CN106209264B - 电磁波传播路径的追踪方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种电磁波传播路径的追踪方法、装置和系统，该方法包括：根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；对于所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；如果所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量，则确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量。通过本发明实施例，降低了路径追踪过程中计算过程的复杂度，实现了更加高效准确的电磁传输路径模拟，进而获得了被观测无线网络中的电磁波传播特性。

Description

电磁波传播路径的追踪方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种电磁波传播路径的追踪方法、装置和系统。

背景技术

在无线通信快速发展的今天，服务于人类生活以及工作的各种无线应用正在与日俱增。随之而来的便是基于各种服务的应用对于无线通信系统的性能要求也在不断的提高。无线通信系统根据不同的应用要求，常常被布置在各种不同的环境场景中，如建筑物林立的城市环境，又如广阔无遮挡的郊外开阔环境，再是植被茂盛的森林环境等等。如何了解无线系统在特定环境中的传播特征，无疑对于无线网络信号场强的预测，无线网络的更合理规划，以及无线网络性能的提升有着非常重要的意义。

无线网络的布置环境存在各种差异，环境的相对复杂程度，网络的覆盖规模，这些因素都决定了以实地测量来了解无线传播特征的方式显得不太现实，在人力，物力，测试难度等方面其投入代价就显得过于庞大。因而建立无线传播模型就成为一种在获知无线网络传播特征过程中常用，花费较小，且更加快速的有效手段。

在无线传播建模方法中，已经有很多较为成熟的模型被广泛使用。当前无线建模方法主要分为两类，一类是基于数学理论的经验性模型，一类是基于电磁波传播理论的确定性模型。作为确定性模型，相对于经验性模型更加精确，而且更加有助于对环境参数的预测。

路径追踪(Ray-tracing)就是确定性模型中较常用于研究无线传播特性的一种建模方法。路径追踪方法的基本思想基于几何光学理论，其利用简单的几何计算可对电磁波的传播路径进行有效的追踪，并可实现对各处的场强进行有效的预测。针对当前较常见的无线通信系统，如Wifi系统，Zigbee系统等，所使用的无线信号频率一般都较高，也因此电磁波的波长相对于建筑物尺寸非常小，在利用路径追踪方法建模的过程中，每条电磁波通常就被假设为光学射线进行考虑，如图1所示。

路径追踪(Ray-tracing)方法主要包括镜像法(Imaging)与射线发射法(Ray-launching)两种建模方法。镜像法(Imaging)的基本思想基于光学镜像原理，是一种有效的确定电磁波传播路径的追踪技术。该方法将所有的障碍物考虑为潜在的发射源，通过寻求发信点(或接收点)关于场景中每个障碍物平面的多级镜像点确定出反射点的位置，最终模拟出电磁波在传输环境中电磁波的传播路径。在镜像法中，镜像点的深度计算决定了建模方法的准确程度，也因此对于相对复杂且较大规模的场景，求解镜像点的过程会使得计算过程变得十分复杂且耗时。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明实施例提供了一种电磁波传播路径的追踪方法、装置和系统，以实现更加高效准确的电磁传输路径模拟，进而获得被观测无线网络中的电磁波传播特性。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种电磁波传播路径的追踪方法，其中，所述方法包括：

根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；

对于所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；

如果所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量，则确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种电磁波传播路径的追踪装置，其中，所述装置包括：

确定单元，其根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；

检测单元，其对所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；

处理单元，其在所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量时，确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过所述有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机系统，其中，所述计算机系统包括前述第二方面所述的电磁波传播路径的追踪装置。

本发明的有益效果在于：通过本发明实施例，降低了路径追踪过程中计算过程的复杂度，实现了更加高效准确的电磁传输路径模拟，进而获得了被观测无线网络中的电磁波传播特性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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。在附图中：

图1是光学射线传播路径的一个示例的示意图；

图2是发信点均匀发射电磁波射线的二维示意图；

图3是射线发射法的一个示例的示意图；

图4是射线发射法的接收区域的一个示例的示意图；

图5是射线与障碍物平面交点的一个示例的示意图；

图6是实施例1的电磁波传播路径的追踪方法的一个实施方式的流程图；

图7是由有效平面选择半径决定的发信点的有效平面的一个示例的示意图；

图8是射线的直射路径追踪示意图；

图9是射线的反射路径追踪示意图；

图10是路径追踪过程的整体流程图；

图11是接收区域半径的示意图；

图12是接收区域半径的计算原理示意图；

图13是没有射线穿过接收区域的示意图；

图14是通过扩大接收区域来解决没有射线穿过接收区域的示意图；

图15是射线路径旋转示意图；

图16是实施例2的电磁波传播路径的追踪装置的一个实施方式的组成示意图；

图17是实施例3的计算机系统的组成示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

射线发射方法(Ray-launching)的基本思想是：发信点发射的电磁波被假设为在三维空间中间隔均匀的散射射线在空间中传播，如图2所示，发信点Tx发射出的电磁波射线(简称为射线或电磁波)间隔角度为θ；在接收点Rx处，通过寻找接收机附近区域的电磁波射线来确定真实到达接收点的电磁波路径。

