建筑内无线信号传播特性与损耗预测方法研究

林 喆

（辽宁装备制造职业技术学院，辽宁沈阳 110161）

0 引言

近年来，随着智慧城市的不断发展，人们对建筑的智能化水平要求越来越高，建筑信息模型技术以及物联网技术在智能建筑领域得到广泛的应用。智能建筑是指使用数字技术将建筑中的结构、系统、服务和管理相结合，为用户提供一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境，其主要方法是使用传感器对建筑物理状态数据进行采集和汇总，并在云端对这些数据进行管理和应用。由于现代建筑结构复杂，且其内部空间和设备设施经常发生改变，使用无线信号网络替代传统的有线信号网络已经成为目前获取传感器数据的主要手段，这种方式能够极大地降低布线成本，并满足智能建筑不断变化及升级改造的需求，还可以为数据的云端应用提供一种有效的解决方案[1-5]。

在建筑内部进行无线信号传输主要面临以下三个问题：首先，应采用何种方式在建筑内部进行无线信号的近距离传输，以确保对分散在其内部各处的传感器进行有效的数据采集；其次，哪些因素会对无线信号在建筑内部这一复杂场景下的传输造成损耗，如何进行信号强度的评估与损耗的预测，以确保无线信号传输的可靠性；最后，对于不同的建筑，采用何种方法能够批量、快速地获得无线信号损耗预测所需要的模型数据。针对上述问题，本文以所设计建筑能耗无线数据采集系统为例，在无线网络信号自由空间和建筑内部传播特性分析的基础上，通过对比四种建筑内部无线信号传播经验模型，利用通用BIM（Building Information Modeling，建筑信息化模型） 软件的API功能，开发设计了一种建筑内部无线信号损耗预测方法[6-7]。

1 建筑能耗无线数据采集系统的功能结构

建筑能耗无线数据采集系统的主要功能是对建筑用户室内所安装的水、电、热量和燃气等能耗仪表进行数据采集。系统采用频率为433MHz的 ISM（Industrial Scientific Medical，工业、科研、医疗）频段网络在建筑内部进行近距离信号传输，大量的用户仪表通过在RS485接口上所安装的无线信号发射模块构成了该网络中的采集节点，楼层内少量的无线信号接收模块作为该网络的汇聚节点，负责对能耗数据进行汇总，并在本地协议解析后通过移动网络上传至远程服务器的数据库中，使用能耗数据管理软件对数据进行二次开发和利用，其基本结构如图1所示[8-9]。

图1 建筑能耗无线数据采集系统的功能结构

ISM频段为国际通信联盟无线电通信局（ITU-R）定义的供工业、科学和医学使用的频段，在我国开放使用，使用该频段中频率较低的433MHz是因为低频率无线信号具有较好的绕射特性，更适合在建筑内多分隔场景中使用。虽然采用ISM无线方式进行数据传输具有诸多优点，但该频段网络的主要应用背景为短距离、低功耗下的信号发送与接收，其信号发射功率小、覆盖范围有限。此外，在实际使用过程中由于建筑内部结构环境复杂，面对布署大量采集和汇聚节点的情况，就需要批量地对采集节点的无线信号强度进行分析与预测，使其达到信号强度需求。

2 自由空间无线信号传播特性

无线信号在空间中的传播路径可以分为视距传播（LOS，line-of-sight）和非视距传播（NLOS，non-line-of-sight）两种情况，两种情况都会造成无线信号的损耗，导致其强度发生衰减。视距传播是指无线信号发射端和接收端之间没有任何障碍物遮挡，无线信号沿直线由发射端传播至接收端，是一种单纯由空间传播介质和发射功率散射对信号强度造成的损耗，与信号收发两端的距离和信号的频率有关。一般可以采用自由空间传播模型来预测和估算视距传播的信号损耗，其衰减量可以使用式（1）的Friis方程进行计算：

式中，Pr为接收功率；Pt为发射功率；Gr为接收天线增益；Gt为发射天线增益；λ为无线信号的波长；d为收发端之间的距离；L为系统损耗系数，一般考虑传输线损耗、滤波损耗等情况。

