CN102523058A - 一种用于预测无线信号强度的三维传播模型 - Google Patents

一种用于预测无线信号强度的三维传播模型 Download PDF

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CN102523058A CN2011104498690A CN201110449869A CN102523058A CN 102523058 A CN102523058 A CN 102523058A CN 2011104498690 A CN2011104498690 A CN 2011104498690A CN 201110449869 A CN201110449869 A CN 201110449869A CN 102523058 A CN102523058 A CN 102523058A
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黄学明
柳青梅
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Shanghai Jiaotong University
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Shanghai Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种用于预测无线信号强度的三维传播模型，首先将发射天线的信号分为数条射线，然后跟踪每一条射线的传播情况，最终得到接收点的复合场强。而且在跟踪每一条射线的传播过程中做了很多简化处理，在不降低预测精度的前提下大大减少了计算的复杂度。和现有传播模型相比，本发明提出的方法在城市等近距离场景下的场强预测结果和实际情况更加符合，提高了预测精度，且计算时间和现有的计算方法相当。

Description

一种用于预测无线信号强度的三维传播模型
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种用于预测无线信号强度的三维传播模型。
背景技术
随着无线通信技术的发展，对无线通信系统的频谱利用率和容量的要求也越来越高。因此无线网络规划和优化也变得越来越重要。这就要求无线信号强度的预测精度要更加准确。
目前常用的几种预测无线信号强度的传播模型，如ITU-1546模型，Okumura Hata模型等均为统计性的传播模型。此类传播模型对不同环境下的实测数据进行统计，找出其中的统计规律，再给出相应的公式，一般适用于山区，郊外等大尺度的场强预测场景，对于城市等地形复杂的地方，这些方法不能完全匹配地形小范围内的大幅度变化，场强预测不够精确。
而且，这两种模型在计算时只考虑了发射天线和接收天线连线上的地形因素，没有考虑周围的地形影响，也会导致预测结果和实际数据不符。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于预测无线信号强度的三维传播模型，能够解决现有技术的传播模型中对于城市等地形复杂的地方，不能完全匹配地形小范围内的大幅度变化，场强预测不够精确的问题。
为解决上述技术问题，达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：
一种用于预测无线信号强度的三维传播模型，首先将发射天线的信号分为数条射线，然后跟踪每一条射线的传播情况，最终得到接收点的复合场强。
优选的，在跟踪每一条射线的传播过程中做了很多简化处理，在不降低预测精度的前提下大大减少了计算的复杂度。
与现有技术相比，本发明提出的方法在城市等近距离场景下的场强预测结果和实际情况更加符合，提高了预测精度，且计算时间和以上两种方法相当。   
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的三维传播模型的流程示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参见图1所示，一种用于预测无线信号强度的三维传播模型，首先将发射天线的信号分为数条射线101，然后跟踪每一条射线的传播情况102，最终得到接收点的复合场强103。
本发明的以下实施例中：
T，表示发射天线；
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002
，表示目标接收点；
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE004
，表示可能产生反射的点；
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE006
，表示第i点的场强；
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE008
，表示第i点对第j点产生的反射场强；
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE010
，表示第i点到第j点的路径损耗；
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE012
，表示反射面损耗固定值。
1. 各种场强计算公式：
1.1 计算发射天线到目标接收点Ri的直接场强的方法:
理想传播模型下，计算公式为：
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE016
为接收场强，d为发射天线到接收天线的距离，单位为米，
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE018
为发射天线的功率,单位为dBkw。
1.2反射面损耗的计算方法：
反射面损耗固定
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE012A
为20dB。
1.3 反射点到接收点的路径损耗的计算方法
1.3.1  线反射模型
按照自由空间损耗公式计算，计算公式为
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE020
1.3.2  面反射模型
假设接收点
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002A
到和反射点
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE004A
的连线与主反射线的夹角为
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE022
，距离为d，那么反射点对接收点Ri产生的反射射线的场强为
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE024
线反射模型：
只考虑发射天线和接收点的连线上的点所产生的反射，反射点定义为对于基站T到当前接收点的射线上的所有的点
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE004AAA
，如果
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAA
满足：
2.1 
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAA
到T的距离大于
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAA
到T的距离；
2.2 
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAA
点的高度大于之前一点的高度，规定了哪些点考虑反射，之前一点的定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAA
到T的连线上，不含
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAA
和T，紧靠
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAA
的点；
2.3  
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAA
到
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAAA
的距离小于预定的阈值，规定了反射点的距离，那么点
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAA
为
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
一个反射点，且
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAA
对接收点
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
的反射场强为
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
，这里，
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE026
为发射天线到j点的直接场强。
实施例1： 
线反射模型下场强的计算步骤：
步骤201. 计算T对地图上所有点
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAA
的直接场强，记为，并记
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE006A
=
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
；
步骤202. 取j=1；
步骤203. 对于
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAA
和T之间的所有点，如果和
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAA
的关系满足条件，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAA
到T的距离大于
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAA
到T的距离或
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAA
点的高度大于之前一点的高度或
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAA
到
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAA
的距离小于预定的阈值，则计算
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAA
到
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAA
的损耗，得出
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAA
到每一个的反射场强，并用
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE006AA
+
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE008AA
的值代替
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE006AAA
