本發(fā)明涉及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信，特別涉及基于接收天線角度變化的表面波傳輸信道測量和建模方法。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（iiot）應(yīng)運(yùn)而生，成為工業(yè)體系智能化變革的重要推手。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，是新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。然而，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景具有多樣性與復(fù)雜性，例如多種物體間多折射點(diǎn)、多散射點(diǎn)等多重干擾等，導(dǎo)致信道特性更復(fù)雜，通信系統(tǒng)的路徑損耗特性也更加復(fù)雜，對通信系統(tǒng)性能和可靠性產(chǎn)生了重要影響。

2、目前一些學(xué)者在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線信道路徑損耗建模方向取得一些成果，例如射線跟蹤（ray?tracing）、蒙特卡羅方法和基于幾何光學(xué)（geometric?optics）的方法等。然而這些方法還存在一些問題和挑戰(zhàn)，例如射線追蹤方法即屬于確定性建模方法，這種建模方法較為復(fù)雜，且建模的準(zhǔn)確程度高度依賴于原始環(huán)境信息重現(xiàn)的精確程度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境下利用導(dǎo)體傳輸表面波的發(fā)送天線和接收天線存在角度差的無線信道測量方法和裝置以及建模方法，通過天線與金屬管道耦合引入表面波，有效降低了信號傳輸過程的損耗，特別為適用于實(shí)際的復(fù)雜場景，優(yōu)化信道特性并有效克服室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變的問題，引入天線角度因子進(jìn)行精確的建模和測量，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)無線通信系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供了更好的保障。同時(shí)本發(fā)明提供了一種簡單、易實(shí)現(xiàn)、成本低廉的信道測量方法和裝置，適用于各種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境下的信號測量和分析。

2、本發(fā)明具體提供了基于接收天線角度變化的表面波傳輸信道測量和建模方法，包括以下步驟：

3、步驟1，建立信道測量系統(tǒng)，設(shè)置測量場景；

4、步驟2，獲取測量數(shù)據(jù)：

5、步驟3，獲取每個(gè)測量點(diǎn)的平均路徑損耗值；

6、步驟4，構(gòu)建無表面波角度路徑損耗初始模型；

7、步驟5，構(gòu)建激發(fā)表面波角度路徑損耗初始模型；

8、步驟6，將發(fā)送天線和接收天線距離 d與在距離 d處相對應(yīng)的天線角度處的路徑損耗值帶入到無表面波角度路徑損耗初始模型和激發(fā)表面波角度路徑損耗初始模型中，計(jì)算發(fā)送天線和接收天線角度為 θ、發(fā)送天線和接收天線距離為 d時(shí)的路徑損耗衰減值?；

9、步驟7，利用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)提取，擬合得出系數(shù) a 1、 b 1、 a 2、 b 2，得到最終表達(dá)式；

10、步驟8，根據(jù)測量所提取出的基于不同天線角度而變化的路徑損耗指數(shù)值得到初始路徑損耗指數(shù)模型；

11、步驟9，根據(jù)發(fā)送天線和接收天線不同角度及不同收發(fā)端距離的平均路徑損耗計(jì)算出基于不同收發(fā)天線角度的路徑損耗指數(shù)值，通過最小二乘法擬合出路徑損耗指數(shù)的模型函數(shù)；

12、步驟10，根據(jù)發(fā)送天線和接收天線角度 θ、發(fā)送天線和接收天線距離d、不同發(fā)送天線和接收天線角度的路徑損耗指數(shù)的模型，不同天線角度的衰減值構(gòu)建室內(nèi)高頻段信道路徑損耗模型；

13、步驟11，進(jìn)行小尺度衰落相關(guān)特性分析；

14、步驟12，路徑損耗分析。

15、步驟1包括：所述信道測量系統(tǒng)包括兩個(gè)寬波束天線（wide-beam?antenna）、一根金屬管道和一個(gè)可調(diào)節(jié)耦合距離天線固定板；