当发射端和接收端的增益、系统无损耗系数均为1时，代入λ=c/f（c=3×108m/s），则可将式（1）进行变换到无线信号在自由空间内传播的路径损耗PLFSL（dB） 为：

由式（2）可以看出，无线信号在建筑内部的自由空间损耗与其传播距离和频率有关，而在预估ISM频段的路径衰减时，因节点无线信号频率统一为433MHz，因此，其路径损耗仅与无线信号的传输距离d相关，即：

由上述分析可以看出，自由空间传播模型从无线信号本身物理特性上对其在传播路径上的损耗进行了表达，虽然其实际应用场景为建筑外部几百米或几千米传播范围，但在建筑内部仍然可以采用距离作为参量预估其基本传播损耗[10-13]。

3 建筑内无线信号传播特性

虽然无线信号在自由空间内的损耗可以使用距离作为参量进行预测，但在建筑内部这一复杂场景下，能耗数据采集系统的节点一般分散在相互独立的房间内，在使用过程中因墙壁、楼板、家具、楼内设施等障碍物的阻隔使绝大多数无线信号的传播方式为非视距传播，并将会发生反射、绕射、散射、透射等传播路径的改变，进而产生阴影效应、多径效应及多普勒效应等，导致信号衰减，不能简单地使用上述曼哈顿距离进行预测。在进行建筑内无线信号预测时，主要应考虑分隔损耗、楼层损耗、功能场景损耗和多径损耗等主要因素。

3.1 分隔损耗

建筑物内部一般都有大量的封闭（如墙体）和半封闭（如家具、设备、设施）的分隔，当无线信号经过这些分隔时将会发生损耗，对应不同材质和类型造成的损耗也不同，如表1所示。

表1 典型分隔损耗值比较（815MHz/1300MHz/2GHz）

由上表可以看出，分隔损耗主要与分隔体材质及其电气特性有关，难以使用通用模型表示所有种类分隔体的损耗特性，通常是依据实验或经验数据来完成对某种材料分隔体的分隔损耗估算，在无线信号经验模型中经常使用PAF（Partition Attenuation Factor） 分隔损耗或穿墙路径损耗Lwi，并根据对应分隔材料的种类和数量计算分隔损耗。

在建筑内部无线信号损耗预测方法中，对于分隔损耗主要是采用“节点信号强度修正值”进行描述，该值用于综合表示内部分隔、功能场景、多径效应和其他不确定因素等所带来的信号传播损耗。对于分隔损耗，系统的计算规则是首先通过软件建立采集节点与汇聚节点之间的欧式路径，然后获取路径上所有分隔的种类和数量，最后通过加权计算得出分隔损耗分量值。

3.2 楼层损耗

在建筑内部，当无线信号的发射端和接收端处于不同楼层时，跨多楼层所造成的信号衰减称为楼层损耗，用FAF（Floor Attenuation Factors）楼层衰减因子进行表示。楼层损耗产生的原因较多：如建筑的基本结构、功能环境、门窗数量等都会对其数值产生影响，图2列举了5个建筑的多楼层损耗值。图中数据表明，楼层损耗存在着以下特点：不同建筑跨相同层数的楼层损耗不同；楼层损耗的值一般保持在10dB-45dB之间；首层损耗值高于其他楼层，随着楼层的增加损耗逐渐减缓；根据经验数据，跨五层至六层后其楼层损耗保持不变。相对于分隔损耗，楼层损耗对无线信号的影响更为明显，因此，在本信号损耗预测方法中，使用“跨层信号衰减修正值”进行楼层损耗的预测。在使用BIM软件进行系统节点损耗预测时，一般是以分楼层的形式完成节点布署的，在此过程中每个节点信息中已经包含了所在楼层的信息，所以可使用楼层信息的差值作为依据对楼层损耗按照经验进行估算，在后期系统使用过程中为了更准确地进行测算也可以使用实地测量的方法得到更加准确的楼层损耗。

