无线通信频段上人体的穿透损耗测量.doc

无线通信频段上人体的穿透损耗测量周 峰张小雨 韩 皓 张 睿 王悦欣向罗勇工业和信息化部电信研究院工程师工业和信息化部电信研究院西部分院工程师 工业和信息化部电信研究院助理工程师 工业和信息化部电信研究院高级工程师 工业和信息化部电信研究院高级工程师工业和信息化部电信研究院工程师工业和信息化部电信研究院工程师张炎在很多无线通信系统的研究和规划设计中，需要考虑电波穿透人体、墙体和其他物体的穿透损耗。特别 是在无线室内分布系统、物联网中的短距离通信系统、 体域网通信设备等的研究和设计中，需要考虑电波穿 透不同物体的损耗效应。其中文献1使用 FDTD 算法 仿真研究了电磁波穿透墙体的衰减特性。在华留学的 伊拉克学者测量了 2.4 GHz 频段上电波穿透玻璃、水泥 墙等的穿透损耗2。文献3开展了城市环境下信号穿透 墙体、树林等损耗的定量研究，获取了大量测量结果。 文献4通过 FDTD 仿真算法研究了穿戴式传感器网络 的体表信道特征。就人体造成的电波穿透损耗研究而言，目前是缺 乏充分的测量数据的，特别是在多个移动通信频段上 的系统测量数据、其人体穿透损耗和等墙体等物体的 穿透损耗测量结果的对比数据。为此，我们选取了无线 通信的典型频点，开展了实验测量研究。1 测量实验我们在工业和信息化部电信研究院西部分院 （重MSTT August 201220摘要：本文选取了 750 MHz5.8 GHz 频段上无线 通信的常用频点，测量了人体、木门和墙体造成 的电波穿透损耗。测量结果表明，人体造成的穿 透损耗从 5.8 dB20 dB 不等，这是是值得注意 的。在实验中人体的遮挡面积是远小于墙面的， 也小于木门，但是却获得了接近的穿透损耗。 关键词：人体，穿透损耗，无线通信Abstra ct：In common frequency points of wireless communications in the 750MHz 5.8GHz band, this paper got measurement of radio penetration loss caused by human body, wooden door and wall. The measurement results show that penetration loss caused by human body is ranged from 5.8dB to 20dB, this is noteworthy. In the experiment, block area of the body is less than the wall and wooden door, but caused similar penetration loss.Key Words: Human body, Penetration Loss, Wireless communicationM ODERN SCIENCE & TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS现代电信科技庆）的物联网实验室开展了实验研究，测量时环境温度 20 摄氏度，相对湿度 53%。实验中使用 Agilent E8257D 信号发生器产生一个 25 dBm 的连续波信 号，使用 Agilent E4440A 频谱分析仪接收信号，收发 天线为相同型号的宽带双脊喇叭天线，天线极化方 式为垂直极化，天线端口在较宽频段上的 S11 参数 测量曲线如下图 1 所示 （使用 Agilent E8363B 矢量 网络分析仪测量）。（a）发射天线端口0图 2 测量参考功率墙，厚 26.1 cm）。其中在遮挡物是人和墙体时，发射天线口面距离遮挡物约 95.5 cm，接收天线口面距离 遮挡物约 139cm。人体遮挡的场景如图 3 所示。-10261cm-20-300246频率（GHz）81095.5cm139cm（b）接收天线端口0-20图 3 遮挡物的距离关系-40在设置遮挡物后，测量各个频点上的接收功率，参考功率和不同遮挡时的接收功率测量结果如下表1 所示。表 1 接收功率测量值-600246频率（GHz）810图 1收发天线端口 S11 参数测量曲线测量结果表明，在 750 MHz5.8 GHz 的较宽频段内，天线端口的回波损耗较小，可以用来开展该项 实验。