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基于镜像法的高层电梯内移动通信信号场强的仿真分析

2024-01-03 229 上传者：管理员

摘要：为了加强移动设施建设的针对性，有效利用频率资源、提高网络质量，利用射线跟踪法对高楼电梯内单电梯与双电梯井道模型的移动通信场强传播进行仿真和分析。结果表明，对于单电梯井道，在全球移动通信系统（GSM）信号、3G和WiFi信号仿真结果与测量结果一致性良好；在4G和5G信号中，建议将天线间隔分别设置在9～12 m和8 m时较适宜。同时，双电梯井道在不同频段下场强分布仿真也得到了验证。通过建立无线传播仿真模型，为4G及5G通信系统的电梯覆盖提供了依据。

关键词：
5G
场强分布
多频段
射线追踪
移动通信
网络覆盖
镜像法
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随着城市化进程的加速，高层建筑物的数量不断增加，电梯已成为高层建筑中必不可少的交通工具[1]。尽管电梯内的电波传播不受自然气候因素的影响，但是电梯环境封闭、区域结构复杂、室外信号难以穿透等因素导致电梯内网络信号较差，严重影响了人们的通信体验和面临突发事件时的应急通信保障。因此，电梯信号覆盖成为各大运营商关注的重点。

为了提高电梯通信的效率和质量，本文基于镜像法[2,3]对高楼电梯内移动通信场强传播进行了仿真研究。通过建立高层电梯空间的场强模型，分别计算了GSM[4]、3G[5]、4G[6]、5G[7]以及WiFi[8]信号的强度，以此确定天线的位置、信号强度[9]和传输方式的最优值。

1、仿真模型的建立

对高楼单电梯井道环境进行建模仿真，如图1所示。图1a）分别为单电梯井道模型的俯视图与侧视图。电梯井道天线固定在距离井道后壁和侧壁0.5 m处，发射天线为垂直极化的定向天线，增益为10 dB。将电梯井道近似看为矩形横截面通道，定向天线固定在电梯井道顶端，向电梯井道下方发射信号，接收点位于电梯轿厢处。

图1 高楼电梯井道环境建模仿真

图1b）为双电梯井道的俯视图与侧视图，高楼双电梯井道模型的高为60 m，井道后壁宽为5 m，侧壁宽为2.3 m，相对介电常数、电导率和天线增益与单电梯井道模型相同。电梯井道天线距离井道后壁为0.5 m，距离侧壁为2.5 m。将发射天线放在整个电梯井道的中间，天线的主瓣向下，接收点位于图2中A、B两点。

2、镜像法

射线跟踪法[10]是一种被广泛应用到移动通信环境中的预测无线电波传播特性的技术，能够追踪收发之间所有可能的射线路径。镜像法是射线跟踪法中的一种，适宜电梯等简单的结构环境[11]。相比于最小光程法及一些射线跟踪法，镜像法不需要相交测试，计算时间短、效率高。由于高楼电梯中无线通信的频率一般较高（900 MHz、1.9 GHz、2.1 GHz、2.4 GHz、2.6 GHz、4.9 GHz），且有继续往更高频率发展的趋势，波长与电梯井道内尺寸相比要小得多，远区场的电磁波可视为局部平面波，其传播可以用几何光学[12]来近似，即认为电磁波是沿各个方向传输且有一定电场强度的射线，对每根射线进行跟踪，遇到障碍物时按照光传输理论进行计算。在接收点将到达该点的各条射线合并，计算接收点的场强或接收功率，从而实现电波传输的预测[13]。其优点在于该方法具有普遍性，一旦建立起算法模型和适当的地形地物数据结构，可以进行传播预测[14,15,16]。

以单电梯井道为例，如图1中侧视图所示，将天线作为发射点A，测试点为接收点B,A'为发射点A的镜像点。电梯井道近似为矩形横截面通道，发射点A向各个方向发出无数条射线，如图2所示，射线AB为发射点A到接收点B的直射线，射线ACB是经过电梯井道壁的1次反射线，射线ADEB是经过电梯两个不同截面的2次反射。

图2 电梯井道传播示意图

将井道壁看成xOz平面，假设从A点的每条射线路径到达B点的场强的差值（简称为电梯顶绕射损耗）近似恒定，其他绕射信号不考虑，忽略拉绳的影响。电梯井道的垂直极化如图3所示，其中点A为源点，点A'为点A的镜像，B点为场点。

图3 电梯井道垂直极化的反射场

此时的反射系数可用式（1）表示：

式中相对复介电常数ε'k=ε'-i60λσ，λ是入射波长，仰角γ是入射角90°余角。

图4为单电梯井道的水平极化，其中点A为源点，点A″为点A的镜像，B点为场点。

图4 单电梯井道水平极化的反射场

水平极化的反射系数可用式（2）表示：

通过镜像法可以将单电梯井道内从A点到B点的所有反射路径等效为A点对井道壁镜像点的直射路径，可以使用光程最短远离对其进行筛选。镜像点的路径损耗与镜像源“直射”相比，增加了反射损耗L，其中L主要由“直射”信号穿过“电梯壁”的次数和仰角决定[15]。反射损耗L可用式（3）所示：

