建筑物穿透损耗及其WCDMA室内覆盖的影响.doc

建筑物穿透损耗及其 对WCDMA室内覆盖的影响 武 波 沈文明 吕江歌 刘晓河 中国联合网络通信集团有限公司计划管理部 广州杰赛通信设计院 【摘 要】文章阐述了建筑物穿透损耗的形成机理和对移动通信网络室内覆盖的影响，结合测试对建筑物穿透损耗与信 号频率的关系进行了研究，分析了建筑物穿透损耗的变化规律，并由此提出了解决WCDMA室内覆盖的合理方式。 【关键词】穿透损耗 室内覆盖 WCDMA 建筑物穿透损耗是电磁波从室外传播到室内的过程 中，因建筑物引起的场强衰减。对于蜂窝制移动通信网 络，室外宏蜂窝基站是实现室外广域覆盖的主要手段， 但由于无线信号在从室外向室内传播时将会有损耗，要 实现室内覆盖必须通过各种方式克服建筑物穿透损耗。 所以，移动通信组网中需要对建筑物穿透损耗进行深入 研究。 生穿透损耗，遇到缝隙将发生绕射，最终到达室内的信 号将是不同多径的合成体。建筑物的穿透损耗主要由介 质穿透损耗和绕射损耗决定。 1.1 介质穿透损耗 无线信号穿透介质的损耗主要由入/出射介质时的穿 透损耗和介质内的传播损耗构成。 （1）入/出射介质时的穿透损耗 无线信号穿透不同介质时，会发生反射和折射现 象，导致进入新介质的功率减小。进入新介质的功率与 原信号功率的比值记作功率传输系数T 。假设电磁波从空 气（介质1）垂直入射非理想介质2（例如墙壁），文献 [1]根据麦克斯韦方程组进行了计算仿真，结果显示功率 1 建筑物穿透损耗的形成机理 无线信号从室外传播到室内时，遇到阻挡介质将产 收稿日期：2010-06-10  传输系数T 与频率f 的关系呈现以下特点： ◆对于固定电导率的介质，随着无线信号频率f 的升 高，界面的功率传输系数T （透射功率）增大，也就是说 高频信号更容易通过介质表面进入介质； ◆当频率f 升高到一定程度后，功率传输系数T （透 射功率）趋于常数（约0.82）； ◆介质2的电导率σ2越大，T 迅速抬升并趋于常数的 临界频率越高。 在800MHz、900MHz、2GHz等移动通信频段，对 于电导率不高的非导体介质，基本上功率传输系数T 都趋 于常数；只有对于电导率接近或大于1S/m的导体介质， 透射功率才随频率的增加而明显增加。由于建筑物常用 材料（干土、石灰石、聚乙烯、石英、橡胶等）的电导 率都小于2×10-2S/m，所以，在移动通信频段中，频率 的变化对透射功率影响不大。 （2）介质内的传播损耗 建筑物的组成介质（例如墙壁、门、窗等）都是有 损耗的，文献[1]根据平面电磁场理论进行了计算仿真。 假设电磁波在非理想介质2（例如墙壁）中传播，它在 介质中的衰减常数随着频率升高而增大；但是对于电导 率σ=10-2S/m的介质（石灰石），当频率大于100MHz 后，衰减常数α 保持在6.68dB/m附近；对于电导率σ小 于10-4S/m的介质（干土、石英等），电磁波在介质中的 传输损耗随频率变化很小。 （a） （b） 图1 电磁波在障碍物边缘的绕射示意图 （1） 其中，v是菲涅尔－基尔霍夫（Fresnel-Kirchhoff） 1.2 绕射损耗 根据惠更斯原理，电磁波在遇到尺寸远大于其波 长的障碍物时，会在障碍物边缘发生绕射，以次级波 （secondary wavelets）的形式传播到障碍物的阴影区 （如图1（a）所示）。所以，无线信号常会通过建筑物 门、窗和缝隙以绕射方式进入室内。 绕射传播会形成损耗，损耗值与障碍物尺寸、位 置、表面材质、形状等多个因素有关。为简化起见，假 设障碍物表面光滑，形状类似刀锋，边缘厚度可以忽略 不计，与无线信号收发两端的位置关系如图1（b）所 示。根据菲涅尔区的有关理论[2,3]，可以对绕射损耗L (v ) 进行计算： 绕射因子： 。 利用公式（1），可以得到绕射损耗与绕射因子v 的 关系曲线如图2所示。 由图2可见，当障碍物高度相对于收发连线为0时， v =0，对应的绕射损耗为6dB；对于特定的障碍物，无线 信号频率越高，则波长越短，对应的v 越大，导致障碍物 阴影区的绕射损耗越大，所以高频信号的绕射能力较弱。 2 建筑物穿透损耗的测量方法 将发射端和接收端分别置于介质两侧，可以测量介  物后仍满足通信要求，利用建筑物室外的信号强度推测 室内的覆盖情况等。所以，可通过测量建筑物内部和外 部的信号场强差值，得到该建筑物的穿透损耗。由于无 线信号存在快衰落和慢衰落，信号场强随时间和位置发 生变化，所以建筑物穿透损耗的测量结果需要借助概率 方法进行分析。本文采取以下的建筑物穿透损耗测量方 法： （1）距离目标楼宇一段距离设置信号发射源，该距 离不应过远以保证在楼宇室内的信号场强能够被准确检 测到，也不应过近导致楼宇周边不同方向的信号场强差 异过大。 （2）测试楼宇周围的室外信号场强，