(19)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利地址210000江蘇省南京市鼓樓區(qū)新模范HO4B17/11(2015.01)一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法及應(yīng)用本發(fā)明提供了一種基于人體遮擋與表面波送端表面波激發(fā)器接收端表面波激發(fā)器進(jìn)行聯(lián)輸模式；在收發(fā)鏈路中點(diǎn)設(shè)置可移動(dòng)人體模型，以設(shè)定量程調(diào)節(jié)人體-金屬管垂直間距dh,采用SI:設(shè)置可調(diào)距離d的收發(fā)端系統(tǒng)，于收發(fā)端正上方架設(shè)金屬管；S2:將發(fā)送端表面波激發(fā)器和接收端表面波激發(fā)器進(jìn)行聯(lián)合校準(zhǔn)，建立表面波傳輸基準(zhǔn)鏈路S3:動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩激發(fā)器與金屬管的耦合距離,以充分激發(fā)表面波傳輸模式：S4:在收發(fā)鏈路中點(diǎn)設(shè)置可移動(dòng)人體模型以設(shè)定量程調(diào)節(jié)人體金屬管垂直間距dm,采用步進(jìn)式測(cè)量獲取多組路徑損耗樣本；S5:通過多距離d條件下的重復(fù)測(cè)量，構(gòu)建包含d?/d雙變量的路徑損耗關(guān)系矩陣；S6:采用非線性最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量聯(lián)合擬合，建立具有人體遮擋補(bǔ)償?shù)穆窂綋p耗模型。2S2:將發(fā)送端表面波激發(fā)器和接收端表面波激發(fā)器進(jìn)行聯(lián)合校準(zhǔn)，建立表面波傳輸基S4:在收發(fā)鏈路中點(diǎn)設(shè)置可移動(dòng)人體模型，以設(shè)定量程調(diào)節(jié)人體-金屬管垂直間距dh,間的高度固定，調(diào)節(jié)人體距金屬管垂直方向上的距離dh,利用信道測(cè)量?jī)x器采集人體在其S5:通過多距離d條件下的重復(fù)測(cè)量，構(gòu)建包含dh√/d.雙變量的路徑損耗關(guān)系矩陣；所管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型PL(dhv);S6:采用非線性最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量聯(lián)合擬合，建立具有人體遮擋補(bǔ)償而所構(gòu)建的具有人體距金屬管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型PL(dhv)最終表與接收端之間的距離，dh表示人體距金屬2/2頁(yè)2/2頁(yè)3述步驟S2具體是指：發(fā)送端和接收端通過同軸電纜連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA,且發(fā)送端和接收端均配備表面波激發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而建立表面波傳輸基準(zhǔn)鏈路。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法，其特征在于，所述步驟S3具體是指：調(diào)節(jié)發(fā)送天線與接收天線和金屬管的耦合距離，從而充分激發(fā)表面波傳輸模式。4一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法及應(yīng)用。背景技術(shù)[0002]工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)是一種通過數(shù)字化和智能化手段，對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，它通過將機(jī)器、傳感器等設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集、分析和應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營(yíng)成本的目的，并最終推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)向自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。隨著對(duì)5G、6G的深入探究以及對(duì)工業(yè)化與信息化的持續(xù)推動(dòng)，IIoT已經(jīng)成為現(xiàn)階段無線信道測(cè)量實(shí)驗(yàn)的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，與其他的室內(nèi)環(huán)境相比，IIoT場(chǎng)景具有金屬設(shè)備體積大、分布密集且材料類型多樣等特點(diǎn)，使得其無線信道表現(xiàn)出更復(fù)雜的衰落特性。