（通信与信息系统专业论文）室内mimo传播模型及关键技术研究.pdf

摘要 无线通信技术在过去十年中经历了空前的发展 互联网业务也呈现了爆炸式 的增长 技术的革新和方便的网络接入让人们能够随时随地享受到无线网络的便 捷 有统计表明 移动通信7 0 以上的业务发生在室内 因此完善室内覆盖 提 升用户体验 已经成为无线网络发展的基本要求 但室内环境的复杂构造 给无 线传输技术带来了新的挑战 论文首先研究了室内覆盖预测技术 并且将预测技术应用到所开发的w i f i 室 内定位系统中 实现了 离线采样 模块 建立了w i f i 覆盖区域的信号强度与位 置对应的数据库 用于实现下一步的 在线定位 模块的开发 接下来 论文研究了室内信号的相关性对m i m o 信道容量的影响 论文将3 d 信号模型引入到室内信号的研究中 描述了垂直维度上的信号功率角度谱 推导 了3 d 模型下相关系数的计算方法 最后通过仿真考察阵列间距 到达角度等参数 对相关系数的影响 进而对m i m o 容量产生的具体影响 最后 论文研究了8 0 2 1 l n 标准中所支持的s t b c 波束赋形等多天线关键技 术 搭建了8 0 2 1 1 n 物理层仿真平台 通过仿真评估了这些技术在各种信道模型下 的性能表现 关键词 室内覆盖w i f i 定位3 d 信号模型8 0 2 1 l a m i m o a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a se x p e r i e n c e dt r e m e n d o u sg r o w t hi nt h el a s t t e ny e a r s t h ei n t e r n e tb u s i n e s sa l s oh a da ne x p l o s i v eg r o w t h 1 1 1 ei n n o v a t i o no ft h e t e c h n o l o g ya n de a s yi n t e m e ta c c e s s i n gm a k ei tp o s s i b l ef o rp e o p l et oe n j o yt h e c o n v e n i e n c eo fn e t w o r ka ta n y w h e r ea n da n y t i m e s t u d yi n d i c a t e dt h a to v e r7 0 o ft h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o nb u s i n e s sh a p p e n e di ni n d o o re n v i r o n m e n t t h e r e f o r e i m p r o v i n g t h ei n d o o rc o v e r a g e p e r f e c t i n gt h eu s e r se x p e r i e n c eb e c a m eab a s i cr e q u i r e m e n tf o r 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 s h o w e v e r t h ec o m p l e x i t yo ft h ei n d o o r e n v i r o n m e n tb r o u g h tn e wc h a l l e n g e st ow i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t 1 1 i sp a p e rf i r s ts t u d i e di n d o o rc o v e r a g ep r e d i c t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i e dt h i st o t h ew i f ii n d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e m w ei m p l e m e n t e dt h e o f f l i n es a m p l i n g m o d u l e b u i l ta s i g n a ls t r e n g t ht ol o c a t i o n d a t a b a s ef o rw i f ic o v e r e da r e a i no r d e rt oa c h i e v e t h en e x ts t e p o n l i n ep o s i t i o n i n g m o d u l e n e x t p a p e rs t u d i e dt h ei n d o o rs i g n a lc o r r e l a t i o na n di t si m p a c to nm i m oc h a n n e l c a p a c i t y w ei n t r o d u c e dt h e3 ds i g n a lm o d e li n t ot h er e s e a