多径对室内外穿透损耗测试的影响

李建中，葛慧明

（1.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310；2.中国联合网络通信有限公司广东省分公司，广东 广州 510627）

多径对室内外穿透损耗测试的影响

李建中1，葛慧明2

（1.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310；
2.中国联合网络通信有限公司广东省分公司，广东 广州 510627）

通过对电波传播机制的研究，分析了多径对室内外穿透损耗测试的影响，并搭建测试环境进行验证，给出了工程上穿透损耗测试方法的建议。

多径 反射波 包络 驻波 穿透损耗

1 引言

中国的移动通信网络物理站址早已超过150万个[1]，典型城区4G站距小于500m；基本可以在城镇提供无缝的室外覆盖。研究表明，随着移动通信网络的发展，已从话音承载为主转向数据承载为主，业务更多地集中于室内。伴随城市化进程的发展，建筑物的数量和类型大幅增加，受建筑物特性、通信建设受物业阻挠、用户对室内覆盖更加挑剔等因素的影响，室内覆盖问题越来越复杂，已成为运营商关注的重点。

解决室内覆盖主要有2类方案：合理增加宏基站的密度，克服穿透损耗对室内覆盖的影响；建筑物内部署分布式天线系统进行覆盖。利用宏基站进行覆盖，单位覆盖成本更低，施工维护方便，是一般用户密度、中低业务密度区域的主流解决方案。设计的关键参数之一为穿透损耗的取定，该参数对于基站覆盖半径的影响极为敏感，是影响网络建设成本的主要因素[2]。穿透损耗与建筑物墙体的材质、厚度及尺寸等有关，不同地域的建筑物其特征显著不同。关于穿透损耗，有学者以射线跟踪法[3]、射线跟踪法和FDTD（Finite Difference Time Domain，时域有限差分）法[4]的混合方法进行研究，需要对建筑物进行准确的建模，参数取定及运算较为复杂，实际操作受到较大限制。工程上一般引用经验值[5]或通过现场采样测试，对比室内外信号差异，对该参数进行修正和取定，获取更适合本地建筑特征的穿透损耗值。

本文主要对产生损耗的原理及工程上常用的测试室内外信号差值的确定穿透损耗方法的严谨性进行探讨，估算由于多径传播对测试结果的影响，并给出了改进建议。

2 传播机制

当电磁波在传播过程中遇到2种不同媒质的分界面时（例如从空气传播到楼宇外墙），因媒质的本质阻抗不同，电磁波在分界面上将产生反射和折射（透射）。入射波E0的一部分ER被反射，在第一种媒质中传播，另一部分ET折射入第二种媒质。折射部分将继续传播，在到达墙面与空气界面时，将再次发生反射和折射。因此，穿透损耗主要由于能量被反射、折射部分的媒质吸收、墙体内部折射波的再次反射等多种因素的影响。

斜入射电波媒质表面的反射和折射如图1所示：

图1 斜 入射电波媒质表面的反射和折射

产生的反射波和折射波特性与入射波的极化特性有关。以入射面为基准，把电场矢量平行于入射面的波称为平行极化波，把电场矢量垂直于入射面的波称为垂直极化波。任意极化波总可以分解成2个平行、垂直线极化波来讨论[6]。

折射角与入射角之间的关系可以根据2种媒质的介电常数来确定，其关系如下（斯奈尔折射定律）[7]：

电场的反射系数R定义为分界面上反射波的切向电场强度与入射波的切向电场强度之比；电场的传输系数T定义为分界面上折射波的切向电场强度与入射波的切向电场强度之比。

3 反射信号对室外信号的影响分析

在室外测试时，接收机天线收到的信号主要有2部分：信号源发射的直射波；经墙体反射后的反射波。如图2所示，即存在多径信号。根据反射系数公式，墙体的介电常数取8，可以估算出垂直入射时反射系数约为0.48。

