CN106332110B - 5g毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法 - Google Patents

Abstract

5G毫米波的网络信号强度空间分布态势的预测方法，反演得到预测区域内建筑材料表面的介电参数；建立路径面模型及视距面模型，对特定的收发端位置给出最大多径分布结果，并挑选出有效反射多径；对预测区域进行直达波一致区划分，测量直达波一致区的直达波场强幅度和相位，对于某接收点的场强预测，判断出其所属的直达波一致区，将该直达波一致区的场强测量值计算此接收点的直射场，根据有效反射多径反射点位置，判断反射点所属的直达波一致区，将其所属的直达波一致区的透射场幅度作为反射波的入射场幅值，计算反射场，最后将直射场与所有反射多径场叠加，确定接收点电场矢量，汇总预测区域内每一点的接收场，进而实现对电磁态势分布的预测。

Description

5G毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法

技术领域

本发明涉及通信领域的电磁波信号传播的预测，尤其涉及5G毫米波发射天线密集组网场景下的网络信号强度空间分布态势的预测方法，其与5G网络通信中毫米波在复杂地形环境中的传播特性以及毫米波5G通信信号空间分布态势的预测模型相关。

背景技术

电磁波的传播特性，如反射、透射、衍射、散射传播特性等，是无线通信场强预测的基础。5G移动通信中毫米波的频率在6GHz以上，其呈现出与目前移动通信系统所用信号不同的传播特性。随电磁波频率的增大，信号在传播过程中自由空间损耗增加，已有很多文献对毫米波60GHz波段的无线信道传输特性进行了研究，研究结果表明毫米波的穿透性极差，且极易受遮挡地形地物多径(反射、透射、衍射、散射)的影响，其中，反射与透射对接收场的影响较大。

电磁波的反射传播特性与反射面材料、入射电磁波的极化角、入射角及频率有关。与反射传播特性密切相关的反射系数是反射面材料属性的函数，通常情况下反射系数取决于电磁波极化特性、入射角、频率以及材料的介电参数。当电磁波频率大于100MHz时，反映反射系数的介电参数是频率的函数，随电磁波频率的变化波动较大。因此，对于高频波段5G毫米波反射场的计算，需要研究具体环境中5G毫米波对于不同材料的复介电参数。

由于毫米波穿透性差，5G毫米波网络信号不适合长距离通信，因此只能通过超密集组网实现无缝覆盖的技术愿景，且发射源也将渗透进入居民生活区，来获得超千亿连接的网络和连接数密度，因此发射源的高度与周围建筑物高度相当。针对5G通信这种新的网络布局场景，毫米波穿透损耗特性的研究对未来的5G移动通信中超密集组网以及实现无缝覆盖等技术环节具有重要的理论意义和应用价值。

工程上常采用典型场景测量法来获得特定类型区域内建筑物的整体穿透损耗，并作为通信系统室外覆盖设计的参考。传统的无线电波传播模型包括基于实测统计适用于大区制的经验模型，例如COST-231-Hata模型、Okumura-Hata模型等，以及依赖于三维或准三维数字化地图的确定性模型，例如时域有限差分法(FDTD)、射线跟踪法(Ray-tracing)、ITU-R等。无线信号透射能力是频率和发射源高度的函数，由于5G信号发射基站的密集布置及其较高的频段导致毫米波具有特殊的传播特性，前述模型所用的传统的穿透损耗统计测试结果并不适用于5G毫米波的通信场景。

针对网络信号强度预测，以上所述的基于实测统计的经验模型只适用于山区、郊外等大尺度场景，对于城市等复杂地形情况，由于没有考虑传播过程中发生的传播细节，场强预测不准确；基于三维数字化地图的确定性模型虽然预测结果准确，但计算量巨大，计算效率过低，而且成本比较高。目前还没有适于工程的并且实用的传播模型可对5G网络通信中任意地形复杂场景(城市、郊区、开阔区等)的信号空间分布态势进行精准分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测5G毫米波在复杂地形场景下的网络信号强度空间分布态势的方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

