基于Wireless Insite的無線信道教學(xué)研究

朱秋明， 陳小敏， 楊婧文， 楊建華， 李明昇

(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京 211106；2.赫瑞瓦特大學(xué) 工程與物理科學(xué)學(xué)院，英國 愛丁堡 EH14 4AS； 3.實密國際貿(mào)易(上海)有限公司，上海 200070)

0 引 言

通信原理和移動通信是我校信息工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，在整個信息類專業(yè)課程體系中起著承上啟下的關(guān)鍵作用[1-3]。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，用戶對傳輸速率和系統(tǒng)容量的需求也不斷增加。目前，我國的4G通信系統(tǒng)已經(jīng)步入實用化階段，5G技術(shù)也日趨成熟并開始局部部署。然而，大容量和高數(shù)據(jù)速率的需求對移動通信的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化提出了更高的要求[4-5]。

早期的蜂窩小區(qū)劃分和基站選址優(yōu)化通過實際測量和反復(fù)測試來實現(xiàn)，需要投入大量的人力、財力和物力，既不經(jīng)濟，也不科學(xué)。那么如何高效、經(jīng)濟地進行基站選址，并使系統(tǒng)傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)效率達到最優(yōu)化，是當(dāng)前無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要課題。深入理解無線電波傳播規(guī)律，建立符合實際傳播場景的信道傳播模型，是影響無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果的一個重要因素，也是我校通信原理及移動通信課程重要的課堂知識點[6-7]。

然而，無線信號傳播是一個復(fù)雜的時變隨機過程，板書和課堂講授很難描述清楚無線電波在傳播過程中到底產(chǎn)生了哪些隨機變化。作者所在課程組長期從事無線衰落信道的相關(guān)研究，經(jīng)過多年教學(xué)摸索和嘗試，將Wireless Insite(WI)電磁仿真軟件運用于課堂教學(xué)中，使學(xué)生通過直觀觀測電磁波信號直射、反射和散射的傳播過程，理解無線信號傳播損耗的物理意義，加深了學(xué)生對無線通信原理的理解，已獲得較好的教學(xué)效果。

1 基于射線跟蹤的信道傳播模型

常見的無線信道模型包括兩類，基于實測數(shù)據(jù)或經(jīng)驗公式的統(tǒng)計模型[8-9]和基于電磁理論分析的確定性模型[10]。統(tǒng)計模型的實測會耗費大量人力和物力，而且小區(qū)半徑的減小使得小區(qū)之間原有的相似特性失效。確定性模型廣泛采用的射線跟蹤方法可以辨認(rèn)出所有可能的傳播路徑，并根據(jù)電磁波傳播理論來計算每條射線的幅度、相位、延遲和極化，然后結(jié)合天線方向圖和系統(tǒng)帶寬可以得到接收點處所有信號疊加的結(jié)果[11]。另外，隨著移動通信系統(tǒng)高頻段的發(fā)展趨勢，信號波長遠小于障礙物尺寸的應(yīng)用條件也可以得到滿足。

由幾何光學(xué)理論可知，射線的主要傳播機制有直射、反射、透射和繞射。接收端接收到的信號是來自不同路徑信號的疊加，對應(yīng)復(fù)信道單位沖激響應(yīng)可表示為[12-13]:

(1)

式中:N為有效傳播路徑數(shù)目；δ(·)為沖激函數(shù)；An,τn,θn分別為第n條路徑的幅度、延遲和相位。不同路徑信號的功率和時延通常用功率延遲分布為:

(2)

為了計算接收端的總信號功率，令發(fā)射功率為Pt，收發(fā)天線增益分別為Gr和Gt，利用射線跟蹤算法可得接收功率為:

(3)

式中:λ為波長；E0為發(fā)射天線處的場強；Etotal為接收點處總場強，包含到達接收點的所有射線的場強：

(4)

式中:En為第n條射線路徑末場在天線極化方向上的分量。實際中無線傳播路徑包括視距和非視距路徑兩種，視距路徑在接收點處的場強為:

(5)

式中:k為波數(shù)；r0為直射路徑的長度；E0為發(fā)射天線處的場強。

對于非視距路徑，則從發(fā)射天線出發(fā)，先利用式(5)計算出天線在第1結(jié)點處的場強Einc，然后沿著射線路徑進行推算，直至到達接收點，最終獲得此條射線路徑在接收點處的場強為:

(6)

式中:X為反射總次數(shù)；Y為繞射總次數(shù)；Z為透射總次數(shù)；Rx是第x次反射時的并矢反射系數(shù)；Dy是第y次繞射時的并矢繞射系數(shù)；Tz是第z次透射時的并矢透射系數(shù)；Kp為經(jīng)過第p次反射、透射或繞射后的擴散因子；rq為第q個結(jié)點到第q+1個結(jié)點的距離。