在射线发射法(Ray-launching)中，给出了如何确定电磁波射线到达接收点的方法。如图3所示，因为发信点Tx发出的电磁波在该方法中被假设为具有一定间隔的散射射线，所以若想找到准确到达接收点位置的电磁波射线相对比较困难。该方法规定，在接收点Rx周围划定一个合理大小的接收区域，将该区域看作接收点对电磁波射线的可接收区域，假如有某条电磁波射线穿过该划定区域，就认为该条电磁波射线所代表的信号被接收点所接收。否则，就认为该条电磁波射线代表的信号未被接收点接收。

由此可以看出，如何设定一个合理大小的接收区域就成为了该方法面临的首要问题。如图4所示，假如接收区域设计过小，有可能存在场景中部分本应该被接收点接收到的电磁波未穿过该接收区域的情况，造成接收信号遗漏，从而在计算接收信号时导致误差。假如接收区域设计过大，又会增多穿过接收区域的电磁波射线数量，从而造成接收点对于相同路径射线进行多次重复计算的问题，进而导致误差的产生。

另一方面，在射线发射方法中，发信点发出电磁波射线，跟踪每一条射线，看其是否碰到障碍物或者穿过接收点周围的接收区域。如果该射线穿过接收点的接收区域，则计算该条射线对接收点接收信号的贡献。如果该条射线在途中遇到障碍物，会根据入射几何特性等条件确定该条射线的路径类型(如反射类型，绕射类型等)，进而确定射线的下一路径方向，继续对其进行追踪。

在每一条射线的路径跟踪过程中，射线必然会遇到许多不同的障碍物，有些会发生绕射，有些会透过这些障碍物，有些投射到这些障碍物的表面会形成反射。因此，在射线路径的确定过程中，就需要根据几何方法对发射射线与各建模平面的交点进行求解运算，如图5所示。

在确定射线路径的过程中，求交点运算是一个较复杂的过程，也是较为耗时的一个过程，在求交点运算中会涉及到如利用几何信息判断射线是否与某平面相交的过程，求解得到交点的几何位置过程，判断某些已求得的交点是否真实存在的过程，以及利用求出的交点信息判断射线路径的下一个传播方向的过程。对于复杂且规模较大的场景，就需要对各条射线与每个平面进行关于交点的求解运算，相应的计算复杂度以及消耗时长都会大幅提升。

通过以上说明可以看出，在射线发射方法中，如何合理的规划接收点的接收区域大小是首先需要考虑的问题。其次，在利用射线发射法确定电磁波传播路径的过程中，每一条发射射线均需要被考虑，且每条射线在传播过程中会与哪个平面相交，相交的交点在什么位置也需要被考虑，特别是在复杂的场景环境中，求解射线与平面交点、判断反射点等过程将会是一个运算量较大，耗时较长的复杂过程。第三，作为射线发射法的固有问题：在规划好接收点的接收区域大小之后，如何防止对相同信号的重复计算，依然需要在使用该方法时加以考虑进行避免。

基于以上存在于射线发射方法中的诸多问题，本发明实施例提出了一种基于射线发射方法的拥有较低运算复杂度且准确度较高的电磁波传播路径的追踪方法。该方法以几何光学理论为依据，所以所有场景的建立以及分析最终均适用于三维坐标环境。

在三维坐标中，首先按照所获取的详细场景信息，划定被观测场景区域，确定场景中各物体在三维空间中的位置，将场景中的物体按照对应坐标布置到划定的区域内。待位置确定，将场景中存在的各物体(障碍物)依次建模为具有相应厚度，高度，电参数(介电常数，导电率等)等材质特性的平面或者多面体(曲面物体可近似为由多个细小平面连接而成的多面体)。

无线信号的传播场景建模完成，按照需求(数量，摆放位置等)，在三维坐标环境中对发信点Tx与接收点Rx进行准确位置的摆放，并设置无线收发节点参数，如发射功率、收发天线类型(全向天线，定向天线等)、天线高度、天线属性等。到此，被观测无线网络的场景建模即完成。

本发明实施例即在以上场景中实施，下面结合附图对本发明实施例进行说明。

实施例1

本发明实施例提供了一种电磁波传播路径的追踪方法，该方法应用于无线信号的传播场景，该传播场景的建立过程如前所述。图6是该方法的流程图，请参照图6，该方法包括：

步骤601：根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；

步骤602：对于所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；

步骤603：如果所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量，则确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量，由此得到所述射线的传播路径，进而得到所述发信点的电磁波传播路径。

在本实施例中，在前述的场景配置工作完成之后，首先对已配置完成的场景执行一个区域划分操作，以期能够事先在一定程度上降低被观测场景的复杂程度，进而降低在后续的电磁波路径追踪过程中的相关计算复杂度。

在本实施例中，将场景中的所有物体都简化为由若干平面围成的多面体结构，并且在场景中划定出一个有效区域，如果某障碍物平面位于该有效区域内，则称该障碍物平面为有效平面，在之后的电磁波路径追踪过程中，该有效平面将被视为有可能对电磁波射线产生反射作用的平面；如果某障碍物平面位于该有效区域之外，则称该障碍物平面为无效平面，在之后的电磁波路径追踪过程中，该类平面将不会对电磁波射线产生任何作用，求交点等相关运算将不会把位于有效区域以外的无效平面考虑在内。