5G毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法，包括以下步骤：

获取预测区域内各种建筑材料表面的复介电参数；

S101、获取预测区域内不同建筑材料类型的墙面厚度；

S102、对预测区域内不同建筑材料类型的墙面进行透射测量，获取毫米波穿透墙面时的入射净功率P_in及透射净功率P_out；

S103、根据以下公式，联立方程组计算出墙面材料的复介电参数的实部和虚部，从而确定对应建筑材料类型表面的复介电参数；

其中，|Γ|²为材料穿透的传输衰减，D为墙面厚度，ε₀＝ε’-jε”为空气的介电常数，ε₁为墙面材料的复介电参数，μ₀为真空中的磁导率，ε’和ε”分别为墙面材料的复介电参数的实部和虚部，j为虚数单位；

确定信号收发端之间反射多径的分布；

S201、建立路径面模型和视距面模型，将信号发射塔与预测区域之间的路径面和视距面在笛卡尔三维直角坐标系下用平面函数表示：

其中，h_s为路径面或视距面的高度，和分别为路径面或视距面在地面的投影线的两个端点经笛卡尔坐标转换后的坐标；

S202、寻找并确定有效反射多径；

寻找有效反射路径，对所建立的视距面一一判断是否存在有效反射路径，得到最大多径分布结果，采用波束交叉法从最大多径分布结果挑选出有效反射多径；

预测5G毫米波网络信号强度空间分布态势；

S301、划分直达波一致区；

S302、测量各个直达波一致区内的透射场强幅度和相位，将直达波一致区的透射场强幅度作为直达波一致区内信号接收点的直射场强幅度；

S303、确定预测区域内的信号接收点所在的直达波一致区，进而确定信号接收点所在直达波一致区的直达波来波场强；

其中，E₀为直达波一致区的透射场强幅度，β_Ω为直达波一致区内信号接收点所在位置的相位；

S304、根据来波方向将有效反射多径的反射点所在的直达波一致区的直达波来波场强E_d反分解为水平极化分量E_d||和垂直极化分量E_d⊥；

有效反射多径的反射点所在的直达波一致区的直达波来波场强：其中，β_Ω’为直达波一致区内反射点所在位置的相位；

E_d反的水平极化分量：E_d反的垂直极化分量：其中，为垂直极化方向的单位矢量，为水平极化方向的单位矢量；

S305、计算有效反射多径的反射场强E_j'；

其中，A_r为有效反射多径的反射点到信号接收点的振幅损耗因子，r为建筑材料表面的总反射系数，E_d反为有效反射多径的反射点所在的直达波一致区的直达波来波场强，为反射波程引起的相位差；

S306、计算预测区域在信号发射塔辐射范围内的电磁态势分布；

将预测区域进行网格划分，计算每一网格点处的接收总场强，将满足条件的n条有效反射多径产生的总反射场强与信号接收点所在直达波一致区的直达波来波场强E_d直进行叠加，即得到每一网格接收点R的总场强

将每个网格点的总场强进行汇总，获得信号发射塔作用下整个预测区域的接收场分布态势。

进一步的，所述步骤S101中，至少获取两个同一建筑材料类型的墙面的厚度。

进一步的，所述步骤201中的笛卡尔三维直角坐标系以信号发射塔所在位置为坐标原点，以正北方向为Y轴正方向，正东方向为X轴正方向。

进一步的，所述步骤202中采用镜像法寻找有效反射路径。

进一步的，所述步骤S301中采用布尔代数法通过求立体透射区的重叠边界的代数解，根据不同面的立体透射区的相交区域来划分直达波一致区。

本发明的网络信号强度空间分布态势的预测方法首先对预测区域内建筑群建筑材料类型进行分类采样，测量不同建筑类型及厚度的墙面的净透射功率，通过透射功率反演出预测区域内不同建筑材料类型表面的介电参数；然后以发射塔为原点建立三维空间坐标系，建立路径上的“面”地物数学模型以及预测区域内的“面”地物数学模型，对特定的收发端位置给出最大多径分布结果，并挑选出有效反射多径；最后，对预测区域进行“透射一致区”分区，并对每一直达波一致区的直达波场强幅度和相位进行测量，在此基础上，对于某接收点的场强预测，首先判断其所属的直达波一致区，将直达波一致区的透射场强测量值作为此接收点的直射场，然后根据寻找出的有效反射多径计算反射点位置，判断反射点所属的直达波一致区，将反射点所属的直达波一致区的透射场幅度作为反射波的入射场幅值，利用反演的介电参数计算反射系数，并进一步计算反射场，最后根据电磁信号叠加原理将直射场与所有反射多径场叠加，确定接收点电场矢量，最后计算预测区域内每一点的接收场，进而实现对电磁态势分布预测的目的。

