本發(fā)明涉及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)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(cè)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(chǎng)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(duì)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(wú)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(wèn)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(wú)線信道測(cè)量方法和裝置以及建模方法，通過(guò)天線與金屬管道耦合引入表面波，有效降低了信號(hào)傳輸過(guò)程的損耗，特別為適用于實(shí)際的復(fù)雜場(chǎng)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(wèn)題，引入天線角度因子進(jìn)行精確的建模和測(cè)量，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)無(wú)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(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低廉的信道測(cè)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(hào)測(cè)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(cè)量和建模方法，包括以下步驟：

3、步驟1，建立信道測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)置測(cè)量場(chǎng)景；

4、步驟2，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)：

5、步驟3，獲取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均路徑損耗值；

6、步驟4，構(gòu)建無(wú)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(duì)應(yīng)的天線角度處的路徑損耗值帶入到無(wú)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(cè)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(guò)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(cè)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(hào)和接收信號(hào)，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(wú)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(hào)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(hào)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(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)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(duì)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(cè)量和分析，進(jìn)一步研究不同距離下信號(hào)的傳輸質(zhì)量和信道特性。信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)制：在本發(fā)明的無(wú)線信道測(cè)量系統(tǒng)中，一部分信號(hào)仍然是通過(guò)無(wú)線信道傳播的，但大部分信號(hào)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(hào)的接收強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

18、在場(chǎng)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(dòng)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(dòng)且每隔0.5m設(shè)置測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行固定測(cè)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(wú)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(méi)有完全正對(duì)，以發(fā)送天線和接收天線正對(duì)為0°，每隔15°進(jìn)行x1（一般取值為9）次測(cè)量并保存，并計(jì)算平均路徑損耗，以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

20、步驟2中，所述測(cè)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(duì)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(cè)量總次數(shù)，為測(cè)量頻段內(nèi)測(cè)量的頻點(diǎn)數(shù)目， n為頻點(diǎn)序號(hào)，為第m次測(cè)量的頻率響應(yīng)， f為信號(hào)頻率;

24、；和分別為第m次測(cè)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(cè)量法獲取，通過(guò)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(hào)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(hào)頻譜函數(shù)，?為發(fā)送信號(hào)頻譜函數(shù)，是無(wú)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(wú)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(duì)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(wú)表面波參與，當(dāng) j=2時(shí)表示引入表面波，表示無(wú)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(wú)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(duì)應(yīng)的天線角度處的路徑損耗值；，表示無(wú)線載波信號(hào)波長(zhǎng)；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(wú)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(wú)線信道多徑衰落的程度，也可以衡量信號(hào)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(hào)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(hào)反射、折射而引起的多徑現(xiàn)象。在發(fā)明中，由于信道測(cè)量是在頻域中進(jìn)行的，對(duì)測(cè)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(duì)于一個(gè)位置的網(wǎng)格點(diǎn)，即測(cè)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(cè)量時(shí)間；

59、然后，通過(guò)對(duì)測(cè)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(cè)量點(diǎn)，對(duì)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(cè)量點(diǎn)的時(shí)間色散參數(shù)。

62、應(yīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)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(chǎng)和電場(chǎng)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(chǎng)垂直于表面的波，而tm波的磁場(chǎng)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(guò)對(duì)表面波的傳播進(jìn)行深入測(cè)量和分析，可以更準(zhǔn)確地了解無(wú)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(duì)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(zhǎng)等。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和要求選擇合適的表面波激發(fā)方式，并對(duì)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(wú)線信道測(cè)量和建模方法。該方法首先通過(guò)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(wú)線信道傳播轉(zhuǎn)換成無(wú)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(hào)更為集中用于特定場(chǎng)景，我們并不會(huì)使用全向天線作為信號(hào)發(fā)送和接收的載體，通?？梢允褂冒胂蛱炀€承擔(dān)信號(hào)發(fā)送和接收的任務(wù)以達(dá)到更高效的無(wú)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(shuō)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(duì)面的傳輸信號(hào)，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(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)背景下有線和無(wú)線結(jié)合的室內(nèi)無(wú)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(duì)信號(hào)傳播的影響，并通過(guò)對(duì)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(guò)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(wú)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(hào)傳輸過(guò)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(wú)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(wú)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(chǎng)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(wèn)題，引入天線角度因子進(jìn)行精確的建模和測(cè)量，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供了更好的保障。