CN110300416B - 毫米波室内无源覆盖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波室内无源覆盖方法，主要解决现有技术复杂度和成本高及与环境融合度低的问题。其方案是：确定室内盲区覆盖场景的需求，选定T型区域；设置信号接收天线、端射天线口径，并对所选区域建模；设置有源基站天线并将其方向图作为T型区域的发射源，所发电磁波经过墙体多次反射进行一次盲区覆盖，获取有源基站天线下的原始功率强度P1；设置信号接收天线和端射天线进行T型区域的二次盲区覆盖，获取二次盲区覆盖后的功率强度P3，若P3满足盲区覆盖要求，则盲区覆盖完成，否则，重新确定信号接收天线和端射天线口径，直至完成盲区覆盖。本发明降低了系统复杂度和成本，提高了与环境的融合度，可用于毫米波室内的多种盲区覆盖。

Description

毫米波室内无源覆盖方法

技术领域

本发明属于电磁通信技术领域，具体涉及一种室内无源覆盖方法，可用于无线通信的毫米波补盲。

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，为了覆盖盲区，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，可采用信号接收天线附加端射天线来覆盖盲区。信号接收天线和端射天线作为无源中继，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 108738033 A，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，该系统由于采用有源的方式，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 108055668 A，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。

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，以降低系统结构的复杂度和成本，提高天线的融合度，实现对多种盲区的覆盖。

为实现上述目的，本发明的实现步骤包括如下：

1)确定室内盲区覆盖场景的需求；

(1a)选定T型区域为毫米波盲区覆盖场景，并在该区域设置信号接收天线1、端射天线2和有源基站天线3，且信号接收天线1和端射天线2均为平面结构；

(1b)输入T型区域的长度、宽度，并确定信号接收天线1和端射天线2的口径；

2)利用高频结构仿真软件HFSS对信号接收天线1和端射天线2进行仿真，得到信号接收天线和端射天线方向图；

3)利用WinProp软件对所选定的T型区域进行建模：

(3a)从选定的T型区域中，获取墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸及材料；

(3b)分别对所确定的墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸及材料进行建模，得到T型区域模型；

4)通过有源基站天线(3)获取T型区域的原始功率强度P1：

(4a)利用高频结构仿真软件HFSS对有源基站天线3进行仿真，得到有源基站天线3方向图；

(4b)将有源基站天线3的方向图作为T型区域的发射源并发射电磁波，该发射的电磁波经过墙体的多次反射实现对T型区域的一次盲区覆盖，获取一次盲区覆盖后的T型区域功率强度，即为原始功率强度P1；

5)对T型区域进行二次盲区覆盖：

(5a)在T型场景下设置信号接收天线1和端射天线2；

(5b)信号接收天线1接收有源基站天线3发出的电磁波，并将电磁波的能量馈入端射天线2，端射天线2再将该电磁波辐射至T型区域；

6)计算二次盲区覆盖后T型区域的功率强度P3：

(6a)计算信号接收天线1所接收到有源基站天线3发出电磁波的强度P2；

(6b)利用信号接收天线1接收到的电磁波强度P2和端射天线2的方向图，得到二次盲区覆盖后T型区域功率强度P3；

7)将二次盲区覆盖后T型区域功率强度P3与原始功率强度P1进行比较：如果P3＞P1，且P3≥-90dBm，则T型区域盲区覆盖完成；

否则，返回步骤1)重新确定信号接收天线1和端射天线2的口径，直至P3＞P1，且P3≥-90dBm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、本发明通过设置信号接收天线和端射天线进行二次盲区覆盖，可适用于不同长度的T型区域，能够确定不同的信号接收天线和端射天线口径，实现对不同长度T型区域的有效覆盖，克服了增加多个中继天线成本高的问题。

第二、本发明通过信号接收天线接收有源基站天线发出的电磁波，并将能量馈入端射天线，即信号接收天线和端射天线都采用无源的方式，无复杂的馈电网络和有源器件，因此移动性强、效率高。

第三、本发明的信号接收天线和端射天线采用平面结构，能够固定在屋顶吊灯或其他装饰物上，克服了天线融合度较差的技术问题，使得信号接收天线和端射天线可完美融入室内环境。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中信号接收天线示意图；

图3为本发明中端射天线示意图；

图4为本发明中的T型区域示意图；

图5为本发明中信号接收天线的方向图；

图6为本发明中端射天线的方向图；

图7为本发明中有源基站天线的T型场景原始功率强度分布图；

图8为本发明中设置信号接收天线和端射天线时T型场景功率强度分布图；

图9为图7与图8的对比结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述

参照图1，本实施例的实现步骤如下：

步骤1、确定室内盲区覆盖场景的需求。

1.1)选择室内盲区覆盖场景：

室内盲区覆盖场景可选为不同形状，例如矩形区域、L型区域、十字形区域及T型区域，本实施例选定但不限于T型区域为毫米波盲区覆盖场景，该T型区域的横向长度为40m，纵向长度为5m，宽度为2.1m，高度为3m；