附图说明

图1为本发明方法的步骤图；

图2为利用“垂直透射法”测量与计算复介电参数示意图；

图3为构成“路径面”与“视距面”的建筑物的选择示意图；

图4为利用“镜像法”寻找有效反射多径示意图；

图5为路径与视距范围内建筑物的“面”建模示意图；

图6为直达波一致区分区方法示意图；

图7为直达波幅相测量场景图；

图8为地面反射示意图；

图9为求解入射场的垂直与水平极化方向分量示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明的预测5G毫米波的网络信号强度空间态势分布的方法包括以下步骤：

获取预测区域内各种建筑材料类型表面的复介电参数的步骤；

计算信号的反射场强时需要知道反射材料的反射系数，电磁波的反射系数与极化方式、频率、入射角度以及反射材料的介电参数等有关，在低频时，介电参数与信号频率无关，但当信号频率较高(频率在100MHz以上)时，介电参数表现为频率的函数；对于高频无线信号的传播，反射系数中介电参数与频率密切相关，因此，通过反演5G毫米波段典型频率的复介电参数，进而得到高频毫米波在不同类型反射材料表面的反射系数；5G毫米波典型频率信号在预测区域内传播时，该区域内不同建筑材料类型表面复介电参数的获取步骤具体如下：

S101、获取预测区域内不同建筑材料类型的墙面厚度；

对于(5G信号场强)预测区域内各类型墙面，为避免边缘衍射以及其它地物反射，可尽量选取表面积较大的墙面测量，并且可对同一建筑类型的墙面至少获取两种厚度，以减小误差；

S102、对各类型墙面进行透射测量，获取毫米波穿透各类型不同厚度墙面时的入射净功率P_in及透射净功率P_out；

由于毫米波段频率大于1GHz，因此可优选采用方向性较强的宽频带双脊喇叭天线对墙面进行透射测量，将两个高定向宽频带双脊喇叭天线分别放置于墙面两侧，并垂直于墙面，使两天线口径相互对准，两天线分别为(5G所选频率)信号的发射端和接收端，测量毫米波穿透墙面的入射净功率P_in及透射净功率P_out(图2)，除去信号在墙面两侧的自由空间传播损耗，可多次测量后求平均值，以减小测量误差；

S103、利用墙面穿透损耗公式与复介电参数的对应关系，反演墙面材料的复介电参数；

根据菲涅尔公式，材料穿透的传输衰减为：

式中的ε₀是空气的介电常数，ε₁为墙面材料的复介电参数，μ₀、μ₁分别为真空和介质中的磁导率；

对于非铁磁性材料，μ₁≈μ₀，则由ε₀＝ε’-jε”，则

其中，D为墙面厚度，ε’和ε”分别为墙面材料的复介电参数的实部和虚部，j为虚数单位；

通过求解以上方程组得到墙面材料的复介电参数的实部和虚部，从而确定预测区域内不同建筑材料类型表面的复介电参数ε₁。

由于墙体不是理想导体，因此反射波是部分能量，接收机接收到的是混合波，反射波峰值的位置与发射天线位置、馈线长度有关，难以准确确定波峰的位置，加大了测量计算误差。随着信号入射角的变化，TE(Transverse Electric)波和TM(Transverse Magnetic)波的反射系数的变化趋势不同且变化幅度较大，导致利用反射系数测量法获取介电参数会出现很大误差，相比而言利用垂直透射法获得透射功率可有效避免这些误差，因此本发明优选采用“垂直入射透射法”反演介电参数。

确定信号收发端之间反射多径分布情况的步骤；由于5G毫米波无线信号通信传播过程受地形地物的影响极大，各种障碍物(如建筑物、街道、丛林等)对电波有反射、透射、衍射等作用，这些多径传输使得接收场强呈复杂的空间态势分布，因此在计算信号接收点的总反射场强时(步骤S305)需要知道信号收发端之间的有效反射多径的情况；

S201、选择构成路径面与视距面的建筑物，建立路径面模型和视距面模型；

如图3所示，将预测区域内(所有)信号接收点与信号发射塔之间的无线电信号的传播路径定义为路径，路径面是无线电信号在收发端(信号接收点和信号发射塔)之间的路径上传播时穿透的(所有)建筑物的墙面以及其它地物平面，视距面是预测区域四周视距范围内的(所有)建筑物的墙面以及其它地物平面；建立路径面模型和视距面模型就是将信号发射塔与预测区域之间的路径面和视距面在笛卡尔三维直角坐标系下用平面函数表示；建立路径面模型和视距面模型是寻找有效反射多径和对直达波一致区进行分区的基础；

