CN101098537A - 一种无线通信中绕射损耗计算的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信中绕射损耗计算的方法，包括：输入数字地图、发射机和接收机的信息，生成从接收机到发射机之间的地形剖面；对地形剖面上的每个采样点，根据发射机和接收机的信息，采用重用技术，计算刃峰；对地形剖面上的每个采样点，根据以上生成的刃峰，利用单/多刃锋绕射模型进行绕射损耗计算。该方法是基于数字地图的刃峰绕射算法，可以重用同一地形剖面上采样点之间的刃峰计算结果，可以大幅提高计算效率；同时，采取刃峰合并技术以降低运算的复杂度，达到计算速度与精度之间的良好平衡。

Description

一种无线通信中绕射损耗计算的方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，提供了一种无线通信路径损耗计算中绕射损耗的计算方法。

背景技术

在无线通信网络的建设过程中，路径损耗计算是网络规划、优化的基础。路径损耗的准确、高效计算，对最终建成网络是否满足容量、覆盖要求有着决定性的意义。通过计算机软件实现路径损耗的计算是业界通用的手段，而在路径损耗计算中，绕射损耗又是其中最为耗时的步骤，常常成为整个路径损耗计算的瓶颈制约。

刃峰(Knife Edge)绕射模型，是一种常用的、相对准确的计算绕射的方法。所谓“刃峰”是指无线电波在地表传播时，被山脊或地物阻挡，把这些阻挡物看成刃型障碍，因此称为刃峰(严格的讲，刃峰包括阻挡无线电波视距传播和不阻挡无线电波视距传播两种，本发明中的刃峰特指前一种，对后一种另做特殊处理)。形象地讲，刃峰就是从发射机天线到接收机天线牵一条绷紧的线绳，线绳与山峰或地物的交点集合即为刃峰。在利用刃峰模型计算绕射损耗的时候，需要首先将当前计算的点与发射机之间所有的刃峰计算出来，随后利用单或多刃峰绕射模型计算绕射损耗。在这一系列计算中，刃峰的生成是一项极为耗时的运算。

目前在业界采用的绕射损耗刃峰生成的方法中，一种是采用迭代最大斜率的方式。即在地形剖面中取起点和终点及这两点之间所有的点，在以点间的距离为横轴，点的高度为纵轴的坐标系中，计算每一点与起点的连线的斜率，将连线斜率最大的点记为一个刃峰，然后再以该刃峰作为起点，计算起点到终点的刃峰，直到起点与终点间没有阻挡为止。

另一种是以简化刃峰、牺牲精度为代价，涉及这方面的专利主要有：

美国专利，专利号为US005410736A，名称<Method for determiningradio transmitter sites with signals that may potentially interfere with anintended signal at a radio receiver site>。该专利涉及到了绕射计算，其方法是将地形较为平缓时的绕射损耗简化为单刃锋的绕射进行计算。

目前业界计算刃峰绕射的方法和专利主要存在以下不足：

1、刃峰的生成过程中，没有考虑同一地形剖面上采样点之间刃峰的共性，没有在各点的刃峰计算中对结果进行重用，导致算法效率不高。

2、大幅简化刃峰的生成过程，导致绕射计算精度难以保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种无线通信中绕射损耗计算的方法。该方法的目的是为了既能克服现有绕射算法中精确的算法效率低下的同时，又能克服因简化的算法精度，造成损失过大的缺点，从而提出了一种快速精确的计算绕射损耗的算法。