在本实施例中，上述有效区域由预先设定的有效平面选择半径L来确定，其可以是以发信点Tx为参考点(圆心)，覆盖半径为该有效平面选择半径L的圆形区域。如果在已布置场景中，某些障碍物平面距离参考点Tx的距离大于该有效平面选择半径L，即该类障碍物平面位于以L为半径的圆形覆盖区域之外，该类平面在之后的求交点的计算过程中将不予考虑，视其为无效平面；相反，如果某障碍物的平面位于该有效平面选择半径L所覆盖区域内，就将该平面视为有效平面。因此，通过该预先设定的有效平面选择半径可以确定发信点的有效平面。

其中，被选定为有效平面意味着电磁波在传播过程中遇到该平面有可能会发生反射等效果，且电磁波路径可能会对接收点的接收信号有所贡献，需考虑关于该平面的交点计算。如图7所示，按照需求建模完成一个较大规模的复杂场景，其中以发信点Tx为参考点，计算场景中各个障碍物的各个平面与参考点Tx间的距离t，使之与规定的有效区域半径L进行比较，进而确定发信点的有效平面。

如图7所示，圆形区域为以Tx为圆心并以L为半径所构成的有效区域，假如平面n与参考点Tx之间的距离t大于L，由于该平面a位于有效区域之外，可认为经过该平面a的电磁波反射路径不存在或反射路径对接收点接收信号贡献微弱，视该平面a为无效平面，将该平面a在之后的求交点计算中列入不考虑范围。

在本实施例中，对于该有效区域的半径L，可根据不同的计算精度需求对其进行规定，如若精度需求较高，在计算的过程中需要考虑更多障碍物对电磁波传播带来的影响，该阈值(有效平面选择半径L)可设置一个相对较大的数值。例如，该阈值可以设定为当前被观测无线通信系统所支持的最大通信距离(communication range)，如果某个平面，其与参考点Tx的距离大于系统支持的通信距离，则可视该平面为无效平面，原因在于：如果某个平面距离发信点的距离大于该发信点发射的电磁波信号所能传播的最远距离(即通信距离)，那么可认为该平面不会对电磁波产生反射作用，或该反射信号非常微弱，不会对接收点的接收性能产生较大影响。因此，该类平面可被视为无效平面。

在本实施例中，对于上述无线信号的传播场景中布置的障碍物，可以预先维护一个关于所有障碍物的信息列表，如表1所示，该障碍物信息表可以包括：障碍物ID条目(Object ID)；障碍物实体名称条目(Object name)；障碍物包含平面数目条目(Planeamount)；障碍物包含平面ID条目(Plane IDs in Object)。

表1：障碍物信息表

障碍物ID

障碍物实体名称

障碍物包含平面数目

障碍物包含平面ID

其中，障碍物ID条目指示某个障碍物在场景中的唯一标识；障碍物实体名称条目指示障碍物在实际环境中的对应名称(如building、wall、mountain等)；障碍物包含平面数目条目指示构成当前障碍物的平面数目；每个构成障碍物的平面在场景中都有一个唯一标识符，障碍物包含平面ID条目指示构成当前障碍物的所有平面的唯一标识符。

另外，在本实施例中，还可以针对上述无线信号的传播场景，为每一个障碍物平面维护一张对应的平面信息列表，如表2所示。该平面信息列表主要可以包括：平面ID条目(Plane ID)，所属障碍物ID(Object ID)，平面顶点坐标条目(Coordinate of vertex)，平面与发信点间距离条目(Distance with Tx)，有效平面标志条目(Effective planeflag)，电参数条目(Electrical parameters)等。

表2：障碍物平面信息表

平面ID	A
		所属障碍物ID	O1
平面顶点1坐标	(XA1,YA1,ZA1)
		平面顶点2坐标	(XA2,YA2,ZA2)
：	：
		与发信点间距离	dA
有效反射平面标志	1 or 0
		电参数(介电常数，导电率)	(εrA,σA)

其中，平面ID条目指示当前对应平面的唯一识别符；所属障碍物ID条目指示当前平面所属的障碍物在场景中的唯一标识符；平面与发信点间距离条目指示当前平面与发信点Tx间距离，该条目被用来与设定的有效平面选择半径L进行比较，进而判断当前平面是否为有效平面。假如该条目所指示的距离小于阈值L，可判断当前平面为有效平面，进而在该列表的有效反射平面标志条目用1进行指示。假如该条目所指示的距离大于阈值L，可判断当前平面为无效平面，进而将有效反射平面标志条目修改为0进行指示。

如表2所示，该示例给出了关于平面A的几何位置信息以及电参数信息。在电参数信息中，包含当前平面所使用材质的介电常数以及导电率两个物理特性。在一些既存的路径追踪方法中，与电参数相关的材质物理特性参数是针对整个障碍物进行配置的，也即仅能对不同平面构成的障碍物整体进行物理特性值操作。但是在实际当中，同一个障碍物会由不同材质构成的不同平面组成，电磁波信号碰到不同材质的平面所产生的传播特性也不同，假如将整个障碍物的物理特性值进行整体配置，当电磁波信号遇到同一障碍物的不同平面时，就不能体现出不同材质表面对电磁波产生的不同影响，最终就不能更精确的模拟出电磁波在真实环境中的传输特性。因此在本实施例的方法中，单独设置了关于各平面的相关信息表，从而实现了可针对单一平面进行物理特性值配置的功能，进一步提升了路径追踪的准确度。

