针对地下室场景4.8 GHz频段传播特性研究

摘" 要： 地下室无线网络信号覆盖一直都是关系到人们感知通信的重要民生事件，但由于其空间封闭，使得室外信号难以穿透，严重影响了运营商的服务质量。文中基于入射及反弹射线法/镜像法对典型地下室环境进行建模仿真；研究了4.8 GHz频段下有车体存在和无车体存在时的电波传播特性并对数据进行处理；计算出不同距离的发射机与接收机对应的接收功率和路径损耗，并与1.9 GHz频段相应参数进行了对比，为优化网络覆盖提供了理论依据。通过研究表明，有车体存在时接收功率更大一些，5G频段相比4G频段接收功率更小一些。

关键词： 地下室； 接收功率； 路径损耗； 网络覆盖； 4G； 5G； 不同频段

中图分类号： TN929.5⁃34" " " " " " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2024）05⁃0023⁃06

Study on propagation characteristics of 4.8 GHz band for basement scenarios

SUN Lei1， DING Mao1， YIN Yiyan1， XING Feng1， LI Zhiwen1， ZHANG Jing1， ZHANG Jingyi2， JIANG Jinhong2

（1. China Mobile Communications Group Yunnan Co.， Ltd.， Kunming 650228， China;

2. College of Electronic and Optical Engineering amp; College of Flexible Electronics （Future Technology），

Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210003， China）

Abstract： Basement wireless network signal coverage has always been an important livelihood event related to people′s perception of communication. However， due to its closed space， it is difficult for outdoor signals to penetrate， which seriously affects the service quality of operators. In this paper， the typical basement environment is modeled and simulated based on the incident and bounce ray method/mirror method. The radio wave propagation characteristics of the presence of vehicle body and the absence of vehicle body in the 4.8 GHz band are studied and the data are processed， and the corresponding receiving power and path loss of transmitter and receiver at different distances are calculated and contrasted with the corresponding parameters of the 1.9 GHz band， which provides a theoretical basis for optimizing network coverage. This research has shown that the receiving power is greater when there is a vehicle body， and the receiving power at 5G frequency band is smaller than that at 4G frequency band.

Keywords： basement; receiving power; path loss; network coverage; 4G; 5G; different frequency bands

0" 引" 言

随着数字化建设的发展，人们对网络覆盖提出了更高的要求。居民小区电梯、地下室无线网络信号覆盖一直都是关系到人们感知通信的重要民生事件，由于这些区域的特殊位置和结构，使得信号在穿透过程中被逐渐削弱，甚至会在一些地方被直接屏蔽。此时，需要保证地下室出入口处信号的连续性，以保证用户感知的连续性。针对这一现象，国内外学者对地下室场景做了大量的测量分析工作。Supachai Phaiboon等人对两个不同的停车场建筑以1.8 GHz的频率进行了测量[1]，提出了一种预测停车楼路径损耗的模型，对室内无线通信系统设计具有一定的作用。文献[2]通过分析建筑物进入损耗（BEL）对建筑物外部和地下室之间传播路径的三种不同场景进行了测量仿真，并以此来预测地下室传播模型。文献[3]针对11 GHz、16 GHz、28 GHz和38 GHz频段对室内办公场景进行了信道建模和测量，研究了各个频段的功率时延谱、均方根时延扩展等，验证了天线阵列下球面波特性与簇生灭特性。文献[4]选取室内教室为典型场景，研究了3.5 GHz、6 GHz、14 GHz、23 GHz、26 GHz和28 GHz频带的信道特性。基于视距和非视距情况下的测量结果，提出了floating⁃intercept和[α]⁃[β]⁃[γ]路径损耗模型。文献[5]通过仿真得到的路径损耗模型分析了4个不同建筑物中5.3 GHz室内无线信道的测量结果，提取了无线信道在空间和频率域的相关函数。本文针对地下室场景应用基于入射及反弹射线法/镜像法[6] （Shooting and Bouncing Ray Tracing/Image， SBR/IM）的射线跟踪法对地下停车场进行了建模及仿真，通过对比4.8 GHz频段与1.9 GHz频段和有车体存在与无车体存在情况下的路径损耗和接收功率，对无线电波传播特性进行相应的分析。

1" 射线跟踪相关理论

1.1" 直射波

直射波是从发射机发射，不经过障碍物直接到达接收机的无线电波。在一般实际场景计算中可以视为自由空间的无线电波传播，接收点的直射波场强与无线电波传播路径的距离有关，可以表示为：

