一种分析振动影响无线信号传播的方法

摘要

本发明一种分析振动影响无线信号传播的方法,该方法利用多镜像分析方法，设收发天线构成一个系统，系统收发频率是

说明书

技术领域

本发明属于无线电信号传输领域，尤其涉及一种分析振动影响无线信号传播的方法。

背景技术

振动在日常环境中无处不在，有风、雨、波浪等自然现象引起的振动，也有车辆、机器、声波等人为因素引起的振动，在无线通信的可靠性分析中，这些振动会引起收发天线的振动，进而导致天线与安装位置产生相对位移，而位移对无线信号传播的多径相位会产生影响，进而导致信号的传输损耗的波动，特别是波长较短的无线系统(比如使用毫米波的第五代移动通信系统)对振动位移就更加敏感，特别是，在天线安装在有机械振动、车辆振动、风、雨、波浪等自然现象引起的振动的环境下时，传统的电波传播分析方法都没有考虑振动引起的接收强度随振动的变化，这是不完备的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种方法简单，减小因振动而对导致信号的传输损耗的波动的分析振动影响无线信号传播的方法。

本发明的技术方案是：一种分析振动影响无线信号传播的方法，该方法；

设收发天线构成一个系统，系统收发频率是f_c,电波波长是λ,>

在视线传输(LoS)条件下，以接收天线为原点建立合适球坐标系，以接收天线为原点，可以以LoS主径方向为等效直角坐标系的X 轴。假设发射天线的本体和镜像在水平角区间内均匀分布，每个多径的水平角度功率分布谱满足分布函数典型的可以取高斯分布即式(1)：

设发射天线的本体和镜像在俯仰角区间[-k_θσ_θ,k_θσ_θ]内均匀分布，每个多径的俯仰角度功率分布谱分布可以表述为函数f_θ[P(θ)]，较典型的可以取拉普拉斯分布P(θ)～La(μ_θ,σ_θ)，即满足式(2)：

为了便于计算可以令和μ_θ均为0。产生两组N_path个分别在和[-k_θσ_θ,k_θσ_θ]区间均匀分布的随机数序列，以设定多径水平角和俯仰角，则假设某个多径对应的角度坐标是然后基于和f_θ[P(θ)]的具体表达式来计算该角度上多径对应的归一化相对功率，归一化计算参考值是在天线增益和发射功率归一化的情况下的接收功率，可以根据具体情况选择传输模型。较典型的，可以使用收发距离d₀上自由空间模型计算得到的接收功率PW₀，如(3)式所示。

PW₀[dB]＝-{32.45+20lgf_c[GHz]+20lgd₀[m]}(3)，

假设某多径的初始相位Ph0_i满足(0,2π)区间内的随机分布，接受归一化相对功率是其对应的水平角归一化相对功率比值和俯仰角归一化相对功率比值的乘积，对该乘积进行开方，得到该多径的归一化幅度系数M_i,则使用式(4)计算该多径的等效镜像源的距离：

则该多径的等效镜像源的球坐标是则其对应的直角坐标是：

以下分析发射天线本体振动的加速度函数，从前期大量测量结果来看，在风载荷激励下，天线响应加速度是主频为f_v的正弦波，在一些情况下会有二次谐波。则X、Y、Z方向上的加速度可以表述为：

式中：t为时间，a_x1是X方向上振动基波的幅度，a_x2是X方向上振动二次谐波的幅度，p_x1是X方向上振动基波的幅度，p_x2是X方向上振动二次谐波的初始相位。a_y1是Y方向上振动基波的幅度，a_y2是Y>y1是Y方向上振动基波的幅度，p_y2是Y方向上振动二次谐波的初始相位。a_z1是Z方向上振动基波的幅度，a_z2是Z方向上振动二次谐波的幅度，p_z1是Z方向上振动基波的幅度，

p_z2是Z方向上振动二次谐波的初始相；

由于初始速度和位移都为0，则通过积分来计算位移量:

由于镜像反射的作用，发射天线的第i个镜像的位移量可以表述为：

式中：Sx_i，Sy_i，Sz_i均为{-1,1}二值随机序列，

Sx_i，Sy_i，Sz_i均为{-1,1}二值随机序列，其物理机理的考虑是：等效反射面一般都是横平竖直的，反射面数量是奇数个还是偶数个是随机的。只考虑振动的影响而不考虑传播环境其他因素的变化，故而在仿真中Sx_i，Sy_i，Sz_i随机产生以后，就不再随时间变化。则对于第i>

则第i个多径的相位因为振动而随时间的变化的函数△d_i(t)是：

式中，λ为电波波长，Ph0_i为多径的初始相位，△d_i(t)振动产生的传播距离变化量；

则多径叠加后，在接收端的归一化接收矢量幅度M_r(t)是：

如存在直射路径，则要确保i＝0的项参与加和，传输损耗随时间的变化可以用下式计算：

Loss(t)[dB]＝-{PW₀[dB]+20lg|M_r(t)|}(12)

Loss(t)是一个周期函数，其周期就是振动的周期T_v＝1/f_v。将机械振动的位移范围记做r_d,将无线信号的波长记做λ，WIDTH_loss(dB)表示>loss>loss(dB)和STD_loss(dB)也呈现出随机性，但是多次重复仿真的中位数满足一定的统计规律。

设(a_x-base,a_y-base,a_z-base)是加速度的基本形式，由(6)式决定，加速度按照(13)式设定，其中k_a是幅度变化的系数，

在多径的功率角域分布参数相同的情况下，重复多次(比如N_case次)仿真，WIDTH_loss(dB)和STD_loss(dB)的中位数呈现出相对稳定的状态，记做WIDTH_loss-M(dB)和STD_loss-M(dB)，且对仿真结果进行拟合，表明WIDTH_loss-M(dB)和STD_loss-M(dB)和对应振动状态下的r_d/λ有关，可以表述为：

式(14)(15)中arctan运算的结果以弧度表示，在不同的多径角域分布条件下W_max、k_w、S_max和k_S参数取值有所不同，典型的取值是：分布宽度系数W_max＝30，分布宽度的位移系数k_W＝2，标准差系数S_max＝6，标准差的位移系数k_S＝3。

显然振动会引起电磁波的空间调制，即无线电信号的接收强度波动，这个现象意味着：电磁波收发系统要准备一定的衰落余量，才能规避其不利影响。假设希望由于振动而要准备的衰落余量为W_L(dB)，则最大的系统振幅峰峰值(即位移范围)r_dmax满足：

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，在存在物理振动的情况下，本发明方法可更合理、更准确地预测无线通信信号传输损耗的变化，在无线通信系统分析、设计、规划、优化中具有重要作用。特别是在毫米波的无线通信系统、无线车联网通信系统、机械振动环境下的物联网/工业互联网无线通信系统分析和设计中。

附图说明

图1为多径对应的多个镜像源示意图。

图2为实施例30GHz,收发距离15m,天线振动引起衰落时域曲线示意图。

图3为.计算实例二的仿真离散点与统计量中位值曲线。

图4为计算实例二的仿真离散点与统计量中位值曲线。

图5为.计算实例三的仿真离散点与统计量中位值曲线。

图6为计算实例四的仿真离散点与统计量中位值曲线。

图7为计算实例四的统计量中位值曲线与式(14)、(15)的拟合曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1-图7所示，本发明一种分析振动影响无线信号传播的方法，该方法1.一种分析振动影响无线信号传播的方法,其特征在于，该方法利用多镜像分析方法，设收发天线构成一个系统，系统收发频率是f_c,电波波长是λ,反射产生多径，反射的物理机理在于感应电流，根据电磁波在导体表面的边界条件，感应电流作为“二次源”激励产生的电磁场即为反射波，对于引起多径的“二次源”，每一个多径对应一个镜像发射源，分析发射天线的本体和镜像之间的水平角度功率和俯仰角度功率；最终确定衰落余量W_L(dB)和系统振幅峰峰值r_dmax。