r c ho fi n d o o rs i g n a l c o r r e l a t i o n a n dd e s c r i b e dt h ea n g e lp o w e rs p e c t r u mo nv e r t i c a ld i m e n s i o n d e r i v e dt h e c a l c u l a t i o no fc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tw h e nu s i n gt h e3 dm o d e l t h e n s i m u l a t i o ni s a p p l i e dt oi n v e s t i g a t eh o wt h ep a r a m e t e r sa sa r r a ys p a c i n ga n da n g l eo fa r r i v a li m p a c t t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t a n dt h u si m p a c tt h ec h a n n e lc a p a c i t yo ft h ee n t i r em i m o s y s t e m f i n a l l y t h i sp a p e rh a dar e s e a r c h o ns t b c b e a m f o r m i n ga n do t h e rk e y t e c h n o l o g i e ss u p p o r t e db yt h e8 0 2 1ins t a n d a r d w es e tu pt h e8 0 2 1inp h y s i c a ll a y e r s i m u l a t i o np l a t f o r m s i m u l a t e da n de v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et e c h n o l o g i e s 厕t hd i f f e r e n tc h a n n e lm o d e l s k e yw o r d s i n d o o rc o v e r a g e w i f ip o s i t i o n i n g3 dc h a n n e lm o d e l8 0 2 1ln m i m o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究内容和意义 移动通信的普及让越来越多的人在室内享受到了无线网络的快捷 根据最新 统计表明 视频电话 流媒体 在线游戏等高速数据业务 超过7 0 都发生在室 内环境中 其次 3 g 业务的发展方向也更加重视室内应用的丰富性 因此 为了 更好的满足用户体验需求 如何描述室内传播路径 预测并改善室内覆盖就成为 业界广泛关注的问题 室内覆盖是针对室内用户群 用于改善建筑物内移动通信环境的一种有效的 方案 一般而言 实现室内覆盖技术主要有三种方式 一种是微蜂窝有线接入方 式 是以室内微蜂窝系统作为室内覆盖系统的信号源 即有线接入方式 适用于 覆盖范围较大且话务量相对较高的建筑物内 在市区中心使用较多 解决覆盖和 容量问题 第二种是宏蜂窝无线接入方式 是以室外宏蜂窝作为室内覆盖系统的 信号源 即无线接入方式 适用于低话务量和较小面积的室内覆盖盲区 在市郊 等偏远地区使用较多 最后一种是直放站方式 通过直放站将室外信号引入室内 的覆盖盲区 在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖 随着多天线技术的快速发展 将m i m o 系统引入到室内环境 来改善室内覆 盖效果 体现出了无与伦比的优势 在对室内m i m o 信号进行分析时 由于天线 间距的限制和丰富的反射 折射体的存在 使得衰落存在明显的相关性 这极大 的影响了m i m o 系统的容量 d a s h a ns h i u 等在之前的研究中运用o n e r i n g 模型 推导了信号相关性的计算方法 并得出衰落相关性影响着m i m o 系统子信道的特 征值的分布 进而影响了整个m i m o 系统的容量 然而在室内环境下 发送端和 接收端通常都位于丰富的反射 折射体的包围中 信号可能从任意角度到达 这 时 仅在水平维度上描述信号到达方向的o n e r i n g 模型 就不再满足室内研究需 求 因此将3 d 信号模型引入到室内信号的研究中 就显得十分重要 i e e e8 0 2 1 l n 标准在原有的i e e e8 0 2 标准基础上在物理层引入 o f d m m i m o 技术 从而可以为用户提供更高的数据速率 更大的覆盖范围和更 高的可靠性 同时 8 0 2 1 l n 标准也是描述多天线在室内环境传播的最好的平台之 2 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 一 所以 通过8 0 2 1 l n 平台来验证多天线技术在不同室内环境下的性能表现能够 提供更可靠的仿真依据 1 2 背景技术介绍 1 2 1 室内无线信道特点及研究发展 与有线通信中稳定 