CN111355540A - 一种基于衍射理论的无线链路建模与质量评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于衍射理论的无线通信链路建模与质量评估方法，主要包括计算信号强度、评估链路质量等步骤。其中，接收信号强度的计算是采用基于衍射理论的方法，该方法根据工厂内的无线通信传播环境绘制3D模型，并通过计算菲涅尔距离、路径损耗、收发端视距路径周围的菲涅尔区域半径、接收端衰减剩余场强、障碍物衰减等，算出接收端接收信号强度；链路质量评估方法，是通过对链路的菲涅尔区域中的障碍物的大小和密度将链路进行分类，每一类对应于一个障碍物衰减值，得出一个链路模型，从而根据链路模型判断链路是否可靠。该方法解决了复杂工业环境条件下无线链路堵塞严重、质量不稳定的问题，保证了无线通信的高可靠性。

Description

一种基于衍射理论的无线链路建模与质量评估方法
技术领域
本发明涉及一种复杂工业环境条件下的无线链路建模与质量评估方法，该方法基于衍射理论来解决无线通信链路的建模与质量评估问题，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着制造业的发展，采用无线传感器网络已经成为重要的技术应用问题。目前，网络节点可采用电池供电的高效传感器设备替代有线设备，从而大大节省了能源开销。在复杂工业环境条件下(如工业石油和天然气冶炼厂)，由于金属设备(如结构管道、架，金属塔和建筑等)阻塞了直通路径，无线电信号易于堵塞并发生多径衰落。因此，虚拟网络规划软件工具(计算机辅助)的发展变得愈加重要。
由于无线电规划设计阶段的不准确性将会给调试阶段带来问题，而准确的网络规划限制了整体系统超大规模设计的需求(因为会有额外的开销)。因此，为了在预测无线覆盖范围时达到一定的准确度要求，开发的设计准则和工具非常重要。一般地，网络规划部署是通过评估分布式的网络中所有设备之间的无线链路质量来进行的，链路质量通过接收信号的强度来表示。接收信号强度可以通过在典型的工业环境中进行独立的无线信号测量运动以及基于传播理论和光线追踪工具的模型进行预测。传统的基于实验的信道模型不能完全反应出工业环境中独特的传播特点，另外，基于模型的射线追踪不可用于具有复杂结构的大型工厂。
发明内容
基于复杂工业环境条件下，无线链路受堵塞情况严重、链路质量不稳定，本发明提出了一种基于衍射理论的无线链路的建模及链路质量评估方法，其技术方案主要包括以下步骤：
S1：绘制传播环境的3D-CAD模型。典型的工业环境相似于分布有金属障碍物的恶劣环境下传播距离只有10-150m的都市蜂窝网，相比于视距路径没有阻塞的链路，不存在清晰的视距路径的无线链路接收到的信号功率要经历更严重的衰减。由于障碍物受到的衰减与收发端两端的距离是不相关的，造成接收信号衰减的障碍物大多数分布在菲涅尔第一第二区域(即主要传播电场能量的区域)。绘制出传播环境的3D模型便于分析由于障碍物的存在带来的衰减。
S2：计算路径损耗。当收发端天线之间的距离较远时，由于地面反射会有路径损耗。根据发送端与接收端天线距离地面的高度计算菲涅尔距离(即路径衰减门限距离)：dF＝2hahb/a0，a0指接收信号波长。当收发送端的天线之间的距离小于菲涅尔距离时，即d≤dF,路径衰减可忽略不计；否则需计算路径衰减：L＝10(c-2)log10(1+d/dF),c为路径衰减因子，经验取值2.5，d为收发端天线的距离。
S3：计算障碍物损耗。计算障碍物所在位置的菲涅尔区域的半径：
Figure BDA0001917819350000021
n指第n菲涅尔区域，q1为障碍物1距离发送端天线的距离；由于场波能量主要在菲涅尔第一第二区域传播，所以根据在这两个区域中的障碍物计算接收端经衰减剩余后的场强比例：
Figure BDA0001917819350000031
Efree指无障碍物时在接收端的场强，当存在多个障碍物时
Figure BDA0001917819350000032
计算障碍物引起的衰减p＝-20log10|E/Efree|。
S4：计算接收信号强度。基于上述计算结果，计算接收端的接收信号强度：g＝g0-20log10(1+d/d0)-L-p。
S5：对链路进行分类。根据每对链路的菲涅尔区域中的障碍物的大小和密度将链路进行分类，每一类对应于一个障碍物衰减p，得出一个链路模型。
S6：评估链路质量。根据传播环境判断所属链路类别，以及建立的链路模型判断链路是否可靠。
本发明提出的一种基于衍射理论的信道模型，可以在密集的金属障碍物影响下的恶劣的无线环境中评估信道链路质量。这些无线链路可通过分析阻碍无线传播的障碍物的特点划分成不同的类，每一类都有一个单独的信道模型去预测无线链路的质量。所建立的3D-CAD模型是用来分析障碍物的结构的。
附图说明
图1是本发明信道建模方法的示意图。
图2是本发明信道建模方法的具体流程图。
具体实施方式
下面通过结合图1和图2，对本发明具体实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。该实施例是基于本发明方法的其中一种具体流程。
步骤201：绘制传播环境的3D模型，测量得到相应参数。
根据炼油厂内的无线传播环境绘制3D模型，确定终端位置，与基站建立一条通信链路，并得出相应数据(基站发送功率、基站高度、接收终端高度、基站与终端的距离、障碍物位置与大小等)；
步骤202：计算菲涅尔距离dF；
步骤203：判断收发端两端的距离是否大于dF；
步骤204：收发端的距离小于菲涅尔距离，路径衰减因子c取值2；
步骤205：收发端的距离大于菲涅尔距离，路径衰减因子c取值2.5；
步骤206：计算由于传播距离造成的路径损耗L；
步骤207：计算菲涅尔区域半径；
步骤208：计算接收端的场强衰减剩余百分比；
步骤209：计算由于障碍物的存在造成的衰减p；
步骤210：计算接收端的接收信号强度RSS；
步骤211：对链路进行分类；
步骤212：求各类链路的信道容量，评估信道。