16、其中，所述兩個(gè)寬波束天線分別用于發(fā)射信號和接收信號，寬波束天線是一種發(fā)射和接收角度均大于30度的天線，它的主要特點(diǎn)是具有較寬的主瓣和較小的旁瓣。寬波束天線在無線通信中廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗梢愿采w更廣泛的區(qū)域并增加信號的覆蓋面積，同時(shí)還可以提供更好的多路徑信道傳輸特性。

17、所述金屬管道作為信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)，連接兩個(gè)寬波束天線；所述可調(diào)節(jié)耦合距離天線固定板用于控制金屬管道與兩個(gè)寬波束天線之間的距離；所述可調(diào)節(jié)耦合距離天線固定板采用可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，包括上下兩層亞克力板和旋鈕控制系統(tǒng)，具有很好的固定作用且不會影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量。兩個(gè)寬波束天線位于兩層亞克力板之間，處于亞克力板對角中心位置并且緊貼下方亞克力板；兩層硬紙板用螺絲把四個(gè)角固定；所述旋鈕控制系統(tǒng)用于控制兩層亞克力板的上下距離，從而改變金屬管道與兩個(gè)寬波束天線之間的距離（即耦合距離）；本發(fā)明在不同發(fā)送天線和接收天線夾角下進(jìn)行信道測量和分析，進(jìn)一步研究不同距離下信號的傳輸質(zhì)量和信道特性。信號傳輸?shù)臋C(jī)制：在本發(fā)明的無線信道測量系統(tǒng)中，一部分信號仍然是通過無線信道傳播的，但大部分信號則是以表面波的形式沿著金屬管道傳輸?shù)浇邮斩颂炀€。金屬管道導(dǎo)電性好、穩(wěn)定不易變形，因此傳輸效率更高，傳輸距離也更遠(yuǎn)，從而提高了信號的接收強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

18、在場景設(shè)置中，首先將天線的發(fā)射端固定在預(yù)設(shè)定點(diǎn)，保持天線發(fā)送端的高度不變；然后固定發(fā)送天線，移動接收天線，為更加貼合實(shí)際工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，不失一般性發(fā)送天線和接收天線之間的距離從0.5m逐漸遞增至3m，接收天線沿直線移動且每隔0.5m設(shè)置測量點(diǎn)進(jìn)行固定測量；

19、在收發(fā)天線（0.5米至3米）之間的每個(gè)收發(fā)天線距離點(diǎn)處，讓接收天線繞亞克力板中心位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至180°（無需旋轉(zhuǎn)至360°，因?yàn)檫@相當(dāng)于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至180°，可獲得與順時(shí)針一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果），使得發(fā)送天線和接收天線存在角度差，即發(fā)送天線和接收天線并沒有完全正對，以發(fā)送天線和接收天線正對為0°，每隔15°進(jìn)行x1（一般取值為9）次測量并保存，并計(jì)算平均路徑損耗，以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

20、步驟2中，所述測量數(shù)據(jù)包括發(fā)送天線和接收天線的距離 d、發(fā)送天線和接收天線的距離 d上收發(fā)天線角度差 θ，以及各個(gè)距離 d和收發(fā)天線角度 θ對應(yīng)的路徑損耗值。

21、步驟3包括：采用如下公式計(jì)算平均路徑損耗值：

22、???，?(1)

23、其中，為在距離d處的平均路徑損耗值，m為測量總次數(shù)，為測量頻段內(nèi)測量的頻點(diǎn)數(shù)目， n為頻點(diǎn)序號，為第m次測量的頻率響應(yīng)， f為信號頻率;

24、；和分別為第m次測量得到的幅度和相位， i為虛數(shù)， e是自然常數(shù)；采用頻域測量法獲取，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（vector?network?analyzer，vna）持續(xù)發(fā)送單頻率載波信號和頻域掃頻的方式，便能夠獲取整個(gè)頻帶的頻域響應(yīng)，公式為：

