r o n m e n t s ，w h e r et h e ya r eu s e dt ol i n ke l e c t r o n i cp o i n to fs a l e ( e p o s ) t e r m i n a l sa n ds t o c kc o n t r o le q u i p m e n ts u c ha sr e m o t eb a rc o d er e a d e r s i nt h i s a p p l i c a t i o nt h et e c h n o l o g ym a yb eu s e di nc o n j u n c t i o nw i t hr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) d e v i c e s ，a l s oo p e r a t i n gi nt h e2 4g h zb a n d a p _ ns 伯d o n a d h o c m o d e p r i n t e r w i r e l e s ss t i i l i o n w j t e l e s ss 协t i c h n f i g u r et l 。1 ) s i m p l e s tw l r e l e s s n e t w o r k f o r i n d o o r a p p h c a t i o n s 1 6i n d o o rr a d i o p r o p a g a t i o n a sm e n t i o n e di nt h ep e r v i o u ss e c t i o nan u m b e ro fd a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m sh a v e m e nd e v e l o p e dt o u t i l i z et h eu n l i c e n s e di n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i