具体步骤为：首先，以接收天线为原点建立合适球坐标系，以接收天线为原点，以LoS主径方向为等效直角坐标系的X轴，如果发射天线的本体和镜像在水平角区间内均匀分布，每个多径的水平角度功率分布谱满足分布函数

如果发射天线的本体和镜像在俯仰角区间[-k_θσ_θ,k_θσ_θ]内均匀分布，每个多径的俯仰角度功率分布谱分布表述为函数f_θ[P(θ)]，

为了便于计算令μ_φ和μ_θ均为0，产生两组N_path个分别在和[-k_θσ_θ,k_θσ_θ]区间均匀分布的随机数序列，以设定多径水平角和俯仰角，则假设某个多径对应的角度坐标是然后基于和f_θ[P(θ)]的具体表达式来计算该角度上多径对应的归一化相对功率，归一化计算参考值是在天线增益和发射功率归一化的情况下的接收功率；

假设某多径的初始相位Ph0_i满足(0,2π)区间内的随机分布，接受归一化相对功率是其对应的水平角归一化相对功率比值和俯仰角归一化相对功率比值的乘积，对该乘积进行开方，得到该多径的归一化幅度系数M_i,则使用式(4)计算该多径的等效镜像源的距离d_i：

式中：M_i为多径的归一化幅度系数，d₀为收发天线之间直射路径的距离；

根据得到的多径的等效镜像源的球坐标是带入式(5)求出发射天线的本体的坐标x_i、y_i、z_i：

其次，根据天线响应加速度是主频为f_v的正弦波，则X、Y、Z方向上的加速度可以表述为：

式中：t为时间，a_x1是X方向上振动基波的幅度，a_x2是X方向上振动二次谐波的幅度，p_x1是X方向上振动基波的幅度，p_x2是X方向上振动二次谐波的初始相位。a_y1是Y方向上振动基波的幅度，a_y2是Y>y1是Y方向上振动基波的幅度，p_y2是>z1是Z方向上振动基波的幅度，>z2是Z方向上振动二次谐波的幅度，p_z1是Z方向上振动基波的幅度，>z2是Z方向上振动二次谐波的初始相；

由于初始速度和位移都为0，通过积分来计算位移量:

由于镜像反射的作用，发射天线的第i个镜像的位移量，表述为：

式中：Sx_i，Sy_i，Sz_i均为{-1,1}二值随机序列，

由于振动产生的传播距离变化量是：

则第i个多径的相位因为振动而随时间的变化的函数是：

则多径叠加后，在接收端的归一化接收矢量幅度是：

式中：N_path为序列中随机数的个数，

如存在直射路径，则要确保i＝0的项参与加和，传输损耗随时间的变化可以用下式计算：

Loss(t)[dB]＝-{PW₀[dB]+20lg|M_r(t)|}(12)。

设(a_x-base,a_y-base,a_z-base)是加速度的基本形式，由(6)式决定，加速度按照(13)式设定，

其中k_a为幅度变化的系数

在多径的功率角域分布参数相同的情况下，重复N_case次仿真，>loss(dB)和STD_loss(dB)的中位数呈现出相对稳定的状态，记做>loss-M(dB)和STD_loss-M(dB)，且对仿真结果进行拟合，表明>loss-M(dB)和STD_loss-M(dB)和对应振动状态下的r_d/λ有关，则表述为：

式(14)(15)中arctan运算的结果以弧度表示，在不同的多径角域分布条件下分布宽度系数W_max、分布宽度的位移系数k_w、标准差系数S_max；

假设希望由于振动而要准备的衰落余量为W_L(dB)，则最大的系统振幅峰峰值(即位移范围)r_dmax满足：

实施例1：

表1实例一条件参数

表2实例一仿真结果

实施例2：

表3实例二条件参数

表4实例二仿真结果

实施例3：

表5实例三条件参数

表6实例三仿真结果

实施例4：

表7实例四条件参数

表8实例三仿真结果