CN107679304B - 一种三维天线增益的计算方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维天线增益的计算方法和装置。所述方法包括：预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数建立三维插值模型；根据任一空间位置点相对于天线的位置信息，计算空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值；根据空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，以及根据三维插值模型，计算天线在空间位置点处的三维天线增益。本发明的方法具有较高的精度，且能够显著提升插值算法的效率，简化插值算法的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信的无线规划及优化处理领域，特别涉及一种三维天线增益的计算方法和装置。
背景技术
随着移动通信网络技术的不断发展，特别是3G/4G移动通信网络的大规模商用，蜂窝移动通信网络的结构呈现小区密集化、立体化、微型化的趋势。原有的二维平面传播模型已经远不能适应当前移动蜂窝网络的规划和优化的精度要求，业内正在探索研究在三维立体传播模型中实现更加准确的仿真预测，以适应蜂窝移动网络不断发展的新要求。
在移动通信网络的规划和优化工程中，对通信基站天线的空间三维仿真中增益数据精度的要求越来越高，仿真数据的误差主要来源于天线增益的误差及传播模型计算上的误差。
目前，天线增益参数测量通常根据天线的E面和H面方向图计算天线的增益(天线的E面和H面可以理解为天线的方位面与俯仰面，方位面平行于天线的最大辐射面，俯仰面垂直于天线的辐射面)，计算准确度往往受所选择的经验公式制约。如传统SA算法通过将天线水平增益和垂直增益相加计算三维天线增益，计算方法虽然简单，但天线增益的精度无法满足用户需求。
为此，业内提出了多种三维天线增益的计算方法，最为普遍的就是采用内插法，内插法的计算精度相比较传统SA算法有了很大的提高，但内插法同样存在不足：在偏离E面较大的仰角上，内插法可能产生非常大的误差，并且基于内插法计算三维天线增益的复杂度较高，会给三维立体传播仿真带来的巨大的计算量，使得仿真耗时过长，如中等规模蜂窝移动通信网络的一次三维仿真，单台服务器的计算时间需要15天以上。
发明内容
本发明提供了一种三维天线增益的计算方法和装置，以解决现有技术中三维天线增益的计算方法准确性差、计算复杂度高的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供一种三维天线增益的计算方法，预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数建立三维插值模型，所述方法包括：
根据任一空间位置点相对于天线的位置信息，计算空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值；
根据所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，以及根据三维插值模型，计算天线在空间位置点处的三维天线增益。
另一方面，本发明提供一种天线三维增益的计算装置，所述装置包括：模型建立单元、增益测量值计算单元和三维天线增益计算单元；
模型建立单元，用于预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数建立三维插值模型；
增益测量值计算单元，用于根据任一空间位置点相对于天线的位置信息，计算空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值；
三维天线增益计算单元，用于根据空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，以及根据三维插值模型，计算天线在空间位置点处的三维天线增益。
本发明的有益效果是：本发明根据天线在水平方向和垂直方向的增益观察值的变化范围以及根据空间位置点在水平方向和垂直方向的增益测量参数预先建立三维插值模型，基于三维插值模型计算任一空间位置点的三维天线增益。
本发明计算三维天线增益的方法具有较高的精度，且能够显著提升插值算法的效率，简化插值算法的复杂性；提升三维传播模型仿真预测的准确性，缩短无线信号的三维传播模型的仿真时间成本，更好地支撑日常网络的规划和优化工作。
附图说明
图1为本发明实施例示出的一种三维天线增益的计算方法流程图；
图2为本发明实施例示出的一种三维天线增益的计算装置结构框图。
具体实施方式
由于三维天线增益的计算算法在立体传播模型仿真中作为前端基础模块，其计算所得三维天线增益数据将直接影响立体传播建模中其他算法模块的应用，因此，三维天线增益的计算误差会在其他模块中不断传递放大，导致立体传播模型仿真的仿真误差过大，影响三维立体传播模型的输出结果。
