复杂环境下电波传播损耗的测试与仿真

王满喜，聂 皞，孙 武，王倡文

(1.中国人民解放军63880部队，河南洛阳 471003;2.中国人民解放军61936部队，海南海口 571100)

0 引言

在通信装备的性能测试中，外场场地测试常常会由于网络规模过大和飞行条件不具备等原因而不能正常进行，此时就需要把装备移至实验室内进行内场仿真测试。在内场仿真测试中，通信链路传播损耗的模拟和计算是其重要内容，损耗模型的误差则是影响通信装备内场测试结果的重要因素。通常，为了尽量减小损耗模型的误差，在测试前需要对所选定的外场测试点位之间进行实地测试，并利用实测数据来对损耗模型进行校正，但是，由于实地测试存在耗费高和不确定因素多等缺点，故实测校模并不是总能实现。近些年来，随着电磁仿真技术的发展，确定性的电波传播特性预测技术，特别是确定性电波传播特性预测技术和软件得到了迅速发展，这为内场仿真测试中所需的通信链路传播损耗计算提供了一条高效准确的途径，而基于射线追踪算法的确定性电波传播特性预测方法是其中应用最为广泛的。

1 射线追踪算法

电磁波在山地、平原、建筑物、植被和河流等不规则地形地貌环境中传播时会出现反射、绕射、透射和散射等不同的传播机理，这些机理的发生具有很大的随机性，因此要准确预测复杂环境下的电波传播特性是相当困难的。但是，为了满足工程技术需要，人们还是建立了很多复杂环境下的电波传播预测模型。其中，确定性电波传播预测模型是在严格的电磁理论基础上从麦克斯韦方程组导出的公式，根据电波传播的初始条件和边界条件，求解这些公式就可得到路径上的电波传播特性。在确定性电波传播预测模型中，基于射线追踪算法的预测模型是目前应用最为广泛的。它是基于一致性绕射理论(UTD)和几何绕射理论(GTD)，采用射线跟踪方法(SBR)建立的传播预测模型，使用了一些计算机图形学的方法加速模型的建立和处理，在2D或3D的环境中，根据电波散射特性以及跟物体相关的反射、透射系数，利用几何光学、UTD或GTD理论来计算电场和磁场，通过将电场与具体的天线模式相结合来计算路径损耗，到达时间以及到达角度等。

基于射线追踪算法的电波传播预测方法通常把电波传播路径分为3类:反射波、透射波和绕射波。电波按反射波和透射波传播的情形如图1所示，图中为发射机Tx的一条射线经过3个物体反射和透射后的电波传播情况;电波按绕射波传播的情形如图2所示，图中为发射机和接收机高于建筑物顶部时发生的电波绕射和直射传播的情况。

图1 反射波和透射波传播

图2 绕射波传播

在算法实现中，由于计算资源有限，通常会设定可计算的反射、透射和绕射路径数的最大值。此外，由于射线跟踪方法是高频分析技术，也就是说，如果障碍物的尺寸远大于波长，并且观察点和物体之间的距离等于波长的许多倍，此技术才可以预测出准确的结果，因此射线追踪算法通常还规定了最低通信频率，比如100 MHz以上。目前，射线追踪算法已经趋于成熟，市面上已有多款商业的基于射线追踪算法电波传播预测模型软件，如法国Siradel公司开发的Volcano、德国AWE公司开发的WinProp和美国REMCOM公司开发的Wireless InSite等。

不过，射线追踪算法模型也有其自身的缺点。首先，它需要高精度的地图和准确的站点参数，也需要更多的计算时间(往往数百倍于统计模型)。因此从经济和人力代价考虑，射线追踪模型并非适用于所有的场景，而较适合于在复杂的密集城区或室内场景中使用。其次，由于射线追踪算法对所有建筑物、墙壁和屋顶等散射体无线电波传播特性进行数字化，其中必然存在量化误差，故其计算结果需要实际测量数据进行验证。

2 复杂环境下的电波传播损耗仿真

为了检验基于射线追踪算法的电波传播损耗预测模型对复杂环境下通信链路传播损耗的预测结果，该文对超短波电台在不同地理环境条件下的通信链路传播损耗进行了实地测试;同时，在实验室中，利用Wireless InSite软件针对该外场测试场景进行了同步仿真。在此，重点介绍软件仿真过程、结果对比分析和结论。

2.1 仿真场景设置

2.1.1 载入地图

Wireless Insite软件支持DTED地形数据作为仿真中地形数据来源，同时还支持将jpg图片载入以便为仿真模型中地物建立标识。仿真中，以某通信链路作为仿真目标，并将获取的测试场区的jpg图片和DTED地形数据载入Wireless Insite，发射端A点位和接收端B点位的通信距离为4809.7 m。

2.1.2 地物和通信设备建模

地物建模主要指对城市建筑物和植被的建模。测试中，对测试区域内的建筑进行了实地调研，结果表明测试区域内的建筑物多为村庄内的2层民房，高约7 m，另外还不少部分的位于路边、田边的散乱单层房屋。民屋的墙壁和房顶基本上均为砖瓦材质，高度在5～8 m之间，屋顶为楔形。在建模中，由于房屋大多较为集中，而且地图分辨率有限，不能准确地分辨出单栋房屋，因此采用了对建筑物进行简化的建模方法，将村庄内的民房建模为高度6 m的长方体，其他散乱房屋建模为高5 m的长方体，房屋的材质为砖，其物理特性描述为:厚度0.125 m，表面光滑，等效导电率0.001 s/m，相对介电常数为4.44。

