针对地下室场景4.8_GHz频段传播特性研究

现代电子技术
Modern Electronics Technique
2024年3月1日第47卷第5期
Mar. 2024Vol. 47 No. 5
0 引 言
随着数字化建设的发展，人们对网络覆盖提出了更高的要求。

居民小区电梯、地下室无线网络信号覆盖一直都是关系到人们感知通信的重要民生事件，由于这些区域的特殊位置和结构，使得信号在穿透过程中被逐渐削弱，甚至会在一些地方被直接屏蔽。

此时，需要保证地下室出入口处信号的连续性，以保证用户感知的连续
性。

针对这一现象，国内外学者对地下室场景做了大量的测量分析工作。

Supachai Phaiboon 等人对两个不同的停车场建筑以1.8 GHz 的频率进行了测量[1]，提出了一种预测停车楼路径损耗的模型，对室内无线通信系统设计具有一定的作用。

文献[2]通过分析建筑物进入损耗（BEL ）对建筑物外部和地下室之间传播路径的三种不同场景进行了测量仿真，并以此来预测地下室传播模型。

文献[3]针对11 GHz 、16 GHz 、28 GHz 和38 GHz 频段
针对地下室场景4.8 GHz 频段传播特性研究
孙 磊1， 丁 茂1， 尹以雁1， 幸 锋1， 李治文1， 张 婧1， 张静怡2， 蒋金鸿2
（1.中国移动通信集团云南有限公司， 云南 昆明 650228；
2.南京邮电大学 电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院， 江苏 南京 210003）
摘 要： 地下室无线网络信号覆盖一直都是关系到人们感知通信的重要民生事件，但由于其空间封闭，使得室外信号难以穿透，严重影响了运营商的服务质量。

文中基于入射及反弹射线法/镜像法对典型地下室环境进行建模仿真；研究了4.8 GHz 频段下有车体存在和无车体存在时的电波传播特性并对数据进行处理；计算出不同距离的发射机与接收机对应的接收功率和路径损耗，并与1.9 GHz 频段相应参数进行了对比，为优化网络覆盖提供了理论依据。

通过研究表明，有车体存
在时接收功率更大一些，5G 频段相比4G 频段接收功率更小一些。

关键词： 地下室； 接收功率； 路径损耗； 网络覆盖； 4G ； 5G ； 不同频段
中图分类号： TN929.5⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X （2024）05⁃0023⁃06Study on propagation characteristics of 4.8 GHz band for basement scenarios
SUN Lei 1, DING Mao 1, YIN Yiyan 1, XING Feng 1, LI Zhiwen 1, ZHANG Jing 1, ZHANG Jingyi 2, JIANG Jinhong 2
(1. China Mobile Communications Group Yunnan Co., Ltd., Kunming 650228, China;
2. College of Electronic and Optical Engineering & College of Flexible Electronics (Future Technology),
Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)Abstract ： Basement wireless network signal coverage has always been an important livelihood event related to people's perception of communication. However, due to its closed space, it is difficult for outdoor signals to penetrate, which seriously affects the service quality of operators. In this paper, the typical basement environment is modeled and simulated based on the incident and bounce ray method/mirror method. The radio wave propagation characteristics of the presence of vehicle body and the absence of vehicle body in the 4.8 GHz band are studied and the data are processed, and the corresponding receiving power and path loss of transmitter and receiver at different distances are calculated and contrasted with the corresponding parameters of
the 1.9 GHz band, which provides a theoretical basis for optimizing network coverage. This research has shown that the receiving power is greater when there is a vehicle body, and the receiving power at 5G frequency band is smaller than that at 4G frequency
band.
Keywords ： basement; receiving power; path loss; network coverage; 4G; 5G; different frequency bands
DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2024.05.004
引用格式：孙磊，丁茂，尹以雁，等.针对地下室场景4.8 GHz 频段传播特性研究[J].现代电子技术，2024，47（5）：23⁃28.
收稿日期：2023⁃09⁃03 修回日期：2023⁃09⁃25
基金项目：南京邮电大学校引进人才科研启动基金（自然科学）项目（NY222059）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX21_0718）
基金
23
现代电子技术2024年第47卷
对室内办公场景进行了信道建模和测量，研究了各个频
段的功率时延谱、均方根时延扩展等，验证了天线阵列
下球面波特性与簇生灭特性。

