舰船舱室环境下电波传播特性的仿真和分析

阎 超,葛莉华,范啸平

(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海200011)

近年来无线移动通信技术发展迅速，技术发展的同时必然会对通信容量和质量提出更高的需求，通信质量与无线通信传输频段有关，频段越高，所提供的信息传输带宽就越大，电波所携带的信息就越多。当今主流无线通信网络采用的频段就是移动网络通信采用的900 MHz频段[1]和在无线局域网进行近距离通信技术中所采用的2.4 GHz频段[2]，此外，60 GHz频段作为未来发展潜力巨大可以支持高带宽传输能力的无线通信传输频段也成为了当今的研究热点[3]。目前的移动通信技术主要应用在室外蜂窝通信网络中，无线局域网技术是在室内提供短距离通信，这种短距离无线通信的主要需求特点和环境多为人口密度大的办公场所及家庭室内环境。其共同特点都是用户可以利用通信用户终端通过移动基站与其他终端进行通信。

常见的室外环境包括不同高度的建筑物、街道等情景，移动通信电波在室外环境中传播有建筑物的遮挡，会发生反射、散射等现象，电波传播的信道多是采用基本的基于统计学的经典信道模型[4]。常见的室内环境，墙壁多为混凝土和砖墙结构，门窗为木质或玻璃材质。空间特点表现为开放性，室内环境与外界环境通过门窗等部位实现连通。国内学者对室内电波传播特性已经做过很多研究[5]，室内环境下的无线通信网络特点是无线基站发射功率小，波长较短，无线电波在室内同时产生发射、透射、散射等复杂的光学现象。舰船舱室内部与普通室内环境在结构和材料方面有较大差异，重点表现为封闭性，封闭性会造成电波能量损失缓慢，空间区域划分复杂形成的舱室内部空间几何结构复杂的特点对电波传播路径形成影响。目前针对舰船舱室内部环境的电波传播特性的研究相对较少，相关文献报道很少。

目前舱室内部通信系统多采用有线自动电话和声力电话等传统通信方式，缺点是只能在舱室固定地点进行通信，随着装备的信息化程度提高和通信技术快速发展，舱室内部引入无线通信手段对提升用户通信体验和增加通信便捷性有重要意义。本文在舱室模型中引入了射线跟踪法对三种通信频段下电波传播特性仿真建模，并且进行了对比分析。

1 基本方法和原理

传统的无线通信信道所采用的信道模型为基于统计学的信道模型，其中比较经典的统计学模型如瑞利模型[6]。在室内空间环境中，无线通信网络所采用频段波长大多为厘米波或者近毫米波，室内物品的几何尺寸都要比波长量级大得多，这就使得电波在传播过程中的边界约束条件变得非常复杂，如果采用麦克斯韦方程组进行精确求解需要耗费很大的计算资源，也会耗费很长的时间，麦氏方程组在此情况下适应度很低。当波长与物体几何尺寸相比足够小的时候，电磁波在空间环境中的传播可以用几何光学来近似描述，认为电磁波是沿着直线传播的，电波传播过程遵守几何光学定律。在此思想基础上产生了射线跟踪法。

射线跟踪法是基于几何光学理论和几何绕射的理论，是对高频电磁波传播特性进行估算的一种方法，它的核心思想假设就是用射线模拟电磁波波束，传播过程中的电磁波的波长看作为零，首先要确定收发天线周围的物理环境特性，再根据反射、绕射等现象寻找出可能到达天线的射线传播路径，最后依据基本电磁场理论计算出反应实际信道的相关参数。射线跟踪法应用电磁波理论建立模型，理论基础牢固，应用结果具有普遍适用性，具有计算预测精度高、计算速度快的特点。

2 软件计算准确性验证

本文要借助Wireless Insite计算软件平台进行建模和仿真计算，Wireless Insite是一款能够在特定物理环境下对电磁波传播特性进行仿真的软件，软件的内部设计计算原理就是基于射线跟踪法，这款软件的开发程度现在已经相当成熟。为了验证Wireless Insite软件对电波传输预测的准确性，进而证明软件的计算原理和计算结果真实可靠，我们对文献[7]中的实际测量环境进行了建模仿真。模型如图1所示：房间长为15.6 m，宽为14.06 m，发射信号频率为60 GHz，接收接收天线和发射天线的高度均设置为1 m，发射天线为喇叭天线，接收天线在全向天线，天线的极化方式为垂直极化，发射功率为10 dBm。房间的墙壁有混凝土和玻璃两种材料组成，天花板和地板都在混凝土结构，设置电波在传播过程中经历5次反射、1次绕射和1次透射。在房间的一角处有挡板，发射机位置和接收机的路径分别布置在挡板的两侧。

