CN102986152B - 电磁波传播特性的分析方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种射线传播特性的分析方法和装置。该方法主要包括：根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树，根据所述发射源和接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的传播路径，计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强。利用本发明实施例，建立了一种新型的二叉树结构的包括多级虚拟源的新型的虚拟源树，根据上述虚拟源树可以建立较为准确的传播模型，从而可以有效地对电磁波的传播路径、场强等传播特性进行分析。

Description

电磁波传播特性的分析方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种电磁波传播特性的分析方法和装置。

背景技术

随着我国无线通信事业的蓬勃发展，人们对通信质量的要求也越来越高，并对通信软、硬件设施的改善和改进，以及网络规划的合理实施提出了更高的要求。因此，网络规划是移动网络建设过程中一个必不可少的环节。

通常，传播模型(propagation model，PM)是网络规划的基础，是对无线传输信道的一种模拟和仿真，用来预测接收信号的场强，其主要研究对象是传播路径上障碍物阴影效应带来的慢衰落影响。PM的研究就是为了给运营商在网络规划的初期阶段提供一个较为准确的理论依据，以便于指导网络的规划。若没有良好的传播模型的预测，选择基站位置和高度的惟一方法就是通过实际测量来反复测试。显然这会浪费大量的人力、时间，费用也会很高。

目前，通信业界对PM大致可分为两类：统计模型和理论性模型。理论性模型是通过对具体的环境直接应用电磁场理论进行计算，该模型适合室内、微小区和大城市中心区的传播模型预测，比较有代表性的就是射线跟踪(RayTracing，RT)模型。RT是一种被广泛用于移动通信和个人通信环境(街道微蜂窝和室内微微蜂窝)中的预测无线电波传播特性的技术，可以用来辨认出多径信道中收发之间所有可能的射线路径。

现有技术中的一种RT模型的实现方法为镜像理论方法，该方法建立在反射定律、折射定律和解析几何理论的基础之上，其理论根据是唯一性定理，而且由几何光学可知，反射线可以通过寻找镜像点的办法来得到，进而确定射线的传播路径。因此，该方法可以应用于微小区的电波传播预测中。

在实现本发明过程中，发明人发现上述现有技术中的镜像理论方法至少存在如下问题：在上述镜像理论方法中，源像点对反射面产生镜像点，而这些镜像点又对于反射面产生新的镜像点，而这些新的镜像点又可以产生新的镜像点，如此继续下去所得的镜像数目会多的惊人，计算起来也十分困难。因此，该方法对于环境障碍物几何形状过于复杂的情形，应用起来比较困难。在该方法中，每一次跟踪过程均与接收点的位置有关，使得跟踪软件不能做得很通用。

发明内容

本发明的实施例提供了一种射线传播特性的分析方法和装置，以实现有效地对射线传播路径等传播特性进行分析。

一种电磁波传播特性的分析方法，根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树，所述方法具体包括：

根据所述发射源和接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的传播路径；

计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强。

一种电磁波传播特性的分析装置，包括：

虚拟源树建立模块，用于根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树；

传播路径获取模块，用于根据所述发射源和接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的传播路径；

场强计算模块，用于计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立了一种新型的二叉树结构的包括多级虚拟源的新型的虚拟源树，根据上述虚拟源树可以建立较为准确的传播模型，从而可以有效地对电磁波的传播路径、场强等传播特性进行分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种射线传播特性的分析方法的处理流程图；

图2(a)为本发明实施例一提供的一种建筑物嵌套处理前的某地区中的所有建筑物的二维几何信息示意图；

图2(b)为本发明实施例一提供的一种建筑物嵌套处理后的某地区中的所有建筑物的二维几何信息示意图；

图3a为本发明实施例一提供的一种发射源的辐射范围示意图；

图3b为本发明实施例一提供的一种反射源的辐射范围示意图；

图3c为本发明实施例一提供的一种绕射源的辐射范围示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种虚拟源树的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种简单环境的二维示意图；

图6为本发明实施例一提供的根据图5所示的二维环境，依据发射源的位置建立的虚拟源树的示意图；

图7为本发明实施例一提供的一种添加了Rx结点的虚拟源树的示意图；

图8为本发明实施例一提供的一种虚拟源树中的有效结点、无效结点的示意图；

图9为本发明实施例一提供的一种通过20个有序结点链表代表的从接收点到发射源的二维路径示意图；

图10为本发明实施例一提供的一种将一条二维路径扩展成两条三维路径的示意图；

图11为本发明实施例一提供的一种包含某地区的所有建筑物的二维几何信息的地图；

图12为基于图11所示的地图，本发明实施例一提供的一种发射天线与接收点间的所有二维射线路径示意图；

图13为基于图11所示的地图，本发明实施例一提供的一种发射天线与接收点间的所有三维射线路径示意图；

图14为本发明实施例一提供的一种街道slater上仿真与实测的对比示意图；

图15本发明实施例一提供的一种为街道laurier上仿真与实测的对比示意图；

图16为本发明实施例一提供的一种街道queen上仿真与实测的对比示意图；

图17为本发明实施例提供的一种射线传播特性的分析装置的具体实现结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

该实施例提供的一种电磁波传播特性的分析方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤11、根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树。

步骤12、根据上述发射源和接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的传播路径。

具体的，上述传播路径可以为二维路径和三维路径。

步骤13、计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强。

进一步地，根据上述接收点对应的场强可以计算出接收点对应的路径损耗。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过根据预先存储的一定区域内的建筑物的二维几何信息等环境信息和发射源的位置，建立了一种新型的二叉树结构的包括多级虚拟源的新型的虚拟源树，根据上述虚拟源树可以建立较为准确的传播模型，从而可以有效地对电磁波的的传播路径、场强等传播特性进行分析。

下面以上述电磁波为射线为例来说明本发明实施例。

具体的，上述步骤11中的根据预先存储的一定区域内的建筑物的二维几何信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树，可以包括：

步骤111、获取一定区域内的所有建筑物的二维几何信息，上述二维几何信息是对建筑物投影到地面上的轮廓的描述，该投影形成的轮廓为一多边形，该多边形的顶点为建筑物上垂直地面的墙角在地面上的投影，故，该多边形的顶点也称为建筑物的顶点。按照传统数字地图中存放建筑物的二维几何信息的格式存储上述所有建筑物的二维几何信息。

对上述存储的所有建筑物的二维几何信息进行优化处理，去除掉嵌套在其它建筑物内部的建筑物的二维几何信息，建筑物的套嵌问题是由同一建筑上高度不同的部分在地面上的投影所造成的，该实施例提供的一种建筑物嵌套处理前的某地区中的所有建筑物的二维几何信息如图2(a)所示，建筑物嵌套处理后的某地区中的所有建筑物的二维几何信息如图2(b)所示。

本发明实施例设定逆时针顺序为每个建筑物顶点的标准存放顺序，基于此标准存储顺序，通过算法来识别每个建筑物顶点的存储顺序是否为上述标准存储顺序，如果建筑物的顶点顺序是顺时针存放的，则将顶点顺序改成逆时针存放。

在实际应用中，还可以设定顺时针顺序为每个建筑物顶点的标准存放顺序。上述建筑物嵌套处理可以在上述建筑物顶点的存放顺序调整处理之前或者之后进行。

步骤112、根据所述存储的建筑物的二维几何信息和发射源的位置，找出和所述发射源相关的可见墙面和可见的建筑物的墙角，根据所述可见墙面和可见的建筑物的墙角获取各个级别的虚拟源，建立包括多级虚拟源的虚拟源树。

上述虚拟源树的具体建立过程包括：

(a)首先定义三类源：第一类是发射源，由发射天线形成；第二类是由墙面反射所产生的反射线，由IT(lmage Theory，镜像原理)可知，这些反射线可以看作是一个虚拟源-实际源的镜像所产生的，称之为反射源；第三类是由墙角发生绕射时所产生的绕射线，同样这些射线也可以看作是一个虚拟源-绕射源所产生的。由于反射面有一定大小，边缘角有一定内角，射线在经过反射(绕射)后，射线可能经过的区域就在一定范围内，这个范围就是进行射线跟踪的有效区域，上述发射源的辐射范围如图3a所示，上述反射源的辐射范围如图3b所示，上述绕射源的辐射范围如图3c所示。其次，在寻迹过程中绕射损耗一般比反射损耗大，所以在设置反、绕射次数时有必要对射线路径及路径上牵涉到的射线类型进行区别对待，故引入类型权重的概念。在仿真时，反射的射线类型权重值为1，绕射的射线类型权重值为3。同时，设定每条射线路径上所允许最大的反、绕射的射线类型权重值总和为限制数，这个限制数决定了虚拟源树的深度。

(b)找出发射源所有的可见墙面(此墙面经过遮挡测试后，不可见的部分被裁剪掉)，以及发射源可视的建筑物的墙角，将发射源相对于上述可见墙面产生的镜像点作为一级反射源，将上述可见的建筑物的墙角作为一级绕射源，将所述一级反射源和一级绕射源称为一级虚拟源。

(c)找到一级虚拟源后，对于一级虚拟源内所有一级反射源依次做如下操作：在产生一级反射源的可见面与该一级反射源所决定的反射范围内，进行类似步骤(b)的操作，即找出所有一级反射源的可见墙面和可见的建筑物的墙角，将所述一级发射源相对于可见墙面产生的镜像点作为二级反射源，将所述可见的建筑物的墙角作为二级绕射源，从而找出了所有一级反射源的所有下一级虚拟源。对于一级虚拟源内所有一级绕射源依次做如下操作：将一级绕射源看作等效源，找出一级绕射源的边缘可视区域内所有的可见墙面和可见墙角，将所述一级绕射源相对于可见墙面产生的镜像点作为二级反射源，将所述可见的建筑物的墙角作为二级绕射源，从而找出了所有一级绕射源的所有下一级虚拟源，这样就找出了所有的二级虚拟源。

依次类推，就可以找出更高级的虚拟源，直到有射线路径上所允许最大的反、绕射的射线类型权重值总和大于或者等于上述限制数。然后，把所有不同级别的虚拟源按照二叉树形的结构进行存储，构成所述虚拟源树。该实施例提供的一种虚拟源树的结构示意图如图4所示，在图4中，包括5个一级、二级虚拟源，4个三级虚拟源。在所述虚拟源树中，同级别的虚拟源并列排列，每个低级别的虚拟源都和至少一个高级别的虚拟源相连，通过椭圆形圈在一起的同级虚拟源具有相同的上级虚拟源。

上述虚拟源树中的结点与其左子树的关系类似于“父子”关系，结点与右子树的关系类似于“兄弟”关系，故上述虚拟源树是一种“左儿子右兄弟”关系的二叉树结构。

对于上述虚拟源树同一劈的直棱上不同的绕射源而言，其可见面、可见墙角和可见接收点是完全相同的，因此在建立上述虚拟源树的过程中，保存了绕射源的可见面、可见墙角和可见接收点的结果，从而避免了同一绕射源的重复处理所带来的额外时间消耗，尤其是在需要大量预测点对整个微小区进行信号覆盖预测时，这个效果会更明显。

在建立上述虚拟源树的过程中，利用限制数来控制每条射线路径上最大的反射和绕射次数，并考虑到绕射损耗相对于反射损耗较大的实际情况，本发明实施例设置了绕射后的最大传播距离(称之为绕射距离)。这两方面的设置有效地避免了对接收点的场强贡献很弱的射线路径的搜索时间，并且几乎不影响最后的预测精度。

具体的。上述步骤12中的根据接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的二维路径的具体处理过程可以包括：

以图5所示的简单环境的二维示意图为例，该环境包含两个建筑物，八个字母a→h代表墙角，八个阿拉伯数字1→8代表垂直地面的墙面，Tx代表发射源(发射天线)，Rx代表接收点，在下面各图中的含义相同。根据接收点的位置查询所述虚拟源树，以此获得所有从发射源到达接收点的二维路径的步骤如下：

步骤一：根据图5所示的二维环境，依据发射源的位置建立如图6所示的虚拟源树。该虚拟源树只是计算到二级虚拟源，当然了，此树计算还可以得到更高级的虚拟源。这里需要说明的是，在建立树的过程与接收点位置无关，虚拟源树只和发射源的位置有关。

步骤二：将包含图5中接收点Rx位置信息的结点加入到虚拟源树中，在Rx结点加入时，进行如下两个操作：

操作一：找出同级结点中最后一个结点，并在后面添加Rx结点作为该结点的右子树。

操作二：找出没有左子树的结点，在该结点后面添加Rx结点作为左子树。

以上两个操作完成后，就得到添加Rx结点的虚拟源树，如图7所示

步骤三：对加入的Rx结点进行有效性判断，这里需要两个操作：

操作一：对于添加到同级结点中最后一个结点后面的Rx结点，根据图5所示的简单环境的二维示意图，判断接收点是否被该同级结点的同一个父结点直接可见(没有遮挡)，如果是，则该接收点有效。

操作二：对于添加到没有左子树的结点后面的Rx结点，判断接收点是否被该结点直接可见，如果是，则该接收点有效。

图8中的箭头所指的接收点和结点e同一个父结点是d，根据图5所示的简单环境的二维示意图，将d和接收点进行连线，将遇到墙面2的阻挡，因此，图8中的箭头所指的接收点是无效的。依据上面的判断原则，图8中的其它接收点均有效。

步骤四：从每个Rx结点出发，以此需找其父结点，直到找到发射源，这样的话就找到了所有的有序结点链表，根据图8一共可以找到20条有序结点链表。得到的20条有序结点链表如下所示：

Rx→2→h→Tx；Rx→a→h→Tx；Rx→b→h→Tx；Rx→h→Tx；Rx→5→a→Tx；

Rx→e→a→Tx；Rx→h→a→Tx；Rx→a→Tx；Rx→5→b→Tx；Rx→e→b→Tx；

Rx→h→b→Tx；Rx→b→Tx；Rx→a→e→Tx；Rx→b→e→Tx；Rx→e→Tx；

Rx→a→5→Tx；Rx→b→5→Tx；Rx→5→Tx；Rx→e→d→Tx；Rx→Tx.

步骤五：在所有的有序链表中，只需处理含有反射源类型的有序链表，对于虚拟源类型为反射源的结点，要用此反射源在对应面上的反射点坐标代替反射源结点中反射源的位置坐标即可。本实例中有六个有序结点链表需要进行处理，这六个为：

Rx→2→h→Tx；Rx→5→a→Tx；Rx→5→b→Tx；Rx→a→5→Tx；Rx→b→5→Tx；Rx→5→Tx

处理后的六个有序结点链表后，20个有序结点链表代表20有效的从接收点到发射源的二维路径(如图9所示)

具体的，上述步骤13中的根据所述发射源和所述接收点的高度，将所述二维路径转换为三维路径，包括：

根据所述发射源和接收点的高度，把每条二维路径扩展成一条有地面反射参与的三维路径和一条无地面反射参与的三维路径；

所述有地面反射参与的三维路径中包括：反射源和/或绕射源、地面反射点、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源、地面反射点根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到；

所述无地面反射参与的三维路径中包括反射源和/或绕射源、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到。

该实施例提供的一种将一条二维路径扩展成两条三维路径的示意图如图10所示，在图10中，y方向代表相对于地面的高度，将两条三维射线路径和一条二维路径都拉伸到一个平面内。

在图10中，将发射源和接收点直接相连，得到无地面反射的三维路径。

以接收点为起点，作垂直于x方向的向下的直线，并且该直线的长度为所述接收点的高度的两倍。作发射源和该直线的另一个端点的连线，该连线与X方向的交点为地面反射点，作发射源、地面反射点和接收点之间的连线，得到有地面反射的三维路径。

针对二维路径上的每个反射点或者或绕射点作垂直于x方向的向上的直线，该直线与上述无地面反射的三维路径或者有地面反射的三维路径的交点为上述二维路径上的每个反射点或者或绕射点在相应三维路径上的映射点。

对所有的二维射线路径做同样的操作，就可以确定发射源和接收点间的所有三维射线路径。

基于上述发射源和接收点间的所有三维射线路径，可以计算出上述接收点对应的场强，具体计算过程如下：

计算出所述发射源发射的射线通过不经过任何地面反射、墙面反射和墙角绕射的三维路径，到达所述接收点时的场强

$\stackrel{\→}{E_{\mathrm{LOS}}}=\stackrel{\→}{E_0}\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_0}}{r_0}$ 公式1

上述公式1中的所述k为所述发射源发射的射线的波数，λ为所述发射源发射的射线的波长，所述为所述发射源发射的射线的发射电场强度，所述r₀为所述发射源到所述接收点的直射射线的传播路径长度；

计算出所述发射源发射的射线通过所述有地面反射参与的三维路径或无地面反射参与的三维路径，到达所述接收点时的场强

$\stackrel{\→}{E}=\stackrel{\→}{E^{\mathrm{inc}}}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\stackrel{=}{R_i}\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}\stackrel{=}{D_i}\·\underset{i=1}{\overset{n+m}{\mathrm{\Π}}}{A}_{\mathrm{Si}}\·\underset{i=1}{\overset{n+m}{\mathrm{\Π}}}{e}^{-\mathrm{jk}{r}_i}$ 公式2

上述公式2中的所述为所述发射源发射的射线到达所述三维路径上的第一个反射点或绕射点时的强度，所述r₁为所述发射源到所述三维路径上第一个反射源对应墙面上的反射点或绕射源的直射射线的传播路径长度。

所述n为所述三维路径中包括的反射源的数量，所述m为所述三维路径中包括的绕射源的数量，所述为第i个反射源的并矢反射系数，所述为第i个绕射源的并矢绕射系数，所述A_Si为经过反射或绕射后的扩散因子，所述r_i为第i个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源到第i+1个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源的距离；

将达到所述接收点的所有三维路径上的射线的场强进行合并，得到所述接收点对应的场强预测值E_total。合并所有三维路径上的射线的场强就是取每条三维路径上的射线的场强与上述接收点的接收天线极化方向平行的分量，再求和，就得到了这一场点处的场强预测值E_total，其表达式为

$E_{\mathrm{total}}=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i$ 公式3

上述公式4中的I为达到所述接收点的三维路径的总条数，E_i为第i条三维路径上的射线的场强在天线极化方向上的分量。

然后，根据所述接收点对应的场强预测值_Etotal，计算得到所述接收点对应的路径损耗L：

$L=20\lg |\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·\frac{E_{\mathrm{total}}}{E_0}|$ 公式4

所述λ为所述发射源发射的射线的波数，所述为所述发射源发射的射线的发射电场强度。

该实施例提供的一种包含某地区的所有建筑物的二维几何信息的地图如图11所示，在图11中，包括130个建筑物，共614个面，其建筑物的高度至少三层楼高，是一个典型的室外微小区场景。其有关的电参数设置为：建筑物的相对介电常数ε_r＝9，电导率σ＝0.1S/m；地面的相对介电常数ε_r＝15，电导率σ＝7S/m。发射天线放置在图6中的向下的箭头位置处，高度为8.5m，辐射功率为10w。

依据上述图11中的建筑物的二维几何信息和地面的电参数以及发射天线的位置，就可以建立虚拟源树。然后，基于此虚拟源树就能找出发射天线到任一接收点的所有传播路径。

图12为发射天线与接收点间的所有二维射线路径(其限制数为6)示意图，接收天线在图12中名为Slater、Laurier和Queen的三条街道上移动，高度为3.65m。发射天线和接收天线的参数设置为：垂直单级天线，工作频率为910MHz，水平方向的平均增益为1.0dBi。对图12所示的二维路径进行转化，就得到了图13所示的发射天线与接收点间的所有三维射线路径。

然后，合并通过所有三维射线路径到达接收点处的射线的场强就得到了接收点处的场强预测值，并进行路径损耗计算。只要所选取的接收点足够多，并应用本发明实施例所提供的射线传播特性的分析方法，就可以对不同街道或整个微小区进行覆盖预测：图14为街道slater上仿真与实测的对比，图15为街道laurier上仿真与实测的对比，图16为街道queen上仿真与实测的对比。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过根据预先存储的一定区域内的建筑物的二维几何信息和发射源的位置，建立了一种新型的二叉树结构的包括多级虚拟源的新型的虚拟源树，根据上述虚拟源树可以建立较为准确的传播模型，从而可以有效地对射线传播路径等传播特性进行分析。

上述虚拟源树在体现同级虚拟源结点之间和不同级虚拟源结点之间的关系的同时，其同级虚拟源结点都能访问上一级结点，从而为快速确定射线路径提供方便。上述虚拟源树的建立与发、收天线间所有射线路径的确定是同时进行的，减少了遍历虚拟源树所用的时间，节约了存储所有射线路径所占的内存空间。

本发明实施例使用了环境信息特征的识别和优化处理技术，该技术基于存储几何信息的数据文件，通过建筑物顶点的存储顺序的识别与修改，实现了RT算法的通用性。同时，建筑物套嵌问题的解决以及几何信息的空间分区的预处理，减少了算法运行时所处理的数据量。

本发明实施例在建立上述虚拟源树的过程中，通过对反、绕射射线进行类型权重的设置和对绕射距离的设定，限制了上述虚拟源树的层数，同时几乎没有影响最后的预测精度，很好的实现了计算精度和运算时间的折衷。

实施例二

本发明实施例还提供了一种电磁波传播特性的分析装置，其具体实现结构如图17所示，具体可以包括：

虚拟源树建立模块11，用于根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树；

二维路径获取模块12，用于根据所述发射源和接收点的位置查询所述虚拟源树建立模块所建立的虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的传播路径；

场强计算模块13，用于计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强。

具体而言，所述的虚拟源树建立模块11可以包括：

建筑物二维几何信息存储模块111，用于获取一定区域内的所有建筑物的二维几何信息，去除掉嵌套在其它建筑物内部的建筑物的二维几何信息，将建筑物的二维几何信息进行存储，并且将建筑物的顶点按照设定的顺序进行存放；

虚拟源确定模块112，用于根据所述建筑物二维几何信息存储模块所存储的建筑物的二维几何信息和发射源的位置，找出和所述发射源相关的可见墙面和可见的建筑物的墙角，根据所述可见墙面和可见的建筑物的墙角获取各个级别的虚拟源，建立包括多级虚拟源的虚拟源树。

进一步地，所述的虚拟源树确定模块112可以包括：

一级虚拟源确定模块1121，用于找出所述发射源的一个或者多个可见墙面和可见的建筑物的墙角，将所述发射源相对于可见墙面产生的镜像点作为一级反射源，将所述可见的建筑物的墙角作为一级绕射源，将所述一级反射源和一级绕射源称为一级虚拟源；

多级虚拟源确定模块1122，用于找出所有一级虚拟源的可见墙面和可见的建筑物的墙角，将所述一级虚拟源相对于一级虚拟源的可见墙面产生的镜像点作为二级反射源，将所述一级虚拟源的可见的建筑物的墙角作为二级绕射源，将所述二级反射源和二级绕射源称为二级虚拟源；

依次类推，直到找出了设定数量的级别的反射源和绕射源，将所述设定数量的级别的反射源和绕射源称为设定数量的级别的虚拟源，将每个虚拟源作为一个结点，将所有级别的结点按照树形的结构进行存储，构成所述虚拟源树，在所述虚拟源树中，同级别的结点并列排列，每个低级别的结点都和至少一个高级别的结点相连。

具体而言，所述的传播路径获取模块12可以包括：

二维路径获取模块121，用于在每个同级结点中的最后一个结点的后面添加所述接收点，判断所述接收点是否被所述同级结点的同一个上级结点直接可见，如果是，则确定添加的接收点有效，并将添加的接收点作为同级结点；在没有同级结点的结点的后面添加所述接收点，判断所述接收点是否被所述结点直接可见，如果是，则确定所述接收点有效；从每个有效的接收点出发寻找上级结点，同一级别的结点的数量不能大于1，直到找到发射源，得到从所述发射源到所述接收点的所有二维路径。

三维路径获取模块122，还用于把每条二维路径扩展成一条有地面反射参与的三维路径和一条无地面反射参与的三维路径；

所述有地面反射参与的三维路径中包括：反射源和/或绕射源、地面反射点、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源、地面反射点根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到；

所述无地面反射参与的三维路径中包括反射源和/或绕射源、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到。

具体而言，所述的场强计算模块13，还用于计算出所述发射源发射的电磁波通过不经过任何地面反射、墙面反射和墙角绕射的三维路径到达所述接收点时的场强

$\stackrel{\→}{E_{\mathrm{LOS}}}=\stackrel{\→}{E_0}\frac{e^{-\mathrm{jk}{r}_0}}{r_0}$

所述k为所述发射源发射的电磁波的波数，所述为所述发射源发射的电磁波的发射电场强度，所述r₀为所述发射源到所述接收点的直射电磁波的传播路径长度；

计算出所述发射源发射的电磁波通过所述有地面反射参与的三维路径或无地面反射参与的三维路径，到达所述接收点时的场强

$\stackrel{\→}{E}=\stackrel{\→}{E^{\mathrm{inc}}}\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\stackrel{=}{R_i}\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}\stackrel{=}{D_i}\·\underset{i=1}{\overset{n+m}{\mathrm{\Π}}}{A}_{\mathrm{Si}}\·\underset{i=1}{\overset{n+m}{\mathrm{\Π}}}{e}^{-\mathrm{jk}{r}_i}$

所述为所述发射源发射的电磁波到达所述三维路径上的第一个反射点或绕射点时的强度，所述r₁为所述发射源到所述三维路径上第一个反射源对应墙面上的反射点或绕射源的直射电磁波的传播路径长度。

所述n为所述三维路径中包括的反射源的数量，所述m为所述三维路径中包括的绕射源的数量，所述为第i个反射源的并矢反射系数，所述为第i个绕射源的并矢绕射系数，所述A_Si为经过反射或绕射后的扩散因子，所述r_i为第i个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源到第i+1个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源的距离；

将通过所有三维路径达到所述接收点的电磁波的场强进行合并，得到所述接收点对应的场强预测值E_total。

进一步地，所述的装置还可以包括：

路径损耗计算模块14，用于根据所述接收点对应的场强预测值E_total，计算得到所述接收点对应的路径损耗L：

$L=20\lg |\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·\frac{E_{\mathrm{total}}}{E_0}|$

所述λ为所述发射源发射的电磁波的波数，所述为所述发射源发射的电磁波的发射电场强度。

应用本发明实施例的装置进行负载控制的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

综上所述，本发明实施例通过根据预先存储的一定区域内的建筑物的二维几何信息等环境信息和发射源的位置，建立了一种新型的二叉树结构的包括多级虚拟源的新型的虚拟源树，根据上述虚拟源树可以建立较为准确的传播模型，从而可以有效地对电磁波的传播路径、场强等传播特性进行分析。

上述虚拟源树在体现同级虚拟源结点之间和不同级虚拟源结点之间的关系的同时，其同级虚拟源结点都能访问上一级结点，从而为快速确定射线路径提供方便。上述虚拟源树的建立与发、收天线间所有射线路径的确定是同时进行的，减少了遍历虚拟源树所用的时间，节约了存储所有射线路径所占的内存空间。

本发明实施例使用了环境信息特征的识别和优化处理技术，该技术基于存储几何信息的数据文件，通过建筑物顶点的存储顺序的识别与修改，实现了RT算法的通用性。同时，建筑物套嵌问题的解决以及几何信息的空间分区的预处理，减少了算法运行时所处理的数据量。

本发明实施例在建立上述虚拟源树的过程中，通过对反、绕射射线进行类型权重的设置和对绕射距离的设定，限制了上述虚拟源树的层数，同时几乎没有影响最后的预测精度，很好的实现了计算精度和运算时间的折衷。

本发明实施例可以为3G网络的网络规划及传播模型适应性评估，特别是室外微小区电波模型预测和网络优化提供可靠的理论依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种电磁波传播特性的分析方法，其特征在于，根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树，所述方法具体包括：

根据所述发射源和接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的传播路径；

计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强；

所述的根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树，包括：

获取一定区域内的所有建筑物的二维几何信息，去除掉嵌套在其它建筑物内部的建筑物的二维几何信息，将建筑物的二维几何信息进行存储，并且将建筑物的顶点按照设定的顺序进行存放；

根据所述存储的建筑物的二维几何信息和发射源的位置，找出和所述发射源相关的可见墙面和可见的建筑物的墙角，根据所述可见墙面和可见的建筑物的墙角获取各个级别的虚拟源，建立包括多级虚拟源的虚拟源树。

2.根据权利要求1所述的电磁波传播特性的分析方法，其特征在于，所述的根据所述存储的建筑物的二维几何信息和发射源的位置，找出和所述发射源相关的可见墙面和可见的建筑物的墙角，根据所述可见墙面和可见的建筑物的墙角获取各个级别的虚拟源，建立包括多级虚拟源的虚拟源树，包括：

找出所述发射源的一个或者多个可见墙面和可见的建筑物的墙角，将所述发射源相对于可见墙面产生的镜像点作为一级反射源，将所述可见的建筑物的墙角作为一级绕射源，将所述一级反射源和一级绕射源称为一级虚拟源；

找出所有一级虚拟源的可见墙面和可见的建筑物的墙角，将所述一级虚拟源相对于一级虚拟源的可见墙面产生的镜像点作为二级反射源，将所述一级虚拟源的可见的建筑物的墙角作为二级绕射源，将所述二级反射源和二级绕射源称为二级虚拟源；

依次类推，直到找出了设定数量的级别的反射源和绕射源，将所述设定数量的级别的反射源和绕射源称为设定数量的级别的虚拟源，将每个虚拟源作为一个结点，将所有级别的结点按照树形的结构进行存储，构成所述虚拟源树，在所述虚拟源树中，同级别的结点并列排列，每个低级别的结点都和至少一个高级别的结点相连。

3.根据权利要求1或2所述的电磁波传播特性的分析方法，其特征在于，所述的根据接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的所有传播路径，包括：

在每个同级结点中的最后一个结点的后面添加所述接收点，根据所述存储的建筑物的二维几何信息判断所述接收点是否被所述同级结点的同一个上级结点直接可见，如果是，则确定添加的接收点有效，并将添加的接收点作为同级结点；在没有同级结点的结点的后面添加所述接收点，根据所述存储的建筑物的二维几何信息判断所述接收点是否被所述结点直接可见，如果是，则确定所述接收点有效；

从每个有效的接收点出发寻找上级结点，同一级别的结点的数量不能大于1，直到找到发射源，得到从所述发射源到所述接收点的所有二维路径。

4.根据权利要求3所述的电磁波传播特性的分析方法，其特征在于，所述的根据所述发射源和所述接收点的高度，将所述二维路径转换为三维路径，包括：

把每条二维路径扩展成一条有地面反射参与的三维路径和一条无地面反射参与的三维路径；

所述有地面反射参与的三维路径中包括：反射源和/或绕射源、地面反射点、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源、地面反射点根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到；

所述无地面反射参与的三维路径中包括反射源和/或绕射源、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到。

5.根据权利要求4所述的电磁波传播特性的分析方法，其特征在于，所述的计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强包括：

计算出所述发射源发射的电磁波通过不经过任何地面反射、墙面反射和墙角绕射的三维路径到达所述接收点时的场强

所述k为所述发射源发射的射线的波数，所述为所述发射源发射的射线的发射电场强度，所述r₀为所述发射源到所述接收点的直射射线的传播路径长度；

计算出所述发射源发射的电磁波通过所述有地面反射参与的三维路径或无地面反射参与的三维路径，到达所述接收点时的场强

所述为所述发射源发射的电磁波到达所述三维路径上的第一个反射点或绕射点时的强度，所述r₁为所述发射源到所述三维路径上第一个反射源对应墙面上的反射点或绕射源的直射电磁波的传播路径长度。

所述n为所述三维路径中包括的反射源的数量，所述m为所述三维路径中包括的绕射源的数量，所述为第i个反射源的并矢反射系数，所述为第i个绕射源的并矢绕射系数，所述A_Si为经过反射或绕射后的扩散因子，所述r_i为第i个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源到第i+1个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源的距离；

将通过所有三维路径达到所述接收点的电磁波的场强进行合并，得到所述接收点对应的场强预测值E_total。

6.根据权利要求5所述的电磁波传播特性的分析方法，其特征在于，所述的方法还包括：

根据所述接收点对应的场强预测值E_total，计算得到所述接收点对应的路径损耗L：

$L=20\lg |\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·\frac{E_{\mathrm{total}}}{E_0}|$

所述λ为所述发射源发射的电磁波的波数，所述为所述发射源发射的电磁波的发射电场强度。

7.一种电磁波传播特性的分析装置，其特征在于，包括：

虚拟源树建立模块，用于根据预先存储的环境信息和发射源的位置，建立包括多级虚拟源的虚拟源树；

传播路径获取模块，用于根据所述发射源和接收点的位置查询所述虚拟源树，获取从所述发射源到所述接收点的传播路径；

场强计算模块，用于计算并合并每条传播路径上的电磁波到达接收点处的场强，从而得到所述接收点对应的场强；

所述的虚拟源树建立模块包括：

建筑物二维几何信息存储模块，用于获取一定区域内的所有建筑物的二维几何信息，去除掉嵌套在其它建筑物内部的建筑物的二维几何信息，将建筑物的二维几何信息进行存储，并且将建筑物的顶点按照设定的顺序进行存放；

虚拟源确定模块，用于根据所述建筑物二维几何信息存储模块所存储的建筑物的二维几何信息和发射源的位置，找出和所述发射源相关的可见墙面和可见的建筑物的墙角，根据所述可见墙面和可见的建筑物的墙角获取各个级别的虚拟源，建立包括多级虚拟源的虚拟源树。

8.根据权利要求7所述的电磁波传播特性的分析装置，其特征在于，所述的虚拟源树确定模块包括：

一级虚拟源确定模块，用于找出所述发射源的一个或者多个可见墙面和可见的建筑物的墙角，将所述发射源相对于可见墙面产生的镜像点作为一级反射源，将所述可见的建筑物的墙角作为一级绕射源，将所述一级反射源和一级绕射源称为一级虚拟源；

多级虚拟源确定模块，用于找出所有一级虚拟源的可见墙面和可见的建筑物的墙角，将所述一级虚拟源相对于一级虚拟源的可见墙面产生的镜像点作为二级反射源，将所述一级虚拟源的可见的建筑物的墙角作为二级绕射源，将所述二级反射源和二级绕射源称为二级虚拟源；

依次类推，直到找出了设定数量的级别的反射源和绕射源，将所述设定数量的级别的反射源和绕射源称为设定数量的级别的虚拟源，将每个虚拟源作为一个结点，将所有级别的结点按照树形的结构进行存储，构成所述虚拟源树，在所述虚拟源树中，同级别的结点并列排列，每个低级别的结点都和至少一个高级别的结点相连。

9.根据权利要求7或8所述的电磁波传播特性的分析装置，其特征在于，所述的传播路径获取模块包括：

二维路径获取模块，用于在每个同级结点中的最后一个结点的后面添加所述接收点，根据所述存储的建筑物的二维几何信息判断所述接收点是否被所述同级结点的同一个上级结点直接可见，如果是，则确定添加的接收点有效，并将添加的接收点作为同级结点；在没有同级结点的结点的后面添加所述接收点，根据所述存储的建筑物的二维几何信息判断所述接收点是否被所述结点直接可见，如果是，则确定所述接收点有效；从每个有效的接收点出发寻找上级结点，同一级别的结点的数量不能大于1，直到找到发射源，得到从所述发射源到所述接收点的所有二维路径；

三维路径获取模块，用于把每条二维路径扩展成一条有地面反射参与的三维路径和一条无地面反射参与的三维路径；

所述有地面反射参与的三维路径中包括：反射源和/或绕射源、地面反射点、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源、地面反射点根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到；

所述无地面反射参与的三维路径中包括反射源和/或绕射源、发射源和接收点，其中，所述反射源和/或绕射源根据所述二维路径中包括的反射源和/绕射源的二维位置、所述发射源与所述接收点的高度信息通过映射得到。

10.根据权利要求9所述的电磁波传播特性的分析装置，其特征在于，所述的场强计算模块，还用于计算出所述发射源发射的电磁波通过不经过任何地面反射、墙面反射和墙角绕射的三维路径到达所述接收点时的场强

所述k为所述发射源发射的电磁波的波数，所述为所述发射源发射的射线的发射电场强度，所述r₀为所述发射源到所述接收点的直射电磁波的传播路径长度；

计算出所述发射源发射的电磁波通过所述有地面反射参与的三维路径或无地面反射参与的三维路径，到达所述接收点时的场强

所述为所述发射源发射的电磁波到达所述三维路径上的第一个反射点或绕射点时的强度，所述r₁为所述发射源到所述三维路径上第一个反射源对应墙面上的反射点或绕射源的直射电磁波的传播路径长度。

所述n为所述三维路径中包括的反射源的数量，所述m为所述三维路径中包括的绕射源的数量，所述为第i个反射源的并矢反射系数，所述为第i个绕射源的并矢绕射系数，所述A_Si为经过反射或绕射后的扩散因子，所述r_i为第i个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源到第i+1个反射源对应墙面上的反射点或者绕射源的距离；

将通过所有三维路径达到所述接收点的电磁波的场强进行合并，得到所述接收点对应的场强预测值E_total。

11.根据权利要求10所述的电磁波传播特性的分析装置，其特征在于，所述的装置还包括：

路径损耗计算模块，用于根据所述接收点对应的场强预测值E_total，计算得到所述接收点对应的路径损耗L：

$L=20\lg |\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·\frac{E_{\mathrm{total}}}{E_0}|$

所述λ为所述发射源发射的电磁波的波数，所述为所述发射源发射的电磁波的发射电场强度。