第一章 前言
1.1 研究背景
前工业化时期，人们使用狼烟、火炬、信号弹或者旗语在视距内传输信息，后为了能传递更远，人们在山顶道路旁建立了一些接力观测站来传递复杂信号[1]。时至 1838 年，塞缪尔.莫尔斯用发明的电报网取代了这些旧时的通信网，接着电话出现；1864 年，苏格兰科学家 Maxwell 首次建立了统一的电磁场方程组，从理论上给出了电磁波存在的可能性，但他却没有认识到电磁波的实用特性，电磁波，俗称无线电波，能够利用空气来传递能量，这个看不见摸不着的东西引发了人们无限的遐想；1888 年，德国物理学家赫兹通过实验验证了电磁波的存在；1895 年意大利电气工程师马可尼利用电磁波实现了从英国怀特岛到 30km 之外的一条拖船之间的无线传输[2]，马可尼的电报声宣告了一个新时代的到来，从此无线通信诞生，20 世纪是无线通信技术发展的黄金时期。以无线电波为传输媒介的通信广播业务在近百年来得到了高速发展。无线通信技术历经了从简单的语音业务到高速数据网络及高清多媒体业务的猛速发展，最早的无线电报、调幅广播、无线寻呼到现在的蜂窝移动通信、无线局域网和移动多媒体广播等证实了这一点，它为人们的生活带来了不可预估的惊喜和便利。而各种短距离无线通信技术使我们在更远的传输距离上实现更好的通信质量、更低的功耗、更小的体积和更便宜的价格。短距离无线通信通常指的是通信距离在 100m 以内、低功耗、低成本的通信，有高速短距离无线通信以及低速短距离无线通信之分。近年来，随着人们对数据通信需求的不断提升，以及计算机、半导体等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线通信技术体现了日新月异的发展进程，Wi-Fi 技术（802.11x）、蓝牙技术（802.15.1）、无载波通信（UWB）技术（802.15.3a）、紫蜂（ZigBee）技术（802.15.4）和射频识别（RFID）技术取得了令人瞩目的成就。下面将分别介绍各种短距离无线通信技术的特点。
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1.2 该领域研究水平的发展动态
对室内无线传播预测的研究可追溯至上世纪八十年代，例如较著名的统计模型Ericsson 多重断点模型和对数路径损耗模型，以及一些今年来针对室内特殊环境的比较有代表性的统计信道模型。对数路径损耗模型表明路径损耗因子关于发信机与收信机之间的距离呈线性变化[8]；Keenan-Motley 模型考虑了发射信号穿过的墙体的种类和数量，并且得到了不同种类的墙体和地板相应的损耗因子[9]；电子科技大学的付炜在其论文《短距离无线通讯中传播特性理论研究及相关关键技术》中系统地分析了短距离无线传输信道测试建模和参数提取理论，并针对短距离无线应用工作的射频 2.4 GHz 和 5.8 GHz ISM频段进行了短距离无线传输信道频域测试建模[10]；潍坊学院的范晓静在其《室内无线传播模型的研究与仿真》一文中指出：针对不同的无线环境，室内损耗指数 n 取值不同。在建筑物内，距离对路径损耗的影响将明显大于自由空间。一般来说，全开放环境下 n的取值为 2.0-2.5；半开放环境下 n 的取值为 2.5-3.0；较封闭环境下 n 的取值为3.0-3.5[11]；Seong-Cheol Kim 在其论文“Pulse Propagation Characteristics at 2.4 GHz InsideBuildings”中通过在时域分析单一脉冲响应的振幅变化的统计特性，研究了在商业楼宇环境下 2.4GHz ISM 频带的信道特性[12]。针对室内无线信道易受多种因素的影响，例如室内物品的规格不一、材料有别，植物种类多，墙壁等装饰物的形状及尺寸各异，墙壁和地面均可造成反射等等，一直没有一个非常精确的模型能够用来描述室内无线信道，所以针对不同室内环境的大量测试及总结出信道的统计模型是很有必要的，能够验证现有短距离无线技术以及为开发新技术提供必要的理论依据，为通信协议的补充及通信工程的实施预评估方法打下坚实的理论基础。
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第二章 无线电波传播机制及无线信道建模理论
2.1 无线电波的传播机制
信道是就是使携带信息的电信号从发送端传送到接收端的通道，它是任何通信方式必须的传播途径，可分为有线信道和无线信道。有线信道通过同轴电缆、光纤等传输电信号，而无线信道利用天线辐射电磁波在空间的传播来传递信号。由于天线尺寸的要求等原因，用于通信的电磁波频率被要求比较高。电磁波的传播必然要受到地面和大气层的影响，不同的频率、位置和通信距离决定了电磁波的传播主要分为地波、天波、视线传播。视线传播：频率高于 30MHz 的电磁波将穿透电离层，不能被反射回来，它沿地面绕射的能力也很小，因此便只能类似光波那样作视线传播。它可以通过增加天线高度来增大视线距离，还可以通过增加转发站的数量来使视距大大提高，如卫星通信。自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传播方式。电波从电源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上，接收天线接收的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向扩散了[14]。自由空间是一个理想化的概念，实际上电波是不可能在真空中传播的，电波在大气层以外的空间传播时，可以近似看成在自由空间传播。除理想的自由空间传播外，无线电波在空气中的基本传播方式包括反射、折射、绕射和散射几种：反射：当电磁波遇到比其波长尺寸大的多的物体时，在不同介质交接处发生反射。在理想介质表面，一部分能量进入新介质中继续传播，一部分能量反射回原介质中。绕射：绕射使无线电能够穿过障碍物，在障碍物的后方形成场强，即绕射场强。惠更斯原理认为：这是由于处于障碍物前方的各点可以作为新的波源产生球面次级波，次级波在障碍物的后方形成的场就是绕射波场[15]。散射：当无线电波传播过程中遇到大量小于其波长的树叶或粗糙表面时，它便会穿行其中，发生散射。如室内墙壁上的壁画或装饰物品都可使传输信号发生散射传播。由于以上陈述的几种电磁波的传播机制，导致信号在一个无线信道传播时，同时存在着大尺度衰落和小尺度衰落。