如图4所示，本发明的笛卡尔三维直角坐标系是以信号发射塔T(信号源)所在位置为坐标原点，以正北方向为Y轴正方向，正东方向为X轴正方向，即在该坐标系上，信号发射塔的坐标为(0,0,0)，信号接收点R的坐标为(x_r,y_r,h_r)；将地物数据进行笛卡尔坐标转换时，经纬度坐标为(lat2,lon2)的空间某点在笛卡尔三维直角坐标系上的xoy平面上的坐标(x,y)为：

其中，(lat1,lon1)为信号发射塔的经纬度坐标，R₀为地球半径；

路径面或视距面方程为：

其中，和分别为路径面或视距面在地面的投影线的两个端点经笛卡尔坐标转换后的坐标，即为路径面或视距面在地面的投影线的两个端点在笛卡尔三维直角坐标的坐标，h_s为墙面高度；

参照图4，以视距面S₁为例，S_l1、S_l2为视距面S₁在地面的投影线的两个端点，已知S_l1、S_l2的经纬度坐标，利用式1进行笛卡尔坐标转换，即可得到该两端点在所建立的笛卡尔三维直角坐标系(xoy平面)上的坐标；

为方便计算，路径面或视距面方程可写为：Ax+By+C＝0，方程式中的系数A、B、C为：

S202、在建立视距面模型的基础上，寻找并确定有效反射多径；即通过几何关系判断在所建立的视距面上是否存在满足反射条件的反射点；

首先获取最大多径分布结果，然后在最大多径分布结果中挑选出有效的反射多径；可根据得到的有效反射多径的结果，计算反射点位置(步骤S304)及计算接收点的反射场强(步骤S305)；

本发明采用镜像法寻找有效反射路径，对所建立的视距面一一判断是否存在有效反射多径，从而得到最大多径分布结果；镜像法是先找到发射点相对于某平面的镜像点，如果发射点的镜像点与接收点的连线与该平面有交点，且接收点和镜像点间的连线除与该平面相交外不与其它面相交，则为可能多径传播的几何结构，具体判断方法如下：

如图5所示，找到信号发射塔T关于某墙面e(视距面)的镜像点T’，将镜像点T’与信号接收点R相连，如果镜像点T’与信号接收点R间的连线与墙面e无交点，则无反射，若镜像点T’与信号接收点R间的连线与墙面e相交于点S，则点S为反射点，信号的反射路径为T、S、R间的连线T-S-R；然后判断反射路径T-S-R与预测区域内的其它墙面是否有交点，有交点则为无效反射路径，无交点则墙面e会产生有效反射多径，反射路径T-S-R为反射多径中的一径；将地面视作z＝0的视距面，同样利用“镜像法”判断地面反射多径是否有效；

即采用“镜像法”判断反射路径是否有效时，若信号发射端与信号接收端在某平面的两侧，则不存在反射，若某平面上的反射射线传播过程中与其他平面相交，则反射线将经历透射，由于毫米波穿透损耗极大，将这种情况视作无效反射多径；

采用“波束交叉法”挑选有效反射多径，如果多径传播几何路径包含在收发天线波束交叉范围内，则为有效路径，否则为无效路径；具体判断方法如下：利用信号发射塔和信号接收点的方向图对进入信号发射塔与信号接收点的波束交叉区域内的反射路径进行筛选，判断每一反射路径上的反射点是否位于收发端的波束交叉区域内，如果是则此反射路径T-S-R所从属的多径有效，反之为无效反射多径。

预测5G毫米波网络信号强度空间分布的步骤：

S301、划分直达波一致区；

与几何光学理论中光的直线传播定律相似，当电磁波遇到障碍物时，会在障碍物背向发射源的一侧形成几何阴影区，进而发生透射与反射，根据发射天线波束函数与路径面以及视距面的相交运算，分别求出各路径面及各视距面在预测区域内的立体透射区(几何阴影区)，不同路径面或视距面产生的立体透射区可能会重叠，透射情况相同的立体透射区为直达波一致区域，此外，无障碍无遮挡的自由空间传播立体区域也是直达波一致区域，直达波一致区内的直达波幅度相同；