[E=E0e-jkdd]" "（1）

式中：[E0]表示发射机的场强；[d]表示收发机之间的直线距离；[k=2πλ]，表示波数的大小。

直射波的传播损耗也是自由空间的路径损耗，表示为：

[PL0=10lgPtxPrx=32.44+20lg f+20lgd-10lgGtx-10lgGrx]" "（2）

式中：[Ptx]、[Prx]分别是天线的发射功率和接收功率；[Gtx]、[Grx]分别为发射天线和接收天线的增益；[f]为信号的工作频率，单位是MHz。

1.2" 反射波

无线电波反射发生于两种不同介质密度的分界面处，该界面的尺寸远远大于电磁波的波长，由于常见入射的反射波电场并不是完全平行或者垂直于入射平面，一般将电波在固定坐标系中分解成平行和垂直于入射平面的电场分量，具体电波反射计算示意图如图1所示。

假定[P]为反射波上某点，反射点[O]的场强可以表示为：

[EO=Ei‖Ei⊥]" " （3）

式中：[OP]的距离为[r]；[Ei‖]和[Ei⊥]分别表示入射波水平极化波和垂直极化波电场方向上的单位矢量。

反射波[P]处的场强可表示为：

[E（P）=Er‖（r）Er⊥（r）=EO⋅R‖00R⊥⋅r'r'+r⋅e-jβr=Ei‖（r）Ei⊥（r）R‖00R⊥⋅r'r'+r⋅e-jβr]" "（4）

式中：[R‖]、[R⊥]分别表示电波水平极化和垂直极化下的反射系数；[β=2πλ]是波数，[λ]是工作波长。当满足[μ1=μ2=μ0]的条件时，反射系数可根据以下公式计算：

[R‖=（ε2ε1）cosθi-ε2ε1-sin2θi（ε2ε1）cosθi+ε2ε1-sin2θi]" "（5）

[R⊥=cosθi-ε2ε1-sin2θicosθi+ε2ε1-sin2θi]" "（6）

1.3" 绕射波

绕射波是指在电磁波传播过程中遇到尖锐的劈或者障碍物的边缘时，电波发生改变或弯曲绕到障碍物后面所形成的波。绕射机制常见于障碍物的顶点、曲面、边缘或其他不规则凸起尖锐的面。电波在传播过程中与障碍物发生绕射前，电波传播路径上的每一个点都可以看作是一个新的波源，在障碍物后面生成一个球面的副波并相互叠加，绕射点的场强振幅和相位可以通过惠更斯菲涅尔定理计算。常见的三种绕射类型是：尖端绕射、曲面绕射和边缘绕射，示意图如图2所示。

若绕射点[O]处的入射波电场为[EiO]，则绕射路径上某观察点[P]处的电场[EdP]可表示为：

[EP=Ed‖（r）Ed⊥（r）=Ei‖（r）Ei⊥（r）D‖00D⊥·r'r'+r⋅e-jβr]

（7）

式中：[D⊥]和[D‖]分别表示垂直极化波和平行极化波的电场绕射系数；[r'r+r]表示电场幅度的空间扩散衰减系数；[r]为绕射点[O]与绕射观察点[P]之间的距离；[r']是入射线出发点（源点）与绕射点[O]之间的距离。

1.4" 射线跟踪方法

针对无线信道传播特性的研究，根据建模方法的不同，可以将无线信道模型分为确定性模型和随机性模型，其中随机性模型包括非几何随机模型（Non⁃Geometric Stochastic Model， NGSM）和基于几何的随机模型（Geometry⁃Based Stochastic Model， GBSM）[7]。确定性模型通过光射线理论或电磁传播理论来准确地分析和预测无线信道传播特性，如射线追踪法（Ray Tracing）和计算电磁法（Computational Electromagnetic， CEM）等；随机性模型通过定义的概率分布描述信道参数，这使得它们在数学上易于处理并适用于各种场景，但准确性低于确定性模型。