Claims (2)

1.一种基于衍射理论的无线链路建模与质量评估方法，主要包括计算接收信号强度、评估链路质量等步骤，其特征在于：接收信号强度的计算是采用基于衍射理论的方法，该方法通过建立传播环境的3D-CAD模型，计算接收端的接收信号强度，其方法过程如下：
S1，绘制传播环境的3D-CAD模型：相比于视距路径没有阻塞的链路，不存在清晰的视距路径的无线链路接收到的信号功率要经历更严重的衰减，由于障碍物受到的衰减与收发端两端的距离是不相关的，造成接收信号衰减的障碍物大多数分布在菲涅尔第一第二区域(即主要传播电场能量的区域)，绘制出传播环境的3D模型便于分析由于障碍物的存在带来的衰减；
S2，计算路径损耗：当收发端天线之间的距离较远时，由于地面反射会有路径损耗，根据发送端与接收端天线距离地面的高度计算菲涅尔距离(即路径衰减门限距离)：dF＝2hahb/a0，a0指接收信号波长，当收发送端的天线之间的距离小于菲涅尔距离时，即d≤dF,路径衰减可忽略不计，否则需计算路径衰减：L＝10(c-2)log10(1+d/dF),c为路径衰减因子，经验取值2.5，d为收发端天线的距离；
S3，计算障碍物损耗：计算障碍物所在位置的菲涅尔区域的半径：
Figure FDA0001917819340000011
n指第n菲涅尔区域，q1为障碍物1距离发送端天线的距离，由于场波能量主要在菲涅尔第一第二区域传播，所以根据在这两个区域中的障碍物计算接收端经衰减剩余后的场强比例：
Figure FDA0001917819340000012
Efree指无障碍物时在接收端的场强，当存在多个障碍物时
Figure FDA0001917819340000021
计算障碍物引起的衰减p＝-20log10|E/Efree|；
S4，计算接收信号强度：基于上述计算结果，计算接收端的接收信号强度：g＝g0-20log10(1+d/d0)-L-p。
2.如权利要求1所述的基于衍射理论的无线链路建模与质量评估方法，其特征在于：所述的评估链路质量方法过程如下：
S5，对链路进行分类：根据对链路的菲涅尔区域中的障碍物的大小和密度将链路进行分类，每一类对应于一个障碍物衰减p，得出一个链路模型；
S6，评估链路质量：根据传播环境判断所属链路类别，并根据建立的链路模型判断链路是否可靠。
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