的值，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAA
点的场强值；
步骤204. 对于其他所有的点j，重复步骤203；
步骤205.当所有的j都执行完步骤203以后，计算完毕，此时，第k个点的场强
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE030
即为预测值。
实施例2： 
考虑接收点水平方向周围所有的点可能产生的反射，反射点的定义：由于建筑物一般为方形，且四个面的方向为正南，正北，正东，正西。因此如果发射点T在点的东北方，那么
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
只可能将射线反射到东南方向或者西北方向。所以对于点
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
，如果点满足以下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAA
到
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
的距离小于预定的阈值或
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAA
与T在
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
的某个面的同侧，且在这个面的法线的两侧或
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
在这个面的法线方向比下一个点高。则，会对点
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAA
产生反射射线。
面反射模型下的场强计算步骤：
步骤301. 计算T对地图上所有点
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAA
的直接场强，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE028AA
，并记
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE006AAAA
=
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAA
；
步骤302. 对于第
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE032
个点，设发射天线T位于的东北方向，那么我们分别在正东方向和正北方向上比较
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
是否比邻近点高；
步骤303. 如果
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
在正北方向比邻近的点高，则
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
在正北方向上产生的反射射线为以建筑物的北面为反射面，以发射天线T到
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
的连线为入射射线，以入射射线在反射面上产生的镜面反射射线为中心，并向两边以角度为间隔，每边考虑最多2条射线，且反射射线的角度在南北方向的分量必须指向北方，对于每一条发射线上的每一个点
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
，按照公式计算点
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
对
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
所产生的反射场强
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE008AAA
，并用
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE006AAAAA
+
Figure 2011104498690100002DEST_PATH_IMAGE008AAAA
的值代替的值，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
点的场强值；
步骤304. 对正东方向重复步骤303；
步骤305. 对其他所有的点，重复步骤302至304；
步骤306. 当所有点都计算完之后，每个点的
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
即为预测值。
进一步的，所述角度为10°。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于预测无线信号强度的三维传播模型，
其特征在于：
首先，将发射天线的信号分为数条射线（101）；
然后，跟踪每一条射线的传播情况（102）；
最终，得到接收点的复合场强（103）。
2.根据权利要求1所述的用于预测无线信号强度的三维传播模型，其特征在于，所述三维传播模型中线反射模型下场强的计算步骤如下：
步骤201. 计算T对地图上所有点                                               
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE002
的直接场强，记为
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE004
，并记
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
；
步骤202. 取j=1；
步骤203. 对于
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE008
和T之间的所有点
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，如果
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
的关系满足条件，
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
到T的距离大于
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
到T的距离或点的高度大于之前一点的高度或
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAA
到的距离小于预定的阈值，则计算
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAA
到
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
的损耗，得出到每一个
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
的反射场强
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE010
，并用
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
+
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
的值代替
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
的值，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAA
点的场强值；
步骤204. 对于其他所有的点j，重复步骤203；
步骤205.当所有的j都执行完步骤203以后，计算完毕，此时，第k个点的场强
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE012
即为预测值。
3.根据权利要求1所述的用于预测无线信号强度的三维传播模型，其特征在于，所述三维传播模型中面反射模型下场强的计算步骤如下：
步骤301. 计算T对地图上所有点
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAA
的直接场强，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
，并记
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
=
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
；
步骤302. 对于第个点，设发射天线T位于
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAAAA
的东北方向，那么我们分别在正东方向和正北方向上比较
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAAAAA
是否比邻近点高；
步骤303. 如果
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAAAAAA
在正北方向比邻近的点高，则在正北方向上产生的反射射线为以建筑物的北面为反射面，以发射天线T到
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAAAAAAAA
的连线为入射射线，以入射射线在反射面上产生的镜面反射射线为中心，并向两边以角度
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE016
为间隔，每边考虑最多2条射线，且反射射线的角度在南北方向的分量必须指向北方，对于每一条发射线上的每一个点
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAA
，按照公式
Figure 2011104498690100001DEST_PATH_IMAGE018
计算点
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAAAAAAAAAAA
对
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAA
所产生的反射场强
Figure DEST_PATH_IMAGE010AA
，并用
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
+的值代替的值，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAA
点的场强值；
步骤304. 对正东方向重复步骤303；
步骤305. 对其他所有的点，重复步骤302至304；
步骤306. 当所有点都计算完之后，每个点的
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
即为预测值。
4.根据权利要求3所述的用于预测无线信号强度的三维传播模型，其特征在于：所述角度
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
为10°。
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