摘  要： 超寬帶信號傳播特性是超寬帶信道理論的重要組成部分。基于時域射線跟蹤方法對有金屬家具的室內復雜環境中超寬帶信號傳播特性進行了研究，全面考慮了包括直射、反射、繞射和透射的多徑傳播機制，仿真獲得了接收功率、均方根時延擴展等傳播特性。仿真結果表明：（1）金屬家具的存在使得接收功率和均方根時延擴展普遍降低；（2）在非視距傳播中高次反射與繞射的作用明顯，不可忽略。仿真結果可以為室內復雜環境中超寬帶無線通信網絡覆蓋與優化提供理論依據。

　　關鍵詞： 時域射線跟蹤方法；超寬帶信號；金屬家具

0 引言

　　近年來，超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術作為實現短距離、高速率無線通信的一種解決方案，已成為室內短距離無線通信極具競爭力和發展前景的技術之一，有著巨大的商業前景。與傳統無線通信系統不同的是，超寬帶系統具有高帶寬、大容量、低功耗、高分辨率等特點，在室內、近距離、高速率以及能量受限的傳感器網絡等場景下頗具吸引力[1]。

　　目前已有不少學者基于時域射線方法對室內環境超寬帶信號的傳播特性進行了研究。任晶晶等人[2]考慮了UWB信號的多徑效應、障礙物遮擋效應和穿墻效應，建立一種時域射線模型有效地預測和分析了室內大尺度環境下UWB信號的傳播情況。汪嘉文等人[3]分析了UWB信號的透射特性，對比了不同透射次數下功率延遲的分布情況，發現透射會影響接收機的功率峰值大小以及峰值時間。曹京等人[4]比較了室內環境中垂直極化波和水平極化波在繞射影響下的功率延遲分布情況，結果表明，在考慮繞射時的垂直極化波功率延遲分布更為精確。黃強等人[5]通過理論計算，推導出了在電磁波垂直入射墻體的情況下，透射系數和反射系數的大小，并在此基礎上對墻體進行建模，給出了信號在穿墻過程中經歷的時間延遲、幅度衰減、波形失真情況。

　　綜上所述，已知文獻通常只側重考慮了直射、反射、繞射和透射等多徑傳播中的部分傳播機制，并且所建模的環境比較簡單，不能全面反映出超寬帶信號的傳播特性?；谝陨涎芯楷F狀，本文基于時域射線跟蹤方法進行建模仿真，全面考慮了上述4種傳播機制，研究了在有金屬家具的室內復雜環境中超寬帶信號傳播特性，可以為室內復雜環境UWB通信系統設計提供更為精確的理論依據。

1 時域射線跟蹤方法

　　時域射線跟蹤方法通過建模跟蹤到不同射線路徑，求得時域內的反射、透射以及繞射系數，得到每條路徑的沖激響應，將之與發射信號進行卷積運算即可得到總的沖激響應，可以分析信道的多種參數，如多徑時延、接收信號波形以及幅度大小等傳播特性。

　　1.1 時域反射系數

　　當射線在傳播過程中遇到墻面等障礙物時會發生反射，反射射線可以根據鏡像法確定其方向矢量，反射場可以表示為：

　　其中，，括號前“+”表示垂直極化方式，“-”表示水平極化方式，下文也沿用這種表示方式。

　　1.2 時域透射系數

　　信號在穿透墻體等介質板時，不僅會在介質板的兩個表面發生折射現象，而且會在介質板內部產生損耗。透射場可以表示為：

　　第二部分是介質板內部的傳播損耗系數pl（t），其表達式為：

　　將第一部分與第二部分進行時域卷積，即得到了時域透射系數。

　　1.3 時域繞射系數

　　繞射場可以表示為：

　　其中，d+（t）（i=1，2，3，4）的計算方法如下：

2 仿真結果與分析

　　2.1仿真環境

　　如圖1所示，仿真建筑的長為15 m、寬為11 m、高為2.5 m，建筑的墻面和地板都是水泥材質，天花板是石膏材質，房間的每一扇門都是木質的，金屬家具放置在房間2、房間3以及餐廳的靠墻一側，各材料的電參數如表1所示。將發射天線放置在客廳靠墻一側，接收天線從房間2一直移動至餐廳中，收發天線高度為0.5 m，從而可以研究視距范圍和非視距范圍內超寬帶信號的傳播情況。發射功率為20 dBm，天線類型均為垂直極化全向天線。發射信號為高斯二階導數波形，其表達式為：