在实验中，收发天线口面中心的高度均为 105 cm，使用三脚架固定天线。收发天线的口面距离 为 261 cm。本文设置测量距离的主要考虑之一，是 模拟室内短距离无线通信设备的应用场景。在实验中，首先正对天线口面，直射路径上没有 任何遮挡物，测量不同频点上的接收功率，如图 2 所 示，称该接收功率为参考功率。然后在不改变其他测量条件的情况下，在电波 的直射路径上设置 3 种遮挡物，分别是人体 （身高181 cm，人体平面与直射路径垂直）、木门（高 2 m，宽 1.7 m，厚 5 cm）、轻体砖砌成的完整墙面（非承重处理表 1 数据，即用参考功率的 dB 值减去不同遮挡时的接收功率的 dB 值，就得到相应的穿透 损耗，穿透损耗如表 2 所示，这是本文的结论性数 据。2 0 1 2 年 8 月第 8 期 现代电信科技21S11（dB）S11（dB）105cm频率（MHz）参考（dBm）人体（dBm）木门（dBm）墙（dBm）750- 1 0.75- 1 6.55- 1 5.93- 1 3.74900- 1 5.42- 1 2.02- 1 5.1 3- 1 2.361 800- 8.89- 28.1 6- 21 .63- 1 9.0421 00- 1 4.5- 20.65- 20.76- 1 8.272400- 1 6.32- 23.1 3- 24.71- 22.972600- 1 3.95- 25.51- 22.53- 22.775800- 1 2.1 5- 31 .8- 25.54- 25.48E 4440 O E8257D 1 CTTL Test泰尔测试表 2 穿透损耗测量值要好于使用较高频段的。从实验数据来看，人体的穿透损耗是比较可观 的。在实验中人体的遮挡面积是远小于墙面的，也小 于木门，但是却获得了相差不多的穿透损耗，比如在 很多物联网设备工作的 2.4 GHz 频率上，人体、木门 和墙体的穿透损耗分别是 6.81 dB、8.39 dB 和 6.65 dB。就宏基站的覆盖而言，很多情况下电波的直射 传播路径并不是最关键的。但是对于很多短距离无 线通信设备，主要依赖直射路径进行无线传输，在室 内应用场景中，直射路径很容易受到人体的遮挡，在 这种情况下就要充分考虑人体对电波传播的遮挡因 素。为便于直观，将表 2 数据作图如图 4 所示。20153 结论10本文选取了 750 MHz5.8 GHz 频段上无线通信的常用频点，测量了电波穿透遮挡物的损耗，遮挡物 选取了人体、木门和墙体。测量结果表明，人体造成 的穿透损耗从 5.8 dB20 dB 不等，这是值得注意的。 在实验中人体的遮挡面积是远小于墙面的，也小于 木门，但是却获得了相差不多的穿透损耗。所以在相 关短距离无线通信系统的研发中，要充分考虑人体5人体木门 墙体0-50200040006000图 4 穿透损耗测量值对电波传播的衰减效应。2 数据分析参考文献1 郭山红，孙锦涛，谢仁宏，等.电磁波穿透墙体的衰减特性J.强激 光与粒子束.2009（1）.2 穆罕默德 YE，阿朴杜拉 AS，刘元安. 室内 2.4 GHz 频率上穿透损耗的测量J.北京邮电大学学报.2004，27（2）:98- 102. 3 王召召.城市环境下通信信号穿透损耗的定量研究D.郑州大学硕 士学位论文，2010.4 基于 FDTD 方法的 2.4/5.2/5.7 GHz 穿戴式躯域传感器网络体表信 道特征分析J.东南大学学报（英文版），2007，23（2）:151- 155.就表 1 所示的测量值，可以看到 900 MHz 的穿透损耗是负数，这是不符合日常经验的。在测量中我 们已经意识到这一点，为此进行了干扰排查，但是确 实没有显著的干扰信号存在，明显是实验现象就是： 插入遮挡物后，接收信号变大了，所以本文还是实录 测量数据于此。我们曾试图使用等效的传输线模型、 电磁波衍射模型来解释该现象，但是没有取得可比 对的计算结果。可以看到，穿透损耗随频率的变化并不单调，但 是总体看较低频段的损耗要小于较高频段的，比如750 MHz 上的穿透损耗约为 3 dB6 dB，而 2.6 GHz 上的穿透损耗约为 8.5 dB11.5 dB，差距是明显的。 从这个角度来说，使用较低频段进行