良好的通信状况不同 无线传播环境是随时间 路径和 其他外部因素变化而变化的传播环境 无线电信号不仅会随着传输距离的增加而 迅速损耗 而且当环境周围存在障碍物 或传播路径受到阻挡时 会产生反射 衍射 透射等多条传播路径 这些多径信号到达接收地点的幅度 相位和到达时 间都不尽相同 多径信号的相互叠加会使接收信号电平快速变化并产生时延扩展 因此 对无线传播信道特性充分的了解 是理解 分析整个无线通信系统的基本 要素 无线信道的传播模型一般分成两种 大尺度传播模型和小尺度传播模型 其 中 大尺度模型 也称为大尺度路径损耗 主要描述了信号强度随距离的平均衰 落情况 通常在米以上的数量级 小尺度模型用于描述短距离 波长级 或短时 间 秒级 内的信号变化情况 这两种衰落在无线通信中总是同时存在 并相互 叠加 共同影响着传播特性 多普勒效应 多普勒效应 1 l 是由发送端和接收端之间的相对运动引起的 当移动台在运动中 通信时 接收信号频率会发生变化 这是一般波动过程都具有的特性 多普勒效 应引起的附加多普勒频移称为多普勒频移 表示为 石 c o s 其中 是无线电波与移动端移动方向的夹角 1 是移动速度 a 是波长 多径效应 无线传播中 信号一般不是由唯一路径而来 而是许多条传播路径的合成波 由于无线电波传播的距离 时间 相位等均有所不同 所以这些信号在接收端叠 加时 存在同相叠加或者反向叠加 从而造成信号幅度的急剧变化 这种现象叫 做多径效应 第一章绪论 3 随着蜂窝移动无线通信系统在世界范围内的巨大成功 加上微处理技术和软 件工程的迅速发展 使得便携式的通信设备成为可能 这大大的促进了室内通信 业务的增长 因此 人们对更全面的网络覆盖也提出了新的需求 从上世纪8 0 年 代开始 室内信号传播模型的研究和测试大规模的发展开来 早在1 9 5 9 年 t t l r i n 就提出了多径衰减信道通用脉冲响应模型 指出多径信 号可以使用时空变化的脉冲响应来充分描述 这个模型随后被应用到无线信道测 试 建模和仿真中 2 0 世纪8 0 年代后期 随着对室内传播研究的深入 m i n 的 脉冲模型被直接或间接的用于描述室内的信道特性 人们开始对信道时变 平均 附加时延 衄s 时延扩展等特性展开了进一步研究 2 0 世纪9 0 年代以来 随着计算机计算能力的提高 人们开始使用射线跟踪 法 2 来为室内信道建模 射线跟踪法通过简单的反射和折射来近似电磁传播 它 所需要的计算量远远小于解麦克斯韦方程的方法 并且比起一般的统计方法 能 反映传播过程的更多的细节 近些年 越来越多的通信业务发生在室内 加上m i m o 技术的应用 推进了 室内m i m o 信道模型的进一步发展 比如8 0 2 1 l n 标准采用的于t g n 室内信道模 型 引 3 g p p 使用的s c m 信道模型等 1 2 2m i m o 技术介绍 f o s c h i i l i 于1 9 9 6 年在他发表的论文 4 l 中提出 在发送端和接收端同时使用多 天线进行传输 比起单天线系统能够提供的极大的信道容量增益 在此之后 m i m o 技术领域的研究就飞速发展 从3 g 标准对m i m o 技术的支持 到l 1 陋系统的演 进等 都表明多天线系统已经成为提高信道容量 提升传输速率的重要技术手段 m i m o 技术不仅给无线通信系统的设计带来了突破性革新 同时也在传输性 能上带来了无与伦比的好处 5 天线阵列增益 在发送端和接收端使用多天线阵列 可以给系统带来天线阵 列增益 若发送端能够获得信道信息 就可以对发送信号进行空域处理 使信号 在接收端可以相关合并 从而提高接收信噪比s n r 提升系统覆盖率 空间分集增益 由于衰落的存在 接收信号的质量会出现较大波动 传输稳 定性得不到保证 但是 如果在时域 空域或者频域上分别发送信号和副本 这 4 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 些副本同时处于深衰落的概率就大大降低 进而提升了系统传输的可靠性 一个 具有膨个发送天线和 个接收天线的m i m o 系统 理论上可以有m xn 个独立衰 落信道 可以提供m x n 阶的分集增益 空分复用增益 m i m o 系统具备在一定带宽内同时发送独立的多路信号流的 功能 这样能够使系统吞吐量随着天线数目的增加成线性增长 一般来说 一个 m i m o 系统可以同时发送的数据流数等于发送天线和接收天线的最小数目 即 m i n m 干扰的降低 干扰是由于多个用户同时共享同一个时频资源块造成的 在 m i m o 系统中 可以对发送信号进行相应处理 将能量集中在期望用户方向上 在非期望用户方向形成零陷 从而减少用户间的干扰 提高用户的信干比s i n r 一个基本的m i m o 通信系统收发结构如图1 1 所示 发送结构圈 输入 输出 接收结构图 图1 1m i m o 通信系统收发结构 信息比特首先经过编码 如卷积码 和交织 然后进行调制 生成数据符号 如q a m 调制等 这些数据符号接下来进入空时编码器 被分成一路或多路的 数据流 最后通过空时预编码器映射到每个发送天线上 信号经过无线信道传播 到达接收阵列 接收端对信号进行相应的逆操作 解调 出原始信号 每一个模块的功能设计都存在着挑战 包括复杂度设计和性能的权 衡等 第一章绪论 5 1 2 38 0 2 1 l n 标准介绍 随着i e e e8 0 2 1 1 