为了解决上述问题，本发明提出一种无线通信中绕射损耗计算的方法，包括以下步骤：

(1)输入数字地图、发射机和接收机的信息，生成从接收机到发射机之间的地形剖面；

(2)对地形剖面上的每个采样点，根据发射机和接收机的信息，采用重用技术，计算刃峰；

(3)对地形剖面上的每个采样点，根据以上生成的刃峰，利用单/多刃锋绕射模型进行绕射损耗计算。

本发明所述的方法，其中，所述步骤(2)包括：

(21)对地形剖面上的每个采样点，根据与发射机的距离，采用重用技术，由近及远依次计算刃峰；

(22)生成的刃峰加入对接收机天线高度的信息，对刃峰重新调整，生成用于绕射损耗计算的刃峰。

本发明所述的方法，其中，所述步骤(3)进一步包括：如果不存在刃峰，判断是否存在第一菲涅耳区阻挡，如果存在，则计算该阻挡引起的绕射损耗。

本发明所述的方法，其中，所述步骤(2)进一步包括：设置参数用以控制刃峰的合并，相互之间距离小于参数的刃峰将被合并。

本发明所述的方法，其中，步骤(1)中所述输入的信息，包括：数字地图，发射机天线的位置和高度，接收机天线的高度。

本发明所述的方法，其中，步骤(1)中所述生成地形剖面的方式有栅格扫描(Raster scanning)和射线扫描(Radial scanning)。

本发明所述的方法，其中，所述栅格扫描方式是对逐个栅格生成到发射机之间的地形剖面。

本发明所述的方法，其中，所述射线扫描方式是从预测范围边缘处的栅格生成到发射机之间的地形剖面。

本发明所述的方法，其中，所述重用技术，为对每个采样点计算刃峰的时候，根据当前采样点的高度信息对上一采样点的刃峰计算结果进行调整，而不需全部重新计算。

本发明所述的方法，其中，步骤(22)中所述调整，进一步是判断是否当前的采样点的高度增加了接收机天线的高度后，需要删去已有的一个或数个现有刃峰。

采用本发明所述的方法，因为在刃峰绕射计算中最为耗时的刃峰生成中采用了重用技术，大幅减少了重复计算并且降低了算法复杂度；同时在刃峰生成后采用了刃峰合并技术，进一步提高了运算效率；所以相比现有技术，可以在保证精度的同时，大幅提高运算速度，达到运算精度与速度间的良好平衡。

附图说明

图1为本发明实施例所述的刃峰绕射损耗计算的流程图；

图2为本发明实施例所述的刃峰位置的示意图；

图3为本发明实施例所述的刃峰生成的示意图。

具体实施方式

如图1所示，对本发明的实施作进一步的详细描述：

步骤101、输入数字地图和发射机以及接收机等信息。

输入栅格形式的数字地图，其中包括地形高度和地物信息，地图精度为50M。同时，输入发射机位置，发射机天线和接收机天线的高度分别为25M和2M。预测半径为10KM。

步骤102、生成地形剖面。

采用射线扫描方式(Radial scanning)生成若干条从发射机到预测范围边缘的射线，在每条射线上相隔一定距离取若干个采样点，根据采样点落在数字地图上的位置，得到地形高度和地物信息，从而生成地形剖面以用于刃峰绕射损耗的计算。

步骤103、生成刃峰。本实施例中，该步骤具体分为以下2个小步骤：

步骤1、生成用于重用的刃峰。

如图2所示，在对一条射线上的采样点，根据与发射机的距离，由近及远依次生成刃峰时，将会记录最后生成的刃峰E与当前的采样点(如不存在刃峰，取发射机)之间的各个采样点的斜率最大值K1，并记录K1对应的采样点N1。首先计算当前采样点与最后生成的刃峰E(如不存在刃峰，取发射机)间的斜率K2。随后将K1与K2比较，如果K1＞K2(即如当前采样点位于N2位置)，则将N1加为一个刃峰，同时更新斜率最大值K1及对应的采样点；如果K1＝K2(即如当前采样点位于N2′位置)，则斜率最大值不变，只需更新斜率最大值K1对应的采样点为N2′；如果K1＜K2(即如当前采样点位于N2”位置)，则需判断是否需要删去已有的一个或数个现有刃峰，即如果当前采样点与倒数第二个刃峰(如不存在刃峰，取发射机)之间的斜率K3大于等于倒数第二个刃峰与最后生成的刃峰之间的斜率K4，那么将删去最后生成的刃峰，本例中需要删去刃峰E。如果删去一个刃峰后，继续执行上述判断，直到不需删除刃峰或已经没有刃峰，并同时更新斜率最大值K1及对应的采样点。

步骤2、生成用于绕射计算的刃峰。

步骤1中生成的刃峰尚不能用于绕射计算，因为还未考虑接收机天线高度对刃峰的影响.所以在步骤2中需要判断是否当前的采样点的高度增加了接收机天线的高度后，需要删去已有的一个或数个现有刃峰，方法如步骤1中K1＜K2的情况所述，至此，已得到用于计算绕射损耗的刃峰。需要说明的是，当重用计算采样点的刃峰时，所重用的刃峰是步骤1中生成的刃峰，这是因为步骤2中生成的刃峰是考虑了接收机天线高度的，当重用前一个采样点的刃峰时，前一个采样点已经不是接收终点，所以其刃峰应该是不考虑接收机天线高度的，也就是步骤1中生成的刃峰。

