CN110139287B - 一种毫米波室内无源覆盖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波室内无源覆盖方法,包括如下步骤:确定室内盲区覆盖场景的需求;选定T型场景来构建无源反射阵;并利用WinProp软件对所选定的T型场景进行建模;再将有源基站天线方向图作为T型场景的发射源,发射的电磁波经过墙体的多次反射进行盲区覆盖,获取有源基站天线下T型场景的原始功率强度;设置无源反射阵进行T型场景的盲区覆盖,获取T型场景功率强度;本发明可应用于毫米波室内盲区覆盖,无源反射阵使得T型场景的功率强度比原始功率强度提高10dBm,获得40m的盲区覆盖范围,并对不同长度的T型场景进行盲区覆盖有效。
Description
技术领域
本发明属于电磁通信技术领域,具体涉及无线通信技术领域中的一种室内无源覆盖方法,可用于无线通信技术领域的毫米波补盲。
背景技术
在传统通信环境下,无线系统例如蜂窝电话系统的运营商期望减少基站的信号覆盖盲区,而减少基站信号覆盖盲区可通过安装有源基站覆盖信号盲区来实现。但是在毫米波室内通信中,由于毫米波衰减大且绕射能力差,为覆盖盲区而导致有源基站部署数量急剧上升,从而引起成本飙升。为降低部署基站成本,可采无源反射阵来覆盖盲区。无源反射阵作为无源中继,可接收室内有源基站信号并完成转发,降低了有源基站部署数量且达到覆盖盲区的目的,是一种低成本室内覆盖方法。
河南京科科技有限公司在其申请的专利“一种室内覆盖系统”(申请号201810672383.5,申请日2018.06.26,公布号CN 108738033A,公布日2018.11.02)中提出了一种室内覆盖系统,该系统将馈线电缆布放于室内与室外,使得无线网络在室内形成最好覆盖,室内用户能够吸收更多话务,提升了无线网络资源利用率。但是,该系统采用有源的方式,使用大量电路元件导致结构复杂,效率降低、成本造价升高,环境的融合度较差。
南京海得逻捷信息科技有限公司在其申请的专利“毫米波室内无源覆盖方法”(申请号201711123795.5,申请日2017.11.14,公布号CN 108055668A,公布日2018.05.18)中提出了一种毫米波室内无源覆盖方法。该方法可以减少毫米波传播的路径损耗,减小损耗因子,进而增大毫米波的覆盖范围,且采用无源的方式,不使用电源,具有节能的特点。但是,该发明仍然存在三个问题,其一是反射器应用的场景有限;其二是反射器的增益低,要覆盖大范围的盲区,需要增加多个反射器,从而引起成本造价升高;其三是反射器与环境的融合度较差。
综上所述,目前的毫米波室内覆盖方法面临着两个问题,其一是现有的毫米波室内覆盖方法的应用场景有限,组成结构复杂;其二是现有的毫米波室内覆盖天线与环境的融合度较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足,提出一种毫米波室内无源覆盖方法,对多种盲区覆盖场景有效并能够降低系统结构的复杂度和成本,提高天线的融合度。
为实现上述目的,具体步骤如下:
一种毫米波室内无源覆盖方法,包括无源反射阵和有源基站天线包括如下步骤:
(1)、确定室内盲区覆盖场景的需求;
(1a)、选定T型场景为毫米波盲区覆盖场景;
(2b)、输入T型场景的长度、宽度,并确定无源反射阵的口径、无源反射阵的反射角;
(2)、利用无源反射阵的反射角计算补偿相位,并构建无源反射阵;
(3)、利用WinProp软件对所选定的T型场景进行建模;
(3a)、从选定的T型场景中,获取墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸;
(3b)、分别对所确定的墙体、门、窗、天花板和地板的材料进行建模,并得到T型场景;
(4)、通过有源基站天线获取原始功率强度;
(4a)、利用高频结构仿真软件HFSS对有源基站天线进行仿真,得到有源基站天线方向图;
(4b)、将有源基站天线方向图作为T型场景的发射源发射电磁波;
(4c)、将发射的电磁波经过墙体的多次反射进行盲区覆盖,获取有源基站天线下T型场景的原始功率强度;
(5)、设置无源反射阵进行T型场景的盲区覆盖;
(5a)、在T型场景下设置无源反射阵;
(5b)、有源基站天线发出电磁波,无源反射阵接收到所发出的电磁波,并以无源反射阵的反射角反射至T型场景;
(5c)、利用通信链路公式计算无源反射阵接收到有源基站天线发出电磁波的强度;