本发明采用布尔代数法，通过求立体透射区的重叠边界的代数解，根据不同面的立体透射区的相交区域来划分直达波一致区，具体如下：

对于某一视距面或路径面e(该平面垂直于地面)，其顶边的两端点为E_e和F_e，底边(位于地面上)的两端点为C_e和D_e，A_e、B_e为天线发射端T分别与E_e和F_e的连线与地面的交点，已知点E_e和点F_e的坐标(x_emin，y_emin，h_e)、(x_emax，y_emxa，h_e)以及信号发射塔T的坐标(x_t，y_t，h_t)，则

线段TE_e＝{(x_emin-x_t),(y_emin-y_t),(h_e-h_t)}，

线段TF_e＝{(x_emax-x_t),(y_emax-y_t),(h_e-h_t)}，

面TE_eF_e的方程为：α_e·(x-x_t)+β_e·(y-y_t)+γ_e·(z-h_t)＝0，

线段A_eB_e的方程为：

其中，α_e＝(y_emin-y_t)(h_e-h_t)-(h_e-h_t)(y_emax-y_t)，β_e＝(x_emax-x_t)(h_e-h_t)-(x_emin-x_t)(h_e-h_t)，γ_e＝(x_emin-x_t)(y_emax-y_t)-(y_emin-y_t)(x_emax-x_t)；

线段A_eB_e横纵坐标x、y的取值范围：和则

A_e点的坐标为B_e点的坐标为

根据A_e、B_e、C_e、D_e、E_e和F_e的坐标即可得某路径面或视距面e的立体透射区A_eB_eC_eD_eE_eF_e，将不同的立体透射区进行求交或求差运算来获得直达波一致区；

如图6所示，以路径面e₁和视距面e₂为例对直达波一致区的划分进行说明，其中，e₁的高度高于e₂的高度；路径面e₁产生的立体透射区为面A₁B₁C₁D₁与面A₁B₁E₁F₁所围空间区域，即A₁B₁C₁D₁E₁F₁，视距面e₂产生的立体透射区为面A₂B₂C₂D₂与面A₂B₂E₂F₂所围空间区域，即A₂B₂C₂D₂E₂F₂；

区域1是空间A₁B₁C₁D₁E₁F₁和空间A₂B₂C₂D₂E₂F₂相交的区域，区域2是空间A₂B₂C₂D₂E₂F₂减去区域1之后的区域，区域3是空间A₁B₁C₁D₁E₁F₁减去区域1之后的区域，它们分别形成3个直达波一致区域；

由以上各点坐标可求解得到线段A₁C₁与线段C₂D₂的交点W的坐标(x_W,y_W)：线段A₁C₁与A₂B₂的交点V的坐标(x_V,y_V)：及线段TV与E₂F₂的交点U的坐标(x_W,y_W,h₂)；

图6中，点V在线段A₁W上，则区域1＝WD₂B₂VUF₂，区域2＝A₂B₂C₂D₂E₂F₂-区域1，透射区3＝A₁B₁C₁D₁E₁F₁-区域1，通过以上步骤划分得到的区域1、区域2、区域3为根据路径面e₁和视距面e₂透射情况划分的直达波一致区；

S302、测量各个直达波一致区的透射场强幅度和相位，将测得的直达波一致区的透射场强幅度E₀作为直达波一致区内信号接收点的直射场强幅度或反射波的入射场强幅度；

取直达波一致区内的任意点作为测量点o，对测量点o位置处的透射场强幅度E₀和相位β₀进行测量，可多次测量后取平均值以减少误差，m为测量次数：同一直达波一致区中各点的透射场强幅度相同；可利用高定向性天线，如9单元八木天线等高增益窄波束天线，对直达波一致区的透射场强幅度E₀及相位β₀进行测量；如图7所示，将高定向性天线对准信号发射塔，高定向性天线的仰角高定向性天线与正北方向的夹角为其中，为信号发射塔与信号接收点之间的地面距离，x_r和y_r分别为信号接收点在笛卡尔三维直角坐标系上的坐标，h_t和h_r分别为信号发射塔与信号接收点的高度；

