CN111222223B

CN111222223B - 用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法

Info

Publication number: CN111222223B
Application number: CN201911244674.5A
Authority: CN
Inventors: 赵友平; 郭嘉琦; 王伯诚
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: CN111222223A

Abstract

本发明提供了一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法，包括：实际测量无线电波传播环境的若干个测试点的无线电传播信息，根据无线电传播信息绘制实测无线电传播环境图；建立无线电波传播环境仿真模型，并采用栅格化处理方法对仿真模型进行仿真，得到多个仿真无线电传播环境图；将实测无线电传播环境图分别与每个仿真无线电传播环境图进行对比，得到最接近测试点的仿真无线电传播环境图；根据得到的最接近测试点的仿真无线电传播环境图，从无线电波传播环境仿真模型提取相应的电磁参数。本方法只需要进行局部实测，就可以对射线跟踪所需的电磁参数进行修正或估计，减小了操作复杂度，能够实现更为精确、可靠的射线跟踪信道仿真和信道预测。

Description

用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法

技术领域

本发明涉及无线电传播技术领域，尤其涉及一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法。

背景技术

射线跟踪法是一种运用于确定性模型的方法，该方法需要首先对传播模型进行建模，如建筑物的形状，位置，材料特性等，然后通过对直射，反射和散射的逐一判断，最后得到接收点的接收功率等特性。确定性模型是一种需要使用精确数据支撑的模型，它要求得到信道环境中的详细信息，如建筑物和自然界物体的精确位置、大小，以及相应电气参数分布。在射线跟踪法对无线传播环境进行建模时，反射面的电磁参数通常是难以准确获知的，考虑到各种复杂新型建筑材料及形状各异的反射面，在进行射线跟踪电波传播仿真时，往往会遇到一个难以精确给出建筑物各反射点的电磁参数数值的实际问题，而射线跟踪无线信道仿真系统的精度在很大程度上取决于仿真时无线环境描述的准确性。目前。很多射线跟踪无线信道仿真软件将建筑物的整个反射面乃至所有反射面都设置为同一电磁参数，这无疑为射线跟踪无线信道仿真系统带来不同程度的系统误差。传统方法在结合实测进行射线跟踪修正的过程中，往往需要对环境进行均匀位置实测，再使用插值的方法进行处理。当场景中出现沟壑等险峻地理条件或居民住宅等私人区域时，这些位置将难以进行实际测量。

为此，亟需一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法。

发明内容

本发明提供了一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法，以解决现有技术问题中的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法，包括：

实际测量无线电波传播环境的若干个测试点的无线电传播信息，根据所述无线电传播信息绘制实测无线电传播环境图；

建立无线电波传播环境仿真模型，并采用栅格化处理方法对所述仿真模型进行仿真，得到多个仿真无线电传播环境图；

将所述的实测无线电传播环境图分别与每个仿真无线电传播环境图进行对比，得到最接近测试点的仿真无线电传播环境图；

根据得到的最接近测试点的仿真无线电传播环境图，从所述无线电波传播环境仿真模型提取相应的电磁参数。

优选地，栅格化处理方法包括：对无线电波传播环境仿真模型中的未知电气参数的反射面进行分块处理，将反射面划分为多个小栅格，每个栅格包含各自的电磁参数，对于仿真结果影响越大的反射面，划分的栅格越密集，根据反射面的材料类型，对各栅格内的相对介电常数和电导率进行范围设置。

优选地，采用栅格化处理方法对所述仿真模型进行仿真，得到多个仿真无线电传播环境图，包括：设置相对介电常数和电导率的仿真遍历间隔，根据仿真遍历间隔在各栅格内的相对介电常数和电导率的范围，不断的仿真遍历，得到仿真无线电传播环境图。

优选地，实际测量无线电波传播环境的若干个测试点的无线电传播信息，包括给定发射天线的位置和工作频点，在无线电波传播环境中固定发射机的位置，然后选取无线电波传播环境中的局部区域，在选取区域中的不同位置设置接收机进行信道测量，并记录对应位置处的无线电传播信息。

优选地，将实测无线电传播环境图分别与每个仿真无线电传播环境图进行对比，包括采用生成对抗网络算法或感知哈希算法对将实测无线电传播环境图分别与每个仿真无线电传播环境图进行对比。

优选地，建立无线电波传播环境仿真模型，包括：采用Sketchup或Matlab软件建立无线电波传播环境仿真模型。

优选地，无线电传播信息包括功率、场强、时延信息、多径信息和到达角信息中的一种或几种，所述的实测无线电传播环境图包括对应的实测功率分布图、实测场强分布图、实测时延信息分布图、实测多径信息分布图和实测到达角信息分布图中的一种或几种；所述的仿真无线电传播环境图包括对应的仿真功率分布图、仿真场强分布图、仿真时延信息分布图、仿真多径信息分布图和仿真到达角信息分布图中的一种或几种。