25、，???????(2)

26、其中，表示等同關(guān)系，?代表接收信號頻譜函數(shù)，?為發(fā)送信號頻譜函數(shù)，是無線信道的散射參數(shù)，也是在頻率處的復(fù)頻率響應(yīng)。

27、步驟4包括：所述無表面波角度路徑損耗初始模型為：

28、?，?(3)

29、其中表示發(fā)送天線和接收天線距離 d時(shí)對應(yīng)的天線角度處的路徑損耗值；為參考距離，這里設(shè)置為0.5m；為參考天線角度，設(shè)置為0°；為在參考距離處和參考天線角度處的路徑損耗值；為陰影衰落，陰影衰落服從均值為零，標(biāo)準(zhǔn)方差為的正態(tài)分布；為基于不同天線角度和收發(fā)端距離的衰減值，其中 j=1,2，當(dāng)j=1時(shí)表示無表面波參與，當(dāng) j=2時(shí)表示引入表面波，表示無表面波參與時(shí)基于不同天線角度和收發(fā)端距離的衰減值，表示引入表面波時(shí)基于不同天線角度和收發(fā)端距離的衰減值；表示無表面波參與時(shí)的路徑損耗指數(shù)值。

30、步驟5包括：所述激發(fā)表面波角度路徑損耗初始模型為：

31、，??(4)

32、，?(5)

33、其中，表示在激發(fā)表面波時(shí)發(fā)送天線和接收天線距離 d時(shí)對應(yīng)的天線角度處的路徑損耗值；，表示無線載波信號波長；和分別表示陰影衰落的分布函數(shù) ?的方差和均值；表示引入表面波時(shí)的路徑損耗指數(shù)值。

34、步驟6包括：根據(jù)下式計(jì)算發(fā)送天線和接收天線角度為 θ、發(fā)送天線和接收天線距離為 d時(shí)的路徑損耗衰減值：

35、?，(6)

36、?，?(7)

37、?，?(8)

38、?，(9)

39、其中，，；表示無表面波參與時(shí)發(fā)送天線和接收天線角度 θ處的路徑損耗截距，?表示引入表面波時(shí)發(fā)送天線和接收天線角度 θ處的路徑損耗截距；

40、根據(jù)不同發(fā)送天線和接收天線角度的衰減值變化情況構(gòu)建的初始模型：

41、?，(10)

42、其中，為待擬合參數(shù)。

43、步驟7包括：最終表達(dá)式為：

44、，?(11)

45、?(12)。

46、步驟8包括：所述初始路徑損耗指數(shù)模型為：

47、?，(13)

48、其中，、、、為待擬合的參數(shù)。

49、步驟9包括：所述路徑損耗指數(shù)的模型函數(shù)為：

50、，?????(14)

51、，??(15)

52、步驟10中，所述室內(nèi)高頻段信道路徑損耗模型為：

53、，

54、；

55、步驟11包括：小尺度衰落主要研究參數(shù)為均方根時(shí)延擴(kuò)展，表示無線信道多徑衰落的程度，也可以衡量信號產(chǎn)生碼間串?dāng)_的可能性,為通信系統(tǒng)物理層算法的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

56、功率時(shí)延譜（pdp，power?delay?profile）體現(xiàn)了信號功率隨時(shí)間的變化，可以清晰地表現(xiàn)出由地板、墻壁、天花板以及行人等影響因素造成的信號反射、折射而引起的多徑現(xiàn)象。在發(fā)明中，由于信道測量是在頻域中進(jìn)行的，對測量的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉反變換(inverse?discrete?fourier?transform)處理，獲得信道脈沖響應(yīng)，對于一個(gè)位置的網(wǎng)格點(diǎn)，即測量點(diǎn)的x1次數(shù)據(jù)，瞬時(shí)功率時(shí)延譜計(jì)算公式為：