2 基于WI軟件的教學(xué)案例

2.1 室內(nèi)場景案例

Remcom公司的WI電磁仿真軟件，可對復(fù)雜的城市、室內(nèi)、郊區(qū)及混合路徑環(huán)境內(nèi)的電磁傳播和通信信道特性進行高效準(zhǔn)確的仿真預(yù)測[14]。在通信原理教學(xué)實踐過程中，為了讓學(xué)生直觀感受室內(nèi)常見的WiFi信號的傳播過程，本文采用WI軟件嘗試了所在電波傳播實驗室場景下的無線信道建模過程。實驗室約為5.4 m×8.9 m×2.9 m，內(nèi)部設(shè)施包括辦公桌、實驗桌和空調(diào)等(見圖1)。為便于比較收發(fā)機不同位置的影響，選取了3個典型位置的發(fā)射機，均采用全向天線，天線高度均為0.3 m；接收機則處于一條不規(guī)則軌跡的任意位置，同樣采用全向天線，天線高度為0.8 m，Rx1和Rx2分別對應(yīng)該軌跡上的兩個特定位置。主要仿真參數(shù)如下：地面介電常數(shù)ε=15，電導(dǎo)率σ=0.015，墻面介電常數(shù)ε=2.8，電導(dǎo)率σ=0.001，桌子的介電常數(shù)ε=1，中心頻率為2.4 GHz，帶寬為20 MHz。另外，考慮到仿真精度和仿真耗時，課堂教學(xué)中反射次數(shù)為6，透射次數(shù)為4，繞射次數(shù)為1。

圖1 實驗室場景及尺寸(m)

(1) 仿真比較了發(fā)射機位于Tx1，接收機分別位于Rx1和Rx2時無線信號的傳播路徑狀況(見圖2)。為便于觀察，僅給出了占主要功率的3條路徑。由圖2(a)可見,① 接收端信號包含了直射信號，地板、墻面和屋頂?shù)确瓷湫盘枺虎?Tx1到Rx2之間存在很強的直射路徑(見圖2(b))，而Tx1到Rx1之間由于辦公桌遮擋，不存在視距路徑；③ 直射路徑的功率最高，呈現(xiàn)紅色，其他反射次數(shù)越多的路徑，信號功率越小，顏色越淺。

(a) Tx1→Rx1

(2) 為了進一步觀測經(jīng)過不同傳播路徑到達接收端的信號功率及時延狀況，仿真給出了發(fā)射機位于Tx1，接收機位于Rx1和Rx2的功率延遲分布(見圖3)。由圖3可見，由于Tx1和Rx2之間存在視距路徑，Rx2接收到的信號的功率明顯高于Rx1，且延遲更小。

圖3 不同接收位置的功率延遲分布

2.2 室外場景案例

為了課堂演示室外基站和手機之間信號的傳播狀況，以加拿大渥太華街區(qū)場景為例[15]，場景規(guī)模為1 000 m×600 m，主要障礙物為建筑物(見圖4)。傳播模型的仿真參數(shù)如下：墻面介電常數(shù)ε=6，電導(dǎo)率σ=0.05，地面介電常數(shù)ε=15，電導(dǎo)率σ=0.05，信號頻率910 MHz，發(fā)收天線高度分別取8.5 m、3.65 m，建筑物高度為9～51 m；數(shù)值仿真中反射次數(shù)取2～5次，繞射次數(shù)取2～3次。

圖4 渥太華城市街景尺寸圖

(1) 仿真比較了發(fā)射機位于Tx1，接收機分別位于Rx1和Rx2時無線信號的傳播路徑狀況(見圖5)。為便于觀察，僅給出了占主要功率的10條路徑。由該圖可見，① 接收端信號包含了直射信號和建筑物反射的信號；② Tx1到Rx1之間存在很強的直射路徑(見圖5(a))，而Tx1到Rx2之間由于建筑物遮擋，不存在視距路徑(見圖5(b))；③ 直射路徑的功率最高，呈現(xiàn)紅色，反射次數(shù)較多的路徑，信號功率較小，呈現(xiàn)綠色。

(a) 接收機位于Rx1

(2) 為了驗證和比較不同反射次數(shù)對計算精度的影響，比較了反射次數(shù)取2～5次的預(yù)測結(jié)果和實測結(jié)果(見圖6)。由圖6可知，隨著反射次數(shù)的增加，預(yù)測精度有所提高；但在建筑物較密集區(qū)域(接收點受到障礙物阻擋較多)，還需通過增加繞射次數(shù)，才能達到理想預(yù)測精度。可見，增加繞射次數(shù)對于預(yù)測精度的提高程度大于反射次數(shù)增加帶來的預(yù)測精度的提高。

發(fā)射機位置不同，信號的覆蓋情況差別也比較明顯，因此為了使發(fā)射機周圍一定范圍內(nèi)的信號強度盡可能大，需要選擇發(fā)射機的最佳位置。分別以圖4中的Tx1和Tx2為圓心，半徑100 m的圓為界(見圖7)，當(dāng)發(fā)射機位于Tx1時,圓內(nèi)的街道為橘黃色和黃色，當(dāng)發(fā)射機位于Tx2時,圓內(nèi)的街道基本為橘黃色，說明在Tx2信號能更好地覆蓋。

(a) Laurier街道

(b) Kent街道

(a) 發(fā)射機位于Tx1

3 結(jié) 語

由于無線通信系統(tǒng)受到周圍環(huán)境的影響，無線電波信號經(jīng)歷的傳播過程具有極高的復(fù)雜性、隨機性和抽象性，單純對其進行數(shù)學(xué)分析非常枯燥，也是通信原理和移動通信課堂教學(xué)的一大難點。本文基于射線跟蹤的無線信道建模原理，并利用WI軟件仿真了無線信號的傳播過程，將傳播環(huán)境和傳播路徑以三維場景的形式直觀地展示給學(xué)生，并利用功率延遲分布、路徑損耗和信號強度覆蓋，輔助學(xué)生對無線信道理解。實踐表明，該方法能夠使學(xué)生全面深入掌握無線信號在直射、反射、透射和繞射過程中發(fā)生的幅度和相位變化，從而理解最終接收端信號功率預(yù)測方法及其統(tǒng)計特性。