由上述本发明的用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法提供的技术方案可以看出，本发明在已知少量实测结果的情况下，通过反向电气参数数值与分布的设定，借助无线电波传播环境图相似度比对的方法，使差异最终接近实测结果，从而得到相应电气参数的数值与分布，最终实现对无线环境参数的修正，得到实际应用场景的无线电波传播环境电磁参数，只需要进行局部实测，就可以对射线跟踪所需的电磁参数进行修正，既减小了操作复杂度，又能保证提升修正准确度；不仅可以在环境中部分电磁参数未知的情况下进行电磁参数估计，也可在已知电磁参数的情况下进行电磁参数修正；将环境的反射面进行了栅格化处理，增加了模型的精确程度。根据精度需求，动态的增加或减少栅格数量，以达到精度与运算时间之间的平衡；基于修订后的无线传播环境电磁参数，能够实现更为精确、可靠的射线跟踪信道仿真或信道预测。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法流程示意图；

图2为实测数据集的获取示意图；

图3为栅格化处理方法示意图；

图4为生成式对抗网络的算法流程图；

图5为仿真结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤和/或操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤和/或操作的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。

实施例

图1为本实施例提供的一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法流程示意图，参照图1，该方法包括：

S1实际测量无线电波传播环境的若干个测试点的接收功率，根据所述接收功率绘制实测接收功率分布图。

无线电波传播环境图是对当前无线电波传播环境的数字化描述，能通过MATLAB，PYTHON等软件工具进行可视化处理，最终对无线电传播环境进行直观的描述、刻画。在实验中，可以通过对实验室室内模型中部分点接收功率的测量完成无线电波传播环境图的可视化。

给定发射天线的位置和工作频点，在无线电波传播环境中固定发射机的位置，然后选取无线电波传播环境中的局部区域，在选取区域中的不同位置设置接收机进行信道测量，并记录对应位置处的接收功率。根据接收功率绘制出无线电波传播环境的实测接收功率分布图。

示意性地，图2为实测数据集的获取示意图，参照图2，确定发射天线的位置Tx，选取局部区域A，并在A内均匀设置32个接收点Rx，一共四列，每一列8个测试点，依次测量接收功率，获得一个4×8的接收功率矩阵，之后提供对该矩阵做插值处理，绘制出一张实测接收功率分布图。

需要说明的是，测量范围应尽可能选取受未知电气参数数值影响较大的位置范围。示意性地，在实验室环境下应为平行于门面的数道线条区域。在实际操作中，选取区域的范围越大，测量点数越多，最终得到的结果越精确。

S2建立无线电波传播环境仿真模型，并采用栅格化处理方法对仿真模型进行仿真，得到多个仿真接收功率分布图。

采用Sketchup或MATLAB软件建立无线电波传播环境仿真模型。将无线电波传播环境导入到计算机中，无线电波传播环境的反射面可以附带地理信息标签和电磁参数标签，从而建立无线电波传播环境的三维电波传播射线跟踪模型。

采用栅格化处理方法对所述仿真模型进行仿真，图3为栅格化处理方法示意图，参照图3，通过对无线电波传播环境仿真模型中的未知电气参数的反射面进行分块处理，将反射面划分为多个小栅格，每个栅格包含各自的电磁参数，对于仿真结果影响越大的反射面，划分的栅格越密集，根据反射面的材料类型，对各栅格内的相对介电常数和电导率进行范围设置。

设置相对介电常数和电导率的仿真遍历间隔，根据仿真遍历间隔在各栅格内的相对介电常数和电导率的范围，不断的仿真遍历，得到多个仿真接收功率分布图。例如某一栅格面的电导率范围设置为[0.01,0.02]，间隔为0.005；相对介电常数范围设置为[5,10]，间隔为0.5。一次只对一个区域的相对介电常数或电导率进行改变，其余部分仍为初始值，仿真产生相应的仿真接收功率分布图。

以只有两个栅格(i＝2)为例，遍历算法描述如下：

ε_i,σ_i(i＝1,2)分别为第i个栅格的相对介电常数和电导率，ε_i：6.0～7.0，σ_i：0.01～0.02，则选取ε_i＝6.0，σ_i＝0.01

精度a＝0.1，精度b＝0.001；

仿真接收功率：P^*＝f(ε₁,σ₁,ε₂,σ₂...ε_n,σ_n)；实测接收功率为P

S3将实测接收功率分布图分别与每个仿真接收功率分布图进行对比，得到最接近测试点的仿真接收功率分布图。

采用生成对抗网络(Generative Adversarial Networks，GAN)算法或感知哈希算法对将实测接收功率分布图分别与每个仿真接收功率分布图进行对比。

生成模型是指能够在给定某些隐含参数的条件下，随机生成观测数据的模型。在机器学习中，传统的生成模型可以用来直接对数据建模，并通过实验者建立判别模型进行判别。而GAN算法则是生成模型和判别模型的共同运用，使得生成器和判别器共同优化、博弈，最终达到纳什平衡，使生成器和判别器各自的代价函数最小。生成式对抗网络的算法流程如图4所示。GAN算法首先需要训练GAN模型，需要通过仿真获取的大量训练集，对GAN进行对抗训练，调高判别模型的准确度。再将仿真接收功率分布图与实测接收功率分布图进行对比判别。选取判别结果最接近随机判别的仿真接收功率分布图，即判别器的判别概率最接近0.5，该算法的特点是准确度较高。