设备的涌现 加上室内无线通信业务的猛增 无线局域网也 经历了空前的发展 电气和电子工程师协会 标准协会 i e e e s a 在2 0 0 3 年下半年 成立i e e e 8 0 2 1 l n 任务小组 8 0 2 i l t g n t g n 的目标是定义物理层和介质访问控 制层 p h y m a c 的改进 从而在介质访问控制层服务访问点 m h c s h p 至少提供 1 0 0 m b p s 的速率 2 0 0 6 年1 月份 i e e e 宣布采纳e w c e n h a n e e dw i r e l e s s c o n s o r t i u m 增强无线联盟 的规格建议 结合了t g l l 与w w i s e 两大阵营的技术 通过8 0 2 1 1 n 协议草案1 0 版本 t g n 在2 0 0 7 年2 月推出t g n 草案2 0 进行信件 投票 获得通过 后续草案不断修改 截止到2 0 0 9 年7 月t g n 草案1 1 0 获得通 过 8 0 2 1 1 n 标准已于2 0 0 9 年9 月经i e e e 批准生效 这一标准被称为i e e e 8 0 2 11 n 2 0 0 9 t 6 1 8 0 2 1 1 n 的数据速率相比于8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 有了显著的提高 这主要是因 为物理层采用了o f d m m i m o 技术并且将总带宽提升到4 0 m h z 为了能够支持更 高的速率 m a c 层也引入帧聚合和增强块确认协议等技术作为保障 多天线的使 用能提供空间分集 保证链路的强健性 而空时编码 s t b c 作为物理层的可选 特性 进一步提升了对空时资源块的充分利用 8 0 2 1 l n 标准还引入了低密度奇偶 校验码 l d p c 的信道编码方式和传输波束成型技术 它们可以在m a c 层和物 理层分别提升系统的强健性 图1 2 给出了8 0 2 1 l n 物理层的已采用特性和可选特 性的示例 7 1 已采用可选 l 到2 个窀婀流3 到4 个窀同流 2 0 m t l z 常冤八 柏m i z 带窕 5 6 僻编码速率 y 短保护问隔 混合格式静导玛i 扒 g r e e n f i e l d 艚 式 入 s t b c m i m o 空闻复j l 叫 发送波束赋形 滏袄码 l d p c 图1 28 0 2 1l n 采用与可选功能示意图 6 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 1 3 论文安排 论文第二章推导了无线路径损耗模型和链路预算的计算方法 第一节定义了 天线的基本参数 第二节开始推导了自由空间损耗模型和陆地损耗模型 最后在 第三节介绍了链路预算的计算方法 第三章研究了基于经验模型的室内预测技术 在新经验模型 t h en e w e m p i r i c a lm o d e l 和k e ds c r e e n 绕射模型基础上 使用m a t l a b 搭建室内预测 仿真平台 对覆盖区域进行路径损耗预测 生成预测图 直观的反映覆盖区域的 信号强度分布情况 将预测结果校准 保存 作为室内定位系统的数据库 用于 下一步定位系统的开发 第四章主要讨论了室内信号相关性对m i m o 容量的影响 在本章中将3 d 信 号模型引入室内环境中 描述了垂直维度上的信号功率角度谱 推导了3 d 模型下 相关系数的计算方法 最后通过仿真考察阵列间距 到达角度等参数对相关系数 的影响 进而对m i m o 容量产生的具体影响 第五章研究了8 0 2 1 l n 标准中所支持的s t b c 波束赋形等多天线关键技术 搭建了8 0 2 1 1 n 物理层仿真平台 通过仿真评估了各种多天线技术在各种信道模型 下的性能表现 第六章总结全文 并展望下一步的研究内容和工作计划 第二章无线传播路径损耗模型及链路预算 第二章无线传播路径损耗模型及链路预算 无线传播路径通常是指信号从发送天线到接收天线经历的全部过程 而在一 个完整的通信系统中 这个过程还包括了天线的接口部分 因此 了解完整的信 号传播过程对描述传播模型和室内覆盖的预测来说十分必要 本章将首先研究天 线的基本参数 然后推导出无线传播路径的损耗模型 最后讨论链路预算的定义 及计算方法 2 1 1 近场 远场区域的定义 2 1 天线的基本参数 天线会在它的周围或向远方产生交变的电磁场 在很靠近天线的地方 电磁 场随距离剧烈变化 并且在天线周围空间及天线之间来回震荡 即产生辐射能量 也产生无功能量 而在一定距离以外 电磁场能量以电磁波的形式向外发射 可 以在很远的距离上接收到 这两个区域分别被称作天线的近场区和远场区f 8 一般 由半径尺予以区分 如图2 1 所示 一 2 r 竺二 2 1 旯 其中三是天线的直径 五是波长 单位均为 n 在这个半径之内的区域是近场区 也叫菲涅尔区域 f r e s n e lr e g i o n 在半径之外的区域就是远场区 或称为夫琅禾 费区域 f r a u n h o f e rr e g i o n 在使用和测试天线时 一般要求接收或测试点位于远 场区 以保证稳定的电磁特性 本论文中 除非有特别声明 否则所有研究计算 信号测试等均假设位于远场区 图2 1 天线远场近场区分 场区 8 