CN111953439B - 电波传播预测模型的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电波传播预测模型的仿真方法。包括：根据电波传播路径将电波传播场景分为LOS区域和NLOS区域，根据接收点位置将所述LOS区域和所述NLOS区域分为室内场景和室外场景；针对所述NLOS区域的室外场景，采用了O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合方法计算电波传播的路径损耗值；针对所述LOS区域和所述NLOS区域的室内场景，根据计算得到的O2I边界点分为两个区域：一个是室外站到O2I边界点传播区域，另一个是O2I边界点到室内接收机传播区域，采用所述两个区域分段计算的方式进行电波传播的路径损耗的计算。本发明依据射线跟踪仿真平台，结合经典的经验模型，提出了一种新型电波传播预测模型，提升了射线跟踪仿真精度和效率。

Description

电波传播预测模型的仿真方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种电波传播预测模型的仿真方法。

背景技术

第五代移动通信技术(5G)作为全球科技革命中的引领性技术，凭借大宽带、大连接和高可靠低时延等特点，为移动互联网、工业互联网、车联网、金融科技、智慧医疗、新媒体和教育等垂直行业应用提供可靠的信息交互支持，是支撑经济社会网络化、数字化和智能化转型的关键新型基础设施。我国预计将于2020年-2022年建成260万个5G基站。5G愿景的实现离不开多频谱融合，其关键频段可分为FR1(6GHz以下，sub-6GHz)和FR2(毫米波)。

在应用场景方面，5G网络的典型场景包括三维城区、郊区、山区和路桥等。频率的升高以及环境种类的增加，使得5G无线网络规划面临无线传播环境及传播特性与4G相比更为复杂，站间距较4G更密集，基站数量更多，对网络规划的精度及效率提出了更高的要求。要实现准确、高效和常态化的5G无线网络规划与优化，需要依托精准的无线信道模型和高效的仿真方法。

射线跟踪用于无线通信研究发轫于上世纪90年代，是光学的射线技术在电磁计算领域中的应用，能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径，包括直射、反射、绕射和透射等，并考虑到影响电波传播的各种因素，从而针对不同的具体场景做准确的预测。近来，射线跟踪技术在愈发精细化、智能化的宽带无线通信时代越来越得到关注和认可，其深层原因有三:

1、基于物理光学理论的射线跟踪技术能准确地反映电波传播特性，适用于800MHz以上的电波传播仿真，且不受带宽限制可以用于sub-6GHz和毫米波段。

2、电波传播对传播环境和移动性高度敏感，5G覆盖预测以及多天线技术对信道三维空间分辨率要求较高。经典的随机信道模型统计地考虑所有的环境影响，被证明能有效用于评估通信系统的设计，但对于运营商待规划的具体场景来说，都是不够准确的。而射线跟踪技术能建立准确的细粒度的三维场景信道模型，能支持基于电子地图的高精度的网络覆盖预测、规划与优化。

3、随着加速算法和硬件设备(GPU、CPU计算集群)的发展，将射线跟踪与加速算法和拥有大量计算资源的高性能计算平台相结合，将极大的提升仿真效率，支持大型真实复杂场景、大量采样点的高性能射线跟踪仿真将成为可能。

然而，射线跟踪的仿真精度很大程度上取决于正确的电波传播预测模型，不同的场景下采用合适的电波传播预测模型，对于仿真精度会有极大的提升。

目前，现有技术中应用于射线跟踪仿真的电波传播预测模型在刻画大规模场景中的电波传播时存在精度不足，复杂度高的问题。因此，开发一种高效率的电波传播预测模型与仿真方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种电波传播预测模型的仿真方法，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种电波传播预测模型的仿真方法，包括：

根据接收机位置将场景分为室内场景和室外场景，将所述室内场景和所述室外场景根据电波传播路径分为无线信号的视线传输LOS区域和无线信号的非视线传输NLOS区域；

针对室外场景的NLOS区域，采用了O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合方法计算电波传播的路径损耗值；

针对室内场景的LOS区域和NLOS区域，根据计算得到的O2I边界点分为两个区域：一个是室外站到O2I边界点传播区域，另一个是O2I边界点到室内接收机传播区域，采用所述两个区域分段计算的方式进行电波传播的路径损耗的计算。

优选地，所述的根据接收机位置将场景分为室内场景和室外场景，将所述室内场景和所述室外场景根据电波传播路径分为无线信号的视线传输LOS区域和无线信号的非视线传输NLOS区域，包括：

