飞机舱内无线电传播覆盖研究

熊 锋，王 琪

(南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 330063)

0 引言

随着人们生活水平的提高，对于在乘坐飞机的旅程中的服务需求也越来越高，飞机舱内的无线通信技术已经成为了人们的关注目标。为了给飞机舱内提供可靠、稳定的通信服务，对飞机舱内的电磁波传播特性和无线电覆盖效果的准确分析是非常重要的。由于飞机舱内环境的特殊性和实际的物理测试的成本太高，最好使用一种电磁波传播预测工具。

Wireless Insite是Remcom公司开发的一种用于电磁波预测的商业性软件，它基于射线跟踪法，预测结果与实际具有很大的可比性。本文将结合飞机舱的模型，用它对飞机舱内无线电波的传输覆盖进行仿真分

1 Wireless Insite简介

Wireless Insite最初是用于城市内无线电波的传播预测，随着功能的发展，它的功能扩展至非规则地形、植被、室内及室外到室内的传播预测等。它基于物理学中的射线跟踪模型和GTD/UTD绕射理论，使用计算机图形技术快速处理射线传播。

它提供3种算法给用户:2D、快速3D和全矢量3D算法，前两种算法被用来近视估计数据。全矢量3D算法更为精确，但是计算时间比较长。它通过综合分析UTD模型、不同材料的反射系数和透射系数来估计电场;并将结果与天线模式相结合，计算路径损耗、到达时间、到达角度等。

2 飞机舱内传播模型和射线追踪技术

飞机舱内无线环境的复杂性在于其舱内不同的结构设备、舱内布置、舱内物品及人员，并且环境变动比较大。除了最基本的和最理想的自由空间传播外，无线电波的传输一般受到多径效应的影响。在飞机舱内环境中，一些经验模型并不适用。本文使用的是确定性模型。确定性模型遵从电磁波传输的物理理论，主要有两种:基于几何光学的射线跟踪法［1］和基于求解麦克斯韦方程的时域有限差分法(Finite-Diffenrence Time-Domain，FDTD)。但是用直接解麦克斯韦方程的纯理论方法却很少(因为传播环境的复杂性使得求解方程所需的边界条件很难确定)，多数是采用射线跟踪法，或者由射线跟踪法衍生的算法。确定性模型是根据电波传输原理得到的，因此比较精确，但是运算量较大，运算时间比较长;并且它需要精确的输入数据库，输入数据一般是各种材料的电磁属性和空间布局结构的几何数据。

本文用在飞机舱内的射线跟踪技术是发射射线法，发射射线法又称为入射和反射射线法(Shooting and Bouncing Ray Launching Algorithm，SBR)。它的基本思想是:跟踪从发射天线发出的每一条射线，射线遇到阻碍物时，根据入射的几何位置和障碍物的电参数特性，按照反射、投射、绕射或者它们的组合，从而确定下一步的路径，然后继续对其跟踪直到它被接收或者达到退出跟踪条件，完成电波传输的跟踪预测。过程如图1所示。

图1 SBR跟踪树形图

在飞机舱内环境中，可以根据要求的精度设置一个信号强度阈值，当射线强度低于这个信号强度阈值时，就停止追踪。

3 仿真模型建立及参数说明

3.1 仿真模型的设计

参照波音B737-400的机身和机身内部结构，设计了一个简单的三维飞机舱模型。机身长25m，舱顶高度为2.20m，行李架高度为1.68m。发射机放置在机身中间轴处，接收机分3个不同高度接收，相应代表人体坐立时脚跟、膝盖、头部的高度。结构如图2、图3所示。

图2 B737-400机身模型参数

图3 建模实物图

3.2 参数说明

在仿真过程中，本文选取一致性绕射理论(UTD)的Full3-D的SBR模型。射线跟踪过程可以得出发射机到接收机的传播路径，UTD用来估计每条射线的复数电场强度。使用2.4GHz的WiFi信号，中心频率为2400MHz，中心带宽为 5MHz，发射功率为0dbm。选取的天线类型:发射机为 ±30°定向天线(Direction Antenna)，发射线机为线性分布，接收机为全向天线(Omnidirectional Antenna)。天线增益设为2.0dBi。

4 实验结果与分析

在这里需要了解一下Wireless Insite里有关的计算公式［2］，接收功率为:

其中，PR为平均时间接收功率，Np为路径的数量，Pi为第i条路径的平均时间接收功率。

其中，λ为电磁波波长，β为传输波形的重叠频谱，η0为自由空间阻抗，Eθ，i，Eφ，i为关于 θ、φ 在接收路径中第i条路径的电场强度。θi，φi是第i条射线到达方向。

通过实验仿真，得出一些相关数据:

如位于0.5m高度，接收点(580)，可以得到其接收功率为－83.000dbm，路径损耗为63.990dbm等数值。

场景1 在加入人体模型的情况，人体模型的介电常数为54，电导率2.3。进行3个不同接收机高度的仿真分析，接收情况如图4所示，可以根据分布图得出接收功率覆盖效果。图4中横轴为接受功率，纵轴为累计概率。

图4 接收功率分布图

场景2 无人情况环境下，3个不同接收机高度，接收情况如图5所示。

图5 接收功率分布图

通过对不同场景的仿真结果分析，加上实际WiFi信号源功率一般为15～18dbm，对比WiFi信号的接收灵敏度(接收机灵敏度定义了接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度)－83dbm，仿真的结果是正确的。飞机舱内0.1m处，无线信号强度最好，而加入人体模型对仿真结果影响不大。可见在实际的飞机舱内环境中，人体对总的无线信号接受功率影响不大，因此在飞机舱内复杂的无线电传播环境中，可以省略一定的人为干扰因素。

5 结束语

本文基于射线跟踪法对飞机舱内的2.4GHz-WiFi信号传播覆盖进行了研究，在Wirelss Insite的仿真平台上，对舱内有人和无人的场景进行了仿真，得到了飞机舱内WiFi信号传播情况。但是本文没有考虑到其它频率的无线信号传播分析，以及对飞机舱内无线通信系统的设计布局。未来工作将继续往这两方面发展，进行进一步研究和设计。

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