本发明依据天线的E面方向图和H面方向图数据，确定天线在水平方向的增益观察值的变化范围和在垂直方向的增益观察值的变化范围，结合空间位置的方位角和俯仰角的变化，建立三维插值建模，基于建立的三维插值模型进行三维天线增益的计算。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明实施例示出的一种三维天线增益的计算方法流程图，如图1所示，本实施例的方法包括：
S110，预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数，建立三维插值模型。
本发明根据天线的E面方向图数据和H面方向图数据获得天线在水平方向的增益观察值的变化范围和天线在垂直方向的增益观察值的变化范围。
本发明所述的天线的E面和H面可以理解为：天线的方位面与俯仰面，方位面平行于天线的最大辐射面，俯仰面垂直于天线的辐射面。
S120，根据任一空间位置点相对于天线的位置信息，计算空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值。
当空间位置点的空间位置信息用经纬度和高度表示时，需要将空间位置点的坐标转换为天线坐标系下的水平方位角和垂直俯仰角坐标。本实施例所述的空间位置点在水平方向的增益测量值可理解为：天线在该空间位置点的水平方位角处的增益数值，而空间位置点在垂直方向的增益测量值可理解为：天线在该空间位置点的垂直俯仰角处的增益数值。
S130，根据空间位置点的水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，以及根据三维插值模型，计算天线在空间位置点处的三维天线增益。
本实施例根据天线在水平方向和垂直方向的增益观察值的变化范围以及根据空间位置点在水平方向和垂直方向的增益测量参数预先建立三维插值模型，基于三维插值模型计算任一空间位置点的三维天线增益；本实施例计算三维天线增益的方法具有较高的精度，且能够显著提升插值算法的效率，简化插值算法的复杂性；提升三维传播模型仿真预测的准确性，缩短无线信号的三维传播模型的仿真时间成本，更好地支撑日常网络的规划和优化工作。
在本实施例的一个实现方案中，可以通过下述方案计算任一空间位置点在水平方向的增益观察值和垂直方向的增益观察值：
计算任一空间位置点在天线的天线坐标系中的水平方向的方位角az和垂直方向的俯仰角el；
分别对该空间位置点的方位角az和俯仰角el进行线性插值处理，得到该空间位置点在水平方向的增益测量值Gain(az)和垂直方向的增益测量值Gain(el)。
具体的，可以根据
计算空间位置点在水平方向的增益测量值Gain(az)；以及，
根据
计算空间位置点在垂直方向的增益观察值Gain(el)。
在本实施例的另一个实现方案中，可以通过下述方案建立三维插值模型：
(1)根据天线的E面方向图获得天线在水平方向的增益观察值的变化范围，根据H面方向图获得天线在垂直方向的增益观察值的变化范围。
实际应用中，天线厂家提供的天线的E面方向图数据包括天线在水平方向360度范围内每个角度对应的水平方向增益观察值，天线厂家提供的天线的H面方向图数据包括天线在垂直方向360度范围内每个角度对应的垂直方向增益观察值；本实施例可以根据E面方向图数据和H面方向图数据获得上述增益观察值的变化范围。
(2)根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围得到水平方向增益观察值跨度和水平方向增益观察值最小值，根据天线在垂直方向的增益观察值的变化范围得到垂直方向增益观察值跨度和垂直方向增益观察值最小值。
根据天线在水平方向的增益观察值的最大值
和最小值
计算水平方向增益观察值跨度
根据天线在垂直方向的增益观察值的最大值
和最小值
计算垂直方向增益观察值跨度
(3)根据水平方向增益观察值跨度
与水平方向增益观察值最小值
垂直方向增益观察值跨度
与垂直方向增益观察值最小值
空间位置点在水平方向的增益测量参数Gainaz和垂直方向的增益测量参数Gainel，建立三维插值模型。
所建立的三维插值模型Gain(az,el)为：
其中，选择函数
选择函数
(az,el)为空间位置点在在天线坐标系中的方位角和俯仰角。
在建立好三维插值模型后，将上述空间位置点在水平方向的增益观察值和垂直方向的增益观察值相应代入到三维插值模型中的增益测量参数Gainaz和Gainel中，即可计算出天线在该空间位置点处的三维天线增益。
本发明基于天线在水平方向、垂直方向上的增益观察值的变化范围和空间位置点在水平方向和垂直方向的增益测量值建立三维插值模型，在计算天线在任一空间位置处的三维天线增益时，先利用线性插值算法计算任一空间位置在水平方向和垂直方向的二维插值结果；再基于二维插值结果和三维插值模型进行第二次插值运算，得到任一空间位置处的三维天线增益。
本发明的方法能够有效提升三维天线增益的计算精度，计算精度误差从当前公知技术的5.8dBi降低至1.5dBi以内，计算精度的平均误差从当前公知技术的4.5dBi降低至0.23dBi以内，计算精度的最大误差从现有公知技术的41dBi降低至12dBi以内。
本发明的方法较业内公知的算法，大大降低了计算复杂度，提升了三维天线增益的计算效率；当本发明的三维天线增益计算方法应用于三维传播模型时，能够显著提升无线信号的三维传播模型仿真的运算精度、大大降低仿真运算的时间成本。如当前业内公知的三维传播模型的单小区仿真平均耗时在5分钟以上，结合本发明的三维天线增益计算方法的三维射线追踪传播模型的单小区平均仿真时间耗时在1分钟以内；实验证明，采用本发明的方案能够减少80％左右的三维传播模型的仿真耗时。