感知哈希算法是将图片按照规律生成对应的指纹字符串，比较不同图片之间的指纹字符串，结果越相似，图片越相似。选取与实测接收功率分布图指纹字符串相似度最高的仿真接收功率分布图。该算法的特点是效率相对较高。

S4根据得到的最接近测试点的仿真接收功率分布图，从无线电波传播环境仿真模型提取相应的电磁参数。

根据得到的最接近测试点的仿真接收功率分布图，选取产生该图的仿真模型，提取相应的电磁参数。该电磁参数即为需要确定的未知电磁参数。

需要说明的是，也可以继续改变实测局部区域，并以先前确定的电磁参数为中值，缩小步S2中的取值范围，并重复上述步骤，获取多组电磁参数，取其平均值，以提高电磁参数的准确度。最终确定无线电波传播环境中不同反射面不同材料的电磁参数。

本实施例选取了北京交通大学第九教学楼的某实验室作为无线电波传播环境进行仿真实验。使用本实施例的方法和传统的从数据库中手动选择电磁参数进行对比，将进行对比的方法称为基准方法。仿真结果如图5所示，横坐标为每个反射面的栅格数，纵坐标为仿真接收功率与实测接收功率的误差。初始误差为2.5dB,即基准方法所产生的仿真误差。而随着栅格数的增加，仿真的功率值越来越接近于实测值。可以看出该方法的准确度优于基准方法。

仿真值不断逼近实测值，但始终存在一定的误差，分析误差产生有以下原因：实测设备存在系统误差；空间中存在很多仿真中未考虑的反射面，导致仿真精度难以进一步降低。若场景建模更加精细，仿真结果会更加逼近实测值。

本实施例的方法适用于未知无线电传播环境电磁参数尚不确定情况下进行射线跟踪信道仿真，也适用于无线通信新应用场景(例如空天地一体化通信场景)、无线电波传播途径中反射面存在未知(材料)电磁参数或反射面存在多种材料不规则分布(即不同反射面材料的分布是不规则的)的复杂场景。

本领域技术人员应能理解，上述所举的采用GAN算法或感知哈希算法对将接收功率分布图分别与每个接收功率仿真图进行对比，仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。任何根据接收功率分布图分别与每个接收功率仿真图进行对比，得到最接近测试点的接收功率的接收功率仿真图的方法，均包含在本发明实施例的范围内。

在实际应用中，可以通过场强分布、时延信息、多径信息和到达角信息等一种或多种信息来绘制实测无线电传播环境图，并通过与对应的仿真无线传播环境图的对比来确定电磁参数。本发明实施例并不局限上述的实测接收功率分布图和仿真接收功率分布图的对比得到电磁参数，其他任何通过实测无线电传播环境图的指标以及相应的无线电传播环境图的对比得到电磁参数的方法都在本发明实施例的保护范围中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

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

1.一种用于确定无线电波传播环境电磁参数的方法，其特征在于，包括：

将所述的实测无线电传播环境图分别与每个仿真无线电传播环境图进行对比，得到最接近实测无线电传播环境图的仿真无线电传播环境图；

根据得到的最接近实测无线电传播环境图的仿真无线电传播环境图，从所述无线电波传播环境仿真模型提取相应的电磁参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的栅格化处理方法包括：对无线电波传播环境仿真模型中的未知电气参数的反射面进行分块处理，将反射面划分为多个小栅格，每个栅格包含各自的电磁参数，对于仿真结果影响越大的反射面，划分的栅格越密集，根据反射面的材料类型，对各栅格内的相对介电常数和电导率进行范围设置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的采用栅格化处理方法对所述仿真模型进行仿真，得到多个仿真无线电传播环境图，包括：设置相对介电常数和电导率的仿真遍历间隔，根据仿真遍历间隔在各栅格内的相对介电常数和电导率的范围，不断的仿真遍历，得到仿真无线电传播环境图。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的实际测量无线电波传播环境的若干个测试点的无线电传播信息，包括给定发射天线的位置和工作频点，在无线电波传播环境中固定发射机的位置，然后选取无线电波传播环境中的局部区域，在选取区域中的不同位置设置接收机进行信道测量，并记录对应位置处的无线电传播信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将实测无线电传播环境图分别与每个仿真无线电传播环境图进行对比，包括采用生成对抗网络算法或感知哈希算法对将实测无线电传播环境图分别与每个仿真无线电传播环境图进行对比。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立无线电波传播环境仿真模型，包括：采用Sketchup或Matlab软件建立无线电波传播环境仿真模型。

7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述的无线电传播信息包括功率、场强、时延信息、多径信息和到达角信息中的一种或几种，所述的实测无线电传播环境图包括对应的实测功率分布图、实测场强分布图、实测时延信息分布图、实测多径信息分布图和实测到达角信息分布图中的一种或几种；所述的仿真无线电传播环境图包括对应的仿真功率分布图、仿真场强分布图、仿真时延信息分布图、仿真多径信息分布图和仿真到达角信息分布图中的一种或几种。