文献[4]选取室内教室为典
型场景，研究了3.5 GHz、6 GHz、14 GHz、23 GHz、26 GHz
和28 GHz频带的信道特性。

基于视距和非视距情况下
的测量结果，提出了floating⁃intercept和α⁃β⁃γ路径损耗模型。

文献[5]通过仿真得到的路径损耗模型分析了4个不同建筑物中5.3 GHz室内无线信道的测量结果，提取了无线信道在空间和频率域的相关函数。

本文针
对地下室场景应用基于入射及反弹射线法/镜像法[6] （Shooting and Bouncing Ray Tracing/Image, SBR/IM）的射线跟踪法对地下停车场进行了建模及仿真，通过对比4.8 GHz频段与1.9 GHz频段和有车体存在与无车体存在情况下的路径损耗和接收功率，对无线电波传播特性进行相应的分析。

1 射线跟踪相关理论
1.1 直射波
直射波是从发射机发射，不经过障碍物直接到达接
收机的无线电波。

在一般实际场景计算中可以视为自
由空间的无线电波传播，接收点的直射波场强与无线电
波传播路径的距离有关，可以表示为：
E=E0e-j kd d（1）式中：E0表示发射机的场强；d表示收发机之间的直线距离；k=2πλ，表示波数的大小。

直射波的传播损耗也是自由空间的路径损耗，表
示为：
PL0=10lg P tx P
rx
=32.44+20lg f+20lg d-10lg G tx-10lg G rx（2）式中：P tx、P rx分别是天线的发射功率和接收功率；G tx、G rx 分别为发射天线和接收天线的增益；f为信号的工作频率，单位是MHz。

1.2 反射波
无线电波反射发生于两种不同介质密度的分界面
处，该界面的尺寸远远大于电磁波的波长，由于常见入
射的反射波电场并不是完全平行或者垂直于入射平面，
一般将电波在固定坐标系中分解成平行和垂直于入射
平面的电场分量，具体电波反射计算示意图如图1
所示。

假定P为反射波上某点，反射点O的场强可以表
示为：
E()O=éëêùûúE i‖E i
⊥
（3）
式中：OP的距离为r；E i
‖
和E i⊥分别表示入射波水平极化
波和垂直极化波电场方向上的单位矢量。

图1 反射计算示意图
反射波P处的场强可表示为：
E(P)=
é
ë
ê
êù
û
ú
ú
E r‖(r)
E r⊥(r)=E
()O⋅éëêêùûúúR‖00R⊥⋅r'r'+r⋅e-jβr
=é
ë
ê
êù
û
ú
ú
E i‖(r)
E i⊥(r)
é
ë
êêù
û
úú
R‖0
0R⊥⋅r'r'+r⋅e-jβr（4）式中：R‖、R⊥分别表示电波水平极化和垂直极化下的反射系数；β=2πλ是波数，λ是工作波长。

当满足μ1=μ2=μ0的条件时，反射系数可根据以下公式计算：
R‖=
2ε1
i
（5）
R⊥=
i
（6）1.3 绕射波
绕射波是指在电磁波传播过程中遇到尖锐的劈或者障碍物的边缘时，电波发生改变或弯曲绕到障碍物后面所形成的波。

绕射机制常见于障碍物的顶点、曲面、边缘或其他不规则凸起尖锐的面。

电波在传播过程中与障碍物发生绕射前，电波传播路径上的每一个点都可以看作是一个新的波源，在障碍物后面生成一个球面的副波并相互叠加，绕射点的场强振幅和相位可以通过惠更斯菲涅尔定理计算。