式中：m和n分别是垂直极化和水平极化穿过电梯壁的次数。因此到达B点所有信号场强之和由式（4）计算：

式中：ri代表第i条路径的长度；k为波数；Li为第i条路径的反射损耗；Di为电梯天线在第i条路径方向的增益。

3、仿真结果

本文将单电梯井道模型在GSM、3G和WiFi信号与实测进行了对比，对4G信号和5G信号进行了仿真分析。除此之外还进行了双电梯井道在不同信号下的仿真，计算并查看电梯从电梯井最高处向下运行各点的场强，下面对仿真结果一一介绍。

3.1 单电梯井道模型仿真结果与分析

图5和图6分别表示在GSM(900 MHz）、3G(2.1 GHz）和WiFi(2.4 GHz）频段的单电梯井道场强仿真和文献实测结果的对比。可以看出，实测与仿真场强分布趋势比较接近，进一步验证了射线跟踪法的正确性和可靠性。产生误差的原因是：仿真材质电参数与实际介电参数具有差别；建筑物的尺寸误差等。

图5 GSM、3G和WiFi信号场强仿真结果

图6 GSM、3G和WiFi信号场强实测结果

除此之外，还对移动公司的4G(1.9 GHz、2.6 GHz）和5G(4.9 GHz）进行了仿真分析，如图7所示。

图7 单电梯模型在1.9 GHz、2.6 GHz和4.9 GHz场强预测

从图7可以看出，在移动公司1.9 GHz频段和2.6 GHz频段的4G信号中发现9～12 m之间出现了“覆盖低谷”，因此对于4G信号建议9～12 m设置一面定向天线。

图7为移动公司4.9 GHz频段的5G信号，图中虽然在12 m左右出现了“覆盖低谷”，但是此时的电场强度和4G信号“覆盖低谷”时电场强度相比偏低，因此对于5G信号，建议每间隔8 m设置一面定向天线。

图8为在单电梯井道中不同信号的场强在不同距离下的三维仿真结果。从图中可以看出，无论是哪一种信号，随着距离的增大，场强呈现出“波浪式”的下降趋势。

图8 六种信号单电梯井道中电场强度分布

3.2 双电梯井道模型仿真结果与分析

图9为双电梯井道在GSM、3G和WiFi信号下的场强分布。

图9 双电梯井道在不同场强预测

从图9a）可以看出，对于GSM信号，路径1在18～21 m处出现了“覆盖低谷”，虽然路径2在21～24 m处才出现“覆盖低谷”，但是路径2在出现“覆盖低谷”时场强相对较小，因此对于GSM信号，可以在18～20 m处设置一面定向天线。对于3G信号而言，图9b）中的路径1和路径2的场强分布趋势在18～21 m处出现“覆盖低谷”，3G信号出现“覆盖低谷”时的场强大小相对较小，因此可以适当将天线位置安装在15～18 m处。图9c）是WiFi信号，其频率为2.4 GHz，由图中可以看出路径1出现的“覆盖低谷”在21 m左右，而路径2的“覆盖低谷”在15～18 m之间，所以对于WiFi信号，天线推荐15～18 m之间安装一面天线。

图10为4G信号在1.9 GHz和2.6 GHz时的仿真分析。从图10a）中可以看出，路径1的“覆盖低谷”出现在距离天线9 m左右，路径2在18 m处左右，为了两个电梯的信号覆盖都比较好，建议将天线间隔9 m安装一面定向天线，该结果与单电梯模型时较接近。在2.6 GHz时，如图10b）所示，路径1的“覆盖低谷”相较于路径2小一点，因此建议按照路径1为标准，将覆盖天线间隔在9～12 m处安装一面定向天线。

图1 0 双电梯井道在不同场强预测

图11为双电梯井道在5G信号的仿真结果。对于双电梯共井道的电梯，从电梯井道内的天线到达电梯内移动通信用户的每一条不经过相邻电梯壁的反射路径，与独立井道情况相似，都等效为电梯天线的井道壁镜像的直射路径，一般关心的是距离电梯天线5 m之外的场强分布，因此图11中路径2的“覆盖低谷”不能够参考，所以在5G信号双电梯模型中建议每隔9～10 m放一面天线。

图1 1 双电梯井道在4.9 GHz场强预测

4、结语

本文运用镜像法对电梯井道移动通信信号进行了场强传播分析，分别对单、双电梯井道模型进行建模，推出了电梯内场强传播公式，通过分析以上两种模型在GSM、3G、WiFi、4G和5G信号下的场强分布，提出在电梯进行信号覆盖时不同的设计和安装方式建议。

参考文献:

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