毫米波频率下建筑材料扩散散射指示模型参数化方法

摘要

漫射散射模型参数的确定对于提高毫米波射电传播预测和分析的准确性至关重要。本文提出了一种可靠的漫射散射模型参数化方法，并基于测量和射线追踪模拟进行了验证。在40 ~ 50 GHz范围内测量了典型建筑材料的介电常数，并利用传播系数匹配法估算了其复介电常数。本文采用能较好地表征建筑材料散射模式的定向模型对射线追踪仿真进行标定。进行了模型参数化，用最优模型参数进行的模拟结果表明，精度有明显提高。

1.介绍

室内通信作为毫米波(mmWave)网络部署的典型场景，在各种材料的复杂传播环境中面临着巨大的挑战[1］.室内环境中的无线电传播可以使用基于随机和确定性的方法进行研究。射线追踪(ray tracing, RT)作为一种精确的确定性仿真方法，具有详细可靠的环境描述，被广泛应用于捕捉多路径信息，预测和分析各种场景下的信道传播特性[2］.由于一些材料的表面不规则性与MM波长相当，因此漫射散射（DS）在MM波频带中的冲击比传统的无线通信带更严重。一些研究表明DS是用于表征MM波带中无线电信号的多径分量的显着传播机制，[3.，4］.尽管RT模拟已被验证为预测镜面反射，传输，衍射和多重传播的有效方法，但是它不能预测来自DS传播的密集多径分量，这导致无法准确地分析MM波通道特性。因此，必须研究DS传播现象，并建模以校准MM波频带中精确信道分析的RT模拟。

在过去的几年里，为了深入了解几种非常有前景的毫米波频率的散射特性，以预测毫米波的传播和分析室内外环境中的信道特性，开展了许多测量活动和研究。这对未来的毫米波通信系统的部署至关重要。例如，在[5通过对建筑物的比例模型进行测量和RT模拟。结果表明，在不考虑内部结构的情况下，可以对建筑物散射进行建模，而对非镜面传播进行适当的建模是必要的。在 [6]，通过DS模型的射线发射工具，已经证明DS对毫米波波段非视线链路的接收信号功率有显著的贡献，而且随着频率的增加，贡献会更高。尽管在28ghz、70ghz和最近的60ghz都进行了DS测量，但DS在毫米波波段的传播特性仍需要进一步的研究，特别是在40ghz到50ghz频段。

关于DS传播建模的研究，已经提出了三个表征不同散射模式的DS模型并验证在[7[基于测量和RT模拟，包括Lambertian模型，指令模型和后散瓣模型。[中的典型物体在农村铁路环境中对MMWAVE传播信道的影响分析8]， RT仿真采用定向散射模型。在 [9]，通过对建筑材料进行电磁仿真和测量，分析了DS的三维特性，结果表明，DS在后半空间比前半空间更为明显。太赫兹波段的散射机制已在[10.]通过指示散射模型和雷达横截面模型。Drywall的测量结果示出了反射方向上的接收功率更大，在较大的入射角处更大，而反向散射功率变弱。

为了确定复杂环境中的DS特性进行准确信道分析，应估计适当的DS模型参数，以估计不同的建筑材料以校准RT模拟。在 [11.[基于60GHz的测量，提出了DS模型参数化的调谐过程，并在RT工具中包括具有致密组件的信道分析的最佳参数。然而，该过程是相对复杂的，因为需要几组比较来确定适当的散射系数范围。此外，不涉及测试（MUT）的材料的介电参数估计，这可能影响模型参数化的准确性。此外，其他MMWAVE频带中缺乏各种类型的材料和模型参数化限制了DS模型在RT模拟中的应用。因此，提出了一种用于DS模型的粗糙材料介电参数的多种估计方法，以及DS模型的参数化方法12.］.对常用的建筑材料粗糙岩石和室内装饰材料塑料地毯分别进行了定向模型和双瓣模型的参数化。此外，本文提出并验证了一套完整的DS模型参数化和RT标定方法，并对另外两种建筑材料花岗岩和大理石的介电参数、传播系数和DS模型参数获得了更精确的参数集。在40ghz到50ghz的毫米波波段。

本文的其余部分组织如下。节2描述了测量活动描述，并说明了介电参数的估计。然后，提出了DS模型参数化方法，并在一节中分析了数值结果3.．参数化方法在章节中验证了RT校准4．最后，结论在部分中得到解决5．

2.测量和介电参数

２.１.测量描述

典型建筑材料的测量从40GHz到50 GHz，在室内场景中含有1001个扫描频率点作为DS模型参数化的基本环节，这也可以提供对DS传播特性的主要理解。测量系统，如图所示1，由N5235B矢量网络分析器组成，从100 MHz到50 GHz（动态范围为122 dB），用于在频域中收集S21数据，一对宽带喇叭天线（在40-60 GHz工作）), respectively, as the transmitter (Tx) and receiver (Rx), a pair of connecting cables which has a length of 3 m (the total loss is 20 dB at 45 GHz), and MUT, i.e., granite and marble, which are commonly used to cover the surface of floor and wall.