图2 多径传播示意图

存在入射波和反射波时，依据反射波存在与否及反射波的大小，波分为以下3种类型：

（1）行波：即无反射波出现；

（2）全驻波：即全部反射，其包络为以入射波半波长为周期的正弦波；

（3）混合波：既有行波成分，又有驻波成分。

由于墙体不是理想导体，因此反射波是部分能量，接收机收到的将是混合波。当收发天线、反射点在一条直线上时，在沿着入射方向的路线上，接收信号的包络随距离变化。其幅度变化为E0-ER至E0+ER，幅度变化规律近似为周期是入射波半波长的正弦波。

当R=0.48时，反射波的场强为0.48E0，接收机收到的混合波其幅度变化范围为0.52E0至1.48E0，最大值与最小值差别为2.8倍。此种情况下接收机测试到的能量在不同的位置应该有不同的强度。

4 现场测试情况分析

测试场景为：输出功率-10dBm，频率1 878MHz，发射天线距离墙面3.7m。接收天线自距离墙面0.32m处，以2cm的步长，垂直墙面往发射机方向移动。接收机采集速率约为100Samples/s，单点采集时间为20s。采集结果具体如表1所示：

表1 垂直方向测试结果

实测的接收信号有明显的周期性变化。由于场强峰值的位置与发射天线的位置、馈线的长度等有关，难以准确确定波峰的位置；同时，距离的测量也有一定的误差。因此，所采样的数值虽然呈周期性变化，但无法保证采样点的最大值即为场强最大值。

由于已知其场强的变化为正弦波特征，因此可采用拟合的方式，利用测试结果来获取其主要参数。拟合的变量为幅度、相移、幅度偏置。可以利用Excel规划求解的功能[8]，对3个变量进行求解。代价函数设定为拟合值与测试值的差异。由于变量少、值域窄，也可以采用VBA编程进行拟合。求解后可接受的场强相对值拟合结果为：幅度5.1、相移206°、偏置10.2。

测试数据折算后拟合结果如图3所示：

图3 测试数据折算后拟合结果

由此推算出场强最大值与最小值差别为2.9倍，对应接收电平（dBm）差异9.3dB。与理论推算极为接近。

5 多径环境下室外信号分布

在平行于反射面的方向上，由于传播路径差变化缓慢，因此水平方向上接收场强随距离变化的周期较长，变化幅度较小。随着入射角的增大（入射方向与反射面法线的夹角），反射系数增大，由此电场的变化幅度也会增大。在一路反射波的情况下，距离差d为：

以墙面为坐标轴，x0、y0为发射源位置，x1、y1为接收机位置。

发射源（-10dBm，f=1878MHz）距离墙面200m、1.4m时，墙体室外局部的电平变化（2m×2m区域，1cm分辨率）情况如图4所示：

图4 室外多径环境下场强随距离变化情况

仿真显示，当发射源距离墙面较远（200m）时，局部区域的反射点及入射角变化较小，沿墙面平行方向场强变化较小；当发射源距离墙面较近（1.4m）时，水平方向变化较慢，0.5m的距离几乎无变化。这2种情况下垂直墙面方向场强均变化剧烈，视频段与墙面材质不同，数厘米的距离有5dB至10dB的变化。

因此，在通过测试室内外信号差值确定穿透损耗时，其测试结果主要取决于测试点离墙面的距离。以瓷砖墙面为例，测量值在直射波+2dB至直射波-6dB之间。若室外以单点或天线距墙面固定距离连续移动方式测试时，室外场强由于多径的影响下，不同位置的测量值差异较大，随机误差大。且其测量中值将低于实际值2dB，即穿透损耗偏小，小区覆盖半径偏大。