57、，????(16)

58、其中，為時(shí)域信道脈沖響應(yīng)，為信道中第 l個(gè)可分辨的時(shí)延； t i表示每組數(shù)據(jù)的測量時(shí)間；

59、然后，通過對測量數(shù)據(jù)求平均，得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的瞬時(shí)功率時(shí)延譜為：

60、，?????(17)

61、其中，是求期望算法；在每個(gè)測量點(diǎn)，對x1組網(wǎng)格點(diǎn)得到的瞬時(shí)功率時(shí)延譜pdp數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到測量點(diǎn)的時(shí)間色散參數(shù)。

62、應(yīng)對現(xiàn)有技術(shù)的問題時(shí)，本發(fā)明引入表面波概念成為一種具有突破性潛力的研究方向。表面波是一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，具有沿表面衰減的特性。表面波是電磁波與介質(zhì)邊界之間的特殊耦合模式。例如，磁場和電場在介質(zhì)表面附近以橫電波（te波）和橫磁波（tm波）的形式傳播，沿著表面衰減。te波是電場垂直于表面的波，而tm波的磁場垂直于表面。這些波在微波技術(shù)和光學(xué)中具有廣泛應(yīng)用，例如天線設(shè)計(jì)和光纖通信。通過對表面波的傳播進(jìn)行深入測量和分析，可以更準(zhǔn)確地了解無線信道的衰落、多徑效應(yīng)和干擾情況。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的激發(fā)方式可以對表面波的特性產(chǎn)生不同的影響，如激發(fā)位置、極化方向、波長等。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景和要求選擇合適的表面波激發(fā)方式，并對其進(jìn)行深入的研究和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)性能和效果，本發(fā)明利用的表面波的激發(fā)方式是利用金屬導(dǎo)體與介質(zhì)之間的耦合效應(yīng)。

63、本發(fā)明提出了一種基于接收天線角度變化表面波激發(fā)的無線信道測量和建模方法。該方法首先通過表面波激發(fā)方式，產(chǎn)生有效降低路徑損耗的有線信道，將純粹的無線信道傳播轉(zhuǎn)換成無線和有線相結(jié)合的準(zhǔn)隨機(jī)信道，大大降低路徑損耗。其次，綜合考慮工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和物體分布，特別為了使信號更為集中用于特定場景，我們并不會使用全向天線作為信號發(fā)送和接收的載體，通常可以使用半向天線承擔(dān)信號發(fā)送和接收的任務(wù)以達(dá)到更高效的無線通信，半向也就是半個(gè)球面方向。為了更靈活的通信，或者說一些特殊情況下，發(fā)送天線和接收天線不能完全實(shí)現(xiàn)面對面的傳輸信號，發(fā)送天線和接收天線方向存在角度差。為了便于研究，我們固定發(fā)送端，接收端天線角度改變，這也更為貼近于實(shí)際情況。結(jié)合不同頻段和頻率的傳播特性，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)背景下有線和無線結(jié)合的室內(nèi)無線信道路徑損耗的準(zhǔn)確建模。具體而言，本方法利用表面波激發(fā)效應(yīng)，考慮了金屬結(jié)構(gòu)、障礙物和反射對信號傳播的影響，并通過對不同距離特性進(jìn)行分析，提供了在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中更精確的路徑損耗估計(jì)。

64、有益效果：本發(fā)明通過在收發(fā)端天線之間加入導(dǎo)體引入表面波從而將有線信道與無線信道相結(jié)合，可以有效降低工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境下信號傳輸過程的路徑損耗，能夠有效地優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境下的無線通信系統(tǒng)的性能，從而幫助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境下無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

65、特別為適用于實(shí)際的復(fù)雜場景，優(yōu)化信道特性并有效克服室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變的問題，引入天線角度因子進(jìn)行精確的建模和測量，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)無線通信系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供了更好的保障。