(5d)、利用无源反射阵接收到电磁波的强度并通过雷达散射截面公式计算无源反射阵反射电磁波的强度;
(6)、利用无源反射阵反射电磁波的强度和无源反射阵的方向图获取T型场景功率强度。
步骤(1)中所述的无源反射阵口径长为240mm、宽为240mm。
步骤(1)中所述的无源反射阵的反射角为40°~60°。
步骤(2)中所述的补偿相位的变化范围为>360°。
步骤(4)中所述的有源基站天线的频率范围为24GHz~30GHz,该有源基站天线方向图的半功率波瓣宽度为≥20°。
步骤(5)中所述的有源基站天线的中心投影至无源反射阵XOY面的中心相互重合。
步骤(7)中所述的功率强度≥-90dBm。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
第一、本发明通过T型场景确定无源反射阵口径和反射角,无源反射阵使得T型场景的功率强度比原始功率强度提高10dBm,能够克服现有技术中增益过低和盲区覆盖范围有限的技术问题,获得40m的盲区覆盖范围并提高天线增益。
第二、本发明适用于多种盲区覆盖场景和不同长度的T型场景,能够确定不同的无源反射阵口径和反射角,从而能够实现不同长度T型场景的有效覆盖,克服了增加多个反射器和天线成本高的技术问题,且每个场景只需要一个无源反射阵即可覆盖盲区。
第三、本发明的无源反射阵采用无源的方式,无复杂的馈电网络和有源器件,因此移动性强、效率高。
第四、本发明的无源反射阵为平面结构,能够采用相框或壁画等装饰物,克服天线融合度较差的技术问题,使得无源反射阵完美融入环境。
附图说明
图1为本发明无源反射阵示意图;
图2为图1俯视图;
图3为无源反射阵的流程图;
图4为无源反射阵单元的补偿相位曲线图;
图5为无源反射阵的方向图;
图6为有源基站天线的T型场景原始功率强度分布图;
图7为无源反射阵时T型场景功率强度分布图;
图8为原始功率强度和无源反射阵时的T型场景功率强度对比图;
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述
实施例1
参照图1、图2和图3
步骤1、确定室内盲区覆盖场景的需求;
(1a)、选定T型场景为毫米波盲区覆盖场景;
(2b)、输入T型场景的长度、宽度,并确定无源反射阵的口径、无源反射阵的反射角3;
步骤2、利用无源反射阵的反射角3计算补偿相位,并构建无源反射阵1;
步骤3、利用WinProp软件对所选定的T型场景进行建模;
(3a)、从选定的T型场景中,获取墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸;
(3b)、分别对所确定的墙体、门、窗、天花板和地板的材料进行建模,并得到T型场景;
步骤4、通过有源基站天线2获取原始功率强度;
(4a)、利用高频结构仿真软件HFSS对有源基站天线2进行仿真,得到有源基站天线2方向图;
(4b)、将有源基站天线2方向图作为T型场景的发射源发射电磁波;
(4c)、将发射的电磁波经过墙体的多次反射进行盲区覆盖,获取有源基站天线2下T型场景的原始功率强度;
步骤5、设置无源反射阵1进行T型场景的盲区覆盖;
(5a)、在T型场景下设置无源反射阵;
(5b)、有源基站天线2发出电磁波,无源反射阵接收到所发出的电磁波,并以无源反射阵的反射角3反射至T型场景;
(5c)、利用通信链路公式计算无源反射阵1所接收到有源基站天线2发出电磁波的强度;
(5d)、利用无源反射阵接收到电磁波的强度并通过雷达散射截面公式计算无源反射阵(1)反射电磁波的强度;
步骤6、利用无源反射阵1反射电磁波的强度和无源反射阵1方向图获取T型场景功率强度。
本发明步骤1中,无源反射阵口径大小是依据T型场景的长度来设计的;所确定的口径越大,雷达散射截面越大,反射功率强度越高,能够覆盖盲区长度越大。无源反射阵口径长为240mm、宽为240mm,能够覆盖的盲区长度为40m。
本发明步骤1中,无源反射阵接收到有源基站天线发出的电磁波,以优选反射角反射至T型场景盲区,经过墙体的多次反射后覆盖之前有源基站未能覆盖的盲区。
本发明步骤2中,构建无源反射阵的原理是:首先确定介质基板材料、单元形式和单元周期等参数;然后利用高频结构仿真软件HFSS仿真软件中的Floqute端口和主从边界条件来模拟无限周期条件,通过扫描无源反射阵的单元尺寸来获取补偿相位与单元尺寸的变化曲线;再根据相位补偿公式计算每个无源反射阵单元的补偿相位,进而确定每个无源反射阵单元的尺寸,得到无源反射阵。