在本实施例中，通过步骤601确定了发信点的有效平面，对一些不必要进行考虑的反射面进行了过滤，大幅减少了求交点计算过程，以及后续关于确定反射路径的计算过程。

在本实施例中，确定了发信点的有效平面，即可进入电磁波射线的路径追踪过程。在路径追踪过程中，对于发信点发出的每一条射线，可以沿该射线的直射方向检测该射线与上述有效平面之间的交点。

其中，在电磁波的实际传输过程中，首先沿该射线的直射方向，依次寻找在该射线直射方向上电磁波会穿过的位于有效区域范围内的障碍物，并计算该射线与直射路径上的障碍物平面的交点。如图8所示，射线i穿过三个位于有效区域内的障碍物，分别为障碍物A、障碍物B和障碍物C，且该射线i分别与该障碍物A的面A1、面A2，该障碍物B的面B1、面B2，该障碍物C的面C1、面C2相交，因此，该射线i与这三个障碍物的交点分别为A1、A2、B1、B2、C1、C2，然而由于该射线i在面A1的点A1进行了反射，交点A1作为反射点即为该电磁波射线在该直射路径上的有效交点。

在本实施例中，在得到了有效交点(反射点)A1以后，可以根据该反射点A1的几何信息确定该电磁波传播的下一路径方向。如果该射线在某一路径方向上被接收点接收，也即到达接收点的接收区域，则停止对这条射线的追踪，此时，可以计算该射线的接收信号。另外，如果该射线在某一路径方向上未被接收点接收，则可以继续沿该路径方向对该射线的电磁波传播路径进行追踪，例如，在该路径方向上继续寻找该射线在该方向所穿过的障碍物平面，求解与障碍物平面的交点，进而筛选出其中的有效交点。

如图9所示，在确定有效交点A1之后，根据点A1的几何信息，判断电磁波的下一个传播方向，在经过A1的反射路径方向上，首先判断该反射路径是否到达接收点，如图9所示，经过判断，电磁波射线在该路径上将不会到达接收点，则继续沿该反射路径方向寻找穿过的障碍物。在该示例中，电磁波射线在该反射路径上将会经过障碍物D和障碍物E，并且与障碍物上的平面(面D1，面D2，面E1，面E2)相交，计算可得电磁波射线在该路径上的交点分别为D1、D2、E1、E2，经过判断，筛选D1为该电磁波在传播路径上经过的另一个有效交点。进而按照相同操作，继续追踪后续电磁波传播路径。

在本实施例中，如果该射线与上述有效平面之间没有交点，并且该射线已经到达了接收点的接收区域，则可以直接计算该射线的接收信号。另一方面，如果该射线与上述有效平面之间没有交点，然而该射线并没有到达接收点的接收区域，则不再对这条射线进行追踪，直接追踪下一条射线。

在本实施例中，为了避免一条射线被无限制的追踪下去，定义了反射当量的概念。在电磁波的整个转播过程中，电磁波将会遇到多个材质不同的障碍物，且将对电磁波产生多次反射作用。由于不同材质的障碍物平面对电磁波产生的反射作用不尽相同，因此，在本实施例中，为表征不同材质的障碍物平面对电磁波产生的不同反射作用程度，本实施例为每种不同材质定义了一个相对应的等效反射当量值，如表3所示。

表3：针对不同材质的等效反射当量表

平面材质	等效反射当量值
		混凝土	2
砂石	2
		玻璃	4
胶合板	2
		金属	2
砖块	1
		石膏/泥块	1.5～2

当电磁波经过某一材质的障碍物平面时，根据等效反射当量表中对应的程度值，计算该平面对电磁波的反射作用。对于经过多次反射的电磁波传播路径，需要累加经过每一个障碍物平面时所对应的不同等效反射当量。如表3所示，以玻璃材质障碍物与砖块材质的障碍物为例，玻璃材质的障碍物所对应的等效反射当量为4，砖块材质的障碍物所对应的等效反射当量为1，该数值意味着玻璃表面对电磁波产生的反射作用相当于砖块表面对电磁波产生的反射作用的4倍，也即，玻璃对电磁波反射一次相当于砖块对电磁波反射四次。在对信号的能量损耗方面，也可认为玻璃表面对电磁波因反射作用产生的损耗相当于砖块表面对电磁波造成损耗作用的四倍。

对于电磁波信号，经过过多的反射作用之后，可以认为经过该条传播路径的电磁波信号对接收点的信号贡献将微乎其微。因此在本实施例中，预先设定了一个最大反射当量K，以对每条传输路径上障碍物平面对电磁波信号产生的反射影响进行限定，从而降低不必要的计算量，降低该方法的计算复杂度。

在本实施例中，在电磁波反射路径确定过程中，仅考虑电磁波在传播到场景中某个位置时，累计反射当量小于或者等于上述最大反射当量K的情况，也即，如果在某条射线的某个传播路径上，该射线经过某个有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的该最大反射当量，则继续对该射线进行追踪，根据该有效交点的几何信息确定该射线的下一路径方向；相反，如果该射线经过该有效交点的路径累积反射当量已经大于预先设定的该最大反射当量，则停止对这条射线的追踪，而是启动由该发信点发出的另外一条没有追踪过的新的射线的路径追踪过程。由此，避免了需要经过较多次反射到达接收点的电磁波路径计算过程。