图1 文献仿真模型平面图

运行仿真计算得出接收天线接收功率曲线图，与原文中实际测量功率值进行比对研究，图2和图3分别是原文献中的接收功率测量值和基于软件模型的仿真计算值，对比结果明显的可以看出，两者的结果基本的衰减趋势呈现出了良好的一致性，接收功率幅度都几种在-80～-120 dBm的范围内，在小范围的距离区间上面的曲线的抖动有区别，可能的原因是原文中对玻璃墙区域没有给出准确位置和尺寸，在仿真建模中和原文实际测量情景有细微差别。总体看来，仿真结果符合实际测量结果，证明软件计算结果准确可靠。

图2 文献中实际测量结果

图3 模型仿真计算结果

3 仿真计算和分析

本文选择计算的仿真模型是经过简化处理的舰船舱室走廊模型如图4～5所示，走廊舱壁和天花板均为金属结构，地板上面铺设有橡胶材料。舱壁上面设有屏蔽门，在舱壁门关闭状态时，舱室内部接近于电磁屏蔽状态。图6～7为三维仿真模型图，仿真模型主要计算参数设置见表1，模型中的发射机设置为固定点，接收机为“L”型路径均匀分布在走廊中，相对于发射机的位置，接收机的路径有视距范围（0～13m）和非视距范围（13～19m）两部分组成。

图4 简化后舱室走廊平面图

图5 走廊模型仿真模型结构图

表1 仿真模型计算参数

仿真结果如图6所示，900 MHz频段的接收功率范围为-46.15 dBm～7.07 dBm，平均接收功率为-6.07 dBm；2.4GHz频段的接收功率范围为-62.65 dBm～0.633 dBm，平均接收功率为-15.35 dBm；60GHz频段的接收功率范围为-93.06 dBm～-29.87 dBm，平均接收功率为-44.97 dBm；随着接收机与发射机之间的距离增加，在视距范围内接收功率变化幅度较小，但是在短距离的范围内功率曲线有剧烈的抖动,原因是可能是由多径反射路径的快速变化造成的。在非视距范围内接收功率随着距离的增加呈现出快速下降的趋势，下降幅度最大可达30 dBm，非视距环境下电波传播到达的路径变少，造成区域接收功率变小。总体看来，视距范围信号的衰减原小于非视距范围。从不同频段对比分析角度来看，接收功率随着频率的增大而降低，信号频率越高，传播过程中衰减越严重，60 GHz高频段不适合应用于长距离信号组网传输。

图6 接收功率仿真结果

图7为电波信号传播的时延扩展特性，时延扩展是由于信号经过不同路径到达接收机的时间不同而造成的时间维度上的扩展效应。信号的时延扩展越大越容易引起码间干扰，进而限制了信号在多径信道传输过程中的码元的最大传输速率，相反时延扩展越小，想干带宽就越大，传输信息速率和抑制码间串扰的能力就越大。从结果可以看出，2.4 GHz和900 MHz频段，时延扩展的平均值分别在2.30 E-8s和2.32E-8s，两者只有微小的差别。60GHz频段的时延扩展最小，平均值为2.16E-8s。60 GHz时延扩展较小，符合支持高带宽的频段特性。从视距和非视距的角度分析，非视距区域的时延扩展比视距区域的时延扩展相比差一个数量级，原因可能为经过多重反射后到达非视距范围的衰减信号较少且时延相差较短造成的。

图7 时延扩展仿真结果

4 结论

利用现有的成熟通信技术，依据舰船舱室特点为实际环境进行设计。现阶段舰船舱室内部无线通信系统选频采用移动通信900 MHz频段和局域网的2.4 GHz频段在通信质量上无实质性差异，可以满足网络通信需求。可承载高带宽的60 GHz频段无线电波适用于短距离信息传输，在舰船内部进行无线组网，通信信号能量损耗较大，基于当前舰船内部无线通信对信道容量和带宽无很高的需求，60 GHz频段在此应用环境下优势不明显。无线通信基站的布置设计尽量避免较多的非视距电波信号覆盖区域，信号功率经过多次反射等过程后衰减严重，通信质量受影响较大。