与上述三维天线增益的计算方法相对应的，本发明还提供了三维天线增益的计算装置。
图2为本发明实施例示出的一种三维天线增益的计算装置结构框图，如图2所示，该装置包括：模型建立单元21、增益测量值计算单元22和三维天线增益计算单元23；
模型建立单元21用于预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数建立三维插值模型；
增益测量值计算单元22用于根据任一空间位置点相对于天线的位置信息，计算空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值；
三维天线增益计算单元23用于根据空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，以及根据三维插值模型，计算天线在空间位置点处的三维天线增益。
在本实施例的一个实现方案中，模型建立单元21包括：观察值获取模块、模型参数计算模块和模型建立模块；
观察值获取模块用于根据天线的E面方向图获得天线在水平方向的增益观察值的变化范围，根据H面方向图获得天线在垂直方向的增益观察值的变化范围；
模型参数计算模块用于根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围，得到水平方向的增益观察值跨度和水平方向的增益观察值最小值；根据天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，得到垂直方向的增益观察值跨度和垂直方向的增益观察值最小值；
模型建立模块用于根据水平方向的增益观察值跨度与水平方向的增益观察值最小值、垂直方向的增益观察值跨度与垂直方向的增益观察值最小值、空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数，建立三维插值模型。
本实施例建立的三维插值模型为：
其中，
(az,el)为空间位置点在天线坐标系中的方位角和俯仰角，Gain(az,el)为三维天线增益，Gainaz与Gainel分别为空间位置点的水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数，
与
分别为水平方向的增益观察值跨度和垂直方向的增益观察值跨度，
与
分别为水平方向的增益观察值最小值和垂直方向的增益观察值最小值。
在本实施例的另一个实现方案中，增益测量值计算单元22包括：坐标计算模块和测量值计算模块；
坐标计算模块用于计算空间位置点在天线的天线坐标系中的水平方向的方位角和垂直方向的俯仰角；
测量值计算模块用于分别对空间位置点的方位角和俯仰角进行线性插值处理，得到空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值。
其中，测量值计算模块具体用于，
根据
计算空间位置点在水平方向的增益测量值；以及，
根据
计算空间位置点在垂直方向的增益测量值；
Gain(az)与Gain(el)分别为空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，(az,el)为空间位置点在天线坐标系中的方位角和俯仰角。
本发明装置实施例的各单元模块的具体工作方式可以参见本发明的方法实施例，在此不再赘述。
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种三维天线增益的计算方法，其特征在于，预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数建立三维插值模型，所述三维插值模型为：
其中，
(az,el)为所述空间位置点在天线坐标系中的方位角和俯仰角，Gain(az,el)为所述三维天线增益，Gainaz与Gainel分别为空间位置点的水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数，
与
分别为所述水平方向的增益观察值跨度和垂直方向的增益观察值跨度，
与
分别为所述水平方向的增益观察值最小值和垂直方向的增益观察值最小值；
所述方法包括：
根据任一空间位置点相对于所述天线的位置信息，计算所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值；
根据所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，以及根据所述三维插值模型，计算所述天线在所述空间位置点处的三维天线增益。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数建立三维插值模型，包括：
根据天线的E面方向图获得所述天线在水平方向的增益观察值的变化范围，根据H面方向图获得所述天线在垂直方向的增益观察值的变化范围；