常见的三种绕射类型是：尖端绕射、曲面绕射和边缘绕射，示意图如图2所示。

若绕射点O处的入射波电场为E i()O，则绕射路径上某观察点P处的电场E d()P可表示为：
E()P=()E d‖(
r)
E d⊥(r)=
()E i‖(r)E i⊥
(r)()D‖00D⊥⋅e-jβr（7）
24
第5期
式中：
D ⊥和D
分别表示垂直极化波和平行极化波的电系数；
r 为绕射点O 与绕射观察点P 之间的距离；
r '是入射线出发点（源点）与绕射点O 之间的距离。

图2 常见的三种绕射类型
1.4 射线跟踪方法
针对无线信道传播特性的研究，根据建模方法的不
同，可以将无线信道模型分为确定性模型和随机性模型，其中随机性模型包括非几何随机模型（Non ⁃Geometric Stochastic Model, NGSM ）和基于几何的随机
模型（Geometry⁃Based Stochastic Model, GBSM ）[7]。

确定
性模型通过光射线理论或电磁传播理论来准确地分析和预测无线信道传播特性，如射线追踪法（Ray Tracing ）和计算电磁法（Computational Electromagnetic, CEM ）等；随机性模型通过定义的概率分布描述信道参数，这使得它们在数学上易于处理并适用于各种场景，但准确性低于确定性模型。

用于研究无线信道在不同场景下的传播特性的光线追踪方法种类繁多，不同的方法适用于不同的场景，主要的方法有镜像法、最小光程法、测试射线法[8]、入射及反弹射线法[9]（Shooting and Bouncing Ray, SBR ）、入射及反弹射线法/镜像法（SBR/IM ）等。

镜像法通常用于简单的结构环境，但很难应用于复杂的环境。

最小光程法的基本原理与镜像法一致，不采用反射定律来确定墙面反射点的位置，而是通过对光程取极小值的方法来确定墙面的各次反射点的坐标位置，这在后续工作中非常有效，但同样很难应用于复杂环境。

测试射线法不需要事先确定接收点的位置，适用于复杂场景下的场强预测，缺点是需要接收球，预测精度受接收球半径的影响，计算效率不高。

入射及反弹射线法不需要接收球，可以应用于复杂环境，但需要大量的计算。

SBR/IM 法是一种修正的入射及反弹射线技术的确定性方法，其技术实现步骤如图3所示，适用于预测室内的无线信道特性，计算效率和精度有显著的提高
[10⁃11]。

本文就是基于SBR/IM 算法来分析典型地下停车场模型在5G 频段的电波传播特性。

图3 SBR/IM 技术流程图
2 仿真环境和正确性验证
2.1 理论基础经过直射和地面反射所接收到的接收功率如式（8）
所示：
R P =T P
()
λ
4π
2
αr αt ||||||e -j kd
d 1
+
e -j kd d 2 （8）
式中：
λ是波长；k 是波数；d 1为直接路径的距离；d 2为地面反射路径的距离；αr 和αt 为天线函数R (θ)表面反射的反射系数；
T P 为发射功率。

式（9）将接收功率转化成路径损耗[7]：PL (dB)=10lg
T P
R P (d )
（9）
式中：
T P 是发射功率；R P (d )是接收功率；d 为发射机与接收点的距离。

2.2 仿真环境介绍
本文模型是通过测量南京邮电大学电光学科楼
B 楼地下停车场绘制的，地下停车场场景图如图4所示，其空间模型如图5所示，两侧为停车场的出入口，内部由墙、柱子和车位构成。

仿真频率[12⁃13]选择中国移动5G 通信频段4.8 GHz 和中国移动4G 通信频率1.9 GHz ，模型总长80 m 、宽60 m ，环境结构的电参数和仿真参数如表1、表2所示。