建立信道模型是進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的關(guān)鍵步驟，但復(fù)雜的衰落特性使得在IIoT場(chǎng)景下構(gòu)建精確有效的信道模型的難度有所增加，因此需要在IIoT環(huán)境下對(duì)無線信道特性進(jìn)行建模分析。[0003]近年來，基于表面波的傳輸機(jī)制為進(jìn)一步解決上述問題提供了新思路。表面波可沿金屬表面低損耗傳播，通過將金屬結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為信號(hào)傳輸媒介，顯著減少自由空間散射，確保信道更加穩(wěn)定?，F(xiàn)有研究如專利CN116846499A-一種基于表面波激發(fā)的室內(nèi)無線信道路徑損耗建模方法，已提出利用表面波激發(fā)的方法構(gòu)建路徑損耗模型，并探討了收發(fā)端距離以及收發(fā)端距金屬管垂直方向上的距離對(duì)傳輸特性的影響。然而，此類模型多使用靜態(tài)障礙物來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，未充分考慮實(shí)際場(chǎng)景中包括人體在內(nèi)的動(dòng)態(tài)障礙物對(duì)表面波傳輸效應(yīng)的影響。例如，實(shí)驗(yàn)人員靠近或遠(yuǎn)離金屬體時(shí)，其沿垂直方向改變的距離會(huì)顯著改變表面波傳輸途徑及激發(fā)效率，而現(xiàn)有方法因缺乏對(duì)人體等動(dòng)態(tài)障礙物所移動(dòng)的距離等變量的聯(lián)合建模，難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)干擾下的路徑損耗變化。此外，傳統(tǒng)模型對(duì)各種耦合距離分界值的界定仍局限于固定參數(shù)，無法預(yù)測(cè)人體移動(dòng)引起的分界值的變化，從而導(dǎo)致信道自適應(yīng)補(bǔ)償能力不足。發(fā)明內(nèi)容[0004]為解決上述問題，本發(fā)明旨在提出一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法及應(yīng)用，通過引入人體移動(dòng)對(duì)無線信道特性影響的表面波傳輸機(jī)制，建立人體距金屬管垂直方向上的距離的信道模型；通過量化人體位移引起的多維度距離變化，結(jié)合高精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成對(duì)路徑損耗模型的構(gòu)建，從而解決動(dòng)態(tài)工業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下表面波激發(fā)效率、分界值變化的問題，為IIoT環(huán)境下低損耗無線傳輸?shù)牟渴鹋c優(yōu)化提供理論支撐。[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：[0006]一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法，[0007]S1:設(shè)置可調(diào)距離d的收發(fā)端系統(tǒng)，于收發(fā)端正上方架設(shè)金屬管；[0008]S2:將發(fā)送端表面波激發(fā)器和接收端表面波激發(fā)器進(jìn)行聯(lián)合校準(zhǔn)，建立表面波傳5[0011]S5:通過多距離d條件下的重復(fù)測(cè)量，構(gòu)建包含dh/d雙變量的路徑損耗關(guān)系矩[0012]S6:采用非線性最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量聯(lián)合擬合，建立具有人體遮擋體距金屬管垂直方向上的距離dh,利用所述信道測(cè)量?jī)x器采集人體在其距金屬管垂直方向上述步驟S4,并在0.02-0.50m這一范圍得到dh的分界值；根據(jù)上述步驟得到多個(gè)路徑損耗值得到最終路徑損耗模型PL(dtr,dh)。[0022]而所構(gòu)建的具有人體距金屬管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型最6[0026]其中，dr為選取的參考距離，PL(dr)表示在參考距離d,處的路徑損耗值，dtr表示發(fā)送端與接收端之間的距離，dhv表示人體距金屬管垂直方向上的距離，γ(dh)表示路徑損耗指數(shù)，Z。為服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布的陰影衰落。[0027]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法的應(yīng)用，所述基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法可用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT場(chǎng)景中，或者用作多傳輸機(jī)制的復(fù)雜無線信道建模，或者用作高速移動(dòng)狀態(tài)下復(fù)雜無線信道的建模。