用于研究无线信道在不同场景下的传播特性的光线追踪方法种类繁多，不同的方法适用于不同的场景，主要的方法有镜像法、最小光程法、测试射线法[8]、入射及反弹射线法[9]（Shooting and Bouncing Ray， SBR）、入射及反弹射线法/镜像法（SBR/IM）等。镜像法通常用于简单的结构环境，但很难应用于复杂的环境。最小光程法的基本原理与镜像法一致，不采用反射定律来确定墙面反射点的位置，而是通过对光程取极小值的方法来确定墙面的各次反射点的坐标位置，这在后续工作中非常有效，但同样很难应用于复杂环境。测试射线法不需要事先确定接收点的位置，适用于复杂场景下的场强预测，缺点是需要接收球，预测精度受接收球半径的影响，计算效率不高。入射及反弹射线法不需要接收球，可以应用于复杂环境，但需要大量的计算。SBR/IM法是一种修正的入射及反弹射线技术的确定性方法，其技术实现步骤如图3所示，适用于预测室内的无线信道特性，计算效率和精度有显著的提高[10⁃11]。本文就是基于SBR/IM算法来分析典型地下停车场模型在5G频段的电波传播特性。

2" 仿真环境和正确性验证

2.1" 理论基础

经过直射和地面反射所接收到的接收功率如式（8）所示：

[RP=TPλ4π2αrαte-jkd1d1+e-jkd2d2]" "（8）

式中：[λ]是波长；[k]是波数；[d1]为直接路径的距离；[d2]为地面反射路径的距离；[αr]和[αt]为天线函数[R（θ）]表面反射的反射系数；[TP]为发射功率。

式（9）将接收功率转化成路径损耗[7]：

[PL（dB）=10lgTPRP（d）] （9）

式中：[TP]是发射功率；[RP（d）]是接收功率；[d]为发射机与接收点的距离。

2.2" 仿真环境介绍

本文模型是通过测量南京邮电大学电光学科楼B楼地下停车场绘制的，地下停车场场景图如图4所示，其空间模型如图5所示，两侧为停车场的出入口，内部由墙、柱子和车位构成。仿真频率[12⁃13]选择中国移动5G通信频段4.8 GHz和中国移动4G通信频率1.9 GHz，模型总长80 m、宽60 m，环境结构的电参数和仿真参数如表1、表2所示。将发射点设置在天花板正中心的位置，接收点覆盖整个地下停车场，共计300个接收点。

2.3" 路径损耗分析

地下室场景中有车体存在和无车体存在两种情况，对地下停车场的路径损耗数据结果进行分析。图6和图7分别是4.8 GHz和1.9 GHz频段下仿真得到的有车体存在时地下停车场的路径损耗情况，图8和图9分别是4.8 GHz和1.9 GHz频段下仿真得到的无车体存在时的路径损耗。从图中可以看出，车辆是否停放对于接收信号的路径损耗结果影响较小，路径损耗的数值变化不大，但是4G频段和5G频段存在一定的差异性，从整体趋势来看是相似的，但是4G频段相比5G频段来说路径损耗更小一些。

2.4" 接收功率分析

通过对比4.8 GHz和1.9 GHz频段下有车体存在和无车体存在的情况，对地下停车场的[RP]数据结果进行了分析，将地下停车场的接收点数量增加到300个。

图10和图11展示了4.8 GHz和1.9 GHz频段下有车体存在时的[RP]分布情况，图12和图13分别是4.8 GHz和1.9 GHz频段下无车体存时的[RP]分布情况。

可以明显看出，由于发射机处于天花板的中心位置，每个点的接收情况都较为良好，4.8 GHz频段下有车体存在的[RP]值处于-63.5～-14.4 dBm之间，无车体存在的[RP]值处于-57.2～-14.9 dBm之间。同时，4.8 GHz频段下有车体存在时所有点[RP]的平均值为-36.54 dBm，无车体存在时所有点[RP]的平均值为-36.57 dBm。而1.9 GHz频段下有车体存在时[RP]值处于-59.6～-9.1 dBm，无车体存在时[RP]值处于-54.8～-10.2 dBm。同时，有车体存在时所有点[RP]的平均值为-29.44 dBm，无车体存在时所有点[RP]的平均值为-29.94 dBm。从图中还可以看出，靠近门口的接收功率较小，而中间靠近发射点的停车位接收功率相比其他位置要大，4G频段相比5G频段接收功率更大一些。

3" 结" 语

本文基于射线跟踪法，通过仿真对比分析了典型地下停车场中4.8 GHz和1.9 GHz频段的传播特性，通过仿真验证了SBR/IM法在室内电波传播预测中存在的可靠性和有效性。对于地下停车场环境，其接收功率的主要贡献来自于直射、反射和绕射。通过研究发现，有车体存在时接收功率更大一些，5G频段相比4G频段接收功率更小一些。以上仿真结果可以对现实地下停车场环境发射机的布放及优化提供参考。

注：本文通讯作者为张静怡。

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