1.2)在T型区域设置天线：

所设置天线包括信号接收天线1、端射天线2和有源基站天线3，为了便于安装，选择信号接收天线1和端射天线2均为平面结构，并根据T型区域的尺寸设定信号接收天线1的口径为长108mm、宽8mm，端射天线2的口径为长8mm，宽8mm，如图4所示。

步骤2、获得信号接收天线和端射天线的方向图。

信号接收天线1可选SIW缝隙阵列天线或微带阵列天线，本实施例选定但不限于SIW缝隙阵列天线，如图2所示，其上表面为16个纵向排布的缝隙，下表面为金属贴片，中间层为介质；

端射天线2可选择为八木天线或方形贴片超表面天线，本实施例选定但不限于方形贴片超表面天线，如图3所示，其上表面和下表面均为3*3个方形贴片，中间层为介质；

利用高频结构仿真软件HFSS分别对SIW缝隙阵列天线信号和方形贴片超表面天线进行仿真，得到接收天线1和端射天线2的方向图，如图5和图6所示。

步骤3、利用WinProp软件对所选定的T型区域进行建模。

在WinProp软件中，设置墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸及材料，其中墙体、天花板和地板的厚度为20cm，材料为砖块，门的高度为2m，宽度为60cm，厚度为20cm，材料为木头，窗的高度为1.5m，宽度为1m，材料为玻璃，厚度为2cm，得到T型区域模型；

步骤4、通过有源基站天线获取T型区域原始功率强度P1。

4.1)利用高频结构仿真软件HFSS对有源基站天线3进行仿真，得到有源基站天线3方向图；

4.2)将有源基站天线3的方向图作为T型区域的发射源并发射电磁波，利用WinProp软件对T型区域中电磁波的传播过程进行仿真，该发射的电磁波经过墙体的多次反射实现对T型区域的一次盲区覆盖，得到T型区域原始功率强度P1，如图7所示，其中横坐标为T型区域位置，纵坐标为功率强度，从图7可见，在T型区域的0～5m和35～40m内，原始功率强度P1小于-90dBm，说明在没有信号接收天线和端射天线的情况下，设置有源基站天线进行一次盲区覆盖无法完全消除T型区域信号盲区。

步骤5、对T型区域进行二次盲区覆盖。

信号接收天线1接收有源基站天线3发出的电磁波，并将电磁波的能量馈入端射天线2，端射天线2再将该电磁波辐射至T型区域，从而实现对T型区域的二次盲区覆盖。

步骤6、获取二次盲区覆盖后T型区域的功率强度P3。

6.1)利用通信链路公式

计算信号接收天线1所接收到有源基站天线3发出电磁波的强度P2，其中，EIRP表示有源基站天线3发射功率强度，R表示为有源基站天线3与信号接收天线1之间的距离；

6.2)利用WinProp软件对T型区域中端射天线2发出的电磁波的传播过程进行仿真，即输入P2和端射天线2的方向图，得到二次盲区覆盖后T型区域功率强度P3，其仿真结果如图8所示，图8中的横坐标为T型区域位置，纵坐标为功率强度，从图8可见随着T型区域位置的变化，P3全部大于-90dBm，即P3大于原始功率强度P1，说明T型区域盲区覆盖完成。

步骤7、判断T型区域盲区覆盖是否完成。

将二次盲区覆盖后T型区域功率强度P3与原始功率强度P1进行比较：

若满足条件P3＞P1，且P3≥-90dBm，则T型区域盲区覆盖完成，否则，返回步骤1重新确定信号接收天线1和端射天线2口径。

以下结合附图对本发明仿真结果作进一步详细描述

1、仿真条件

在高频结构仿真软件HFSS中，设信号接收天线1和端射天线2的工作频率均为28GHz，信号接收天线的口径长为108mm、宽为8mm，其上表面为16个纵向排布的缝隙，下表面为金属贴片，中间层为介质，端射天线的口径长为108mm、宽为8mm，其上表面和下表面均为3*3个方形贴片，中间层为介质。

在电磁仿真软件WinProp中，设工作环境为T型区域，T型区域的横向长度为40m，纵向长度为5m，宽度为2.1m，高度为3m，并在T型区域设置信号接收天线1、端射天线2及有源基站天线3。