步骤2中按下述公式计算无源反射阵的补偿相位:
本发明步骤2中,WinProp软件是基于射线追踪方法设计的,而射线追踪法原理是基于几何光学与几何一致性绕射理论为基础的电磁场场强预测算法;当电磁波频率较高时,传播特性与光波相似,可用光波来近似模拟高频电磁波的传播路径。
本发明步骤4中,原始功率强度是利用射线追踪的方法,模拟毫米波在T型场景中经过墙体的多次反射后仿真得到。只要原始功率强度≥-90dBm,就能够保证通信。
本发明步骤5中,按下述公式计算无源反射阵接收到有源基站天线发出电磁波的强度:
其中,Pinc表示为入射功率,Pt表示为发射功率,下标t表示为发射端,Gt表示为有源基站天线的增益,Rt表示为有源基站天线与无源发射阵之间的距离。
本发明步骤5中,按下述公式无源反射阵反射电磁波的强度:
Pr=Pinc×RCSa
其中,RCSa表示为无源反射阵的雷达散射截面积,下标a表示为无源反射阵,RCSmp表示为相同口径的金属雷达散射截面积,下标mp表示为金属,Da表示为无源反射阵的最大方向系数,ηa表示为无源反射阵的效率因子,表示为无源反射阵的归一化方向图函数,θ,表示为方向角的自变量,Dmp表示为相同口径的金属方向系数,Pr表示为反射功率,Pinc表示为入射功率。
所述的无源反射阵1口径长为240mm、宽为240mm。
所述的无源反射阵1的反射角3为40°~60°。本发明中优选的反射角为50°。
所述的补偿相位的变化范围为>360°。
所述的有源基站天线2的频率范围为24GHz~30GHz,该有源基站天线2方向图的半功率波瓣宽度为≥20°。本发明中优选的工作频率为28GHz,半功率波瓣宽度为40°。
所述的有源基站天线2的中心投影至无源反射阵XOY面的中心相互重合。
所述的功率强度≥-90dBm。
实施例2
所述的无源反射阵1口径长为240mm、宽为240mm。
所述的无源反射阵1的反射角3为40°~60°。本发明中的反射角为40°,也能满足盲区覆盖要求。
所述的补偿相位的变化范围为>360°。
所述的有源基站天线2的频率范围为24GHz~30GHz,该有源基站天线2方向图的半功率波瓣宽度为≥20°。本发明中的工作频率为24GHz,半功率波瓣宽度为40°。
所述的有源基站天线2的中心投影至无源反射阵XOY面的中心相互重合。
所述的功率强度≥-90dBm。
实施例3
所述的无源反射阵1口径长为240mm、宽为240mm。
所述的无源反射阵1的反射角3为40°~60°。本发明中的反射角为60°,也能满足盲区覆盖要求。
所述的补偿相位的变化范围为>360°。
所述的有源基站天线2的频率范围为24GHz~30GHz,该有源基站天线2方向图的半功率波瓣宽度为≥20°。本发明中的工作频率为30GHz,半功率波瓣宽度为40°。
所述的有源基站天线2的中心投影至无源反射阵XOY面的中心相互重合。
所述的功率强度≥-90dBm。
以下结合附图对本发明仿真结果作进一步详细描述
参照图4、图5、图6、图7和图8
1、仿真条件
在高频结构仿真软件HFSS中,无源反射阵的工作频率为28GHz,无源反射阵的口径为240mm×240mm,由60×60共3600个无源反射阵单元按照周期D为4mm的间距排列组成。
在电磁仿真软件WinProp中,无源反射阵工作环境为40m的T型场景,T型场景宽度为2.1m,纵向长度为5m,高度为3m。
2、仿真内容
仿真1,在上述条件下对实例一中无源反射阵单元的补偿相位进行仿真,其结果如图4所示。
图4中的横坐标为方形环边长L,纵坐标为无源反射阵单元的补偿相位,图4中的曲线为无源反射阵单元补偿相位随方形环边长L的变化曲线。从图4中可以看到,随着方形环边长L的变化,无源反射阵单元的补偿相位变化,说明该无源反射阵单元通过调节方形环边长L,能够对无源反射阵单元的补偿相位进行调节。
仿真2,在上述条件下对实例一的无源反射阵方向图进行仿真,其结果如图5所示。
图5中的横坐标为Theta角,纵坐标为方向性系数,图5中的曲线为无源反射阵的方向系数随Theta角的变化曲线。从图5中可以看到,Theta角为50°时有最大方向系数为35dB,说明该无源反射阵具有良好的辐射性能。
仿真3,在上述条件下将有源基站天线的方向图导入WinProp软件,T型场景原始功率强度曲线如图6所示。
图6中的横坐标为T型场景位置,纵坐标为功率强度,图6中的曲线为功率强度随T型场景位置的变化曲线。从图6中可以看到,在0~12m和28~40m区域内功率小于-90dBm,说明在没有无源反射阵的情况下,有源基站天线的信号无法完全覆盖T型场景。