测试区域内的植被主要分为2种:大面积覆盖的麦田和路边稀疏的白杨树。其中麦苗的高度约30 cm，尚未成熟;白杨树高度在12～18 m之间，树叶尚未长大，树冠并不茂密，且沿公路分布。在建模中，把麦田设置为地形数据的覆盖物，其特性参数描述为:覆盖厚度0.3 m，表面略微粗糙，对垂直极化和水平极化波的反射系数均为0.5。树林以小面积林带的形式建模，高度为15 m，其特性参数描述为:树叶宽度5 cm，厚度5 mm，树叶密度稀疏，树枝半径18 cm，树枝长度0.5 m，树枝的相对介电常数为20，等效电导率为0.39西门子/m，树叶的相对介电常数为26。

通信设备的建模主要是发射和接收天线以及信号波形的建模。仿真中，发射信号为频率不同的单载波信号，发射机采用的是标准的双极天线，接收机采用理想的全向天线。

与真实测试情况不同的是，由于仿真中采用的均为确定性的模型，然而考虑到真实测试中的随机现象，在接收点位附近放置了多个接收机，如图3所示，接收机分布在接收点位为圆心、半径为10 m的环状平面上，接收机之间间距为5 m，共32个接收机，将所有接收机的平均值作为最终的仿真结果。

图3 环状分布的接收机

加入了发射机、接收机、村庄和树林等地物后的通信场景三维布局图如图4所示。

图4 通信场区的三维图

2.2 仿真结果

对测试点位及周边地形地物进行建模后，采用Wireless Insite软件的full 3D模型进行了仿真，仿真中最大反射路径数目为3条，最大透射路径数目为2条，最大绕射路径数目为2条，发射机天线高度固定为10 m，接收机天线高度为8 m和12 m。在不同频率、不同接收天线高度时仿真得到的传播损耗均值、损耗范围和损耗标准差如表1所示。

表1 路径传播损耗测试表

3 外场实地测试

在外场实地测试中，为了尽量减少误差，所选择的A—B点位之间的通信链路是沿着公路的，且地势较为平缓;发射机由信号源加功放组合而成，发射天线采用的是笼形天线，天线架高8 m;收端天线架高分别取8 m和12 m，分别采用马刀天线(装备在电台车上)和对数周期天线(装备在电波监测车上)进行重复测量，以便比对。数据采集以对每个通信距离和天线高度的接收信号功率测量值为主，并通过小范围移动天线位置来重复试验，剔除一些数据跳变点以及明显偏离趋势的测试电平值，将几次测量结果求均值作为接收点的电平值，以减弱随机误差的影响。数据处理过程中，采用每个设备电缆的实测数据，测试采用的鞭天线和马刀天线采用均值法的测试结果，笼形天线采用比对法的测试结果，对数周期天线和偶极子天线采用资料给出的增益值。

测试中发现在频率低端的接收信号功率很稳，移车后变化也不大。使用马刀天线，天线架高8 m，在频率225.75 MHz，移车前后接收信号电平则相差了14 dB之多，315.75 MHz移车后几乎接收不到信号。使用对数周期天线，在频率最高端有3个信号不稳定，难以读取数据。处理后的传播损耗测试结果表2所示，表中8 m和12 m表示接收机天线架高。

表2 通信链路传播损耗

4 结果对比与分析

测试结果对比中以接收点位为圆心、半径为10 m的环状平面上间距为5 m的32个接收机得到的损耗结果的均值作为Wireless Insite软件仿真的最终结果，并将此次结果与外场实测结果以及理论自由空间计算结果进行对比分析，对比结果如图5、图6和图7所示。

图5 接收天线高度为8 m时的损耗对比

图6 接收天线高度为12 m时的损耗对比

图7 实测损耗和仿真损耗之差

从上面的比对结果可以看出:

①接收机天线从8 m升高到12 m，传播损耗平均降低2 dB;

②随着频率的增加，传播损耗总体趋势为增加，但在300 MHz附近出现拐点;

③由于地形、地物的影响，接收路径损耗相比自由空间损耗平均高19 dB(接收天线高12 m)和22 dB(接收天线高8 m);

④不同接收机位置的略微变动都将对传播损耗产生影响，在半径10 m范围内损耗跨度的平均范围为7.9 dB(接收天线高12 m)和9.4 dB(接收天线高8 m)，平均标准偏差为3.1 dB(接收天线高12 m)和2.4 dB(接收天线高8 m)，这是由不同接收机位置接收到建筑物的反射路径差异造成的;

⑤仿真损耗和实测损耗随频率和天线高度的变化趋势一致，二者之间的误差在10 dB以内，平均标准偏差为4.5 dB，这基本满足了内场仿真测试对环境特性模拟真实性的需要，因此采用基于射线追踪算法的确定性电波传播损耗预测方法对复杂环境下通信链路传播损耗计算是可行的;

⑥误差主要来源于实测误差、对环境数字化过程中的量化误差以及算法对射线的取舍误差，在实际应用中要减小误差，必须对环境进行更精确的量化描述。

5 结束语

上述通过外场实地测试和实验室软件仿真2种手段，对复杂环境下某典型通信链路的传播损耗进行了计算，测试和仿真结果表明了采用基于射线追踪算法的确定性电波传播损耗预测方法对复杂环境下通信链路传播损耗计算的可行性。这为通信装备仿真测试中所需的通信链路传播损耗预测与估计提供了一条高效准确的方法，该方法的应用将大大提高通信装备内场仿真测试的准确度和可信度。 ■

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