[0028]有益效果：本發(fā)明通過引入人體移動(dòng)對(duì)無線信道特性影響的表面波傳輸機(jī)制，建立人體距金屬管垂直方向上的距離的信道模型；通過量化人體位移引起的多維度距離變化，結(jié)合高精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成對(duì)路徑損耗模型的構(gòu)建，從而解決動(dòng)態(tài)工業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下表面波激發(fā)效率、分界值變化的問題，為IIoT環(huán)境下低損耗無線傳輸?shù)牟渴鹋c優(yōu)化提供理論支撐。此外，本發(fā)明既可以用作多傳輸機(jī)制(比如，自由傳播與表面波傳播相結(jié)合的混合傳播機(jī)制等)的復(fù)雜無線信道建模，又可以用作高速移動(dòng)狀態(tài)下復(fù)雜無線信道的建模。附圖說明[0029]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：[0031]圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述的基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法中的測(cè)量場(chǎng)景示意圖；[0032]圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述的基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法中的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)示意圖；[0033]圖4為本發(fā)明實(shí)施例在改變不同收發(fā)端距離情況下人體距金屬管垂直方向上的距離的路徑損耗模型擬合曲線比較示意圖；[0034]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的路徑損耗指數(shù)與人體距金屬管垂直方向上的距離的擬合曲線圖；[0035]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的具有人體距金屬管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型擬合曲線圖。具體實(shí)施方式[0036]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。[0037]實(shí)施例1[0038]參見圖1-6:一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法，包括：[0039]S1:設(shè)置可調(diào)距離d的收發(fā)端系統(tǒng)，于收發(fā)端正上方架設(shè)金屬管；[0040]S2:將發(fā)送端表面波激發(fā)器和接收端表面波激發(fā)器進(jìn)行聯(lián)合校準(zhǔn)，建立表面波傳輸基準(zhǔn)鏈路；[0041]S3:動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩激發(fā)器與金屬管的耦合距離，以充分激發(fā)表面波傳輸模式；7[0042]S4:在收發(fā)鏈路中點(diǎn)設(shè)置可移動(dòng)人體模型，以設(shè)定量程調(diào)節(jié)人體-金屬管垂直間距dh,采用步進(jìn)式測(cè)量獲取多組路徑損耗樣本；[0043]S5:通過多距離d條件下的重復(fù)測(cè)量，構(gòu)建包含dh/d雙變量的路徑損耗關(guān)系矩[0044]S6:采用非線性最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量聯(lián)合擬合，建立具有人體遮擋補(bǔ)償?shù)穆窂綋p耗模型。[0045]本實(shí)施例通過可調(diào)收發(fā)距離(dt)與人體-金屬管間距(dh)的雙變量控制，實(shí)現(xiàn)三維空間參數(shù)精確測(cè)量；激發(fā)器與金屬管耦合距離調(diào)節(jié)機(jī)制確保傳輸模式穩(wěn)定性；步進(jìn)式測(cè)量結(jié)合矩陣構(gòu)建實(shí)現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)采集。[0046]在一具體的實(shí)例中，所述步驟S1具體是指：設(shè)置發(fā)送端Tx、接收端Rx、一根粗金屬管，其中發(fā)送端與接收端之間的距離dr可調(diào)節(jié)，金屬管置于發(fā)送端Tx與接收端Rx正上方。[0047]本實(shí)施例的粗金屬管直徑為0.108m且長(zhǎng)度為3m,收發(fā)距離可調(diào)設(shè)計(jì)(0.5-1.5m典型范圍)滿足近場(chǎng)通信需求；金屬管正上方架設(shè)形成表面波主傳播路徑；幾何對(duì)稱布局減少多徑干擾。