反射系数主要与频率和入射角有关[13.］.本文研究了固定入射角为30°时，40 ~ 50 GHz频段的透射系数。测量系统的其他关键参数如表所示1同时，静脉的尺寸和表面不规则性记录在表中2，我们可以看出大理石的表面比花岗岩的粗糙。此外，所有测量都是在相同的条件下连续进行的。

对于每种材料，进行了两个测量运动：第一个是通过执行反射和传输测量来获得介电参数估计的传播系数;第二测量是收集每个RX位置的接收功率，以研究用于模型参数化和RT校准的功率角分布（PAP）。此外，Tx和Rx始终朝向每个测量中的突变中心定向，并且在收集测量数据的过程中应用时间门控技术，以减少由室内环境中的其他施工材料引起的不需要的多径部件的影响。如建筑楼层，天花板或墙壁。

在反射测量中如图所示2(一个)，Tx和Rx位于mut的同一侧，距离Mut中心0.5米以满足远场条件。入射角θ我将是30度,Rx Tx的镜面方向。参考测量的反射系数值代替狗用金属板,可以用来消除不受欢迎的组件包括天线辐射方向图和其他从传播环境的影响。

透射系数测量(图2 (b)和2 (c))，将Tx和Rx放置在MUT的相对两侧，并以1 m的距离对齐，MUT放置在两者中间。参考测量也通过去除MUT来获得空气的透射系数。

在接收功率的测量中(图2 (d))， Tx从静态的入射方向照亮MUT的中心θ我= 30°，而RX沿着平面位置移动，在半圆上的半圆形电弧上的角度分离，距离MUT中心50厘米的半径。因此，针对模型参数化和PAP分析测量了总共11个接收器位置。

2.2。介电参数估计

考虑传播系数和功率平衡的定义，可以将信号功率在撞击材料表面后分解为反射、透射、散射和介质损耗。因此，在理想功率平衡的假设下，散射系数S可表示为[7］ 反射系数的理论值和透射系数T可以通过复杂的介电常数来计算η，由介绍性组成ε作为真实的部分和电导率σ构成了虚构的。和为反射损耗因子和菲涅耳反射系数。

因此，可以通过调整的值来估计MUT的介电参数ε和σ对于计算和测量的传播系数之间的最佳匹配，其中所有频率点的根均方误差（RMSE）用于定量评估，可以写入 在哪里_mea.i，T_mea.i， 和年代_mea.i是测量的反射系数，透射系数和散射系数，分别在我Th频率，和米为扫频次数。

理论价值和T是由著名的菲涅耳公式推导出来的，其中采用高斯粗糙表面模型计算散射损耗。根据本节中传播系数的测量2，即测量的反射系数和透射系数T_m可以表示为

表中给出了两种估计方法的最小RMSE与MUT最佳介电参数的数值比较3.．与传统调谐方法（仅通过反射系数的估计）相比，本文中的多种方法可以有效地提高材料电磁参数估计的准确性。花岗岩可以观察到更显着的改进;这是因为由于其更突出的表面不规则，漫射散射的影响更大。因此，花岗岩参数估计的准确性提高了43％，而大理石的比例仅为5％。

在图中3.，当材料是花岗岩时，显示了计算和测量的传播系数之间的频域的最佳拟合结果。θ我= 30°，给出一个确定最佳介电参数的例子。在40ghz - 50ghz频率内系数周期性变化，共振现象是由于一系列波在MUT内多次反射和传输而产生的，可以用内部连续反射(ISR)模型进行正式描述。此外,估计ε和σ花岗岩分别为5.37和0.19，大理石分别为5.57和0.37。

3.指令模型参数化

一次测量散射系数年代_m和MUT的介电参数已在本节中得到2可以执行DS传播的RT模拟以实现模型参数化。同时，针对角域中的接收功率的测量，如图所示2 (d)进行调整模型参数。考虑到突变的测量的接收功率分布和表面粗糙度，选择了指令模型，并且可以写入散射电场模块作为[7］

因此，MUT的DS模式可以通过参数集来表征： 其中S为散射系数，控制散射功率占撞击MUT元件总功率的百分比，ψR是反射波和散射方向之间的角度，αR为控制较大散射图形状的散射波瓣宽度因子αR为较窄的散射波瓣，其余为角度和距离参数r_我和r_年代是否分别从发射天线和接收天线到材料表面上的入射点的距离。因此，指令模型参数化是确定s的最佳值α呃。S和S的调整程序α根据仿真功率之间的匹配，R为P_sim.i和测量的力量P_mea.i，采用均方根误差(RMSE)对匹配进行评估，可表示为 步骤1:设置年代_m为S的初始值，比较不同值的RMSEα范围内[1，10.]，简化了确定最佳的过程αr，不再需要多种比较不同的比较[11.］第二步:采用最佳方案αR和S的变化年代_m根据RMSE得到合适的S范围

基于所提出的方法，已经为MUT执行了模型参数化。模型参数化的最佳结果是通过曲线分析和RMSE的数值比较来确定的。分别在40GHz，45GHz和50 GHz的调整结果中显示在图中4和5．可以观察到，对于所呈现的频率点，每个突变都明确地区分了RMSE的变化趋势，但是由于它们不同的介电特性和表面粗糙度，它们是可接受的。