图2 楼层损耗值与跨越楼层对比

3.3 功能场景损耗

功能场景损耗是与建筑内部的装修装饰、设备设施、空间布局等非结构性环境因素相关联的损耗，不同的功能场景（如居民楼、办公室、商业楼、工厂）会使建筑具有不同的内部环境，从而带来不同的损耗。在建筑内部无线信号传播经验模型中，通常采用不同的损耗因子或损耗系数进行表示，如表2所示。

表2 经验模型中的路径损耗因子或损耗系数

在建筑内部无线信号损耗预测方法中，可以根据建筑类型对不同的功能场景中的损耗进行预估，并采用“节点信号强度修正值”中的功能场景分量进行修正。

3.4 多径损耗

多径损耗是指无线信号从发射端发射后由于多次反射、绕射、透射使其以不同的传播路径到达接收端，造成多条路径的无线信号分量在到达时间、幅度、相位上存在差异，在接收端发生信号相互叠加、抵消所产生的选择性衰落、时延扩展等现象所引起的损耗。与室外传播不同，建筑内部结构复杂，无线信号的传播以非视距传播为主，门、窗、走廊等都将进一步增强多径效应，因此在预测信号衰减时应考虑多径效应所造成的影响[14-17]。

4 建筑内无线信号传播经验模型

建筑内无线信号传播经验模型主要基于室外无线信号传输理论，典型的室外传输模型主要有Longley-Rice、Okumura和Hata模型等，这些模型在设计时主要侧重考虑地形地貌、树木、建筑物等影响下的无线信号远距离传输特性，并不适用于在建筑内使用。常见的室内无线信号传播模型有确定性模型和经验模型两种。确定性模型是基于电磁传播理论对无线信号在室内的传播情况进行分析和预测，如射线追踪法利用几何光学理论，认为电磁波能量由无限细小的传播通道传播，从而与周围环境作用形成反射、折射等传播现象，进而通过几何参量的计算得出最终结果，具有较高的准确性。但此类模型在建模过程中需要将建筑的结构、障碍物和所用材料的电磁参数等信息进行精确的描述，还需要在后期进行大量的计算，因此只适合在某一特定、简单的建筑空间内部使用，不具有通用性。经验模型是通过大量的测试，对同一类环境下无线信号传播的统计特性进行分析，进而确定的一种统计性传播模型，它只需要确定基本的建筑及环境信息，就可以利用公式获得预测结果，因此具有简单、运算速度快等特点，被广泛用于工程实践中的无线信号强度预测。常见的经验模型有对数路径损耗模型、衰减因子模型、Keenan-Motley模型、ITU-R P.1238模型和COST-231多墙模型等。

4.1 对数路径损耗模型

对数路径损耗模型的表达式为：

其中，PL（d0）为信号采集节点到参考点之间的自由空间损耗，为了简化计算，参考点距离d0一般取1 m，可以由测量或经验值获得；Xσ为由阴影衰落引起的均值为0，标准偏差为σ的正态随机变量；n为经过测试的功能环境参量（如零售商店，n=2.2，σ=8.7dB；办公环境，n=2.4，σ=9.6dB；金属设备工厂，n=3.3，σ=6.8dB）。

从式（4）可以看出，对数路径损耗模型采用距离作为影响无线信号损耗的主要变量，同时又在模型中加入了与功能环境相关的变量n，随机变量Xσ也对建筑内距离相同但存在分隔、多层情况所造成部分信号损耗随机分布这一特征进行了体现。但因公式中变量n和变量Xσ的给出范围有限，使其无法在全部功能场景中应用，同时该模型未充分考虑楼层损耗这一影响无线信号的重要因素。

4.2 Keenan-Motley模型

Keenan-Motley模型（简称K-M模型），该模型包含了对楼层损耗和分隔损耗累计值，其表达式为：

式中，nWj、nFi分别为无线信号发射端和接收端之间的墙壁分隔数量和楼层数量，LWj、Lfi为分隔损耗因子和楼层损耗因子，LWj的建议值为3dB，LFi的建议值为20dB。该模型虽然分别考虑了分隔损耗和楼层损耗，具有计算简单的特点，但是由于所采用的损耗因子为损耗平均值，且没有考虑功能场景的影响，因此一般均作为预测参考模型使用，并可以在后期的使用过程中对其进行修正以得到更加准确的经验模型。