其中，对于某条射线的某个传播路径，可以根据该传播路径的方向确定该射线是否到达了接收点的接收区域，如果已经到达接收点的接收区域，就可以停止继续对当前电磁波路径的追踪，转而追踪由发信点发出的另外一条电磁波射线的路径，如果没有到达接收点的接收区域，则可以继续沿着该传播路径的方向检测与上述有效平面之间的交点，重复前述处理。其中，如果到达了接收点的接收区域，可以计算该射线的接收信号，也即，该射线对接收点接收信号的贡献。

图10是路径追踪过程的整体流程图，如图10所示，在该路径追踪过程中，主要包括以下步骤：

步骤1001：配置无线信号的传播场景；

其中，如前所述，在该步骤中，可以根据真实场景信息，划定被观测场景区域，确定场景中各物体在三维空间的位置，将各物体建模为平面或平面体，摆放发信点和接收点，设置无线收发节点参数等。

步骤1002：确定有效平面；

其中，如前所述，在该步骤中，可以根据预先设定的有效平面选择半径确定有效区域，将该有效区域范围内的障碍物平面作为有效平面。

步骤1003：判断累积射线追踪数是否未到达射线总数，如果是则执行步骤1004，否则结束；

其中，对于发信点发出的每一条射线，都进行路径追踪，在该步骤中，判断为是意味着没有到达射线总数，还有没有被追踪的射线，则执行步骤1004；判断为否意味着所有射线都已追踪完毕，则由此得到了该发信点所发出的射线的传播路径，进而得到了该发信点的电磁波传播路径。

步骤1004：沿射线的方向检测交点；

其中，在该步骤中，检测的是射线与有效平面之间的交点。

步骤1005：判断是否与物体存在交点，如果是则执行步骤1006，否则执行步骤1011；

其中，如果该射线与物体(有效平面)存在交点，则可以从中筛选出有效交点，例如反射点，以便对该射线进行继续追踪；如果该射线与物体(有效平面)不存在交点，则可以停止对该射线的追踪。

步骤1006：筛选有效交点；

其中，如前所述，尽管射线与物体(有效平面)存在交点，但有些交点可能是无效的，如图8所示的交点A2、B1、B2、C1、C2，在该步骤中，将有效交点筛选出来，如图8所述的交点A1。

步骤1007：计算所述射线经过有效交点的路径累积反射当量；

其中，如前所述，射线经过有效交点的路径累积反射当量是该射线在之前传播过程中的累积反射当量与该有效交点的材质的等效反射当量之和。其中，该有效交点的材质对应的等效反射当量可以通过预先存储的针对不同材质的等效反射当量表，例如表3，来确定。

步骤1008：判断所述射线经过该有效交点的路径累积反射当量是否不大于最大反射当量K，如果是则执行步骤1009，否则执行步骤1012；

其中，判断为是意味着该射线的反射还可以对接收信号做出贡献，则可以继续追踪该射线；判断为否意味着该射线的反射对接收信号的贡献意义不大，则可以停止对该射线的追踪。

步骤1009：确定该射线的下一路径方向；

其中，利用该有效交点可以得到该射线的下一路径方向。

步骤1010：判断该射线是否到达接收点的接收区域，如果是则执行步骤1013，否则回到步骤1004；

其中，判断为是意味着这条射线已经到达了接收点的接收区域，就此得到了这条射线的传播路径，则可以计算其对接收点的接收信号的贡献；判断为否意味着这条射线还在传播过程中，则继续对其进行跟踪。

步骤1011：判断该射线是否到达接收点的接收区域，如果是则执行步骤1013，否则执行步骤1012；

其中，判断为是意味着这条射线已经到达了接收点的接收区域，就此得到了这条射线的传播路径，则可以计算其对接收点的接收信号的贡献；判断为否意味着这条射线还在传播过程中，但由于其与物体没有交点，无需对其进行跟踪。

步骤1012：追踪新的射线；

步骤1013：计算接收信号。

通过本实施例的方法，利用有效平面选择半径L过滤掉一部分无效的障碍物平面，利用最大反射当量K过滤掉一部分反射路径，由此减少了需要计算的交点(射线与障碍物之间的交点)数，降低了运算复杂度，并缩短了运算消耗时间。

在本实施例中，将接收点的接收区域设定为半径为θd/2的球形区域，其中，θ为相邻射线的间隔角度，d为沿发信点到接收点的电磁波传播路径长度。在传统的射线发射方法中，射线以均匀角度间隔被发信点散射到空间中，另一方面，围绕接收点划定一个合理大小的接收区域，判断哪些射线会穿过该接收区域，穿过该接收区域的射线被认为可以被接收点所接收。因此，在射线发射方法中，接收点接收区域的大小对于能否准确判断接收射线十分重要。假如接收区域设计过小，有可能无法在接收端位置找到穿过接收区域的射线，在计算时造成信号遗漏的问题。如果接收区域设计过大，又可能会出现对相同射线路径进行重复计算的问题。另外，如图11所示，对处于不同位置的接收点，应该设计不同大小的接收区域。接收区域大小与收发信机间的电磁波传输路径长度成比例关系，并且随着路径长度的增大，接收区域的尺寸也应当相应的增大。