仿真4,在上述条件下将实例一的无源反射阵方向图导入WinProp,T型场景的功率强度曲线如图7所示。
图7中的横坐标为T型场景位置,纵坐标为功率强度,图7中的曲线为功率强度随T型场景位置的变化曲线。从图7中可以看到,随着T型场景位置的变化,功率全部大于-90dBm,说明无源反射阵能够覆盖有源基站天线的信号盲区,达到有效扩展毫米波通信距离的目的。
图8中的横坐标为T型场景位置,纵坐标为功率强度,其中,圆点标志曲线为无源反射阵时功率强度随T型场景位置的变化曲线,三角标志曲线为没有无源反射阵时功率强度随T型场景位置的变化曲线。从图8中可以看到,在有无源反射阵时T型场景的功率强度比原始功率强度提高10dBm,从而能够覆盖T型场景盲区、保证通信,扩展毫米波通信距离。
Claims (7)
1.一种毫米波室内无源覆盖方法,包括无源反射阵(1)和有源基站天线(2),其特征在于,包括如下步骤:
(1)、确定室内盲区覆盖场景的需求;
(1a)、选定T型场景为毫米波盲区覆盖场景;
(1b)、输入T型场景的长度、宽度,并确定无源反射阵的口径、无源反射阵的反射角(3);
(2)、利用无源反射阵的反射角(3)计算补偿相位,并构建无源反射阵(1);
(3)、利用WinProp软件对所选定的T型场景进行建模;
(3a)、从选定的T型场景中,获取墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸;
(3b)、分别对所确定的墙体、门、窗、天花板和地板的材料进行建模,并得到T型场景;
(4)、通过有源基站天线(2)获取原始功率强度;
(4a)、利用高频结构仿真软件HFSS对有源基站天线(2)进行仿真,得到有源基站天线(2)方向图;
(4b)、将有源基站天线(2)方向图作为T型场景的发射源发射电磁波;
(4c)、将发射的电磁波经过墙体的多次反射进行盲区覆盖,获取有源基站天线(2)下T型场景的原始功率强度;
(5)、设置无源反射阵(1)进行T型场景的盲区覆盖;
(5a)、在T型场景下设置无源反射阵(1);
(5b)、有源基站天线(2)发出电磁波,无源反射阵(1)接收到所发出的电磁波,并以无源反射阵的反射角(3)反射至T型场景;
(5c)、利用通信链路公式计算无源反射阵(1)所接收到有源基站天线(2)发出电磁波的强度;
(5d)、利用无源反射阵(1)接收到电磁波的强度并通过雷达散射截面公式计算无源反射阵(1)反射电磁波的强度;
(6)、利用无源反射阵(1)反射电磁波的强度和无源反射阵(1)方向图获取T型场景功率强度。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波室内无源覆盖方法,其特征在于,步骤(1)中所述的无源反射阵(1)口径长为240mm、宽为240mm。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波室内无源覆盖方法,其特征在于,步骤(1)中所述的无源反射阵(1)的反射角(3)为40°~60°。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波室内无源覆盖方法,其特征在于,步骤(2)中所述的补偿相位的变化范围为>360°。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波室内无源覆盖方法,其特征在于,步骤(4)中所述的有源基站天线(2)的频率范围为24GHz~30GHz,该有源基站天线(2)方向图的半功率波瓣宽度为≥20°。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波室内无源覆盖方法,其特征在于,步骤(5)中所述的有源基站天线(2)的中心投影至无源反射阵XOY面的中心相互重合。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波室内无源覆盖方法,其特征在于,步骤(6)中所述的利用无源反射阵(1)获取T型场景的功率强度≥-90dBm,能够满足通信要求。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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