4.3 衰减因子模型

衰减因子模型是基于建筑结构和墙体、楼层阻隔而设计的无线信号损耗预测经验模型，在3D模型下，它采用线段将无线信号的发射端和接收端连接起来，认为线段路径所穿透的楼层和墙体损耗将会使损耗预测更加准确，其表达式为：

式中，nSF为建筑同层衰减指数，与建筑功能和环境相关；FAF为各层的楼层损耗；PAF为各分隔的损耗。该模型还可以使用下述表达式：

式中，nMF为跨层衰减指数，nMF可以通过测量或已经给定的数据库获得，其典型值如表3所示，各类分隔损耗PAF值同表1所示。

表3 跨层衰减指数nMF及标准差典型值

4.4 COST-231多墙模型

COST-231多墙模型从自由空间路径损耗、分隔损耗、楼层损耗、功能环境等多个角度综合对无线信号的损耗进行了表示，其表达式为：

式中，nwi为欧式路径所穿过分隔的数量；Lwi为分隔i的分隔损耗（轻质墙损耗1.9-3.4dB；重量级墙体6.9dB）；nf为间隔层数；Lf为分层损耗（14.8-18.3dB），LC为功能环境修正分量；b推荐值为0.46。COST-231多墙模型对建筑内无线信号的损耗进行了全面的表达，同时，并且能够对不同分隔的穿透损耗进行计算，还考虑了楼层损耗的非线性解析，因此也是在预测无线信号传输损耗时所参考的最主要模型[18-20]。

5 建筑内无线信号损耗的预测

对于建筑能耗数据采集系统中无线信号损耗的预测可以采用上述经验模型进行，但在模型的应用过程中需要对与采集和汇聚节点相关联的建筑信息进行获取，本系统利用通用BIM软件Revit设计了一个建筑内部无线信号损耗预测系统，通过其可以在建筑模型中进行节点的布署，并可以批量、快速获得经验模型中所需要的关联信息，在建筑的设计阶段就可以完成对无线网络节点的规划、布署和验证。区别于传统建筑软件的物理空间表达方式，Revit软件能够以数据化模型的形式在建筑的设计、施工、使用、管理等全生命周期中为使用者提供建筑相关数据信息，其API功能还为开发者提供了这些信息的二次开发接口。

本系统首先在软件中创建了能耗数据采集节点和汇聚节点的构件模型，使用该构件可以在任意Revit的3D建筑模型中进行节点的布署，并自动以构件名称关键字区分采集节点和汇聚节点，再通过对构件信息的提取得到经验模型计算所需相关参数，其布署和设置界面如图3所示。

图3 采集及汇聚节点的布署和设置界面

对于布署后的采集节点和汇聚节点，系统将根据其所在的位置信息自动计算生成自由空间距离、分隔损耗和楼层损耗，并可以对功能场景修正分量进行设置，最终预测节点信号的损耗和信号强度，其界面如图4所示。

图4 节点无线信号损耗预测界面

后期测试使用上述系统在如图5所示的建筑模型内进行无线信号损耗的预测，该模型为一具有15个采集节点和1个汇聚节点的多分隔结构的建筑，其自由空间损耗和经验模型损耗测试结果如图6所示。

图5 系统功能测试模型

图6 无线信号传播损耗测试结果

6 结论

测试结果表明，使用该系统对建筑内部的无线信号损耗进行预测时，其结果与各节点在建筑中的位置和分隔情况具有高度的关联性，系统能够结合建筑结构对其内部的无线信号损耗进行正确地预测；通过对比自由空间模型，各经验模型对建筑内部的分隔损耗、功能场景损耗等均进行了修正，且修正趋势基本一致；COST-231多墙模型的损耗值与实际无线信号损耗值相符，对比其它经验模型能够保证各节点无线信号强度的可靠性，更适合作为预测信号强度的经验模型。