[0048]在一具體的實(shí)例中，所述步驟S2具體是指：發(fā)送端和接收端通過同軸電纜連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA,且發(fā)送端和接收端均配備表面波激發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而建立表面波傳輸基準(zhǔn)鏈路。用表面波激發(fā)器提升模式純度；同軸直連結(jié)構(gòu)降低插入損耗。[0050]在一具體的實(shí)例中，所述步驟S3具體是指：調(diào)節(jié)發(fā)送天線與接收天線和金屬管的耦合距離，從而充分激發(fā)表面波傳輸模式。[0051]本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了傳輸優(yōu)化：動(dòng)態(tài)耦合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)臨界匹配；激發(fā)器與金屬管耦合距離調(diào)節(jié)機(jī)制確保傳輸模式穩(wěn)定性。[0052]在一具體的實(shí)例中，所述步驟S4具體是指：將發(fā)送端Tx與接收端Rx之間的高度固定，調(diào)節(jié)人體距金屬管垂直方向上的距離d,利用所述信道測(cè)量?jī)x器采集人體在其距金屬管垂直方向上的距離下的無線信道測(cè)量數(shù)據(jù)，并從此測(cè)量數(shù)據(jù)中計(jì)算路徑損耗的平均值，作為每次測(cè)量所對(duì)應(yīng)的最終路徑損耗值。[0053]為了確認(rèn)人體是否會(huì)對(duì)金屬管激發(fā)的表面波傳播產(chǎn)生影響，本實(shí)施例提供了在有表面波傳輸時(shí)收發(fā)端間有無人體遮擋情況下收發(fā)端水平距離為0.5m、1m和1.5m時(shí)路徑損耗變化情況，具體如表1所示。從表1可以看出有人體遮擋并當(dāng)人體距金屬管垂直方向上的情況不超過0.3m時(shí)，人體遮擋會(huì)導(dǎo)致路徑損耗最大約有4dB的衰減。這表明人體遮擋對(duì)表面波傳輸環(huán)境是有影響的。8實(shí)驗(yàn)條件無人體遮擋--有人體遮擋[0056]本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了人體效應(yīng)量化：固定收發(fā)高度形成基準(zhǔn)平面，消除高度變量影響；分界值檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)分區(qū)建模。[0057]在一具體的實(shí)例中，所述步驟S5具體是指：改變收發(fā)端之間的距離d并調(diào)節(jié)d的值，重復(fù)上述步驟S4,并在0.02-0.50m這一范圍得到dh的分界值；根據(jù)上述步驟得到多個(gè)路徑損耗值，構(gòu)建具有人體距金屬管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型PL(dhD)。[0058]本實(shí)施例通過金屬管優(yōu)化+表面波激發(fā)、測(cè)量策略革新(分級(jí)動(dòng)態(tài)采樣)與建模理論突破(雙變量非線性PLE),首次系統(tǒng)解決了人體遮擋對(duì)表面波傳輸?shù)挠绊懥炕y題；其預(yù)測(cè)精度、環(huán)境適應(yīng)性(金屬場(chǎng)景)與工程實(shí)用性(實(shí)時(shí)校準(zhǔn))顯著優(yōu)于傳統(tǒng)模型，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠等高密度金屬環(huán)境中的可靠無線通信提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。[0059]在一具體的實(shí)例中，所述步驟S6具體是指：將上述S5步驟中構(gòu)建的路徑損耗模型PL(dh)用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)擬合，得到路徑損耗模型PL(dho)各參數(shù)的修正值，利用各參數(shù)的修正值得到最終路徑損耗模型PL(dtr,dhv)。[0060]本實(shí)施例采用非線性最小二乘法對(duì)雙變量(人體-金屬管垂直間距dh、收發(fā)端距離dtr)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合擬合，能夠精準(zhǔn)捕捉人體遮擋與距離衰減的耦合效應(yīng)，克服傳統(tǒng)線性模型對(duì)非線性衰減特征(如近場(chǎng)S型衰減曲線)的擬合不足問題。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可使模型9[0064]而所構(gòu)建的具有人體距金屬管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型PL(dn)最[0065]PL(dh)=b?*exp(b?*dhv)+b?