2、仿真内容

仿真1，在上述条件下对本实例的信号接收天线方向图进行仿真，其结果如图5所示。

图5中的横坐标为Theta角，纵坐标为天线增益，从图5中可以看到，Theta角为0°时有最大增益为16dB，说明该接收天线具有良好的信号接收性能。

仿真2，在上述条件下对本实例的端射天线方向图进行仿真，其结果如图6所示。

图6中的横坐标为Theta角，纵坐标为天线增益，从图6中可以看到，Theta角为90°时有最大增益为7.1dB，说明该端射天线具有良好的辐射性能。

仿真3，在上述条件下，对端射天线2和有源基站3发出的电磁波的传播过程进行仿真，得到一次盲区覆盖后原始功率强度P1和二次盲区覆盖后功率强度P3，结果如图9。图9中的横坐标为T型区域位置，纵坐标为功率强度，其中，方块标志曲线为设置信号接收天线和端射天线时功率强度P3随T型区域位置的变化曲线，三角标志曲线为设置有源基站天线时原始功率强度P1随T型区域位置的变化曲线。

从图9中可以看到，在设置信号接收天线和端射天线时T型区域的功率强度比原始功率强度提高10dBm，从而能够覆盖T型区域盲区，保证通信质量，扩展毫米波通信距离。

Claims (8)

1.一种毫米波室内无源覆盖方法，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型区域为毫米波盲区覆盖场景，并在该区域设置信号接收天线(1)、端射天线(2)和有源基站天线(3)，且信号接收天线(1)和端射天线(2)均为平面结构；

(1b)输入T型区域的长度、宽度，并确定信号接收天线(1)和端射天线(2)的口径；

2)利用高频结构仿真软件HFSS对信号接收天线(1)和端射天线(2)进行仿真，得到信号接收天线和端射天线方向图；

3)利用WinProp软件对所选定的T型区域进行建模：

(3a)从选定的T型区域中，获取墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸及材料；

(3b)分别对所确定的墙体、门、窗、天花板和地板的结构尺寸及材料进行建模，得到T型区域模型；

4)通过有源基站天线(3)获取T型区域的原始功率强度P1：

(4a)利用高频结构仿真软件HFSS对有源基站天线(3)进行仿真，得到有源基站天线(3)方向图；

(4b)将有源基站天线(3)的方向图作为T型区域的发射源并发射电磁波，该发射的电磁波经过墙体的多次反射实现对T型区域的一次盲区覆盖，获取一次盲区覆盖后的T型区域功率强度，即为原始功率强度P1；

5)对T型区域进行二次盲区覆盖：

(5a)在T型场景下设置信号接收天线(1)和端射天线(2)；

(5b)信号接收天线(1)接收有源基站天线(3)发出的电磁波，并将电磁波的能量馈入端射天线(2)，端射天线(2)再将该电磁波辐射至T型区域；

6)计算二次盲区覆盖后T型区域的功率强度P3：

(6a)计算信号接收天线(1)所接收到有源基站天线(3)发出电磁波的强度P2，是由通信链路公式

计算得到，其中，EIRP表示有源基站天线(3)发射功率强度，R表示为有源基站天线(3)与信号接收天线(1)之间的距离；

(6b)利用信号接收天线(1)接收到的电磁波强度P2和端射天线(2)的方向图，得到二次盲区覆盖后T型区域功率强度P3；

7)将二次盲区覆盖后T型区域功率强度P3与原始功率强度P1进行比较：如果P3＞P1，且P3≥-90dBm，则T型区域盲区覆盖完成；

否则，返回步骤1)重新确定信号接收天线(1)和端射天线(2)的口径，直至P3＞P1，且P3≥-90dBm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4b)中的原始功率强度P1，是由软件WinProp仿真得到，即在WinProp软件中输入有源基站天线(3)的位置和方向图，即可得到原始功率强度P1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6b)中的二次盲区覆盖后T型区域功率强度P3，是由软件WinProp仿真得到，即在WinProp软件中输入信号接收天线(1)、端射天线(2)的位置、电磁波强度P2及端射天线的方向图，即可得到盲区覆盖后T型区域功率强度P3。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述信号接收天线(1)的口径为，长度≥90mm、宽度≥6.0mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述端射天线(2)的口径为，长度≥6.0mm、宽度≥6.0mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中得到的信号接收天线和端射天线方向图，其形状不同，即信号接收天线的方向图形状为侧射波束，端射天线的方向图形状为端射波束。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有源基站天线(3)，其频率范围为24GHz～30GHz，方向图的半功率波瓣宽度为≥20°。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有源基站天线(3)与信号接收天线(1)，其位置关系是将有源基站天线(3)的中心投影至信号接收天线(1)中心。

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