在本实施例中，使用以θ为间隔角度,两条相邻射线间的直线距离R为直径的球形区域作为接收点的接收区域。理由为：在射线发射法中，设定的射线间隔角度θ一般都很小(在建模的过程中，用户可根据对计算精度的要求对间隔角度进行设定，间隔角度设定越小，计算精度越高)，两条相邻射线的直线间距R可近似为该间隔角度所对应的扇形弧长，如图12所示，假设收发信点间电磁波传播路径长度为d，根据弧长计算公式可计算该弧长为θd，即两条相邻射线间的直线间距R可近似为θd。本实施例是基于三维环境，因此在三维环境中，本实施例的方法就以球心为接收点Rx，半径r为θd/2的球形区域作为判断射线在空间中是否可被接收点接收的接收区域。该接收区域大小可以保证经过相同路径的电磁波射线仅有一条会穿过该接收区域,有效的避免了重复计算带来的误差。

在本实施例中，如前所述，假如在三维环境中，接收点的接收区域规划为以θd/2为半径的球形区域，虽然可以避免接收点对相同路径的电磁波射线进行重复计算，但是在空间中会出现某些特殊区域，假如接收点被置于这些特殊区域内，接收点将搜索不到任何射线穿过其接收区域。

如图12所示，令相邻两射线间夹角为θ，发信点Tx与接收点Rx间路径长度为d，如前所述，每相邻两条射线的间距可由弧长近似得出为θd。由此对于空间中两两相邻的三条射线，可假设在每条射线上构建一个虚拟的小球，小球的球心位于每条射线上距离该条射线起点为d的位置，各个射线上的小球半径均为θd/2，并且每条射线上的小球都会维持两两外接关系。由此，三条相邻射线穿过的三个小球会在它们中间围成一个不属于任何小球的空隙区域，该空隙区域即为前述的特殊区域。

如图13所示，左侧为垂直观察的示意图，右侧为从侧面观察的示意图。假如某接收点恰好位于该空隙区域内，且无论接收点位于该区域内的任何位置，该接收点以θd/2为半径划定的接收区域内都不会有任何射线穿过，这样就会产生接收信号遗漏问题，导致在接收端信号计算时出现误差。

为了解决该问题，一些解决方案被提出，在如图14所示的解决方案中，为了避免接收点被置于特殊区域而造成信号遗漏的问题，该方案采取了增大接收区域半径的方法。这种方法虽然避免了因接收点被置于特殊区域而造成信号遗漏的问题，但是由于接收区域的扩大，相应的穿过接收区域的电磁波射线数量也会增加，该方法可能再次造成因多条经过相同路径的电磁波穿过该接收区域，从而造成重复计算的问题。

在本实施例中，为了解决该问题，同时避免对相同路径电磁波的重复计算，采取了将发信点旋转θ/2的方法，例如控制该发信点旋转θ/2。在该方法中，仍然使用θ/2作为球形接收区域的半径，对接收区域大小不进行改变。如图15所示，假如在以θ/2为半径的接收区域内找不到任何电磁波路径穿过该区域，就控制发信点在空间按照水平方向(或垂直方向)进行旋转，相应的发信点发射射线所形成射线球的整体也将随之转动，旋转角度规定为θ/2，那么发信点发射出的每一条射线也将随之旋转θ/2的角度。旋转之后，考察接收点的接收区域，搜索穿过该区域的电磁波射线，将会有射线穿过该接收区域。到此本方法不仅避免了相同路径的重复计算问题，进而避免了在计算时发生信号遗漏的问题。

通过本发明实施例，降低了路径追踪过程中计算过程的复杂度，实现了更加高效准确的电磁传输路径模拟，进而获得了被观测无线网络中的电磁波传播特性。

实施例2

本发明实施例还提供了一种电磁波传播路径的追踪装置，由于该装置解决问题的原理与实施例1的方法类似，因此其具体的实施可以参照实施例1的方法的实施，内容相同之处不再重复说明。

图16是本实施例的电磁波传播路径的追踪装置的组成示意图，请参照图16，该装置1600包括：确定单元1601，检测单元1602，以及处理单元1603，其中：

确定单元1601用于根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面。

其中，如实施例1所述，在无线信号的传播场景中，如果某障碍物的某平面到发信点的距离大于上述有效平面选择半径，则认为该平面为无效平面，相反，如果某障碍物的某平面到发信点的距离小于上述有效平面选择半径，则认为该平面为有效平面。通过该确定单元过滤掉了一部分障碍物平面，减少了计算量。

检测单元1602用于对所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点。

其中，如实施例1所述，沿着每一条射线的出射方向，可以确定该射线与上述有效平面是否存在交点。如果存在交点，则该射线可能存在以有效交点为反射点的反射路径，可以继续跟踪该射线；如果不存在交点，则该射线与任何障碍物平面都不相交，无需继续跟踪该射线。

处理单元1603用于在所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量时，确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过所述有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量。由此得到了所述射线的传播路径，进而得到所述发信点的电磁波传播路径。