用于绕射计算的刃峰在地形剖面上的位置，如图3所示。图中阴影部分为地形剖面，Tx、Rx分别为发射机天线和接收机天线，E1、E2、E3为用于绕射计算的刃峰。

步骤104、判断如果存在绕射刃峰，执行步骤105，如果不存在绕射刃峰，则执行步骤107。

步骤105、刃峰合并。

参数M用以控制刃峰的合并，相互之间距离小于M的刃峰将被合并。具体方法可以是合并后的刃峰其位置为合并前两个刃峰的中点，高度为两个刃峰中较高的刃峰的高度。

步骤106、计算绕射损耗。

对射线上的每个采样点，根据以上生成的刃峰，再利用单/多刃锋绕射模型进行绕射损耗的计算。下列方法是业界较为常用的单/多刃锋绕射计算的方法。

以下先描述单刃绕射的计算。

首先计算绕射参数v，

$v=h_p\sqrt{\frac{2(r_1+r_2)}{\mathrm{\&lambda;}{r}_1{r}_2}}---\left(6.1\right)$

式中，r₁，r₂分别为发射机天线和接收机天线到刃峰的水平距离，h_p为刃峰垂线在发射机天线和接收机天线连线以上部分的长度。

根据绕射参数v，绕射损耗L(dB)由如下公式得到近似解：

L＝0                      v≤-1       (6.2a)

L＝20lg(0.5-0.6v)         -1≤v≤0    (6.2b)

L＝20lg(0.5exp(-0.95v))   0≤v≤1     (6.2c)

$L=20\lg (0.4-\sqrt{0.1184-{(0.38-0.1v)}^2}),1\&le;v\&le;2.4---\left(6.2d\right)$

$L=20\lg \left(\frac{0.225}{v}\right),2.4\&le;v---\left(6.2e\right)$

以下是描述多刃绕射的计算。

对于多个刃峰存在的情况，工程上常将其简化为每个单刃峰平面上的双重菲涅耳积分，利用近似方法求解。常用的近似法有Bullington、Epstein-Peterson、Atlas、Deygout等。

步骤107、如果不存在绕射刃峰，则判断是否存在第一菲涅耳区阻挡。

菲涅耳区的定义是：设传输信号波长为λ，则菲涅耳区是表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距路径长度大nλ/2的连续区域，是一个围绕从发射点到接收点连线的旋转椭圆体，以发射点和接收点作为椭圆焦点。

当上述定义中n＝1时，该区域称为第一菲涅耳区。

第n个菲涅耳区的同心半径r_n可表示为：

$r_n=\sqrt{\frac{\mathrm{n\&lambda;}{d}_1{d}_2}{d_1+d_2}}---\left(7.1\right)$

式中λ表示波长，d₁，d₂分别表示发射点到接收点连线上的点，距发射点和接收点的距离。

步骤108、如存在第一菲涅耳区阻挡，即阻挡位于第一菲涅耳区内，可利用负模式的单刃绕射模型计算该阻挡引起的绕射损耗。

所谓负模式，是指式(6.1)中h_p为负值，相应的v也是负值。

至此，全部刃峰绕射损耗计算流程结束。

尽管以上参照附图的例子解释了本发明，但显然本发明并不局限于此，在所附权利要求书所公开的创新思想范围内，可以通过许多方式修改本发明。

Claims (10)

1、一种无线通信中绕射损耗计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)输入数字地图、发射机和接收机的信息，生成从接收机到发射机之间的地形剖面；

(2)对地形剖面上的每个采样点，根据发射机和接收机的信息，采用重用技术，计算刃峰；

(3)对地形剖面上的每个采样点，根据以上生成的刃峰，利用单/多刃锋绕射模型进行绕射损耗计算。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

(21)对地形剖面上的每个采样点，根据与发射机的距离，采用重用技术，由近及远依次计算刃峰；

(22)生成的刃峰加入对接收机天线高度的信息，对刃峰重新调整，生成用于绕射损耗计算的刃峰。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括：如果不存在刃峰，判断是否存在第一菲涅耳区阻挡，如果存在，则计算该阻挡引起的绕射损耗。

4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步包括：设置参数用以控制刃峰的合并，相互之间距离小于参数的刃峰将被合并。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述输入的信息，包括：数字地图，发射机天线的位置和高度，接收机天线的高度。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述生成地形剖面的方式有栅格扫描和射线扫描。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述栅格扫描方式是对逐个栅格生成到发射机之间的地形剖面。

8、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述射线扫描方式是从预测范围边缘处的栅格生成到发射机之间的地形剖面。

9、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述重用技术，为对每个采样点计算刃峰的时候，根据当前采样点的高度信息对上一采样点的刃峰计算结果进行调整，而不需全部重新计算。

10、如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(22)中所述调整，进一步是判断是否当前的采样点的高度增加了接收机天线的高度后，需要删去已有的一个或数个现有刃峰。