肖 亮 庞文镇， 康 姗 肖立民 张 焱

（1.厦门大学通信工程系，福建 厦门 361005；2.清华信息科学与技术国家实验室，北京 100084；3.清华大学电子工程系，北京 100084）

引 言

随着无线与移动通信技术的快速发展，无线移动通信的应用范围越来越广泛。基于飞机安全性的考虑，目前飞机机舱内仍然无法应用无线移动通信，是移动通信领域中的孤岛［1］。为了解决机舱内移动通信的应用问题，满足人们随时随地对无线传输的需求，需要在机舱内实现无线通信。实现机舱内无线通信的前提是要建立适合机舱环境下的无线信道模型。由于机舱环境的特殊性，现有的室内或室外信道模型不能直接用于机舱传输环境［2-3］，有必要根据实际测量数据，开展对机舱环境的建模工作。建立机舱环境下的信道模型，路径损耗是必须考虑的参数之一。国内外已有部分研究机构通过使用不同的信道测试系统、测试方法对各种飞机机舱内部的无线传输环境进行了测试研究［4-5，7-8］。现有机舱内的测试研究主要集中在2.4GHz频段以下，在机舱内进行超宽带［9-10］以及其他环境下的测试研究则很多［11-13］。国内外其他研究机构或学者目前没有在机舱环境下对更高频段（大于3GHz）的路径损耗特征进行研究测试。而无线信道传播特征对频段的依赖性，导致在不同的频率对应的路径损耗参数不同［6］。因此，针对飞机机舱环境，有必要对3GHz以上的频段开展信道的测量建模工作。根据WRC-07会议上的讨论以及人们对于4G的需求，带宽更宽，容量更大的无线通信，此次测量中选取了3.52GHz频段进行了测量［14-15］。通过实际测量来分析路径损耗特征，来得到一般的机舱内部无线信道模型。

同时对于机舱内无线移动通信能否得到实际应用，功率分布是必须要考虑的另一个非常重要的因素。良好的功率覆盖能够保证无线通信在通信范围内正常进行，对于机舱遮挡丰富的机舱环境，很难达到理想的功率覆盖效果。通过什么样的方式来实现机舱内的无线通信，使得机舱内无线通信的质量能够得到保证。这需要对机舱内的功率分布的实际情况进行测量。分布式系统具有提高发射功率的利用率和均匀的功率覆盖的特点［16］，但目前只有全球移动通信系统（GSM）通信对飞机安全没有影响的仿真［8］，没有研究机构或学者利用分布式系统对机舱环境下功率覆盖情况进行实际的测量分析。为了研究机舱内功率覆盖的效果，本文在测量中采用了集中式系统和分布式系统分别对机舱环境下的功率覆盖进行了测量，并对两个系统的功率覆盖效果进行了对比分析。

本文的主要贡献包括:使用无线信道测量平台［17］对典型飞机机舱内不同位置进行了测量，通过对测量数据的分析，统计了机舱内过道、靠背和桌板等不同位置的无线信道路径损耗参数n、截距K和最小均方误差（MMSE），为建立适合机舱场景的信道模型提供了参考；同时通过比较集中式系统和分布式系统的功率覆盖情况，得到了以下结论:当以相同大小的发射功率发射信号时，在机舱内视距和非视距共存的位置上，分布式系统有着比集中式更均匀的功率覆盖效果。这为机舱内无线移动通信的实现提供参考方案。

1.测量场景的布置

测量所采用的系统为THU信道响应测量系统［18］。本次测量是在 MD-82飞机的经济舱内进行。发射天线呈线性布置在经济舱顶部，为了不受行李架的影响，天线固定在机舱两边行李架的塑质板上，高度为1.9m，发天线间隔2.9m，前后共布置7根发射天线，发射功率为0dBm，收发天线增益都为7dBi，如图1（a）所示。

为了使测量更加符合实际应用中的情况，测试位置包括每个座位对应的桌板、靠背顶端和过道上对应每排座位的一个测量点，分别模拟在桌板上，座位上以及过道上使用无线通信终端（手机或笔记本电脑等）的三种场景。针对第一种测量场景，接收天线放置在座位对应的桌板上，移动范围为6λ，高度为0.61m，如图1（b）所示。针对第二种测量场景，收天线放置在靠背顶部，高度为1.09m，移动范围为4λ，如图1（a）中的收天线（Rx）；针对第三种场景，接收天线放置在餐车顶部，餐车高度为1m，移动范围为8λ.移动速度均为0.5m／s.

图1 MD-82机舱剖面图和座位测量图

2.路径损耗参数的分析

对路径损耗参数的分析，主要包括路径损耗因子n、截距K和最小均方误差（MMSE）.Friis定律对自由空间路径损耗的描述为:接收功率PTx是以自由空间距离d为变量的函数［17］，表达式为

式中:PTx为发射天线的发射功率；GTx为发射天线的增益；GRx为接收天线的天线增益； 为自由空间损耗因子。一般在计算实际测量数据的路径损耗中，由于环境的限制不可能达到理想的自由空间的传输，通常利用表达式（2）来计算路径损耗参数［4-6］。