到，對(duì)不同收發(fā)端距離條件下的人體距金屬管垂直方向上的距離計(jì)算γ(dh?),通過觀察[0082]而對(duì)于具有人體距金屬管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型PL(dhv),選取模型對(duì)路徑損耗指數(shù)γ(dho)與人體距金屬管垂直方向上并對(duì)與人體距金屬管垂直方向上的距離相關(guān)的PL(dhv)進(jìn)行曲線擬合，選取均方根誤差場(chǎng)景路徑損耗指數(shù)γ(dh)所提模型對(duì)數(shù)函數(shù)指數(shù)函數(shù)人體沿垂直方向移動(dòng)[0088]而對(duì)與人體距金屬管垂直方向上的距離相關(guān)的路徑損耗PL(dhv)運(yùn)用不同函數(shù)場(chǎng)景所提模型二次函數(shù)[0091]從以上兩表可得知人體沿垂直方向移動(dòng)時(shí)無論收發(fā)端距離如何變化使用所提函值得到所建立的路徑損耗模型最終表達(dá)式PL(dtr,dhu)表示為：正態(tài)分布的陰影衰落。人體沿垂直方向移動(dòng)條件下對(duì)路徑損耗指數(shù)進(jìn)行擬合和運(yùn)用所構(gòu)建的路徑損耗模型進(jìn)行擬合的各參數(shù)整理表。場(chǎng)景人體沿垂直方向移動(dòng)的擬合模型各參數(shù)人體沿垂直方向移動(dòng)表5場(chǎng)景人體沿垂直方向移動(dòng)的擬合模型各參數(shù)收發(fā)端距離0.5m收發(fā)端距離1m收發(fā)端距離1.5m[0100]需要說明的是，以上表格各參數(shù)值是基于實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和所建立的模型進(jìn)行擬合得到的，不同的場(chǎng)景或其他變量可能會(huì)導(dǎo)致不同的參數(shù)值，且這些參數(shù)值僅適用于上述的特定場(chǎng)景；[0101]在具體結(jié)果中，圖4是不同收發(fā)端距離下人體距金屬管垂直方向上的距離的路徑損耗模型擬合曲線比較示意圖。從圖4可以看出，在不同收發(fā)端距離的條件下，隨著人體距金屬管垂直方向上的距離dh的增大，路徑損耗值均呈現(xiàn)出先顯著減小后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。在d較小時(shí)，路徑損耗值隨d的增大而迅速減小，這表明此時(shí)表面波傳輸占主導(dǎo)地位，且于穩(wěn)定，這表明表面波傳輸?shù)挠绊懼饾u減弱，自由空間傳播開始占據(jù)主導(dǎo)地位。[0102]圖5和圖6分別給出了路徑損耗指數(shù)γ(dh)與人體距金屬管垂直方向上的距離dh的擬合曲線圖以及構(gòu)建的具有人體距金屬管垂直方向上的距離影響的路徑損耗模型擬合曲線圖。從圖5人體距金屬管垂直方向上的距離對(duì)路徑損耗指數(shù)γ(dhv)的影響來看，路徑損耗指數(shù)γ(dh)與人體距金屬管垂直方向上的距離dh擬合的效果更好。隨著dh的增大，γ(dh)也逐漸增大，這表明隨著人體遠(yuǎn)離金屬管，無線信道的傳輸特性發(fā)生變化，路徑損耗也保持先減小后穩(wěn)定的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了表面波傳輸在d較小時(shí)的主導(dǎo)地位，以及隨著dh增大，無線信道環(huán)境變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致路徑損耗指數(shù)增大。從圖6曲線的擬合效果來看，在不同收發(fā)端距離下，路徑損耗與人體距金屬管垂直方向上的距離dh之間均呈界值之后，曲線逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定。這一現(xiàn)象與圖4中的觀察結(jié)果相呼應(yīng)，進(jìn)一步證明了在d、較小時(shí)表面波傳輸?shù)闹鲗?dǎo)作用，以及隨著d的增大，自由空間傳播逐漸占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，雖然表面波可能仍然存在，但其對(duì)路徑損耗的貢獻(xiàn)相對(duì)減小，從而表現(xiàn)出路徑損耗走向逐漸趨向平穩(wěn)的趨勢(shì)。[0104]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)施例還提供了一種基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法的應(yīng)用，基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法可用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT場(chǎng)景，或者用作多傳輸機(jī)制(比如，自由傳播與表面波傳播相結(jié)合的混合傳播機(jī)制等)的復(fù)雜無線信道建模，或者用作高速移動(dòng)狀態(tài)下復(fù)雜無線信道的建模。[0105]本實(shí)施例的基于人體遮擋與表面波的無線信道建模方法的應(yīng)用與上述基于人體