其中，如实施例1所述，该电磁波射线追踪过程存在两个终止条件，一个条件是电磁波射线的路径到达接收点的接收区域，另一个条件是累积反射当量达到最大反射当量，如果满足上述两个条件的任意一个，则对当前射线的追踪过程结束，继续新的射线的追踪过程。另外，如果存在上述交点，并且在当前传播路径上，该射线经过有效交点的路径累积反射当量没有到达上述最大反射当量，则该处理单元1603可以继续对该射线的下一路径方向进行追踪，在该路径方向上的射线也没有到达接收点的接收区域的情况下，继续沿着该射线的该路径方向检测交点。另外，如果不存在上述交点，并且该射线没有到达接收点的接收区域，则追踪新的射线路径。如果不存在上述交点，并且该射线到达了接收点的接收区域，则可以计算该射线的接收信号并追踪新的射线路径。

在本实施例中，上述有效平面选择半径可以是被观测无线网络所支持的最大通信距离。

在本实施例中，该接收点的接收区域可以设置为半径为θd/2的球形区域，其中，θ为相邻射线的间隔角度，d为沿发信点到接收点的电磁波传播路径长度。由此可以避免重复计算。

在本实施例中，处理单元1603还可以在没有任何一条射线穿过所述接收点的接收区域时，将所述发信点旋转θ/2，以便检测单元1602继续检测旋转后的发信点发出的射线。

在本实施例中，该装置1600还可以包括：存储单元1604，其可以存储该传播场景中的障碍物的障碍物信息表和/或每一个平面的平面信息表。其中，障碍物信息表可以包括：障碍物ID、障碍物名称、障碍物包含的平面个数、障碍物包含的平面ID，表1是该障碍物信息表的一个示例。其中，平面信息表可以包括：平面ID、所属障碍物ID、平面顶点坐标、与发信点之间的距离、有效反射平面标志、电参数，表2是该平面信息表的一个示例。此外，该存储单元1604还可以存储针对不同反射材质的等效反射当量表，表3是等效反射当量表的一个示例。

通过本实施例的装置，降低了路径追踪过程中计算过程的复杂度，实现了更加高效准确的电磁传输路径模拟，进而获得了被观测无线网络中的电磁波传播特性。

实施例3

本发明实施例还提供了一种计算机系统，该计算机系统可以包括实施例2所述的电磁波传播路径的追踪装置。

图17是本实施例的计算机系统的构成示意图，如图17所示，该计算机系统1700可以包括：中央处理器(CPU)1701和存储器1702；存储器1702耦合到中央处理器1701。其中该存储器1702可存储各种数据；此外还存储信息处理的程序，并且在中央处理器1701的控制下执行该程序。

在一个实施方式中，实施例2所述的电磁波传播路径的追踪装置的功能可以被集成到中央处理器1701中。

在另一个实施方式中，如实施例2所述的电磁波传播路径的追踪装置可以与中央处理器1701分开配置，例如可以将电磁波传播路径的追踪装置配置为与中央处理器1701连接的芯片，通过中央处理器1701的控制来实现电磁波传播路径的追踪装置的功能。

此外，如图17所示，该计算机系统1700还可以包括：输入装置1703和输出装置1704等；其中，上述部件的功能与现有技术类似，此处不再赘述。值得注意的是，计算机系统1700也并不是必须要包括图17中所示的所有部件；此外，计算机系统1700还可以包括图17中没有示出的部件，可以参考现有技术。

通过本实施例的计算机系统，降低了路径追踪过程中计算过程的复杂度，实现了更加高效准确的电磁传输路径模拟，进而获得了被观测无线网络中的电磁波传播特性。

本发明实施例还提供一种计算机可读程序，其中当在电磁波传播路径的追踪装置或计算机系统中执行所述程序时，所述程序使得计算机在所述电磁波传播路径的追踪装置或计算机系统中执行实施例1所述的方法。

本发明实施例还提供一种存储有计算机可读程序的存储介质，其中所述计算机可读程序使得计算机在电磁波传播路径的追踪装置或计算机系统中执行实施例1所述的方法。

本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。

以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。

关于包括以上实施例的实施方式，还公开下述的附记：

附记1、一种电磁波传播路径的追踪方法，其中，所述方法包括：

根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；

对于所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；

如果所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量，则确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量。

附记2、根据附记1所述的方法，其中，

如果所述传播场景中的障碍物的平面与所述发信点之间的距离大于所述有效平面选择半径，则确定所述平面为无效平面；

如果所述传播场景中的障碍物的平面与所述发信点之间的距离小于所述有效平面选择半径，则确定所述平面为有效平面。

附记3、根据附记1所述的方法，其中，所述有效平面选择半径为所述被观测无线网络所支持的最大通信距离。

附记4、根据附记1所述的方法，其中，

如果所述射线和所述有效平面之间不存在交点，并且所述射线到达了所述接收点的接收区域，则计算所述射线的接收信号；

如果所述射线和所述有效平面之间不存在交点，并且所述射线没有到达所述接收点的接收区域，则追踪下一条射线。

附记5、根据附记1所述的方法，其中，

如果所述射线到达所述接收点的接收区域，则计算所述射线的接收信号；

如果所述射线经过所述有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量，则追踪下一条射线。

附记6、根据附记1所述的方法，其中，所述接收点的接收区域为半径为θd/2的球形区域，其中，θ为相邻射线的间隔角度，d为沿发信点到接收点的电磁波传播路径长度。

附记7、根据附记6所述的方法，其中，如果没有任何一条射线穿过所述接收点的接收区域，则所述方法还包括：

将所述发信点旋转θ/2，继续追踪旋转后的发信点发出的射线。

附记8、一种电磁波传播路径的追踪装置，其中，所述装置包括：

确定单元，其根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；

检测单元，其对所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；

处理单元，其在所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量时，确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过所述有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量，由此得到所述射线的传播路径，进而得到所述发信点的电磁波传播路径。