将发射点设置在天花板正中心的位置，
孙 磊，等：针对地下室场景4.8 GHz 频段传播特性研究25
现代电子技术
2024年第47卷
接收点覆盖整个地下停车场，共计300
个接收点。

图4
地下停车场场景示意图
图5 地下停车场模型图表1 环境结构材料电参数
材料钢筋混凝土墙
水泥地金属
相对介电常数
6.1015.00
1.00
电导率/（S⋅m -1）
0.067.00
1×107表2 仿真参数
参数信号频率天线类型发射功率发射机接收机射线跟踪算法
数值4.8 GHz 垂直极化全向天线
20 dBi 高3 m 高1.5 m 、间隔1 m
SBR/IM
2.3 路径损耗分析
地下室场景中有车体存在和无车体存在两种情况，
对地下停车场的路径损耗数据结果进行分析。

图6和图7分别是4.8 GHz 和1.9 GHz 频段下仿真得到的有车体存在时地下停车场的路径损耗情况，图8和图9分别是4.8 GHz 和1.9 GHz 频段下仿真得到的无车体存在时的路径损耗。

从图中可以看出，车辆是否停放对于接收信号的路径损耗结果影响较小，路径损耗的数值变化不大，但是4G 频段和5G 频段存在一定的差异性，从整体趋势来看是相似的，但是4G 频段相比5G 频段来说路径
损耗更小一些。

图6 4.8 GHz
下有车体存在时路径损耗
图7 1.9 GHz
下有车体存在时路径损耗
图8 4.8 GHz
下无车体存在时路径损耗
图9 1.9 GHz 下无车体存在时路径损耗
26
第5期
2.4 接收功率分析
通过对比4.8 GHz 和1.9 GHz 频段下有车体存在和
无车体存在的情况，对地下停车场的R P 数据结果进行了分析，将地下停车场的接收点数量增加到300个。

图10和图11展示了4.8 GHz 和1.9 GHz 频段下有车体存在时的R P 分布情况，图12和图13分别是4.8 GHz 和1.9 GHz 频段下无车体存时的R P
分布情况。

图10 4.8 GHz
有车体存在时接收功率分布情况
图11 1.9 GHz
有车体存在时接收功率分布情况
图12 4.8 GHz 无车体存在时接收功率分布情况
可以明显看出，由于发射机处于天花板的中心位置，每个点的接收情况都较为良好，4.8 GHz 频段下有车体存在的R P 值处于-63.5~-14.4 dBm 之间，无车体存在的R P 值处于-57.2~-14.9 dBm 之间。

同时，4.8 GHz 频段下有车体存在时所有点R P 的平均值为-36.54 dBm ，无车体存在时所有点R P 的平均值为-36.57 dBm 。

而1.9 GHz 频段下有车体存在时R P 值处于-59.6~-9.1 dBm ，无车体存在时R P 值处于-54.8~-10.2 dBm 。

同时，有车体存在时所有点R P 的平均值为-29.44 dBm ，无车体存在时所有点R P 的平均值为-29.94 dBm 。

从图中还可以看出，靠近门口的接收功率较小，而中间靠近发射点的停车位接收功率相比其他位置要大，4G 频段相比5G 频
段接收功率更大一些。

图13 1.9 GHz 无车体存在时接收功率分布情况
3 结 语
本文基于射线跟踪法，通过仿真对比分析了典型地下停车场中4.8 GHz 和1.9 GHz 频段的传播特性，通过
仿真验证了SBR/IM 法在室内电波传播预测中存在的可靠性和有效性。