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 2 1 2 天线的功率密度和辐射强度 如果将天线看做一个点源 电磁波由这个点源向所有方向均匀的辐射 则称 这种天线为全向天线 或称其具有等方向性 i s o t r o p i c 设全向天线向外辐射的 总功率是p 这些功率均匀分布在半径为 的球体表面 9 1 如图2 2 所示 那么 功率密度在距离为 上的大小为 s 上 嘉w a t t s m a r e a 2 2 2 4 万 从上式中可以看到 功率密度s 与距离 的平方成反比 会随着距离的增加而快速 衰落 这样虽然直观的指示了功率的变化 但却给绘制远距离天线辐射图样带来 了不便 辐射强度u 的定义去除了l 2 因子的影响 它的表达式为 u r 2 s 2 3 所以 对于全向天线来说 辐射强度表示为 u 2 s 二 2 4 4 万 明显看出 u 是一常量 即在各个方向上的辐射能量相同 本论文中 除非有特 别声明 否则假设所使用天线均为全向天线 2 1 3 有效接收孔径 图2 2 全向天线功率流出示意 天线可以将电磁信号辐射到指定方向 同时 它也可以从相同的方向上接收 到电磁信号 这就是天线的互易性 图2 3 展示了一组发送和接收天线 发送天线 以总功率只发送电磁信号 功率密度为s 第二章无线传播路径损耗模型及链路预算 9 天线1 s 翟 图2 3 一对收发天线 接收天线能接收到一定比率的功率密度 并转化成接收功率 这个固定的 比率就是接收天线的有效接收孔径4 e 4 s 2 5 有效接收孔径与天线增益g 有如下关系 g 等4 2 6 凳 2 1 4f r i i s 传输方程 f r i i s 于1 9 4 6 年最早推导出了反映发送功率与接收功率关系的方程 考虑如图 2 3 所示的传输系统 天线a 是发送天线 天线b 是接收天线 假设a 与b 在极 化方式上已经匹配 相距 且均处在对方的远场范围内 如果a 的发送功率为 由式 2 2 得到天线b 处的功率密度为 s 墼 2 7 4 a t 2 其中g 口是天线a 的增益 将式 2 5 代入 可以得到天线b 的接收功率为 p r 警 2 8 其中如是天线b 的有效接收孔径 满足式 2 6 将它代入式 2 8 可以看出发送功率与接收功率的关系为 鲁 g o o b 去 2 亿9 上式就是f r i i s 传输方程 它反映了发送功率与接收功率的基本关系 也展示出一 个基本规律 那就是接收功率与传输距离的平方成反比 1 0 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 2 2 无线传播路径损耗模型 2 2 1 自由空间路径损耗模型 上一节介绍了f r i i s 传输方程 当发送天线和接收天线都使用全向天线时 即 q q l 将传输方程重写为下面的形式 警 等 2 4 m c f 2 2 1 0 其中 f 为光传播速度 厶就是自由空间损耗 将自由空间损耗写成d b 形式 取载波频率单位为m i i z 距离r 单位为k m 可以得到 厶 船 3 2 4 2 0 1 0 9 r 2 0 l o g 兀胁 2 1 1 自由空间损耗可以看作是全向天线向外辐射电磁波时引起的 传输过程没有 任何反射 折射 散射等因素 是最基本的无线传播路径损耗模型 2 2 2 陆地传播路径损耗模型 现实中 我们也经常用到另一种路径损耗模型 它在普通自由空间的传播路 径上 加入了一条由地面反射造成的反射路径 l o 如图2 4 所示 基站天线距离地 面的高度为玩 接收端的天线高度为k 由基站发射的无线电信号不但有直接到 达接收端的直视路径 还由于地面反射形成一条反射路径吒 两条路径在接收端 合并 由于这两条传输路径的距离差 会使得接收到的信号有相位上的不同 从 而影响两路信号的合并结果 镜像点 图2 4 陆地传播模型示意图 第二章无线传播路径损耗模型及链路预算 l l 将反射路径考虑为基站从镜像位置发射的信号经直线到达的接收端 这样 两条路径 乃可以表示为 2 二坐 2 1 2 匕 2 2 传播距离差就是 c 一吃 r t 丐一眄 2 1 3 假设天线高度均远远小于 吃 k 可以使用如下近似 1 x l n x f o rx j 2 1 4 结果就可以近似为 r r o 2 h h 2 1 5 考虑反射损耗k 最终合并的信号幅度为 钆 彳 卜e 冲 弦2 h b h l 2 1 6 其中 k 2 州见 由于功率与信号幅度的平方成正比 所以有 去 老 2 l t 瑚啾业竽 1 2 协 e 是接收功率 直视路径满足自由空间路径损耗 即 圪枷 嗉 2 2 1 8 所以总路径损耗可以写为 鲁 嗉 2 1 枷舭挚 1 2 协 由于 可以认为入射到地面的角度口很小 且假设反射信号会经历1 8 0 的相位反转 所以反射损耗k 一1 最后得到的总路径损耗表达式为 号 2 嚎 2 l l c o s c 七挚 i p 3 1 2 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 将自由路径损耗表达式和陆地传播路径损耗表达式仿真如图2 5 所示 可以看 到 在传播距离较小时 反射路径对整个路径的损耗影响很大 合成信号幅度有 明显的波峰波谷 当传输距离增加时 由于入射到地面的角度p 非常小 可以有这 样的近似c o s o 1 0 2 2 最后可以得到 冬 芭七丛 掣 2 3 1 只 4 嚣r r 4 