附记9、根据附记8所述的装置，其中，

所述确定单元在传播场景中的障碍物的平面与所述发信点之间的距离大于所述有效平面选择半径时，确定所述平面为无效平面；在所述传播场景中的障碍物的平面与所述发信点之间的距离小于所述有效平面选择半径时，确定所述平面为有效平面。

附记10、根据附记8所述的装置，其中，所述有效平面选择半径为所述被观测无线网络所支持的最大通信距离。

附记11、根据附记8所述的装置，其中，所述处理单元在所述射线和所述有效平面之间不存在交点，并且所述射线到达了所述接收点的接收区域时，计算所述射线的接收信号并追踪下一条射线；并在所述射线和所述有效平面之间不存在交点，并且所述射线没有到达所述接收点的接收区域时，追踪下一条射线。

附记12、根据附记8所述的装置，其中，所述处理单元在所述射线到达所述接收点的接收区域时，计算所述射线的接收信号；在所述有效交点的累积反射当量大于预先设定的最大反射当量时，追踪下一条射线。

附记13、根据附记8所述的装置，其中，所述接收点的接收区域为半径为θd/2的球形区域，其中，θ为相邻射线的间隔角度，d为沿发信点到接收点的电磁波传播路径长度。

附记14、根据附记13所述的装置，其中，所述处理单元还用于在没有任何一条射线穿过所述接收点的接收区域时，将所述发信点旋转θ/2，以便所述检测单元继续检测旋转后的发信点发出的射线。

附记15、根据附记8所述的装置，其中，所述装置还包括：

存储单元，其存储所述传播场景中的障碍物的障碍物信息表和/或每一个平面的平面信息表，以及针对不同障碍物表面材质的等效反射当量表。

附记16、根据附记15所述的装置，其中，所述障碍物信息表包括：

障碍物ID、障碍物名称、障碍物包含的平面个数、障碍物包含的平面ID。

附记17、根据附记15所述的装置，其中，所述平面信息表包括：

平面ID、所属障碍物ID、平面顶点坐标、与发信点之间的距离、有效反射平面标志、电参数。

附记18、一种计算机系统，其中，所述计算机系统包括附记8所述的装置。

Claims (9)

1.一种电磁波传播路径的追踪装置，其中，所述装置包括：

确定单元，其根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；

检测单元，其对所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；

处理单元，其在所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量时，确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过所述有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量，

所述射线经过有效交点的路径累积反射当量是所述射线在之前传播过程中的累积反射当量与该有效交点的材质的等效反射当量之和，

所述接收点的接收区域为半径为θd/2的球形区域，其中，θ为相邻射线的间隔角度，d为沿发信点到接收点的电磁波传播路径长度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述确定单元在传播场景中的障碍物的平面与所述发信点之间的距离大于所述有效平面选择半径时，确定所述平面为无效平面；在所述传播场景中的障碍物的平面与所述发信点之间的距离小于所述有效平面选择半径时，确定所述平面为有效平面。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述有效平面选择半径为被观测无线网络所支持的最大通信距离。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理单元在所述射线和所述有效平面之间不存在交点，并且所述射线到达了所述接收点的接收区域时，计算所述射线的接收信号并追踪下一条射线；并在所述射线和所述有效平面之间不存在交点，并且所述射线没有到达所述接收点的接收区域时，追踪下一条射线。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理单元在所述射线到达所述接收点的接收区域时，计算所述射线的接收信号；在所述射线经过所述有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量时，追踪下一条射线。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理单元还用于在没有任何一条射线穿过所述接收点的接收区域时，将所述发信点旋转θ/2，以便所述检测单元继续检测旋转后的发信点发出的射线。

7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述装置还包括：

存储单元，其存储所述传播场景中的障碍物的障碍物信息表和/或每一个平面的平面信息表，以及针对不同障碍物表面材质的等效反射当量表。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，

所述障碍物信息表包括：

障碍物ID、障碍物名称、障碍物包含的平面个数、障碍物包含的平面ID；

所述平面信息表包括：

平面ID、所属障碍物ID、平面顶点坐标、与发信点之间的距离、有效反射平面标志、电参数。

9.一种电磁波传播路径的追踪方法，其中，所述方法包括：

根据预先设定的有效平面选择半径确定发信点的有效平面；

对于所述发信点发出的每一条射线，沿所述射线的方向检测所述射线与所述有效平面之间的交点；

如果所述射线与所述有效平面之间存在交点，并且所述射线经过有效交点的路径累积反射当量不大于预先设定的最大反射当量，则确定所述射线的下一路径方向，直到所述射线到达接收点的接收区域或者所述射线经过有效交点的路径累积反射当量大于预先设定的最大反射当量，

所述射线经过有效交点的路径累积反射当量是所述射线在之前传播过程中的累积反射当量与该有效交点的材质的等效反射当量之和，

所述接收点的接收区域为半径为θd/2的球形区域，其中，θ为相邻射线的间隔角度，d为沿发信点到接收点的电磁波传播路径长度。