根据所述天线在水平方向的增益观察值的变化范围，得到水平方向的增益观察值跨度和水平方向的增益观察值最小值；根据所述天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，得到垂直方向的增益观察值跨度和垂直方向的增益观察值最小值；
根据所述水平方向的增益观察值跨度与水平方向的增益观察值最小值、垂直方向的增益观察值跨度与垂直方向的增益观察值最小值、空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数，建立所述三维插值模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据任一空间位置点相对于所述天线的位置信息，计算所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，包括：
计算所述空间位置点在所述天线的天线坐标系中的水平方向的方位角和垂直方向的俯仰角；
分别对所述空间位置点的所述方位角和俯仰角进行线性插值处理，得到所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分别对所述空间位置点的所述方位角和俯仰角进行线性插值处理，得到所述空间位置点的水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，包括：
根据
计算所述空间位置点在水平方向的增益测量值；以及，
根据
计算所述空间位置点在垂直方向的增益测量值；
所述Gain(az)与Gain(el)分别为所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，(az,el)为所述空间位置点在天线坐标系中的方位角和俯仰角。
5.一种天线三维增益的计算装置，其特征在于，所述装置包括：模型建立单元、增益测量值计算单元和三维天线增益计算单元；
所述模型建立单元，用于预先根据天线在水平方向的增益观察值的变化范围、天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数建立三维插值模型；所述三维插值模型为：
其中，
(az,el)为所述空间位置点在天线坐标系中的方位角和俯仰角，Gain(az,el)为所述三维天线增益，Gainaz与Gainel分别为空间位置点的水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数，
与
分别为所述水平方向的增益观察值跨度和垂直方向的增益观察值跨度，
与
分别为所述水平方向的增益观察值最小值和垂直方向的增益观察值最小值；
所述增益测量值计算单元，用于根据任一空间位置点相对于所述天线的位置信息，计算所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值；
所述三维天线增益计算单元，用于根据所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，以及根据所述三维插值模型，计算所述天线在所述空间位置点处的三维天线增益。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述模型建立单元包括：观察值获取模块、模型参数计算模块和模型建立模块；
所述观察值获取模块，用于根据天线的E面方向图获得所述天线在水平方向的增益观察值的变化范围，根据H面方向图获得所述天线在垂直方向的增益观察值的变化范围；
所述模型参数计算模块，用于根据所述天线在水平方向的增益观察值的变化范围，得到水平方向的增益观察值跨度和水平方向的增益观察值最小值；根据所述天线在垂直方向的增益观察值的变化范围，得到垂直方向的增益观察值跨度和垂直方向的增益观察值最小值；
所述模型建立模块，用于根据所述水平方向的增益观察值跨度与水平方向的增益观察值最小值、垂直方向的增益观察值跨度与垂直方向的增益观察值最小值、空间位置点在水平方向的增益测量参数和垂直方向的增益测量参数，建立所述三维插值模型。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述增益测量值计算单元包括：坐标计算模块和测量值计算模块；
所述坐标计算模块，用于计算所述空间位置点在所述天线的天线坐标系中的水平方向的方位角和垂直方向的俯仰角；
所述测量值计算模块，用于分别对所述空间位置点的所述方位角和俯仰角进行线性插值处理，得到所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述测量值计算模块具体用于，
根据
计算所述空间位置点在水平方向的增益测量值；以及，
根据
计算所述空间位置点在垂直方向的增益测量值；
所述Gain(az)与Gain(el)分别为所述空间位置点在水平方向的增益测量值和垂直方向的增益测量值，(az,el)为所述空间位置点在天线坐标系中的方位角和俯仰角。
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| GR01 | Patent grant | ||
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