即当距离增大到一定程度后 损耗与传播距离 的4 次方成反比 图2 5 自由损耗与陆地传播损耗对比图 2 3 链路预算 计算整个通信传播链路中各个部分的信号功率 噪声功率 路径损耗等等内 容的工作叫做链路预算 一般来说 这些计算并不复杂 但却可以对整体系统的 性能做出较为准确地预测与评估 准确的链路计算也是室内覆盖预测的重要部分 本节将讨论链路中各个部分损耗的计算方法 第二章无线传播路径损耗模型及链路预算 1 3 2 3 1 链路预算的计算方法和应用 从上一节中的讨论中可以看到 一对传输天线间的路径损耗定义为发送功率 与接收功率的比值 通常用d b 的形式表现出来 但是单单使用路径损耗来描述无 线传输链路并不精确 因为这个过程中还有各种其他损耗或者增益在影响着整体 的性能表现 所以有必要将这些影响都考虑进来 通过链路预算来进行初步的评 估口1 一个包含简单传输因素的无线链路如图2 6 所示 发 发送犬线增益接收犬线增益 馈线损耗 l r 馈线损耗 l r 图2 6 无线链路示意图 从图中可以看到 进入到接收端的输入功率最 可以表示为 足2 镫 2 3 2 其中各参数的定义如图所示 所有增益g 和损耗 都以功率比的形式出现 功率的单位为w a t t s 对于指向型天线 要使用天线增益参数 它是对比全向型天 线得到的值 有效全向辐射功率e i r p 表示同全向天线相比 可由发射机获得的在最 大天线增益方向上的发射功率 它可以表示为 e i r p 等 昂 2 3 3 其中用昂表示有效全向辐射功率 同理 有效全向接收功率就表示成 警 协3 4 这样 路径损耗就可以用表示为 1 4 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 上 生 p r g t g r 2 3 5 p mp r k l r 建立传播模型的一个重要目标就是要尽可能精确地估计厶从而在系统装备之 前对链路有一个准确的评估 系统能够承受最大路径损耗就是接收机接收到的功 率刚好可以满足通信质量要求 而此时的接收信号大小也称作接收机的灵敏度 通常 系统能承受的最大路径损耗由两部分组成 一部分是可以根据损耗模型进 行预测的 另一部分是随机的阴影衰落 我们可以通过分别计算各个部分的损耗或者增益 最终来预测路径损耗的大 小 在第三章中 就会通过实地测量 采集接收信号的测量数据 并计算相应的 路径损耗来评估不同的室内信道损耗模型 2 4 本章小结 本章首先介绍了天线的一些基本参数 然后通过f r i i s 传输方程推导了自由空 间损耗和陆地损耗两个基本模型 最后讨论了链路预算的定义及计算方法 这些 内容对描述传播模型和室内覆盖的预测来说十分必要 在第三章中 将以此为基 础 研究用于室内覆盖预测的各种室内信道传播模型 第三章室内覆盖预测技术的研究及应用 第三章室内覆盖预测技术的研究及应用 室内环境的复杂构造 给室内预测带来了新的挑战 室内结构 建筑材料 尺寸布局等因素 都会影响到信号的衰落 而反射 绕射 散射等引起的多径信 号对接收质量的影响更加凸显 因此精确预测无线电波传播特性 例如路径损耗 和延迟扩展 在对改善室内覆盖具有十分重要的意义 根据无线传播模型建立的 性质 可以将其分为以下三种 第一 经验模型 它是根据大量的测量结果统计 分析导出的公式 该模型简单方便 可以对室内覆盖情况做出快速预测 但是由 于其自身统计特性 无法提供非常精确的路径损耗估算值 第二 半经验模型 它把确定性方法用于室内环境中 导出一个规定特性的函数等式 并根据实验结 果对等式进行修正 第三 确定性模型 它针对具体的现场环境直接应用电磁理 论计算的方法 在确定性模型中 常见的几种技术包括迭代不变性测试方程法 m e i 时域有限差分法 f d t d 及几何绕射 g t d 一致性绕射 u t d 理论等方法 本章中将研究基于经验模型的室内预测技术 使用新经验模型和绕射模型对 覆盖区域进行路径损耗预测 生成预测图 直观的反映覆盖区域的信号强度分布 情况 将预测结果校准 保存 作为室内定位系统的数据库 用于下一步定位系 统的开发 3 1 室内传播环境特点 随着移动通信技术的发展和互联网的爆炸式增长 越来越多的通信业务发生 在室内环境中 无线局域网 w l a n 也随着晰f i 联盟设备的普及 让人们随时 随地在家中享受到无线网络的便捷 因此完善室内覆盖 提升用户体验 已经成 为无线网络发展的基本要求 但室内环境的复杂构造 却给无线信号传输带来了新的挑战 室内无线环境 的特点是传输功率较小 覆盖范围更近 环境的变化性很大 其次 室内结构 建筑材料 尺寸布局等因素 都会影响到信号的衰落 面对较为复杂的室内环境 如楼层之间 走廊及楼梯或办公室隔间等 反射 绕射 散射引起的多径信号对 接收质量的影响更加凸显 也给损耗预测带来了难度 1 6 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 本章将首先研究典型的室内传播模型 然后将室内传播模型引入到基于w i f i 信号的室内定位系统中 建立信号与位置对应的数据库 最后通过实地测试进行 校准 3 2 典型的室内传播模型 上一章定义了自由空间路径损耗 用d b 形式的表述如下 l o l o g l 嗜p 3 1 为了将路径损耗与传播距离d 这个参数对应起来 定义一个参考距离碣 这 样路径损耗就可以写成式 3 2 的表示形式 p k d p 二扭 4 2 0 l g