式（2）是根据收发天线之间的实际距离来计算路径损耗，其中PLdB（d）为平均路径损耗，d为发天线和收天线之间的实际空间距离（d0）是在参考距离d0=1m时的自由空间路径损耗，εd是均值为0，方差为σd的高斯随机分布变量，单位为dB.n为路径损耗因子，描述随着收发天线之间的距离变大能量损耗的速度。本文是以式（2）为参考模型，计算机舱内路径损耗参数。

表1 不同测量位置参数统计表

通过计算第一根发天线单独工作时的实际测量的数据，得到了3.52GHz THU测量系统在机舱内不同测量点的路径损耗因子n，截距K和最小均方误差（MMSE），如表1所示。在中心频率为3.52 GHz宽带MISO测量系统中，在不同的测量位置路径损耗因子不同，过道、靠背和桌板上的路径损耗指数值依次增大，且都小于2.并且由图2可以看到计算采用的路径损耗模型符合机舱内路径损耗的实际情况。这是因为过道上的测量点都是视距没有阻挡，且离发天线较近，信号可以直接到达接收天线，信号能量在传输过程中不会有较大的损失；靠背顶端的测量点相对于过道上的测量点收发天线之间的距离较远，能量损失稍微大于过道；桌板上的各个测量点对于发天线，由于靠背的阻挡，除了发天线附近的几个点为视距传输，其他测量点都为非视距，即视距和非视距共存的情况，则能量损失的比过道和靠背的测量点都要大，路径损耗因子也对应最大。不同测量位置的路径损耗因子都小于2的主要原因是MD-82飞机机舱空间狭小，座位密集，存在很多的反射体，经过反射、散射的能量能够有效地到达接收天线；在机舱内信号传输过程中存在波导作用。

3.机舱内功率覆盖分析

功率覆盖在无线通信系统中起着至关重要的作用，均匀的功率覆盖能保证区域内无线通信的正常运行。尤其在环境比较复杂的通信环境中，若提供均匀有效的功率覆盖，则能够保证无线通信的质量。为了满足人们在机舱这种复杂的环境中对无线通信的需求，研究该通信环境的功率覆盖是很有必要的。本文通过测量分析不同通信系统在机舱内功率的覆盖情况，为将来机舱内无线通信的实现应用提供参考，对分布式系统和集中式系统在机舱中实测的功率分布情况进行了对比分析。文中假设7根发天线共同发射信号时的系统为分布式系统；每根发天线单独发射信号时为集中式系统。两个系统发射功率相同。

为了体现分布式和集中式系统的不同功率覆盖情况，选取能够代表机舱内特殊环境测量点，计算中选择了视距和非视距共存的数据，座位上测得的接收功率进行比较。由于测量时飞机是静止的，且机舱内无乘客，则可以假设测量场景是窄带准静态的，可以直接通过测量数据的信道冲击响应来计算各个测量点接收到的功率值。计算方法如表达式所示

式中:i为每一个测量数据中选取计算的快拍数；f为每个快拍的频点数；H（i，f）为频域信道冲击响应。为了避免电缆和仪器对测量结果的影响，在测量之前需要对设备和电缆的影响进行测量记录，并在计算实际测量数据时，校除电缆和仪器的影响。

由于桌板上的测量点太多，为了不失一般性，又能够更清楚地看到对比结果，本文选取第一根、第四根和第七根发天线单独工作（集中式系统）时与所有发天线同时工作（分布式系统）时，机舱两侧紧挨窗口的两列座位A号和E号座位以及靠近过道的C号座位对应的桌板上测量得到的接收功率进行比较。

从图3的（b）、（c）、（d）中能够看到，当发送天线为单根天线（集中式）时，桌板上各测量点的接收功率值浮动范围较大，并且随着收发天线之间距离的增加，接收功率在迅速地减小，不能有效地覆盖距发射天线较远的测量点。这是因为座位上的测量点由于靠背的阻挡，在发天线周围的几个点为视距传输，距离发天线较远的点位非视距传输，座位上的测量点是视距传输和非视距传输共存的情况，机舱环境的因素引起的深衰落导致测量点接收功率值的波动。在分布式系统中，如图3（a）所示，所有测量点的接收功率大小基本一致，没有出现大的波动，功率很均匀地覆盖在所有桌板上的测量点。对测量数据的分析结果表明:在机舱环境中，尤其在视距和非视距混合传输的情况下，如果以相同的发射功率发射信号，分布式系统有着比集中式系统更均匀的功率覆盖效果，能够更有效地利用发射功率。

4.结 论

通过对机舱内测量数据的分析，得到机舱内过道、每个座位对应的靠背和桌板上的路径损耗因子n、截距K和最小均方误差（MMSE）.分析结果表明:过道、靠背和桌板上的路径损耗因子是逐渐递增，且其值都小于2.得到该结果的原因是:机舱内部空间狭小，散射物体密度很大，传输信号很容易被反射或散射，但经过散射或反射的信号能够有效地到达接收天线，因此信号能量在传输过程中损失较小；无线信号在机舱内的传输过程中存在波导效应，这为建立适合机舱内无线传输信道模型提供参考。同时比较了集中式系统和分布式系统在机舱内视距和非视距共存时的桌板上的功率覆盖情况，证明了在相同的发射功率前提下，即使在视距和非视距混合存在的机舱环境中，分布式系统比集中式系统有着更公平的功率覆盖效果，对机舱内实现无线移动通信提供了依据。

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