毫米波阻挡绕射及覆盖的理论与实验研究

发布时间：2020-03-29 10:39

【摘要】：毫米波技术作为发展5G的关键技术之一,其频带很宽,从30-300 GHz有丰富的频率资源有待开发利用,可满足人们对高速数据、高宽带图像业务等大容量信息传输与处理的需要。如果将毫米波技术与其他技术相结合,则其通信容量将比长期演进技术(LTE)大得多,这就为5G通信提供大容量、高传输速率、低延迟、扩展灵活等高性能服务提供了可能。本文针对毫米波在可视环境与被阻挡环境下的信道特性进行了理论与实验研究,论文主要完成了以下工作:(1)在研究路径损耗模型的基础上,分别采用28 GHz和45 GHz的毫米波对室内外无线信道进行了视线(LOS)测量;提出了离散的最小二乘拟合方法来对实验数据进行拟合处理,获得实验环境下的路径损耗指数以及阴影衰落的方差,从而进一步得到适合该实验环境的比较精确的路径损耗预测模型。(2)在研究随机几何理论的基础上,应用泊松点过程模型对毫米波蜂窝网络中的建筑物阻挡、基站等进行了建模。根据毫米波对墙壁穿透损耗大的特点,在建模时采用线段方法对矩形建筑物进行了简化处理,并对传播路径上的建筑物阻挡数量进行了量化计算;推导了建筑物的密度、尺寸以及基站的密度等因素对蜂窝网络覆盖的影响,并进行了系统仿真。(3)针对几种常见材料的矩形阻挡,分别提出了三射线与四射线建模方法,并在实验室内使用45 GHz毫米波对12 mm厚的木板、6mm厚的玻璃镜子,以及0.35 mm厚的白铁板进行了矩形阻挡绕射衰减测量实验。实验结果表明,在给定的实验条件下,矩形木板阻挡对45 GHz毫米波的平均绕射衰减约为4.28 dB,在白铁板阻挡下,45 GHz毫米波的平均阻挡绕射衰减约为18.2 dB,玻璃镜子阻挡的绕射衰减介于木板和铁板之间。通过调节发射天线的高度,测量了发射天线在不同高度下受矩形阻挡的绕射衰减特性。实验结果表明,发射天线位置越高,绕射衰减越小,信号的传输效果越好。(4)在深入研究一致性绕射理论(UTD)的基础上,提出了四种圆柱阻挡模型,并利用45 GHz频率的毫米波对四种阻挡模型进行了绕射衰减测量。测量结果表明,对于直径为26 cm的金属桶和直径为30 cm的装满水的塑料桶,45 GHz毫米波的绕射衰减性能接近;它们的测量结果比单个人体阻挡的绕射衰减要大得多;对于人与圆柱结合的两种模型,其测量结果并不相同。当圆柱固定在发射天线一侧时,其对毫米波信号的绕射衰减小于圆柱固定在接收天线一侧的情况。(5)针对毫米波信号容易被阻挡的问题,本文提出了一种结构简单的通信转接方法来实现室内外毫米波通信、以及其他发射天线与接收天线不能直视条件下的毫米波通信。通过采用26 GHz频率的毫米波在微波暗室进行室内外通信测量,以及采用45 GHz频率的毫米波在一个带有生产车间的大实验室的实验测量,验证了该方法是行之有效的。
【图文】：

（１）实验室环境下测量逡逑本次实验在罗德施瓦茨公司的开放实验室进行，载波频率为２８邋ＧＨｚ，信号逡逑源的发射功率设为０邋ｄＢｍ，实验场景如图２－１所示。逡逑ｍ逡逑图２－１实验室环境下路径损耗测量场景逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｓｃｅｎｅ邋ｏｆ邋ｐａｔｈ邋ｌｏｓｓ邋ｉｎ邋ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ逡逑此实验室环境比较开阔，测量环境比较理想。受限于房间空间，测量的逡逑丁NB－１＾（范围是２－８．５邋１１１，每隔０．５邋１１１测一组数据。将测量结果代入＼１入１１＾：８拟逡逑合程序，可以拟合出路径损耗指数以及随机对数阴影衰落的方差，如表２－２所逡逑示逡逑表２－２实验室场景下的路径损耗优化参数逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－２邋Ｏｐｔｉｍａｌ邋ｐａｔｈ邋ｌｏｓｓ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｓｃｅｎｅｓ逡逑ｄ0（ｍ）逦ＰＵｄ0）逦ｎ逦ｃ２逡逑２逦４０．３逦０．９２逦０．１１６逡逑将表２－２的参数代入公式（２－２）可得到该环境下的路径损耗表达式。从而实逡逑２１逡逑

方差为＾＝０．１１６。逡逑该实验环境下的测量到的信号衰减散点图以及根据测量数据所拟合出路径逡逑损耗预测与测量距离的关系曲线如图２－２所示。逡逑Ｓ０逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦ｋ逦ｋ逡逑逦路径损耗拟合曲线｜逦１逡逑５４邋－逦｜邋口邋测Ｍ的散点数据逦｜邋昼逡逑５２．逡逑＿邋？，目逡逑黾５0－逦｜．ｒ目逡逑ｉ４６＿逡逑ｓ逡逑４４邋＊逦／逦－逡逑Ｉ＇逡逑４２邋－逦－逡逑ＩＩ＇逡逑４０邋逦１逦１逦１逦１逦１逦１逦逡逑２３４５６７８９逡逑ＴＸ－ＲＸ邋距离（ｍ）逡逑图２－２路径损耗测量及拟合结果逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｐａｔｈ邋ｌｏｓｓ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｒｅｓｕｌｔｓ邋ａｎｄ邋ｆｉｔｔｉｎｇ邋ｒｅｓｕｌｔｓ逡逑图２－２为该实验室环境下随机接收到信号衰减的散点图与拟合的趋势线。逡逑将各位置所测到的散点数据求平均值，其结果与自由空间的Ｆｌｉｉｓ公式计算结果逡逑很接近，，证明了测量方法可行，测量结果是合理的。逡逑（２）图书馆走廊内测量逡逑将该方法应用到图书馆环境下对书架之间的走廊环境进行测量，考察一下逡逑其普遍适用性，也为未来图书馆５Ｇ的布设提供参考。图书馆两个书架之间的逡逑走廊宽０．８５邋ｍ，两边的书架毫无疑问会产生大量的反射，造成多径传播，这将逡逑对接收信号造成影响。测量的时候，ＴＸ以及信号源不动，ＲＸ和频谱分析仪放逡逑在一个小推车上
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

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本文编号：2605853