CN102546039B - 一种无线电磁波传播预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电磁波传播预测方法及装置，主要包括：确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束；获取发射机所在预测区域的可见关系树，根据获取的可见关系树，确定电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性；根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。采用该技术方案，能够提高无线电磁波传播预测结果的准确性，从而更好地指导实际网络的规划。

Description

一种无线电磁波传播预测方法及装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种无线电磁波传播预测方法及装置。

背景技术

随着高速、宽带的数据业务需求的爆发式增长，移动通信网络建设进入了一个新的阶段。利用精细的网络规划结果指导网络建设和网络优化，大幅提高优化工作效率，这对无线网络规划提出了更高的要求。无线电磁波传播预测技术，能够预先对基站的性能以及网络状况进行预测，从而能够指导具体的网络规划。

传播模型是无线网络规划的重要基础，即利用传播模型对无线电磁波传播进行预测，因此，模型的准确性关系到无线网络规划的质量和合理性。目前，进行无线电磁波预测的传播模型主要是经验性模型，该模型是建立在大量测试数据和经验公式基础上的实测统计方法，通过该方法所得到的测试结果直接来之于实测，比较直观。但由于城市的发展和建设，无线传播环境复杂多变，导致无线基站的覆盖范围也随之变化，要精确地进行无线网络规划并有效控制干扰，就需要更多地考虑基站周围建筑物对计算结果的影响。基于经验性模型对无线电磁波进行预测的方法对环境依赖性较大，并且对实测设备的精确性要求也较高，因此，通过经验型模型得到的无线电磁波预测结果具有很大的局限性。例如，Okumura-Hata、COST231-Hata等经验型模型的主要工作原理都是采用大量的测试数据进行拟合，得到某一频段无线电磁波的传播特性，通过该频段的无线电磁波的传播特性统计地考虑所有的无线环境。而在实际的应用环境中，由于在传播路径上存在着各种各样的影响，如高空电离层影响，高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等，因而电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等各种传播方式，而通过经验型模型得到的无线电磁波预测结果是通过将某一环境下的实测结果进行拟合以统计得到无线电磁波的传输特性，因此，基于现有技术对无线电磁波传播预测的测试结果的准确性差，不能有效地指导实际网络的规划，使得网络性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种无线电磁波传播预测方法及装置，采用该技术方案，能够提高无线电磁波传播预测结果的准确性，从而更好地指导实际网络的规划。

本发明实施例通过如下技术方案实现：

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种无线电磁波传播预测方法，包括：

确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束；

获取所述发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树，其中，所述可见关系树的根节点对应所述发射机的相对位置，所述关系树的各级子节点对应所述发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置；

根据获取的所述可见关系树，确定所述电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性；

根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

根据所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种无线电磁波传播预测装置，包括：

电磁波束确定单元，用于确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束；

可见关系树获取单元，用于获取所述发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树，其中，所述可见关系树的根节点对应所述发射机的相对位置，所述关系树的各级子节点对应所述发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置；

传播特性确定单元，用于根据所述可见关系树获取单元获取的所述可见关系树，确定所述电磁波束确定单元确定的电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性；

第一电场强度矢量确定单元，用于根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

第二电场强度矢量确定单元，用于根据所述第一电场强度矢量确定单元确定出的每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。

通过本发明实施例提供的上述至少一个技术方案，在对无线电磁波传播预测时，首先确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束，获取发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树，其中，该可见关系树的根节点对应发射机的相对位置，关系树的各级子节点对应发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置；进一步根据获取的可见关系树，确定电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性，并根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量，根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。根据该技术方案，在对电磁波传播预测时考虑了电磁波的传播特性，根据电磁波的实际传播特性预测电磁波的传播，从而提高了无线电磁波传播预测结果的准确性，能够更好地指导实际网络的规划。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例一提供的无线电磁波传播预测方法流程图；

图2为本发明实施例一提供的，确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束的流程图；

图3为本发明实施例一提供的可见关系树示意图；

图4为本发明实施例一提供的确定电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射的流程图；

图5为本发明实施例一提供的确定电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射的流程图；

图6为本发明实施例一提供的确定电磁波与障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交的流程图；

图7为本发明实施例一提供的确定满足预测条件的电磁波束到达接收机的电场强度矢量的流程图；

图8为本发明实施例二提供的无线电磁波传播预测装置示意图一；

图9为本发明实施例二提供的无线电磁波传播预测装置示意图二；

图10为本发明实施例二提供的无线电磁波传播预测装置示意图三。

具体实施方式

为了给出提高无线电磁波传播预测结果的准确性的实现方案，本发明实施例提供了一种无线电磁波传播预测方法及装置，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本发明实施例一提供了一种无线电磁波传播预测方法，根据该方法所述流程进行无线电磁波传播预测，能够提供测试结果的准确性。

如图1所示，本发明实施例一提供的无线电磁波传播预测方法，主要包括如下步骤：

步骤101、确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束。

步骤102、获取发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树。

该步骤中，获取的可见关系树的根节点对应发射机的相对位置，关系树的各级子节点对应发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置。

步骤103、根据获取的可见关系树，确定电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性。

步骤104、根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量。

步骤105、根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定满足预测条件的电磁波束到达接收机的电场强度矢量。

至此，无线电磁波传播预测的流程结束。

以上流程描述了从一个发射机发射的无线电磁波的传播预测过程，实际应用中，可以通过上述流程所述的方法预测多个发射机发射的无线电磁波的传播预测过程。

本发明实施例一还提供了图1所述流程的各个步骤的优选实施方式，针对各个步骤的优选实施方式详细阐述如下。

本发明实施例一提供了图1所述流程的步骤101的优选实施方式，该优选实施方式中，对电磁波发射的电磁波进行筛选，选择出用于进行无线电磁波传播预测的电磁波，以保证预测结果的准确性。该优选实施方式主要提供了发射机发射电磁波的方式以及选择用于进行传播预测的电磁波的方式，分别说明如下：

一、发射机发射电磁波的方式

本发明实施例一通过电磁波束建模的方式规定了发射机发射电磁波的方式，Ray-channel建模的基本技术原理是从TRx(发射机)发射出有限数量的三维电磁波束以取代传统预测方式中的等间隔发射电磁波的方式，这样相对于传统电磁波的发射方式，在接收端不需要使用接收球进行接收判断，可以减少预测时间和预测复杂度。具体地，在发射机发射电磁波时，根据大地测量的椭球体理论，以发射机为球心的球的内接多面体模拟波前发射电磁波束，其中，多面体的每个面为正三角形，并且为了保证电磁波的分辨率，进一步将内接多面体的每个面被划分为N个三角形(N≥1)。在大地测量的椭球体理论中，比较常见的多面体有四面体、六面体、八面体、十二面体和二十面体。一般来讲，立体上的表面个数越多，由多面体的面投影到球体表面时的变形就越小，为了能够满足多分辨率级别或实际应用中的要求，本发明实施例选择二十面体模拟波前发射电磁波束。将二十面体的每个正三角形均匀划分为N个三角形，可知二十面体表面(每一个正三角形面)分割数量级(即N的大小)将直接影响预测精度，N越大越好，即二十面体表面分割的越多预测精度越高，也就是说得到的电磁波越多。

由发射点(即多面体的中心)与各面上划分得到的正三角形连线得到的三棱椎型形成的电磁波为一个电磁波束，该三棱锥型内的每条棱为每条电磁波，其中，电磁波可以通过如下方程式表示：

$\left\{\begin{array}{c}x=d_{1}t+x_0\\ y=d_{2}t+y_0\\ z=d_{3}t+z_0\end{array}\right.$

其中，(x₀,y₀,z₀)为发射机所在位置的坐标，也即多面体中心点坐标；

(d₁,d₂,d₃)为电磁波发射的角度，即电磁波的角度。

上述公式中，对于从发射点发出的电磁波需要满足：

ad₁+bd₂+cd₃＝0，其中，(d₁,d₂,d₃)由发射点及正三角形顶点唯一确定。

二、选择用于进行传播预测的电磁波的方式

本发明实施例一中，确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束，如图2所示，包括如下步骤：

步骤201、获取发射机发射的电磁波束列表。

该步骤201中，发射机发射电磁波的方式已在上述实施例中描述，此处不再赘述。该步骤获取的电磁波束列表中包括各电磁波束的电磁波方程式以及各电磁波的角度，其中，电磁波束的角度可以通过所在三棱锥型的每条棱对应的电磁波角度确定。

步骤202、根据发射机发射的各电磁波束的角度以及接收机所在的接收面，确定出与该接收面存在交点的电磁波束用于进行电磁波传播预测。

该步骤202中，在无线网络规划中电磁波传播预测而言，通常只需获得在某一接收面(例如在地面的基础上叠加接收天线高度)上的预测结果。针对此特点，本发明实施例将构造地表(通过认为为接收机所在的位置)上升1.5m(平均接收天线高度)的接收面F确定为接收机所在的接收面。

步骤203、从与接收面存在交点的电磁波束中，选择一个未被选择过的电磁波束。

步骤204、根据选择出的该电磁波束以及发射机与接收机之间的各障碍物所在的平面，确定该电磁波束中是否至少有设定条电磁波与同一障碍物平面存在交点的电磁波束，若是，执行步骤205，若否，执行步骤206。

该步骤204中，电磁波束的角度根据电磁波发射的角度确定，并且一般选择电磁波束中有3条电磁波与同一障碍物平面存在交点的电磁波束。

步骤205、确定该电磁波束为满足预测条件的电磁波束，并继续执行步骤207。

步骤206、舍弃当前电磁波束，并继续执行步骤207。

步骤207、判断所有电磁波束是否都被选择过，若是，则结束，若否，返回步骤203。

至此，从发射机发射的电磁波束中选择满足预测条件的电磁波束的流程结束。

进一步地，在上述从发射机发射的电磁波束中选择满足预测条件的电磁波束的过程中，为了保证预测的效果，若存在如下情况，则即时确定电磁波束满足预测条件，也需要舍弃该电磁波束，其中，所涉及的情况包括：

RC在障碍物上的反射次数超过设定次数；或/和

RC强度过低。

本发明实施例一中，可通过如下过程计算每根电磁波的反射情况：

假设反射平面方程为：ax+by+cz+d＝0，则电磁波r(d₁,d₂,d₃)与平面ax+by+cz+d＝0的交点P_i坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_p=d_1{t}_i+x_0\\ y_p=d_2{t}_i+y_0\\ z_p=d_3{t}_i+z_0\end{array}\right.$

其中， $t_i=\frac{({\mathrm{ax}}_0+{\mathrm{by}}_0+{\mathrm{cz}}_0+d)}{({\mathrm{ad}}_1+{\mathrm{bd}}_2+{\mathrm{cd}}_3)}$

则反射电磁波r(d₁,d₂,d₃)的方向为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{1r}=d_{{1t}_i}-a\×\frac{|{\mathrm{ax}}_0+{\mathrm{by}}_0+{\mathrm{cz}}_0+d)|}{(a^2+b^2+c^2)}\\ d_{2r}=d_{{2t}_i}-b\×\frac{|{\mathrm{ax}}_0+{\mathrm{by}}_0+{\mathrm{cz}}_0+d)|}{(a^2+b^2+c^2)}\\ d_{3r}=d_{{3t}_i}-c\×\frac{|{\mathrm{ax}}_0+{\mathrm{by}}_0+{\mathrm{cz}}_0+d)|}{(a^2+b^2+c^2)}\end{array}\right.$

通过上述过程能够得到反射电磁波r(d₁,d₂,d₃)的方向，通过该反射电磁波r(d₁,d₂,d₃)的方向能够确定电磁波在反射后的传播方向，进一步可以确定电磁波在下一阶的传播情况，即在到达当前障碍物后，能够根据反射电磁波r(d₁,d₂,d₃)的方向，确定该电磁波在当前障碍物上的反射方向，进一步确定该电磁波在离开当前障碍物以后的传播情况。上述过程中，反射平面方程即障碍物所在平面对应的平面方程，例如在城区，最明显的便是来自于建筑物的反射，那么建筑物的表面便是反射平面。t_i是电磁波与反射面的交点参数。

本发明实施例一还提供了图1所述流程的步骤102中获取的可见关系树的生成过程，该可见关系树根据多分辨率地理信息数据生成。具体地，可以通过智能(Intelligent Ray Tracing，IRT)模型进行算法加速，IRT模型是一种加速的三维模型，通过对数据库进行预处理而大大减少运算时间，同时可以达到很高的精度。IRT基于下面的假设：

只有小部分电磁波携带了大部分的能量；

墙和边之间的可见关系与发射天线的位置无关；

大多数情况下相邻接收点由路径相近的电磁波到达。

在实际的电磁波传播场景中，建筑物及其内部的材料是多种多样的，由于它们的介电特性的差异，它们对电磁波的反射系数和透射系数都是不同的。在用电磁波跟踪法进行室内电磁波的传播预测时必须对室内障碍物有详细的了解，即建立一个存储障碍物数据的数据库，数据库的数据是以物体块为单位存储的，记录了包括该物体块的位置、大小尺寸、复介电常数以及厚度等参数。不同材料不能存在于同一个物体块。由于建筑物表面和室内物体表面大都是平面的，而且表面通常为矩形，因此每一物体块的几何形状都用平面矩形来表示。由于不同介电特性的材料通常是交叉共存的，因而物体块的划分必须符合实际情况。在数据库中每一个物体块都有一个编号，处在同一平面的物体块编号仅个位数不同。包含有多个物体块的平面也可以作为一个大物体块来处理，其编号的个位数为0，高位数与所包含的物体块相同。对于能产生绕射的障碍物边缘，是作为特殊的物体块保存在数据库中的。当电磁波遇到一个物体块，可以从数据库中取出其介电特性来计算反射系数、透射系数以及绕射系数。

基于以上假设，对建筑物数据库进行一次预处理，得到基于建筑物信息的可见关系树，首先根据建筑物地图将每一建筑物进行分解，将建筑物墙面分为一定大小的分块，将建筑物墙边分为一定长度的段，分块和段均用其中心点来描述，从而简化了电磁波路径的查找。

在预处理阶段，计算每个分块(或段)和其他分块(或段)之间的可见关系，其标准为视距(Line of Sight，LOS)准则。预处理的结果是包含分块、段、预测区域的接收点的可见关系树，生成的可见关系树如图3所示，该可见关系树中，Rx节点表示发射机的相对位置，Rx的子节点中，用圆圈表示的节点为接收点，用矩形表示的节点为障碍物分块，其中，如图3所示，随着各级节点向下分别对应一阶反射、透射或绕射；二级一阶反射、透射或绕射；三阶反射、透射或绕射。图4中仅表示出了三阶，实际应用中，可以有多阶。

根据本发明实施例提供的上述可见关系树，当进行无线电磁波的一阶及n阶传播特性(反射、透射、绕射)计算时，实际就是对若干个可见关系树进行逐级查找的过程。在确定了发射机的位置后，进行一阶及n阶传播特性计算就是从发射机所在位置开始，沿着可见关系树中表示发射机相对位置的节点向下找到第一次作用的位置(即电磁波到达一阶障碍物时产生传播特性的点)，然后计算电磁波到达这些位置时的传播特性以及相应的传播特性参数。并进一步根据电磁波到达的该作用点位置与发射点所在位置之间的距离、方向、角度，结合天线波瓣图，确定电磁波从发射机出来到达该作用点时的入射方向及强度，然后在这些作用点上利用UTD(The uniform geometrical theory ofdiffraction，一致性几何绕射理论)算法计算以该作用点为发射点向外发射信号时的强度。重复前面的过程，从这一棵可见关系树开始查找下一次作用的位置。不断重复这个过程，直至将从发射点到接收点之间可能有的所有路径都找到，最后将这些路径上的信号进行迭加，得到的就是每个接收点的信号强度。

一阶及n阶传播特性的计算就是在从发射点开始的一棵巨大的可见关系树里深度查找到达一个接收点的所有可能路径，并将这些路径过来的信号迭加起来。这是个深度搜索遍历的过程，将耗费大量的计算时间。为了节省计算时间，在搜索可见关系树时，进行一定的深度限制，即信号传播过程中发生的反射或透射、绕射的次数总和的限制，只考虑主要的信号分量，这样就能控制计算时间不致太长而计算效果又比较好。

无线电磁波的一阶及n阶传播特性计算过程实际就是无线电磁波传播与物体进行求交的判断运算过程，由于由发射机的发射天线发射的无线电磁波在遇到障碍物块时又会产生反射、透射或绕射，所以整个电磁波的跟踪过程是一个递归过程。递归的深度取决于所预先规定的无线电磁波被丢弃的衰减系数，例如可将一次反射的衰减系数定为1，一次透射定为2，如被丢弃的衰减系数定为10，这意味着在某一径无线电磁波在经过5次透射，或两次反射四次透射后将停止跟踪，此时认为该径无线电磁波的场强已衰减到很小。显然，如预定的衰减系数越大则到达接收点的电磁波越多，但计算量将大大增加。在跟踪过程中，如某一径电磁波被接收或跑出被预测的区域则停止跟踪。

本发明实施例一还提供了图1所述流程的步骤103的优选实施方式，即根据获取的可见关系树，确定电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性的过程。由以上实施例的描述可知，电磁波到达障碍物的传播特性可以为反射以及透射，或者为绕射，以下针对传播特性的确定过程进行详细说明：

一、电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射的确定过程

判断电磁波是否与障碍物块相交而发生反射及透射，实际上是求电磁波和障碍物矩形对应的平面矩形是否相交，如图4所示，电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射时，根据获取的可见关系树，确定电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射，包括如下步骤：

步骤401、根据获取的可见关系树，确定障碍物分块所在的矩形平面。

步骤402、根据电磁波的参数方程以及障碍物分块所在的矩形平面方程，确定电磁波与矩形平面的交点。

步骤403、判断确定该交点是否在该障碍物分块对应的区域内，若是，执行步骤404，若否，执行步骤405。

步骤404、确定该电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射，至此，确定当前电磁波到达当前障碍物分块时的传播特性的流程结束。

步骤405、确定该电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性不为反射及透射，至此，确定当前电磁波到达当前障碍物分块时的传播特性的流程结束。

可以通过图4所对应的流程判断电磁波到达每个障碍物时的传播特性。

图4所示流程包括的步骤402中，根据电磁波的参数方程以及障碍物分块所在的矩形平面方程，确定电磁波与矩形平面的交点，具体包括：

设障碍物对应的物体块所在平面的方程为ax+by+cz+d＝0，此时电磁波传输以电磁波模拟如下：

电磁波起点为(x₀,y₀,z₀)，方向为(d₁,d₂,d₃)则电磁波的参数方程为

$\left\{\begin{array}{cc}x=d_{1}t+x_0& \\ y=d_{2}t+y_0& \\ z=d_{3}t+z_0& (t\≥0)\end{array}\right.$

其中，t大于等于零代表为射线，上述方程为射线方程。

显然，当ad₁+bd₂+cd₃＝0时，电磁波和平面平行。当ax₀+by₀+cz₀+d＝0时，电磁波在平面上。除上述情况外，电磁波(或其反向延长线)和平面相交于一点，交点参数为

t_i＝-(ax₀+by₀+cz₀+d)/(ad₁+bd₂+cd₃)

当t_i≥0时，交点在电磁波上。

图4所示流程包括的步骤403中，确定交点是否在障碍物分块对应的矩形区域内，可以通过设定公式：

其中：

表示所述发射机所在的位置到该交点的线段矢量；

和分别表示所述障碍物分块对应的矩形区域的两条相交并相互垂直的边；

表示所述发射机所在的位置到和相交的顶点的线段矢量。

若满足上述公式时，则确定交点在障碍物分块对应的矩形区域内，否则确定交点不在障碍物分块对应的矩形区域内。

二、电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射的确定过程

在传播预测中，绕射通常是边缘绕射，且边缘通常是直角混凝土劈棱。对一般边缘的数值描述包括边缘的两个端点坐标，组成边缘两个侧面、边缘的夹角等。实际电磁波跟踪时，由于电磁波具有一定的角度即电磁波管，随着传播距离的增加，由于扩散的影响，其波前面将越来越大，假设电磁波的张角为α，只要边缘处在电磁波的照射范围内就可能发生绕射。

如图5所示，电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射时，根据获取的可见关系树，确定电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射，包括如下步骤：

步骤501、根据获取的可见关系树以及地理信息数据，确定障碍物分块对应的矩形区域的各边缘端点坐标。

步骤502、根据各边缘端点坐标以及电磁波的张角、电磁波所在电磁波束的中心线以及扇面中心线，确定电磁波与障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交。

步骤503、判断该电磁波是否与障碍物分块对应的矩形区域的至少一个边缘端点相交，若是，执行步骤504，若否，执行步骤505。

步骤504、确定该电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射，至此，确定当前电磁波到达当前障碍物分块时的传播特性的流程结束。

步骤505、确定该电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性不为绕射，至此，确定当前电磁波到达当前障碍物分块时的传播特性的流程结束。

可以通过图5所对应的流程判断电磁波到达每个障碍物时的传播特性。

图5所示流程包括的步骤502中，根据边缘端点坐标以及所述电磁波的张角、所述电磁波所在电磁波束的中心线以及扇面中心线，确定电磁波与障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交，如图6所示，包括如下步骤：

步骤601、确定边缘端点坐标到电磁波所在电磁波束的中心线的距离。

步骤602、根据边缘端点坐标以及确定出的距离，确定该边缘端点与该电磁波的起点连线与扇面中心线的夹角。

步骤603、判断是否满足夹角大于电磁波张角的一半且该边缘端点到电磁波所在电磁波束的中心线的垂线与该电磁波所在电磁波束的中心线的交点参数大于零，若是，执行步骤604，若否，执行步骤605。

步骤604、确定该电磁波与该障碍物分块对应的矩形区域的边缘相交，至此，确定电磁波与障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交的流程结束。

步骤605、确定该电磁波与该障碍物分块对应的矩形区域的边缘不相交，至此，确定电磁波与障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交的流程结束。

图6所示流程的步骤601中，以二维情况来说明设边缘坐标为(x₁,y₁)，电磁波起点的坐标为(x₀,y₀)，则该边缘点到电磁波所在电磁波束的中心线的距离d可以通过如下公式确定：

$d=\frac{|d_1(y_1-y_0)-d_2(x_1-x_0)|}{\sqrt{d_1^2+d_2^2}}$

其中：

d1为该边缘点所在边缘上的线段的斜率；d2为电磁波所在电磁波束的中心线的斜率。

图6所示流程的步骤602中，根据边缘端点坐标以及确定出的距离，确定该边缘端点与该电磁波的起点连线与扇面中心线的夹角β为：

$\mathrm{\β=arcsin}\frac{d}{\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}}$

图6所示流程的步骤603中，该边缘端点到电磁波所在电磁波束的中心线的垂线与该电磁波所在电磁波束的中心线的交点参数t_i，可以通过如下公式确定：

$t_i=\cos \mathrm{\β}(\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}$

其中：

β为所述边缘端点与所述电磁波的起点连线与所述扇面中心线的夹角；

(x₁,y₁)为所述边缘端点的坐标；

(x₀,y₀)为所述电磁波起点的坐标。

若满足 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}<\frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\\ t_i>0\end{array}\right.,$ 则电磁波与障碍物分块对应的矩形区域的边缘相交；

射线中心线：可以理解为射线簇的中心射线；

射线扇面中心线：射线簇与边缘构成的扇面的中心线。

以上是以二维情况为例说明上述过程，对于三维情况可用类似的方法判别。在三维情况下，跟踪遍历所有障碍物时(包括边缘)，可能一次会计算得到多个交点参数t_i，为了减少计算量，可以通过对所有的参数t_i进行排序来确定实际相交的障碍物。

本发明实施例一还提供了图1所述流程的步骤104的优选实施方式，即根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量，通过如下公式：

其中：

为第i条电磁波在当前子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

为距发射点设定米处的电场强度矢量；

G_ti和G_ri分别为发射天线和接收天线的方向性系数；

L_i(S)为第i条电磁波到达当前子节点所对应的障碍物块所经过路径S在自由空间的衰减；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上反射的反射系数，入射角为θ_ji，其中，j表示当前为该电磁波第j次反射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上透射的透射系数，入射角为其中，k表示当前为该电磁波第k次透射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上绕射的绕射系数，入射角为其中，m表示当前为该电磁波第m次绕射。

在无线电磁波的实际传输过程中，当电磁波传输到两个不同介质的表面时，一部分能量被反射，一部分能量被透射，反射和透射的能量密度取决于介质的介电常数和入射角。通常可以用反射系数来计算反射波的强度，反射系数取决于两种介质的介电常数、电磁波的极化方式、入射角和频率。电磁波是有极化的，它的电场分量、磁场分量和传播分量相互垂直。极化波往往可以分解成两个相互垂直的空间分量，这些相互垂直的分量可以是水平极化和垂直极化分量，也可以是左手和右手圆极化分量。对每种极化分量都需要考虑它的反射系数。以下给出了电磁波在两种介质的反射情况，为了获得反射电场的幅度，必须计算水平极化和垂直极化的反射系数。两种介质表面的垂直极化和水平极化的反射系数分别表示如下:

$R_{\&perp;}=\frac{-\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)-\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}-{\cos }^2\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}{\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)+\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}-{\cos }^2\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}$

$R_{\mathrm{II}}=\frac{-{\mathrm{\&epsiv;}}_r\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)+\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}-{\cos }^2\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)+\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}-{\cos }^2\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}$

其中：

θ_i是电磁波当前的入射角；

ε是复介电常数，ε_r是反射面的相对介电常数；σ是电导率：f是电磁波频率。

电磁波到达当前障碍物的反射系数R为：

$R=\left(\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{II}}& \\ & R_{\&perp;}\end{array}\right)$

根据以上计算公式，可以计算得到在入射角为θ_ji时，第i条电磁波第j次反射的反射系数

由反射系数很容易由下式确定透射系数T：

T＝1-R

绕射系数D可以通过如下公式确定：

$D=-\left(\begin{array}{cc}{D}_{\mathrm{II}}& \\ & D_{\&perp;}\end{array}\right)$

其中：D_II和D_⊥是对水平极化波和垂直极化波的绕射系数。

$D_{\mathrm{II}}^{\&perp;}=\frac{-e^{-j\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}}}{2n\sqrt{2\mathrm{\&pi;}k\sin {\mathrm{\&beta;}}_0}}\left\{\begin{array}{c}\cot \left[\frac{\mathrm{\&pi;}+(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{2n}\right]\&CenterDot;F\left[\mathrm{kL}{g}^{+}(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})\right]\\ +\cot \left[\frac{\mathrm{\&pi;}-(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{2n}\right]\&CenterDot;F\left[\mathrm{kL}{g}^{-}(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})\right]\\ +R_0^{\&perp;}\&CenterDot;\cot \left[\frac{\mathrm{\&pi;}-(\mathrm{\&phi;}+{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{2n}\right]\&CenterDot;F\left[k{\mathrm{Lg}}^{-}(\mathrm{\&phi;}+{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})\right]\\ +R_n^{\&perp;}\cot \left[\frac{\mathrm{\&pi;}+(\mathrm{\&phi;}+{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{2n}\right]\&CenterDot;F\left[k{\mathrm{Lg}}^{+}(\mathrm{\&phi;}+{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})\right]\end{array}\right\}$

其中：φ，φ′分别是电磁波的入射角和绕射角，式中F(x)包含一个菲涅尔积分： $F\left(x\right)=2j\sqrt{x}{e}^{\mathrm{jx}}\&Integral;\sqrt{x}{e}^{j{\mathrm{\&tau;}}^2}\mathrm{d\&tau;}(x=\mathrm{kL}{g}^{\&PlusMinus;}(\mathrm{\&phi;}\&PlusMinus;{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}));$

其中： $g^{\&PlusMinus;}(\mathrm{\&phi;}\&PlusMinus;{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})=2{\cos }^2\left[\frac{2\mathrm{n\&pi;}{N}^{\&PlusMinus;}-(\mathrm{\&phi;}\&PlusMinus;{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{2}\right]$

N^±是接近于下面两个方程式的整数：

2nπN⁺-(φ±φ′)＝π；2nπN^--(φ±φ′)＝π

是电磁波绕射的角度。

是距离因子，β₀是入射线和绕射边的夹角。是绕射切表面的垂直极化或平行极化的反射系数，是法表面的垂直极化或平行极化的反射系数。

本发明实施例一还提供了图1所述流程的步骤105的优选实施方式，即根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定满足预测条件的电磁波束到达接收机的电场强度矢量，如图7所示，主要包括如下步骤701至步骤703：

步骤701、确定各条电磁波到达接收机所在平面时对应的栅格。

该步骤701中，接收机所在平面预先被划分为多个栅格。其中，被划分的栅格数量根据对预测结果的精度需求确定，一般情况下，对预测结果的精度要求越高，可以划分的栅格数量越多。由于地球是近似旋转椭球体，因此如果直接采用接收机所在的接收平面F进行电磁波传播预测，会导致方位、距离产生较大的误差，影响预测精度。因此，本发明优选实施例中，在将接收机所在平面预先被划分为多个栅格之前，将接收机所在的接收平面先投影到海平面上，然后划分为大小相等的栅格。

步骤702、根据到达同一栅格的各条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定到达同一栅格的各条电磁波在该栅格上的电场强度矢量。

步骤703、根据接收机所在平面被划分的各栅格上的电场强度矢量，确定满足预测条件的电磁波束到达该接收机的电场强度矢量。

图7对应流程的步骤702中，根据到达同一栅格的各条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定到达同一栅格的各条电磁波在该栅格上的电场强度矢量，主要通过如下步骤：

如上所述，电磁波i在一个障碍物块上的电场强度矢量为那么，该电磁波i到达接收到所在平面的栅格时对应的电场强度矢量为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{E_r}=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\stackrel{\&RightArrow;}{E_i}$

即将电磁波i在各障碍物块上的电场强度矢量求矢量和。

在实际应用中，接收机所在的接收平面的一个栅格上可能有多条电磁波到达，那么，到达同一栅格的各条电磁波在该栅格上的电场强度矢量，可通过如下公式确定：

其中，P_ij为接收机所在接收平面上的第i行、第j列栅格上的电场强度矢量，n表示到达第i行、第j列栅格的电磁波数目。

图7对应流程的步骤702中，根据接收机所在平面被划分的各栅格上的电场强度矢量，确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量，通过如下公式表示满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量：

$P=\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{12}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{1n}\\ P_{21}& P_{22}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{2n}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ P_{m1}& P_{m2}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

本发明实施例一还提供了一个优选实施例，该实施例在图1所示流程的基础上，在确定各条电磁波到达接收机所在平面时对应的栅格后，进一步执行如下过程：

根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，分别确定每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量；

根据每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和，估计该栅格上的的路径损耗，该路径损耗可以反映出信道的衰减情况，一般情况下，路径损耗越大，信道的衰减也越大。

其中，根据每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和，估计该栅格上的的路径损耗，具体通过如下公式：

$\mathrm{PL}\left(\mathrm{dB}\right)=H+I{\log }_{10}f-\mathrm{J\&delta;lg}\frac{{|E}_r|}{\left|E_0\right|}+L_A+B{\log }_{10}\left(D\right)+L_{\mathrm{ant}}+L_{\mathrm{clutTer}}$

其中：

H为常数，优选地，可以取值为-27.56；

I为常数，优选地，可以取值为20；

J为常数，优选地，可以取值为10；

E_r为确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和；L_clutter为地物损耗，包括地物衰减和建筑物穿透损耗，其中，该地物衰减和建筑物穿透损耗为测量统计值，不同材料的建筑物类型，其建筑物穿透损耗不同；不同的地物类型，其衰减值也不相同；

L_ant为因直射路径或多径叠加合成而产生的天线损耗，包括天线修正值(该值为统计值)；

D为发射机与接收机间的距离，一般取单位：米；

L_A为附加损耗估计值，该估计值由接收机位于近场或远场的附加损耗和每十米附加损耗的统计值确定；

δ为确定型损耗的权值，需根据预测地域环境测量统计获得，一般密集城区建议取0.76。

以上所述是基于一个发射机的电磁波传播预测过程，但在实际的无线网络移动通信中，接收平面中接收到的发射源信号不只一个。所以对于接收平面中每一个栅格将会接收到来自M个发射源的信号，根据本发明实施例一提供的技术方案，在分别得到M个发射源的电磁波信号到达接收平面上的电场强度矢量后，可以根据该结果进行最佳服务小区确定，例如，选取六个场强最强的发射源并将其相关信息记录于矩阵中，并以接收场强最强的发射源(小区)来表述该栅格，其场强便是最佳接收电平，发射源号(小区号)便是最佳服务小区。

实施例二

本发明实施例二提供了一种无线电磁波传播预测装置，通过该装置对无线电磁波进行预测，能够提高无线电磁波传播预测结果的准确性。

如图8所示，本发明实施例二提供的无线电磁波传播预测装置，包括：

电磁波束确定单元801、可见关系树获取单元802、传播特性确定单元803、第一电场强度矢量确定单元804以及第二电场强度矢量确定单元805；

其中：

电磁波束确定单元801，用于确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束；

可见关系树获取单元802，用于获取该发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树，其中，所述可见关系树的根节点对应所述发射机的相对位置，所述关系树的各级子节点对应所述发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置；

传播特性确定单元803，用于根据可见关系树获取单元802获取的可见关系树，确定电磁波束确定单元801确定的电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性；

第一电场强度矢量确定单元804，用于根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

第二电场强度矢量确定单元805，用于根据第一电场强度矢量确定单元804确定出的每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的电磁波束确定单元801，具体用于：

根据发射机发射的各电磁波束的角度以及接收机所在的接收面，确定与所述接收面存在交点的电磁波束；

根据确定出的所述电磁波束以及所述发射机与所述接收机之间的各障碍物所在的平面，确定同一电磁波束中至少有设定条电磁波与同一障碍物平面存在交点的电磁波束为满足预测条件的电磁波束。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的电磁波束确定单元801，具体用于：

根据发射机发射的各电磁波束的角度以及接收机所在的接收面，确定与所述接收面存在交点的电磁波束，其中，发射机发射各电磁波束的方式为：根据大地测量的椭球体理论，以所述发射机为球心的球的内接多面体模拟波前发射电磁波束，其中，所述多面体的每个面为正三角形，并且所述每个面被划分为至少一个三角形；根据所述球心与每个面被划分得到的三角形的顶点的连线，确定所述电磁波束的角度。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的可见关系树获取单元802，具体用于：

获取根据多分辨率地理信息数据生成的所述发射机所在预测区域的可见关系树。

如图9所示，本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的传播特性确定单元803，还可以进一步包括：

反射及透射确定模块803A，用于根据可见关系树获取单元获取的所述可见关系树，确定所述障碍物分块所在的矩形平面；根据所述电磁波的参数方程以及所述障碍物分块所在的矩形平面方程，确定所述电磁波与所述矩形平面的交点；若确定所述交点在所述障碍物分块对应的区域内，确定所述电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射。

具体地，图9中所示的反射及透射确定模块803A，具体用于：

在确定所述交点满足设定公式时，确定所述交点在所述障碍物分块对应的矩形区域内，所述设定公式包括：

其中：

表示所述发射机所在的位置到该交点的线段矢量；

和分别表示所述障碍物分块对应的矩形区域的两条相交并相互垂直的边；

表示所述发射机所在的位置到和相交的顶点的线段矢量。

如图10所示，本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的传播特性确定单元803，还可以进一步包括：

绕射确定模块803B，用于根据可见关系树获取单元802获取的所述可见关系树以及所述地理信息数据，确定所述障碍物分块对应的矩形区域的各边缘端点坐标；根据各边缘端点坐标以及所述电磁波的张角、所述电磁波所在电磁波束的中心线以及扇面中心线，确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交；若确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的至少一个边缘端点相交，则确定所述电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射。

具体地，上述绕射确定模块803B，具体用于：

确定所述边缘端点坐标到所述电磁波所在电磁波束的中心线的距离；

根据边缘端点坐标以及确定的所述距离，确定所述边缘端点与所述电磁波的起点连线与所述扇面中心线的夹角；

若所述夹角大于所述电磁波张角的一半，并且所述边缘端点到所述中心线的垂线与所述中心线的交点参数大于零，则确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的边缘相交，否则不相交；其中，所述边缘端点到所述中心线的垂线与所述中心线的交点参数t_i通过如下公式确定：

$t_i=\cos \mathrm{\&beta;}(\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}$

其中：

β为所述边缘端点与所述电磁波的起点连线与所述扇面中心线的夹角；

(x₁,y₁)为所述边缘端点的坐标；

(x₀,y₀)为所述电磁波起点的坐标。

实际应用中，图8所示的传播特性确定单元803可以同时包括上述的反射及透射确定模块803A以及绕射确定模块803B。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的第一电场强度矢量确定单元804，具体用于：

通过如下公式确定所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量，：

其中：

为第i条电磁波在当前子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

为距发射点设定米处的电场强度矢量；

G_ti和G_ri分别为发射天线和接收天线的方向性系数；

L_i(S)为第i条电磁波到达当前子节点所对应的障碍物块所经过路径S在自由空间的衰减；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上反射的反射系数，入射角为θ_ji，其中，j表示当前为该电磁波第j次反射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上透射的透射系数，入射角为其中，k表示当前为该电磁波第k次透射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上绕射的绕射系数，入射角为其中，m表示当前为该电磁波第m次绕射。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的第二电场强度矢量确定单元805，具体用于：

确定所述各条电磁波到达所述接收机所在平面时对应的栅格，其中，所述接收机所在平面预先被划分为多个栅格；

根据到达同一栅格的各条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定到达同一栅格的各条电磁波在该栅格上的电场强度矢量；

根据所述接收机所在平面被划分的各栅格上的电场强度矢量，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的第二电场强度矢量确定单元805，具体用于：

通过如下公式确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量：

$P=\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{12}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{1n}\\ P_{21}& P_{22}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{2n}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ P_{m1}& P_{m2}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中，P_ij为所述接收机所在平面上的第i行、第j列栅格上的电场强度矢量。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的第二电场强度矢量确定单元805，还用于：

在确定所述各条电磁波到达所述接收机所在平面时对应的栅格后，根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，分别确定每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量；并根据确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和，估计所述栅格上的的路径损耗。

本发明实施例二提供的优选实施例中，图8所示的第二电场强度矢量确定单元805，具体用于：

通过如下公式估计所述栅格上的的路径损耗：

$\mathrm{PL}\left(\mathrm{dB}\right)=-27.56+20{\log }_{10}f-10\mathrm{\&delta;lg}\frac{{|E}_r|}{\left|E_0\right|}+L_A+B{\log }_{10}\left(D\right)+L_{\mathrm{ant}}+L_{\mathrm{clutTer}}$

其中：

E_r为确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和；L_clutter为地物损耗；L_ant为因直射路径或多径叠加合成而产生的天线损耗；D为发射机与接收机间的距离；L_A为附加损耗估计值；δ为确定型损耗的权值。

应当理解，以上无线电磁波传播预测装置包括的单元仅为根据该装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的无线电磁波传播预测装置所实现的功能与上述实施例一提供的无线电磁波传播预测方法流程一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

通过本发明实施例提供的上述至少一个技术方案，在对无线电磁波传播预测时，首先确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束，获取发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树，其中，该可见关系树的根节点对应发射机的相对位置，关系树的各级子节点对应发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置；进一步根据获取的可见关系树，确定电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性，并根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量，根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。根据该技术方案，在对电磁波传播预测时考虑了电磁波的传播特性，根据电磁波的实际传播特性预测电磁波的传播，从而提高了无线电磁波传播预测结果的准确性，能够更好地指导实际网络的规划。

本发明实施例提供的技术方案，在获得以上技术效果的基础上，结合目前实际的无线通信应用场景，还能够带来以下技术效果：

本发明实施例提供的技术方案考虑了3G通信系统的自身特性，适用于3G移动通信系统的无线电磁波预测。

由于以GSM系统为代表的2G系统是一个采用的是异频窄带系统、支持的业务相对较少，对于窄带信号传输，只要知道空间各处的平均功率电平(覆盖)和衰落统计就足够了，传播环境所产生的多径现象可以作为接收信号包络的变化或衰落来处理；同时由于GSM网络采用的是异频系统，不存在同频干扰，网络规划中主要考虑的是网络覆盖以及频率复用等。然而，TD-SCDMA系统与TDD-LTE系统是共享系统带宽的，是自干扰系统，其上下行、本小区、邻小区都可能存在干扰。因此3G系统网络规划不仅需要考虑网络覆盖，还要考虑干扰控制，同时对于高速数字或其它宽带信号来说，多径效应会导致频率选择性衰落，在接收机处产生离散的信号脉冲。当接收检测器试图对这种离散的传输数据脉冲解码时，延迟的信号脉冲就引起码间干扰(ISI)。因此需要更加精确的电磁波预测结果指导实际的网络规划，而传统传播模型精确性相对较低，不能够满足TD-SCDMA网络规划及LTE系统的需要。本发明实施例提供的技术方案，对电磁波预测的准确性高，能够更好地适用于3G系统。

另外，TD-SCDMA和TDD-LTE等3G系统工作频率较高，此频段无线电磁波传输有其不同于其它频段的特点，包括其绕射性能、散射性能、反射性能及波导效应，都有所改变。此频段无线电磁波波长更小，其绕射能力更弱，受到障碍物阻挡而性能的阴影效应相比较其它频段更明显；因电磁波波长更短，更易发生反射，更易多个障碍物产生多径传播和多径衰落；于此同时，3G系统频段无线电磁波更易受到小的障碍物的影响，形成散射，造成损耗；同时，3G系统频段电磁波波导效应更易发生，本发明实施例提供的技术方案充分考虑了电磁波的上述传播特性，能够更好地满足3G系统的覆盖预测的需要。

另外，在传统无线规划工作中，规划人员需逐步统计划分具有不同无线传播特性的场景，通过大量数据采集得到统计值，效率低下且精度受限，而本发明实施例无需针对大量数据进行统计以得到统计值，因此，提高了效率，并且预测结果为实测值，相对于传统的统计值，精度有所提高。

另外，本发明为了支持TDD-LTE等3G系统的规划工作，采用高精度的三维数字地图，在视距范围和非视距范围内，严格计算入射电磁波、绕射电磁波、反射电磁波、折射电磁波的幅度、相位和极化方向，依据对高精度电子地图的数据预存和预分析，选取合适的递归深度。在保证计算精度的同时，为了提高计算速度，在高精度三维电子地图的数据预存与建模的基础上，采用了智能的无线电磁波传播路径选取算法进行传播预测。针对宽带高频，智能调节反射、绕射、折射及透射的各电传参数，使之贴合TDD-LTE的高频和宽频特性，良好支持TDD-LTE的无线规划工作。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (22)

1.一种无线电磁波传播预测方法，其特征在于，包括：

确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束；

获取所述发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树，其中，所述可见关系树的根节点对应所述发射机的相对位置，所述关系树的各级子节点对应所述发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置；

根据获取的所述可见关系树，确定所述电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性；

根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

根据所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量；

其中，电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射；

根据获取的所述可见关系树，确定电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射，包括：

根据所述可见关系树，确定所述障碍物分块所在的矩形平面；

根据所述电磁波的参数方程以及所述障碍物分块所在的矩形平面方程，确定所述电磁波与所述矩形平面的交点；

若确定所述交点在所述障碍物分块对应的区域内，确定所述电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射；或者，

电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射；

根据获取的所述可见关系树，确定电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射，包括：

根据所述可见关系树以及所述地理信息数据，确定所述障碍物分块对应的矩形区域的各边缘端点坐标；

根据各边缘端点坐标以及所述电磁波的张角、所述电磁波所在电磁波束的中心线以及扇面中心线，确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交；

若确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的至少一个边缘端点相交，则确定所述电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束，包括：

根据发射机发射的各电磁波束的角度以及接收机所在的接收面，确定与所述接收面存在交点的电磁波束；

根据确定出的所述电磁波束以及所述发射机与所述接收机之间的各障碍物所在的平面，确定同一电磁波束中至少有设定条电磁波与同一障碍物平面存在交点的电磁波束为满足预测条件的电磁波束。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射机发射电磁波束的方式以及所述电磁波束的角度的确定方式包括：

根据大地测量的椭球体理论，以所述发射机为球心的球的内接多面体模拟波前发射电磁波束，其中，所述多面体的每个面为正三角形，并且所述每个面被划分为至少一个三角形；

根据所述球心与每个面被划分得到的三角形的顶点的连线，确定所述电磁波束的角度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可见关系树根据多分辨率地理信息数据生成。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述交点满足设定公式时，确定所述交点在所述障碍物分块对应的矩形区域内，所述设定公式包括：

其中：

表示所述发射机所在的位置到该交点的矢量线段；

和表示所述障碍物分块对应的矩形区域的两条相交并相互垂直的边；

表示所述发射机所在的位置到和相交的顶点的矢量线段。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据边缘端点坐标以及所述电磁波的张角、所述电磁波所在电磁波束的中心线以及扇面中心线，确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交，包括：

确定所述边缘端点坐标到所述电磁波所在电磁波束的中心线的距离；

根据边缘端点坐标以及确定的所述距离，确定所述边缘端点与所述电磁波的起点连线与所述扇面中心线的夹角；

若所述夹角大于所述电磁波张角的一半，并且所述边缘端点到所述电磁波所在电磁波束的中心线的垂线，与所述电磁波所在电磁波束的中心线的交点参数大于零，则确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的边缘相交，否则不相交；其中，所述边缘端点到所述电磁波所在电磁波束的中心线的垂线与所述电磁波所在电磁波束的中心线的交点参数t_i通过如下公式确定：

$t_i=\cos \mathrm{\&beta;}\left(\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}\right)$

其中：

β为所述边缘端点与所述电磁波的起点连线与所述扇面中心线的夹角；

(x₁,y₁)为所述边缘端点的坐标；

(x₀,y₀)为所述电磁波起点的坐标。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量，通过如下公式：

其中：

为第i条电磁波在当前子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

为距发射点设定米处的电场强度矢量；

G_ti和G_ri分别为发射天线和接收天线的方向性系数；

L_i(S)为第i条电磁波到达当前子节点所对应的障碍物块所经过路径S在自由空间的衰减；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上反射的反射系数，入射角为θ_ji，其中，j表示当前为该电磁波第j次反射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上透射的透射系数，入射角为其中，k表示当前为该电磁波第k次透射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上绕射的绕射系数，入射角为其中，m表示当前为该电磁波第m次绕射。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量，包括：

确定各条电磁波到达所述接收机所在平面时对应的栅格，其中，所述接收机所在平面预先被划分为多个栅格；

根据到达同一栅格的各条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定到达同一栅格的各条电磁波在该栅格上的电场强度矢量；

根据所述接收机所在平面被划分的各栅格上的电场强度矢量，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述接收机所在平面被划分的各栅格上的电场强度矢量，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量，包括：

通过如下公式确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量：

$P=\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{12}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{1n}\\ P_{21}& P_{22}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{2n}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ P_{m1}& P_{m2}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中，P_ij为所述接收机所在平面上的第i行、第j列栅格上的电场强度矢量。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，确定所述各条电磁波到达所述接收机所在平面时对应的栅格后，还包括：

根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，分别确定每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量；

根据确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和，估计所述栅格上的的路径损耗。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，根据确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和，估计所述栅格上的的路径损耗，通过如下公式：

$\mathrm{PL}\left(\mathrm{dB}\right)=H+I{\log }_{10}f-\mathrm{J\&delta;lg}\frac{{|E}_r|}{\left|E_0\right|}+L_A+B{\log }_{10}\left(D\right)+L_{\mathrm{ant}}+L_{\mathrm{clutTer}}$

其中：

H、I、J、B均为常数；f为发射机的发射频率；E₀为距发射点设定米处的电场强度矢量；E_r为确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和；L_clutter为地物损耗；L_ant为因直射路径或多径叠加合成而产生的天线损耗；D为发射机与接收机间的距离；L_A为附加损耗估计值；δ为确定型损耗的权值。

12.一种无线电磁波传播预测装置，其特征在于，包括：

电磁波束确定单元，用于确定发射机发射的电磁波束中满足预测条件的电磁波束；

可见关系树获取单元，用于获取所述发射机所在预测区域的地理信息数据生成的可见关系树，其中，所述可见关系树的根节点对应所述发射机的相对位置，所述关系树的各级子节点对应所述发射机与接收机之间的障碍物分块的相对位置；

传播特性确定单元，用于根据所述可见关系树获取单元获取的所述可见关系树，确定所述电磁波束确定单元确定的电磁波束中的每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性；

第一电场强度矢量确定单元，用于根据每条电磁波到达各级子节点所对应的障碍物块时的传播特性参数，确定所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

第二电场强度矢量确定单元，用于根据所述第一电场强度矢量确定单元确定出的每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量；

其中，所述传播特性确定单元，包括：

反射及透射确定模块，用于根据所述可见关系树获取单元获取的所述可见关系树，确定所述障碍物分块所在的矩形平面；根据所述电磁波的参数方程以及所述障碍物分块所在的矩形平面方程，确定所述电磁波与所述矩形平面的交点；若确定所述交点在所述障碍物分块对应的区域内，确定所述电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为反射及透射；或者，

绕射确定模块，用于根据所述可见关系树获取单元获取的所述可见关系树以及所述地理信息数据，确定所述障碍物分块对应的矩形区域的各边缘端点坐标；根据各边缘端点坐标以及所述电磁波的张角、所述电磁波所在电磁波束的中心线以及扇面中心线，确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的边缘端点是否相交；若确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的至少一个边缘端点相交，则确定所述电磁波到达子节点所对应的障碍物分块时的传播特性为绕射。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述电磁波束确定单元，具体用于：

根据发射机发射的各电磁波束的角度以及接收机所在的接收面，确定与所述接收面存在交点的电磁波束；

根据确定出的所述电磁波束以及所述发射机与所述接收机之间的各障碍物所在的平面，确定同一电磁波束中至少有设定条电磁波与同一障碍物平面存在交点的电磁波束为满足预测条件的电磁波束。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述电磁波束确定单元，具体用于：

根据发射机发射的各电磁波束的角度以及接收机所在的接收面，确定与所述接收面存在交点的电磁波束，其中，发射机发射各电磁波束的方式为：根据大地测量的椭球体理论，以所述发射机为球心的球的内接多面体模拟波前发射电磁波束，其中，所述多面体的每个面为正三角形，并且所述每个面被划分为至少一个三角形；根据所述球心与每个面被划分得到的三角形的顶点的连线，确定所述电磁波束的角度。

15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述可见关系树获取单元，具体用于：

获取根据多分辨率地理信息数据生成的所述发射机所在预测区域的可见关系树。

16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述反射及透射确定模块，具体用于：

在确定所述交点满足设定公式时，确定所述交点在所述障碍物分块对应的矩形区域内，所述设定公式包括：

其中：

表示所述发射机所在的位置到该交点的矢量线段；

和表示所述障碍物分块对应的矩形区域的两条相交并相互垂直的边；

表示所述发射机所在的位置到和相交的顶点的矢量线段。

17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述绕射确定模块，具体用于：

确定所述边缘端点坐标到所述电磁波所在电磁波束的中心线的距离；

根据边缘端点坐标以及确定的所述距离，确定所述边缘端点与所述电磁波的起点连线与所述扇面中心线的夹角；

若所述夹角大于所述电磁波张角的一半，并且所述边缘端点到所述电磁波所在电磁波束的中心线的垂线，与所述电磁波所在电磁波束的中心线的交点参数大于零，则确定所述电磁波与所述障碍物分块对应的矩形区域的边缘相交，否则不相交；其中，所述边缘端点到所述电磁波所在电磁波束的中心线的垂线与所述电磁波所在电磁波束的中心线的交点参数t_i通过如下公式确定：

$t_i=\cos \mathrm{\&beta;}\left(\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}\right)$

其中：

β为所述边缘端点与所述电磁波的起点连线与所述扇面中心线的夹角；

(x₁,y₁)为所述边缘端点的坐标；

(x₀,y₀)为所述电磁波起点的坐标。

18.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一电场强度矢量确定单元，具体用于：

通过如下公式确定所述每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量，：

其中：

为第i条电磁波在当前子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量；

为距发射点设定米处的电场强度矢量；

G_ti和G_ri分别为发射天线和接收天线的方向性系数；

L_i(S)为第i条电磁波到达当前子节点所对应的障碍物块所经过路径S在自由空间的衰减；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上反射的反射系数，入射角为θ_ji，其中，j表示当前为该电磁波第j次反射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上透射的透射系数，入射角为其中，k表示当前为该电磁波第k次透射；

为第i条电磁波在到达的障碍物块上绕射的绕射系数，入射角为其中，m表示当前为该电磁波第m次绕射。

19.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第二电场强度矢量确定单元，具体用于：

确定各条电磁波到达所述接收机所在平面时对应的栅格，其中，所述接收机所在平面预先被划分为多个栅格；

根据到达同一栅格的各条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，确定到达同一栅格的各条电磁波在该栅格上的电场强度矢量；

根据所述接收机所在平面被划分的各栅格上的电场强度矢量，确定所述满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第二电场强度矢量确定单元，具体用于：

通过如下公式确定满足预测条件的电磁波束到达所述接收机的电场强度矢量：

$P=\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{12}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{1n}\\ P_{21}& P_{22}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{2n}\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ P_{m1}& P_{m2}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& P_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中，P_ij为所述接收机所在平面上的第i行、第j列栅格上的电场强度矢量。

21.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第二电场强度矢量确定单元，还用于：

在确定所述各条电磁波到达所述接收机所在平面时对应的栅格后，根据每条电磁波在各级子节点所对应的障碍物块上的电场强度矢量的矢量和，分别确定每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量；并根据确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和，估计所述栅格上的的路径损耗。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述第二电场强度矢量确定单元，具体用于：

通过如下公式估计所述栅格上的的路径损耗：

$\mathrm{PL}\left(\mathrm{dB}\right)=-27.56+20{\log }_{10}f-10\mathrm{\&delta;lg}\frac{{|E}_r|}{\left|E_0\right|}+L_A+B{\log }_{10}\left(D\right)+L_{\mathrm{ant}}+L_{\mathrm{clutTer}}$

其中：

B为常数；f为发射机的发射频率；E₀为距发射点设定米处的电场强度矢量；E_r为确定出的每条电磁波在所述栅格上的电场强度矢量的矢量和；L_clutter为地物损耗；L_ant为因直射路径或多径叠加合成而产生的天线损耗；D为发射机与接收机间的距离；L_A为附加损耗估计值；δ为确定型损耗的权值。