根据理论分析及实际测试显示，外立面贴瓷砖的墙面反射了25%的能量；由于反射能量的影响，垂直方向1/4波长（约4cm）的距离变化内将引起近10dB的接收电平变化。玻璃材质的墙面（介电常数约为4[9-10]）约反射11%的能量，实测其接收电平变化约为6dB。根据3GPP的EPA（Extended Pedestrian A model）模型，第二径强度比主径低-1dB[11]，即复杂情况下短距离内快衰落将超过24dB。此时引起的测量误差更大，多径造成的接收电平变化不容忽视。

6 结论

由于多径的影响，室外接收电平与到墙面的距离强相关，在10cm的尺度上电平变化为5dB至10dB。单点采集或沿墙面方向移动采集时，随机误差较大，室外接收电平测量值低于实际值，会导致穿透损耗测试值偏小，其后果是室内实际覆盖效果劣于设计预期。因此，以对比室内外电平差方式测量穿透损耗时，应根据所测试的频段、信号源的位置，在室外距墙面不同距离的多个位置或以纵向小范围移动的方式采集足够多的样本进行计算来减少多径的影响。或者不采用对比室内外电平差的方式，而是选取室外为自由空间传播环境，通过修正传播距离，直接计算穿透损耗的方法来获取更准确的结果。

[1] 中国信息产业网. 中国移动基站总数年底将达180万个[EB/OL]. (2014-06-26). http://www.cnii.com.cn/ wireless/2014-06/26/content_1388371.htm.

[2] Harri Holma, Antti Toskala. LTE for UMTS: Evolution to LTE-Advanced[M]. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd, 2011.

[3] 季忠,黎滨洪,王豪行. 用射线跟踪法对室外至室内的电波传播进行预测[J]. 通信学报, 2001(3): 114-119.

[4] 黄永明,吕英华,徐立,等. 以改进的混合方法预测室外到室内的电波传播[J]. 电波科学学报, 2003(4): 428-432.

[5] Thomas Kurner, Alexander Meier. Prediction of outdoor and outdoor-to-indoor coverage in urban areas at 1.8GHz[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002(4): 496-506.

[6] 赵 家陞. 电磁场与微波技术[M]. 武汉: 华中理工大学出版社, 1990.

[7] Kraus Fleisch. 电磁学及其应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001.

[8] Frontline Systems, Inc. Excel Solver Help[ EB/OL]. [2015-04-02]. http://www.solver.com/excel-solver-help.

[9] 王仪财,吴孟强,许峰云,等. 石英玻璃的高温介电特性研究[J]. 四川大学学报: 自然科学版, 2005(S1): 387-391.

[10] 百度百科. 介电常数[EB/OL]. [2015-04-02]. http:// baike.baidu.com/link?url=VRd0I7QvD89qDW6YbXwc MAO_hAJFj4hIXwWLNK7kij0OQ6owtBUndoFzFtO2 T0l4WF5MbWA9PWWouLgzdjWjxa.

[11] 3GPP TS 36.101 V9.9.0. User Equipment (UE) radio transmission and reception[S]. 2011.★

李建中：工程师，毕业于电子科技大学，现任职于广州杰赛科技股份有限公司，从事移动通信网络规划、优化工作，主要研究方向为大数据、人工智能技术在移动通信规划优化中的应用。

葛慧明：学士，现任中国联合网络通信有限公司广东省分公司网络建设部副总经理，主要研究方向为移动通信网络规划、天线及信号干扰。

Impact of Multipath on Indoor and Outdoor Penetration Loss Test

LI Jian-zhong1, GE Hui-ming2
(1. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China; 2. China United Network Communications Co., Ltd., Guangdong Branch, Guangzhou 510627, china)

Based on radio wave propagation mechanism, the impact of multipath on indoor and outdoor penetration loss test was analyzed in this paper. Test environment was established and proposal on penetration loss test method was presented.

multipath refl ected wave envelope standing wave penetration loss

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.12.007

TN929.5

A

1006-1010(2015)12-0033-04

李建中,葛慧明. 多径对室内外穿透损耗测试的影响[J]. 移动通信, 2015,39(12): 33-36.

2015-04-07

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn