CN103391139A

CN103391139A - 一种电波传播损耗的快速预测方法

Info

Publication number: CN103391139A
Application number: CN2013102924226A
Authority: CN
Inventors: 唐亚平; 徐大专; 朱秋明; 张小飞; 李小宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种电波传播损耗的快速预测方法。首先将源点处平面波源场分解为一系列高斯波束加权之和；接着对数字地图进行预处理：将整个场景区域平均分割为若干网格单元，并将各建筑物归属到所在网格，再以网格为基本单位，选取覆盖源点和接收路径的矩形区域作为波束跟踪区域；然后在波束跟踪区域内查找从源点发射的各高斯波束在建筑物场景中的传播路径；最后将所有到达场点的波束求和得到场点处损耗。该方法对所有波束统一处理，不用考虑繁杂的绕射效应，也不用涉及接收球处理，算法实现简单；同时采用网格区域联合加速算法，将波束跟踪区域最小化，大大减小波束与障碍物碰撞检测时间，从而进一步提高预测效率。

Description

一种电波传播损耗的快速预测方法

技术领域

本发明涉及无线电波传播与计算机图形学领域，提供了一种电波传播损耗的快速预测方法。

背景技术

随着4G通信的高速发展，长期演进技术LTE(Long Term Evolution)得到了国内外主流通信设备商和运营商的关注。在LTE网络部署初期，高业务速率和大容量需求的区域将集中于人口及建筑高度密集的城市商业中心，这对LTE技术网络规划的精度及效率提出了更高的要求。网络规划中，传播模型是影响规划结果准确性的一个重要因素，准确、高效的预测模型对基站选址及网络优化有着重要的意义。

目前，国内外常见的针对无线电波传播预测的方法可分为两类：基于实测数据的统计模型和基于射线跟踪的确定性模型。其中，实测统计法虽然比较简单，但该方法对环境依赖性较大，预测精度也不高，而且对测试设备要求较高，既不经济，也不科学；射线跟踪法需要进行发射线划分，跟踪大量绕射射线，还要进行接收球判断，实现比较复杂，计算量大。因而，近年来国内外学者提出了一些针对射线跟踪模型的加速算法，比如二叉树法、并行处理法等。其中，二叉树法通过建立障碍物间可视性关系减少求交测试数目，该方法可缩短传播路径的搜索耗时，但建立可见树过程仍然费时；并行处理法通过GPU等硬件编程，利用局域网内的计算机共同处理相互独立的射线跟踪过程，但并没有降低求交测试的次数。

上世纪70年代，美国学者克勒尔和费尔森提出了近似求解波场传播散射的复射线理论。由于复射线场在近轴区域具有高斯波束形式，国内阮颖铮和卢义泰等学者又建立了高斯波束模拟一般波场的理论。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对复杂城市环境的高效、简单和实用的电波传播损耗计算方法。该方法对所有波束统一处理，不用考虑繁杂的绕射效应，也不用涉及接收球处理，算法实现简单；同时采用网格区域联合加速算法，将波束跟踪区域最小化，大大减小波束与障碍物碰撞检测时间，从而进一步提高预测效率。

技术方案：本发明技术方案的基本原理如下：

1)设置发射源和场点参数，将源点处平面波源场分解为一系列高斯波束加权之和

E (x, y, 0) = \underset{m, n, p, q}{Σ} A_{mnpq} w_{mnpq} (x, y)

= Σ A_{mnpq} w (x - m l_{x}, y - p l_{y}) e^{j (n k_{x} x + {qk}_{y} y)}

(1)

其中，A_mnpq为权重系数；ω_mnpq(x，y)表示基准高斯窗函数；m，n，p，q为移位系数，l_x，l_y和k_x，k_y分别表示高斯窗在空域和频域的移位长度。

2)输入数字地图，对数字地图进行预处理：将建筑物场景区域平均分割为设定大小的若干网格单元，再将各建筑物归属到所在网格；以网格为基本单位，选取覆盖源点和接收路径的矩形区域作为波束跟踪区域；

3)设置反射次数，查找从源点发射的各高斯波束经建筑物场景反射后得到的反射波束；

4)将所有到达场点的波束的场强矢量叠加，计算场点处路径传播损耗

E_{total} = \underset{mnpq}{Σ} A_{mnpq} B_{mnpq}^{k} (Π_{j = 0}^{k} F_{k - j}) u_{nq}, L = 20 \log (\frac{| E_{total} |}{| E_{0} |}) - - - (2)

其中，F_j为第j次反射的变换矩阵；u_nq为场强矢量；

表示第k次反射后的波束场强幅度

B_{mnpq}^{k} (x, y, z) = B_{0} \sqrt{\frac{\det Q (z_{i})}{\det Q (0)}} e^{jk (z_{i} + \frac{1}{2} [\begin{matrix} x_{i} & y_{i} \end{matrix}] Q (z_{i}) {[\begin{matrix} x_{i} & y_{i} \end{matrix}]}^{T})} - - - (3)

进一步，所述步骤3)包括：

(a)取源点所在网格号初始化‘当前网格单元’；

(b)取一源点发射的高斯波束作为‘当前跟踪波束’；

(c)将当前跟踪波束轴线与当前网格单元内的墙面进行相交测试，若找到交点且交点有效，进入步骤(d)；否则，在波束跟踪区域内进入相邻网格，用相邻网格号刷新当前网格单元，重复以上操作；

(d)重复步骤(c)，直至达到设定的反射次数上限；

(e)重复步骤(b)至(d)，直至所有高斯波束遍历完毕。

有益效果：本发明的创新点如下：

(1)本发明算法实现简单，对所有波束统一处理，且绕射效应由波束扩展叠加体现，不用考虑繁杂的绕射现象，也不用涉及接收球处理，大大简化了实际问题的处理；

(2)本发明对于复杂城市环境的波束跟踪十分高效，采用网格区域联合加速算法，将波束跟踪区域最小化，可快速准确查找到有效传播路径，大大减小高斯波束与障碍物碰撞检测时间，从而进一步降低预测运算量，提高预测效率；

(3)本发明输出传播损耗非常精确，相比现有技术，本发明可以在保证计算精度的同时，大幅提高运算速度，达到精度与效率的良好平衡。

附图说明

图1为本发明电波传播损耗的快速预测方法流程图，每一步骤的内容可参见具体实施方式。

图2为本发明三维网格编号示意图。

图3为本发明针对某城市街道选取最小化波束跟踪区域的示意图。

图4为本发明输出电波传播损耗结果与实测结果比较，由图可以看出本发明输出结果与实测结果非常吻合。

具体实施方式

如图1所示，本发明的实施方案如下：

第一步：仿真参数准备，输入发射源、场点以及数字地图、反射次数等信息；

第二步：将源点处平面波源场分解为一系列高斯波束加权之和，具体计算方法见式(1)；

第三步：对数字地图进行预处理，具体步骤如下：如图2所示，采用大小为L*W*H的最小包围盒将场景包围，分别用平行于xOy，yOz，zOx的面将场景等分，设定每个网格大小为l*w*h，则M＝L/l，N＝W/w，K＝H/h。以坐标原点即场景左下角为起点，先后沿着x轴、y轴、z轴以号码递增的方式逐项编号，这样的编号方式便于对给定坐标点快速定位。建筑物的归区采用扩大检验法，即先求出墙面两端点所在网格，则这两个网格相距最远的两个顶点组成的矩形所覆盖的网格都认为含有该墙面。得到交点后要检验交点所在网格号是否与墙面所在网格号是否一致，若一致，则交点为有效交点，若不一致，则为无效交点，需要在轴线经过的下一网格内进行求交测试。对于墙面端点A(x，y，z)，通过

定位所在网格。网格划分完成后，如图3所示，以网格为基本单位，选取覆盖源点和接收路径的矩形区域作为波束跟踪区域，这样既能保持区域连通，又能够充分利用本发明中的网格编号方式。

第四步：查找从源点发射的各高斯波束经建筑物场景反射后得到的反射波束，该步骤具体分为以下几个小步骤：

(a)取源点所在网格号初始化‘当前网格单元’；

(b)取一源点发射的高斯波束作为‘当前跟踪波束’；

(d)重复步骤(c)，直至达到设定的反射次数上限；

(e)重复步骤(b)至(d)，直至所有高斯波束遍历完毕。

第五步：计算场点处路径传播损耗，具体计算方法见式(2)和(3)。