　　其中，Ep是脈沖能量，τ=0.11 ns，Tc=0.5 ns。

　　2.2 結果與討論

　　金屬家具對接收功率的影響如圖2所示，可以看出，金屬家具的存在會導致接收功率波動-5.27~14.33 dBm。這是因為信號無法穿透金屬家具，只能通過多次反射或者繞射的方式到達接收點，很大程度上限制了超寬帶信號良好的穿透能力，從而導致在放置金屬家具后整體的接收功率有所下降。

　　圖3比較了有無金屬家具存在的情況下，不同反射次數對接收功率的影響。從中可以看出，不存在金屬家具時，增加計算的反射次數雖然使得到達接收機的所有射線中反射路徑增多，但是并沒有使接收功率變大；而在加入金屬后，增加計算時的反射次數使得接收功率變化明顯。房間中有金屬家具時多次反射路徑占主導地位，為了增大接收機接收到的能量，提高計算的反射次數效果明顯。

　　圖4比較了有無金屬家具存在的情況下，不同繞射次數對接收功率的影響。從中可以看出，不存在金屬家具時，繞射對接收功率的影響幾乎可以不計，但是加入金屬家具后，特別是在非視距傳播中，考慮繞射后的接收功率比不考慮繞射的功率平均提高了4.15 dB。由此可見，在有金屬家具的房間中，引入繞射路徑可以大大提高接收機的功率。

　　圖5比較了有無金屬家具存在的情況下，不同透射次數對接收功率的影響。當不存在金屬家具時，僅考慮2次透射得到的接收功率較低，考慮3次和4次透射得到的接收功率比較接近。但是在加入金屬家具后，情況明顯不同。在視距傳播中，接收功率有起伏，但是差距不大；而在非視距中，接收功率值并沒有隨著透射次數的增加而逐漸增大，反而在考慮4次透射后有所下降，金屬家具的存在使得房間中的透射路徑變得更加復雜。綜合以上的分析，在對有金屬家具的復雜室內環境進行仿真時，考慮到射線跟蹤的計算效率與準確度，需將仿真參數設置為5次反射、1次繞射、3次透射。

　　均方根時延擴展根據多徑信號的功率時延分布，對其取二階矩計算得到，它反映了信號多徑擴散的程度。從圖6可以看出，當存在金屬家具時，時延擴展在6.3~22.1 ns之間；不存在金屬家具時，時延擴展在11.5~30.3 ns之間。由于金屬家具的影響，使得接收信號的時延擴展下降，這一點在非視距范圍內尤為顯著，下降的最大幅度為15.8 ns。如果沒有金屬家具的阻擋，在非視距范圍內往往最先到達接收機的是穿過墻體的透射信號，隨后才是多次反射和繞射信號，必然會導致功率時延分布在較寬的時間域中；而在視距范圍內，最先到達的總是直射信號，因而金屬家具對時延擴展的影響較小。

3結論

　　本文基于時域射線跟蹤方法研究了有金屬家具的室內復雜環境中超寬帶信號傳播特性。研究結果表明，金屬家具的存在使得接收功率普遍降低，因為信號無法在金屬體中發生透射作用，大大抑制了超寬帶信號良好的穿透性能，此時若增加計算反射的次數或者考慮其影響，可以使接收功率得到明顯提高；金屬家具的存在還使得均方根時延擴展降低，這一點在非視距傳播中尤為顯著。研究結果為超寬帶信號在室內復雜環境中的無線通信網絡規劃設計提供基礎，有利于調制解調技術、各種抗衰落技術等無線通信技術的研究和開發。

參考文獻

　　[1] 劉偉榮，何云.物聯網與無線傳感器網絡[M].北京：電子工業出版社，2013.

　　[2] 任晶晶，馮荻，陳衛東.基于時域射線法的IR-UWB信號穿墻傳播建模與分析[J].微波學報，2012，28（2）：9-15.

　　[3] 汪嘉文，宋丹，施秦健，等.室內環境下超寬帶信號透射特性仿真與分析[J].中國新通信，2013（21）：115-116.

　　[4] 劉蕪健，曹京，張敏勝，等.基于TD-UTD的室內復雜環境超寬帶信號傳播特性研究[J].南京郵電大學學報，2013，33（4）：25-28.

　　[5] 黃強，施展，劉其康.超寬帶電磁波的穿墻傳播特性研究[J].信息技術，2014（9）：167-172.