对于地下停车场环境，其接收功率的主要贡献来自于直射、反射和绕射。

通过研究发现，有车体存在时接收功率更大一些，5G 频段相比4G 频段接收功率更小一些。

以上仿真结果可以对现实地下停车场环境发射机的布放及优化提供参考。

注：本文通讯作者为张静怡。

参
考
文
献
[1] SALAM, VURAN A, MEHMET C, et al. A theoretical model of
underground dipole antennas for communications in internet of underground things [J]. IEEE transactions on antennas and
propagation, 2019, 67(6): 3996⁃4009.
[2] KIM D W, JIN J B, OH S S. Empirical analysis of building en⁃
孙 磊，等：针对地下室场景4.8 GHz 频段传播特性研究27
现代电子技术2024年第47卷
try loss from outside of office building with large lobby into a basement at 1.5 and 3 GHz [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2022, 21(1): 173⁃177.
[3] ITU. Compilation of measurement data relating to building entry loss [EB/OL]. [2023⁃05⁃30]. https://www.itu.int/md/R19⁃WP3K⁃230522⁃TD⁃0096/en.
[4] DAHAL S, AHMED S, KING H, et al. Slant⁃path building en⁃try loss at 24 GHz [J]. IEEE access, 2019, 7: 158525⁃158532.
[5] BYEON C W, HOSSAIN A, LEE Y C. Building entry loss mea⁃surements and analysis on non⁃line⁃of⁃sight and line⁃of⁃sight paths at 6 GHz [J]. IEEE antennas and wireless propagation let⁃ters, 2020, 19(2): 253⁃256.
[6] KUNSEI H, BIALKOWSKI K S, ALAM M S, et al. Improved communications in underground mines using reconfigurable an⁃tennas [J]. IEEE transactions on antennas propagation, 2018, 66 (12): 7505⁃7510.
[7] WANG C X, BIAN J, SUN J, et al. A survey of 5G channel measurements and models [J]. IEEE communications surveys & tutorials, 2018, 20(4): 3142⁃3168.[8] MOTOHARU S, MINORU I, WATARU Y, et al. Frequency de⁃pendency of path loss between different floors in an indoor of⁃fice environment at UHF and SHF bands [J]. IEICE transac⁃tions on communications, 2018, 101(2): 373⁃382.
[9] 赵友平，郭嘉琦.一种改进的SBR射线跟踪信道仿真方法[J].
北京交通大学学报，2021，45（5）：1⁃7.
[10] 刘芫健，陈志鹏，李双德，等.一种电磁波传播特性分析方法
与分析系统：CN108683463A[P].2018⁃10⁃19. [11] SOO Q P, LIM S Y, LIM D W G, et al. Propagation measure⁃ment of a natural cave⁃turned⁃wine⁃cellar [J]. IEEE antennas wireless propagation letters, 2018, 17(5): 743⁃746. [12] DESSAI S N, HEMANT P. Software design analysis and imple⁃mentation of OFDMA and its computing architecture analysis for 5G/4G eNodeB [J]. Wireless personal communications: An international journal, 2023, 130(2): 1371⁃1397. [13] LI S, LIU Y, LIN L, et al. Measurements and characterization for millimeter⁃wave massive MIMO channel in high⁃speed rail⁃way station environment at 28 GHz [J]. International journal of antennas and propagation, 2021(3): 1⁃15.
作者简介：孙磊（1982—），男，满族，河北承德人，硕士，工程师，研究方向为无线通信。

丁茂（1990—），男，云南宜良人，工程师，研究方向为无线网络规划。

尹以雁（1984—），男，云南腾冲人，硕士，工程师，研究方向为无线网络优化。

幸锋（1985—），男，云南曲靖人，硕士，工程师，研究方向为无线网络规划。

李治文（1991—），男，云南大理人，工程师，研究方向为无线网络规划。

张婧（1990—），女，辽宁瓦房店人，硕士，工程师，研究方向为无线网络优化。

张静怡（1999—），女，山东济南人，硕士，研究方向为信道建模。

蒋金鸿（2000—），男，江苏常州人，硕士，研究方向为射频功率放大器设计。

28。