在图中4，较大的值α发现R更适合于描述DS繁殖现象。可以解释的是，由MUT表面引起的散射光线主要集中在镜面方向周围，这验证了指令模型的选择而不是[中提出的其他两个模型7］.此外，S的调整结果如图所示5基于最佳的αR，其中RMSE值呈近似抛物线变化，其最低点对应于特定频率和MUT的最优S。

模型参数化的数值结果包括最优α表中记录R、S和拟合误差4．的最优值α在当前频率点上，两个MUT的R都等于10。由于RMSE差异很小，所以在最优值附近0.1以内的波动可以被接受为S的适当范围。大理石的S值明显大于花岗岩的S值，对应于大理石表面不规则程度越严重。此外，可以观察到最优S比实测值略小，这是由于测量的散射功率中计入了介质损耗功率，导致为年代_m大于实际。此外，通过以下情况，可以证明该分析对于大理石更加显着，这对于大理石产生更大的介电损耗，这导致导电率较大和固有的厚度。

4.绩效评估

为了在RT校准中提出的参数化方法的性能评估，整个工作流程如图所示6．请注意，环境建模和配置与测量相对应的部署是RT模拟的前提。为了限制RT模拟的运行时间和计算负担，将一个光线路径的最大反射，传输和衍射分别设定为3,1和1。然后，介质参数估计在部分中2用于MUT的参数初始化，这与[7］.此外，对指令模型进行参数化以实现RT校准，并以调谐过程中测量功率和模拟功率之间的RMSE作为评估标准来确定最优模型参数。

每个射线接收功率，并且在40-50GHz波段中从RT仿真获得通道特性参数。环境描述的参数设置为表中使用的值1．所有路径都是通过基于几何光学（GO）的反射，衍射和渗透和使用Remcom的软件无线Insite的衍射（UTD）均匀的衍射理论来建模。主RT仿真过程如下：(我)步骤1:传播环境建模。RT仿真中室内毫米波传播环境模型如图所示7（a），根据实际测量方案建模。尺寸和物体的位置，包括墙壁，地板，天花板，门，窗户，木桌，金属柜和测量材料，如图所示7 (b)．除MUT外，设置了毫米波波段典型室内材料的标准电磁特性参数，如表所示5．步骤2:接收和发射天线的部署。将Tx和Rx放置在离地面67厘米的地方，根据测量平台的配置设置喇叭天线的孔径大小和发射功率等参数。图中发射天线(绿色)和接收天线(红色)分别采用点型和弧型展开方式7（a）．第3步：设置MUT的传播特性。MUT的结构被设置为单层介质，并且在部分中获得的最佳估计值3.用于电磁参数。指令模型被选为漫射散射模型，并根据部分中的相应调谐方法设置指令模型参数3.．步骤4:建立RT仿真域和射线传播模型。通过对整个传播环境模型边界的自动拟合建立仿真域，选择X3D模型作为射线传播模型，支持漫射散射传播计算。表格6给出了RT仿真中不同传播机制的计算方法。

经过RT仿真，大理石的可见传播路径和接收功率如图所示8，其中包含104条传播路径，不同颜色的路径对应不同的功率值，接收机在120°时的功率动态范围为−30.6 dBm ~−172.9 dBm，输出还可以得到延迟扩展和到达信道特性时间。为了验证所提出的DS模型参数化方法对RT仿真精度的提高和对两种MUT的可行性，PAP的最优匹配结果如图所示9和10.，在没有散射模型（黑色虚线）的情况下使用指令模型而没有最佳模型参数的镜面电量和（绿色实线）呈现为比较。

可以看出，用最优模型参数模拟的功率分布与实测值比其他模拟结果更吻合。此外，值得注意的是，在非镜面方向上，测量的接收功率比没有DS模型的模拟结果强约20 dBm，这表明在毫米波传播分量中，DS占相当大的比例不再可以忽略。因此，材料的DS模型参数的优化对于毫米波波段的高性能RT仿真实现准确的通道分析至关重要。

5。结论

在本文中，确定MUT的最佳散射模型参数并嵌入到MM波频率下的DS传播中的RT模拟。通过测量和计算值之间的传播系数匹配估计花岗岩和大理石的复杂介质性，其中散射系数来自理想功率平衡。可以从测量和模拟PAP之间的比较结果中得出显着的结论，其中抗校准RT模拟具有最佳DS模型参数的校准RT模拟，使得能够更高的准确性来预测MMWAVE传播。此外，所提出的DS模型参数化方法被验证为适用于具有不同表面不规则性的材料和MM波频率的固有特性。我们未来的工作将通过进行广泛的测量和仿真活动，专注于在各种MMWAVE频段中为不同类型的建筑材料构建DS模型参数数据库。此外，应研究偏振性质对散射的影响。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金的支持，并在拨款61801062授予61801063，毫米波下的国家重点实验室授予K202032，中国博士后科学基金会授予2019M653826XB和重庆研究方案的授予K202005授予CSTC2019JCYJ-MSXMX0288下的基本研究与前沿技术。

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