S303、确定预测区域内的信号接收点R所在的直达波一致区，进而确定信号接收点R所在直达波一致区的直达波来波场强E_d直；

其中，E₀为直达波一致区的透射场强幅度，β_Ω为直达波一致区内信号接收点R所在位置(Ω)的相位，式中的β₀为信号接收点R所在的直达波一致区的测量点o处的相位，r₀为信号发射塔到信号接收点R所在的直达波一致区的测量点o的距离，r_Ω为信号发射塔到信号接收点R的距离，λ为预测区域5G通信所选毫米波的波长；

S304、根据来波方向将有效反射多径中各反射点S所在的直达波一致区的直达波来波场强E_d反分解为水平极化分量E_d||和垂直极化分量E_d⊥；

根据所确定的有效反射多径，确定有效反射多径中各反射点S的坐标(x_s,y_s,z_s)，确定各反射点所在的直达波一致区，进而确定有效反射多径中反射点S所在直达波一致区(反射点处)的直达波来波场强E_d反，亦即反射点处的入射波场强；

其中，E₀为直达波一致区的透射场强幅度，β_Ω’为直达波一致区内反射点S所在位置(Ω’)的相位，β₀’为反射点S所在的直达波一致区的测量点o处的相位，r₀为信号发射塔到信号接收点R所在的直达波一致区的测量点o的距离，r_Ω’为信号发射塔到反射点S的距离；

E_d反的水平极化分量和垂直极化分量分别为：和其中，为垂直极化方向的单位矢量，为水平极化方向的单位矢量(图9)，

前述来波方向根据信号发射塔的镜像点T’的坐标与反射点S的坐标确定，具体如下：先确定信号发射塔关于路径面(墙面)的镜像点T’的坐标(x_t′,y_t′,h_t′)：h_t′＝h_t，然后确定信号发射塔的镜像点T’与信号接收点R间连线与路径面的交点，即反射点S的坐标(x_s,y_s,z_s)： A、B、C为路径面方程Ax+By+C＝0中的系数，(x_t,y_t,h_t)为信号发射塔T的坐标，(x_r,y_r,h_r)为信号接收点R的坐标，则来波方向

对于地面反射情况(图8)，地面方程为z＝0，信号发射塔关于地面的镜像点的坐标为T′(x_t，y_t，-h_t)，信号发射塔的镜像点T’与信号接收点R间连线与底面的交点S的坐标为z_s＝0，根据上述方法确定来波方向以及地面反射来波水平和垂直极化分量；

S305、计算有效反射多径的反射场强E_j'；

利用所获得的预测区域内的建筑材料(墙面)表面的复介电参数计算有效反射多径的反射场强：

其中，A_r为有效反射多径的反射点S到信号接收点R的振幅损耗因子，r为建筑材料表面的总反射系数，E_d反为有效反射多径的反射点S所在的直达波一致区的直达波来波场强，为反射波程引起的相位差，i为虚数单位；由于毫米波波长远远小于建筑物尺寸以及传播距离，可将反射来波视作平面波，利用菲涅尔方程计算反射系数，

A_r＝r₁/(r₁+r₂)

r＝[(E_d||r_||)²+(E_d⊥|r_⊥|)²-2E_d|||r_|||E_d⊥|r_⊥|cos(Δβ)]^1/2

式中的r₁为信号发射塔到有效反射多径的反射点S的入射路径传播距离，r₂为有效反射多径的反射路径传播距离，λ为预测区域5G通信所选毫米波的波长，x_r、y_r、h_r为信号接收点R在笛卡尔三维直角坐标系的坐标，x_s、y_s、z_s为有效反射多径的反射点S在笛卡尔三维直角坐标系的坐标，E_d||、E_d⊥分别为有效反射多径的反射点S所在的直达波一致区的直达波来波场强的水平极化分量和垂直极化分量，Δβ为水平极化反射系数与垂直极化反射系数之间的相位差；

β＝ψ_⊥'-ψ_||'， θ为信号入射角， 为墙面法向量， 分别为面模型在地面的投影线段的两个端点的三维笛卡尔坐标中的x和y轴的坐标，h_s为墙面高度；

S306、计算预测区域在信号发射塔辐射范围内的电磁态势分布；

将预测区域进行网格划分，利用电磁波独立传播与叠加原理计算每一网格点处的接收总场强，例如将预测区域沿x和y轴每隔1m划分一个网格，对于每一网格接收点R，将满足条件的所有(n条)有效反射多径产生的总反射场强与直达波来波场强E_d直进行叠加，即可得到每一网格接收点R的总场强