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2.2 大尺度衰落
信号在信道传播过程中由于受到地形条件、建筑物和树木等障碍物的影响，会呈现出变化周期在数百米以上的大尺度传播特性，称为衰减，包括距离衰减和遮挡衰减。信号在传输过程中由于球面波的自然扩散、水汽、植物和建筑物对电磁波的吸收等产生路径损耗，路径损耗会导致信号的传播距离缩短，接收质量变差，需采取功率控制补偿。通常用距离衰减因子来表征距离衰减的程度，不同环境下其取值不同，室外环境中取值通常为 3~4 之间[16]。遮挡衰减也称作阴影衰减，是当无线电波在传播过程中遇到起伏的地形、建筑物和高大的树木等障碍物时产生的，在障碍物背后会形成电波的阴影区。接收机在移动过程中通过不同的障碍物和阴影区时，接收天线收到的信号强度会发生变化，造成信号衰落，这种衰落称为阴影衰落或慢衰落，其特征可用对数正态分布的随机变量刻画。它在距离较远的情况下，对信号的幅度均值产生影响，而不是对瞬时值的影响。
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第三章 室内无线信道建模理论及其模型........16
3.1 无线信道建模理论..... 16
3.1.1 建模理论.........16
3.1.2 确定性建模方法.........16
3.1.3 统计模型建模方法.....17
3.2 常用无线信道模型列举......... 18
3.3 常用测试方法....... 20
3.4 本章小结......... 21
第四章 室内环境无线信道的统计特性研究....22
4.1 室内无线信道的数学推导及仿真..... 22
4.2 室内无线信道测试数据采集....... 24
4.2.1 测试仪器介绍.......24
4.2.2 测试环境搭建.......27
4.2.3 测试环境及测试方法.......27
4.3 测试结果统计与分析....... 29
4.4 本章小结......... 31
第五章 总结与展望........32
5.1 总结..... 32
5.2 未来工作展望....... 33
第四章 室内环境无线信道的统计特性研究
4.1 室内无线信道的数学推导及仿真
本研究采用理论分析仿真及实际测试相结合的方法，首先根据第三章分析的室内环境下电波传播的特殊性对室内无线信道进行仿真建模，其次进行信道实测，与仿真模型对比，修正仿真模型，以达到较准确的适用当前环境的信道模型。本研究中应用的仿真环境介绍如下：室内条件下，多径波都经历不同的路径损耗，并且到达接收端处的方向各不相同，那么其在映射在水平面后的矢量大小也不同，可由 An ， n [ 0,n]表示，其中n 在（0，1）中取随机数， A为发射信号的幅度，N 表示多径波的数量。各个电波的到来角可表示为：从该仿真图中，我们可以得出如下结论：1、室内无线信道下接收信号强度与室外无线信道的距离衰减趋势基本相同；2、室内环境下短距离无线信道中存在深衰落区域，此处接收信号强度变化较大；3、室内无线信道下接收信号强度易受接收端陈列物体和墙体等的影响。
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结论
无线信道是无线电通信的传媒媒介，对其特性的认识直接关系到通信质量的好坏。随着近年来蜂窝移动通信网络的成熟，从各种短距离无线通信技术的大肆发展到物联网的兴起，人们对无线信道特性的研究逐渐由室外转向室内。明确对室内无线信道特性的认识，对我们开发新型短距离无线通信技术、室分系统的天线选址和接收机的功率设计都有着不可忽视的意义。本文的研究工作主要可以概括性的总结为：
第一，阐述了无线通信的发展史，尤其对当今应用最多的几种短距离无线通信技术的主要性能、优缺点以及应用领域进行了详细的比较，列举了国内外对室内环境下短距离无线信道特性研究的主要进展和成果，介绍了本研究的主要内容。
第二，介绍了无线电波传播机制和各自发生的条件；指出无线信道的衰落特性包括快衰落和慢衰落，分别指距离衰减、阴影衰减和多径衰落；分析了室内环境下短距离无线信道的特点：发射信号“出门见挡”、室内摆放物品的多样性和数量等因素使得信号容易发生巨大波动；多普勒效应可忽略；信号到来角度变化范围大等等。
第三，说明了建模的意义和常用的无线信道建模方法以及各自的特点；列举了典型的室内短距离无线信道的数学模型；除此之外，还阐述了常用的测试方法的应用。
第四，首先指出本研究采用理论分析与实际测试相结合的方法，结合室内短距离无线信道的特点进行数学仿真计算得到室内无线信道衰落图；其次，构思测试方案实现快速、连续的采集数据进行拟合，得出室内短距离无线信道距离衰减的特性结果。其中介绍了测试环境的搭建、测试系统的构成和测试仪器的设置使用以及测试方案。
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参考文献（略）