i 4 3 2 一 l 使用这个模型 要计算某一点的自由空间的路径损耗 只要知道它在与发送 端距离d 处的损耗 和距离参考点的距离d l 就可以了 3 2 1 单斜率模型 单斜率模型基于自由空间模型 但加入了一个环境影响因子 通过不同环境 中刀的不同取值来描述非自由空间的衰落情况 具体表达式如下 舻 咖1 川0 9 l 印 3 3 刀就是损耗指数 它的取值依赖环境的不同 具体的取值 1 1 1 如表3 1 所示 表3 1 常用损耗指数取值 环境损耗指数 自由空问 2 o 城市小区2 7 4 o 室内视距传播 i 6 1 8 工厂内视距传播 1 6 2 o 室内有阻挡 4 0 6 0 第三章室内覆盖预测技术的研究及应用 虽然这个模型适用于不同的环境 但它将所有室内环境归为同一种结构 没 有考虑楼层 墙体 门窗等因素的具体影响 故只适合对衰落进行粗略估计 3 2 2 多墙模型 多墙模型 1 2 1 将室内构造因素考虑其中 能够描述具有多个墙体 地板对路径 损耗的影响 模型中包括了自由损耗部分 墙体引起的损耗和楼层间的损耗 具 体表达如下 p l d b d p t d b d 1 l o n l g i o 唔 z e a f p f a f q 3 4 在这个模型中 同样有衰落指数 而且加入了穿过的墙体总数p 墙体影响 因子w a f 穿过的楼层总数q 和楼层影响因子觑f 这些参数的具体取值要根据 室内环境及墙体 楼层材料的不同实际测量得到 在使用中写成d b 表示形式 可 以看到 该模型比起单斜率模型已经有了较大进步 对某些具体环境有较好的描 述 但仍然受到一些限制 如没有反映出墙体影响因子w a f 的入射角度特性 室 内环境中的反射 绕射等 因此 加入更多的考虑因素 可以让模型更加准确 3 2 3 新经验模型 t h en e we m p i r i c a lm o d e l c h e u n ge ta 1 等在多墙模型的基础上提出了一种新经验模型 1 3 l 该模型将信号 穿过墙体和楼层的入射角度 截点 b r e a kp o i n t 现象等因素加入考虑 该模型表 达式为 d p l 矗b d t 1 啊l g t 盲d u 一d l o 呐g i o 争 n 2l o g l o d 乏 p 州一 3 5 暖面r v a f 譬篑 模型中有两个衰落指数啊 2 第一个衰落指数用在当传播距离大于参考距 离且小于截点距离时 4 d 时 巳和吃分别是信号穿 过墙体和楼层时的入射角度 u o 是阶梯函数 定义为 1 8 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 叫o 篙 6 入射角度对模型的影响 上述模型将信号穿过墙体和楼层时的入射角这一因素引入考虑 这个因子主 要用于当信号不是以法线角度入射到墙体时 如图3 1 所示 可以清楚看到 斜射 入墙体的信号在墙体内走过的路程与直射明显不同 所以造成的损耗也不同 截点的影响 在测试和研究中已经发现 路径损耗在随着距离的变化时 有两个明显的区 域 在第一个区域中 损耗与自由空间中的损耗相似 因为接收端距离发端较近 墙体 楼板等对接收端没有产生明显的影响 但进入第二个区域 损耗就会因为 障碍的增多显著增加 这两个区域的分界点一般就叫做截点距离 b r e a kp o i n t d i s t a n c e 也叫断点距离 它的计算 可以通过对菲涅尔区域 f r e s n e lz o n e 进 行分析估算出 v r l 1 墒 1 图3 1 入射角度影响示意图图3 2 绕射原理图 3 2 4 绕射路径损耗模型 在室内环境中 由于墙壁 门窗的存在 在这些构造的边缘将产生绕射传播 路径 所以在建模中 将考虑绕射的影响 一条典型的绕射路径如图3 2 所示 其 中包表示入射波与墙面的夹角 秒表示墙面与绕射波的夹角 绕射的路径损耗可以用下面的式子表示 儿凇 d 戌钮 吐 d 尸k 吐d 3 7 可以看到 绕射路径的损耗分成了三个部分 从发端到物体边缘的路径损耗 第三章室内覆盖预测技术的研究及应用 1 9 心扭 站 在物体边缘绕射时产生的绕射系数 谚 口 和从边缘到接收端的路径 损耗 丸d 其中 绕射系数 谚 p 的常用计算方法 1 4 1 如表3 2 所示 表3 2 常用绕射系数计算方法 绕射系数的计算方法公式 s o m m e r f i e l d 二芝 去陬洋 c 洋刀 f e l s e na b s o r b e r 一1 r 1 1 1 2 万 万一 秒一只 万 口一只 1 k e ds c r e e n 参e 4 叩吲i s i n 0 3 3 基于w l a n 的室内定位系统的实现 在室外坏境中 g p s 卫星定位系统可以告诉我们身在何方 让我们即使在荒 郊野外也不会迷失方向 然而在室内环境中 位置信息的获取就相对不便 比如 如果我们想知道自己位于整栋大厦的哪个楼层 或者想知道去下一个展厅或办公 室怎么走 g p s 定位就显得不够精确甚至无能为力 因此 我们需要一种更加精 确的定位系统来满足我们希望在室内获得位置信息的需求 室内定位系统的研究伴随着无线局域网应用的快速增长得到迅猛发展 m f i 联盟认证设备的大量普及 让无线局域网信号成为一种可以方便获取的数据信息 资源 基于无线局域网的定位就是通过扫描当前环境中的w i f i 信号 获取无线信 号的某些信息 如信号传输的时间 到达的角度 信号的强度等 