将每个网格点的总场强进行汇总，即可获得信号发射塔(基站)作用下整个预测区域的接收场分布态势，可用matlab将整个区域的预测数据进行内插外推计算来获得预测区域在该基站辐射情况下的网络信号强度空间分布态势。

以上网络信号强度分布态势预测方法是就单基站作用场，对于5G场景中的多基站共同作用场，可在对单基站场计算的基础上，根据移动电话功率电平鉴别选择服务基站的原理，对每一发射基站在某接收点产生的场强进行比较，最大的场强值为该接收点的接收场强值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.5G毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取预测区域内各种建筑材料表面的复介电参数；

S101、获取预测区域内不同建筑材料类型的墙面厚度；

S102、对预测区域内不同建筑材料类型的墙面进行透射测量，获取毫米波穿透墙面时的入射净功率P_in及透射净功率P_out；

S103、根据以下公式，联立方程组计算出墙面材料的复介电参数的实部和虚部，从而确定对应建筑材料类型表面的复介电参数；

其中，|Γ|²为材料穿透的传输衰减，D为墙面厚度，ε₀为空气的介电常数，ε₁为墙面材料的复介电参数，ε₁＝ε’-jε”，μ₀为真空中的磁导率，ε’和ε”分别为墙面材料的复介电参数的实部和虚部，j为虚数单位；

确定信号收发端之间反射多径的分布；

S201、建立路径面模型和视距面模型，将信号发射塔与预测区域之间的路径面和视距面在笛卡尔三维直角坐标系下用平面函数表示：

其中，h_s为路径面或视距面的高度，和分别为路径面或视距面在地面的投影线的两个端点经笛卡尔坐标转换后的坐标；

S202、寻找并确定有效反射多径；

寻找有效反射路径，对所建立的视距面一一判断是否存在有效反射路径，得到最大多径分布结果，采用波束交叉法从最大多径分布结果挑选出有效反射多径；

预测5G毫米波网络信号强度空间分布态势；

S301、划分直达波一致区；

S302、测量各个直达波一致区内的透射场强幅度和相位，将直达波一致区的透射场强幅度作为直达波一致区内信号接收点的直射场强幅度；

S303、确定预测区域内的信号接收点所在的直达波一致区，进而确定信号接收点所在直达波一致区的直达波来波场强；

其中，E₀为直达波一致区的透射场强幅度，β_Ω为直达波一致区内信号接收点所在位置的相位；

S304、根据来波方向将有效反射多径的反射点所在的直达波一致区的直达波来波场强E_d反分解为水平极化分量E_d||和垂直极化分量E_d⊥；

有效反射多径的反射点所在的直达波一致区的直达波来波场强：其中，β_Ω’为直达波一致区内反射点所在位置的相位；

E_d反的水平极化分量：E_d反的垂直极化分量：其中，为垂直极化方向的单位矢量，为水平极化方向的单位矢量；

S305、计算有效反射多径的反射场强E_j'；

其中，A_r为有效反射多径的反射点到信号接收点的振幅损耗因子，r为建筑材料表面的总反射系数，E_d反为有效反射多径的反射点所在的直达波一致区的直达波来波场强，为反射波程引起的相位差；

S306、计算预测区域在信号发射塔辐射范围内的电磁态势分布；

将预测区域进行网格划分，计算每一网格点处的接收总场强，将满足条件的n条有效反射多径产生的总反射场强与信号接收点所在直达波一致区的直达波来波场强E_d直进行叠加，即得到每一网格接收点R的总场强

将每个网格点的总场强进行汇总，获得信号发射塔作用下整个预测区域的接收场分布态势。

2.根据权利要求1所述的5G毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法，其特征在于：所述步骤S101中，至少获取两个同一建筑材料类型的墙面的厚度。

3.根据权利要求1所述的5G毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法，其特征在于：所述步骤S201中的笛卡尔三维直角坐标系以信号发射塔所在位置为坐标原点，以正北方向为Y轴正方向，正东方向为X轴正方向。

4.根据权利要求1所述的5G毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法，其特征在于：所述步骤S202中采用镜像法寻找有效反射路径。

5.根据权利要求1所述的5G毫米波网络信号强度空间分布态势的预测方法，其特征在于：所述步骤S301中采用布尔代数法通过求立体透射区的重叠边界的代数解，根据不同面的立体透射区的相交区域来划分直达波一致区。