对其进行提取 分析 最后根据特定的定位算法来计算出我们所在的位置 1 5 1 这种定位系统主要 由三个功能模块组成 如图3 3 所示 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 接收到r f 信号 使j j 接收信号的某些信息 t o a r s s 等 接收到r f l 数抛采集 令 转换成位置丛 定位估计 刮终端显示算法 l 数据采集 令 标 图3 3 室内定位系统功能模块 本论文采集w i f i 设备的接收信号强度指示 r s s i 做为室内定位的主要数 据源 3 3 1 室内定位系统的工作原理 本论文开发的室内定位系统采用 离线采样 在线定位 的基本工作原理 1 6 1 1 刀 离线采样 模块的目标是构建一个关于信号强度与采样点位置间关系的数据库 也就是位置指纹数据库或电子地图 为了生成该数据库 操作人员需要在被定位 环境里确定若干采样点 然后遍历所有采样点 记录下在每个采样点测量的无线 信号特征 即来自所有接入点a p 的信号强度 最后将它们保存在数据库中 在 在 线定位 模块中 当用户移动到某一位置时 根据他实时收到的信号强度信息 利用定位算法将其与位置指纹数据库中的信息匹配 比较 计算出该用户的位置 这种定位方法也称为位置指纹法 整个过程如图3 4 所示 离 线 采 样 在 线 定 位 图3 4 室内定位系统原理流程图 数据库中保存着位置与信号强度的对应关系 当用户检测到来自某一a p 的信 第三章室内覆盖预测技术的研究及应用 2 1 号强度值时 可以通过查询数据库 得知自己的位置信息 因而 参与定位的a p 数量越多 就可以更加精确的定位 如图3 5 所示 图3 5 采用多个a p 帮助精确定位 3 3 2 室内覆盖预测技术在定位系统中的应用 计的位置 基于位置指纹定位方法的优点是显而易见的 因为数据库中包含了大量的信 号强度与位置的对应关系 因此极大的提高了定位精度 而且现有的设施可以得 到充分利用 不需要改变移动设备的硬件配置 但是 这样获得的定位精度是以 大量重复性工作为代价的 构建经验数据库需要大量的人力和物力 当定位环境 发生变化 或是a p 的位置 型号有了改变 都需要重新进行数据库的构建 为克服这种重复工作量大的缺点 我们通过室内覆盖预测技术 使用室内传 播模型 来建立数据库信息 l 耵 这样不仅将实地测量工作改在计算机上模拟进行 减少了大量工作内容 还可以方便的对室内覆盖情况进行预测 当定位环境或a p 发生改变时 也可以快捷的提供维护 升级 3 3 3 信号强度与位置数据库的建立 我们需要定位的目标是西安电子科技大学科技楼4 0 3 实验室及周围环境 首 先通过预测技术建立指纹数据库 我们采用所搭建的m a t l a b 室内覆盖预测平台 对环境进行预测 平台工作过程如下框图所示 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 li 用二维坐标点ilm a t l a b 仿真得llii 徽搿h 寨簇嘉羧h 裂缀瓣 耋h 在筏菪谈h 磁群器 ii i t 化咒 il成预测图lill 代入墙体化霄 信息 j 信道模 型的参数 校准完成 将预测数值保 存红数据库中 图3 6 指纹数据库 建立流程图 实验室环境的大致描述图如图3 7 我们将a p 放置在图3 7 所示位置 叉点 处是数据采样点 当完成覆盖预测后 将在采样点处进行实地测量 得到的实测 数据与预测数值进行对比 用于对数据库的校准 约 2 0 m 图3 74 0 3 实验室环境示意图 为了保证定位的精确度 论文采用新经验模型 t h en e we m p i r i c a lm o d e l 结 合k e ds c r e e n 绕射损耗模型对该环境进行覆盖预测的计算和仿真 同时 我们也 将使用w i r e l e s s m o n 测试软件对该处信号强度进行实地测量 并绘制信号覆盖图 无线a p 放置在4 0 3 实验室中 型号为d l i n ka i r p l u sg2 4 g h zw i r e l e s s a c c e s sp o i n t 接收端使用t h i n k p a d 笔记本自带无线网卡 a t h e r o sl l b g w i r e l e s sl a nm i n ip c ie x p r e s sa d a p t e ri i 我们使用8 0 2 1 1 n 信道模型场景c 一般办公室环境 中的参数进行计算 即 断点距离5 m 断点前后的衰落指数分别为2 3 5 穿过墙壁的损耗根据推荐值 1 0 l 设为7 经过测试得到距a p1 m 处的信号强度为一2 7 d b m 然后代入预测平台进行 第三章室内覆盖预测技术的研究及应用 m a t l a b 仿真 得到信号强度的覆盖图如图3 8 所示 图3 8 信号覆盖仿真预测图 图中红叉表示a p 的位置 墙壁端点的绿圈表示可能发生衍射的遮蔽 通过这 种方法 我们方便且直观的得到了该处区域详细的信号强度分布数据 接下来使用w i r e l e s s m o n 对该区域进行实地测量 得到的测试结果如图3 9 图3 9 实测覆盖图与预测图对比 然后对模型进行校准 首先在采样点处进行测量 每个采样点取一段时间内 信号强度较平稳的两个数值 计算线性回归方程 得到 室内m i m o 传播模型及关键技术研究 y 0