导入电波传播对应的电子地图、天线、基站参数、发射机和接收机信息，根据电波传播对应的电子地图、发射机和接收机信息判断接收机是否被建筑物所包围，进而将场景划分为室内场景和室外场景，针对所述室内场景根据计算得到的O2I边界点分为两个区域，一个是室外站到O2I边界点传播区域，另一个是O2I边界点到室内接收机传播区域。

对于室外场景根据收发信机之间是否存在直射径，对于室内场景则根据发射机与O2I边界点之间是否存在直射径，根据判断结果将电波传播区域分为LOS区域和NLOS区域，所述LOS区域的传播机制包括：直射、反射、地物损耗的自地物损耗，所述NLOS区域的传播机制包括绕射、透射、地物损耗的自地物损耗；

优选地，所述的针对室外场景的NLOS区域，采用了O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合方法计算电波传播的路径损耗值，包括：

针对接收机位于室外场景下的NLOS区域的O2O透射，电波传播的路径损耗值的计算过程包括：

步骤301：根据几何追踪的透射路径及仿真频率触发O2O透射计算；

步骤302，计算收发信机之间的直射径传播电场强度，根据收发信机之间的位置，先进行直射径的计算，当收发信机之间的距离大于规定的透射半径时，将视距传播情况下的多径损耗系数A-B替换为非视距传播情况下多径损耗系数Anlos-Bnlos进行直射径的计算，即：

Anlos，Bnlos表示在非视距情况下的多径损耗系数，Anlos越大代表多径损耗越小，Bnlos越大多径损耗越大；

步骤303，根据透射路径与场景障碍物相交点的材质损耗值计算透射系数，透射系数的计算公式为：

S_{trans_coeff}代表此条透射路径的透射系数，i代表透射路径与场景的相交点编号，L_{trans_i}代表穿透障碍时，电磁波的损耗，Coeff_i表示多径经过相交点材质的透射系数，n+1表示相交点个数；

步骤304，根据透射系数计算最终的电场强度值E_total，并得到路径损耗值PL[dB]：

PL[dB]＝-20log₁₀(|E_total|) (9)

优选地，所述的针对室外场景的NLOS区域，采用了O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合方法计算电波传播的路径损耗值，包括：

针对接收机位于室外场景下的NLOS区域的Lee’s尖峰绕射，电波传播的路径损耗值的计算过程包括：

步骤401，导入绕射路径及频率参数；

步骤402，对于Lee’s单峰绕射，计算三个单峰：前峰L₁、主峰L₂和后峰L₃的绕射损耗，L₁表示当只有frontHK阻挡时，Tx到HK之间的损耗，L₂表示只有mainHK阻挡时，Tx到Rx之间的损耗，L₃表示只有backHK阻挡时，HK到Rx之间的损耗；C₁，C₂表示Causebrook修正因子；

L_i的绕射损耗的计算公式为：

L_i[dB]＝-G_i*K_i (12)

其中，d₁，d₂分别代表收发信机距离单峰的距离，h代表单峰尖端到收发信机之间连线的距离，v代表尖峰绕射系数，i＝1，2或3，表示三个单峰的编号，G_i表示尖端绕射损耗，K_i代表附加的材料衰减因子；

步骤403，计算整个绕射损耗：

C₁＝|(6-L₂+L₁)*cosα₁| (14)

C₂＝|(6-L₂+L₃)*cosα₂| (15)

优选地，所述的针对所述LOS区域和所述NLOS区域的室内场景，根据计算得到的O2I边界点分为两个区域：一个是室外站到02I边界点传播区域，另一个是O2I边界点到室内接收机传播区域，采用所述两个区域分段计算的方式进行电波传播的路径损耗的计算，包括：

针对接收机位于室内的所述LOS区域和所述NLOS区域的室内场景，根据计算得到的O2I边界点分为两个区域：一个是室外站到O2I边界点传播区域，采用与室外场景相同的电磁计算模型来计算路径损耗；第二区域是O2I边界点到室内接收机的传播区域，该区域的电波传播的路径损耗的计算过程包括：

步骤501，选取透射路径的最后一条subpath作为02I边界点到接收机的路径，而最后一条subpath的起点也将成为O2I边界点；

步骤502，将O2I边界点作为接收机，按照室外场景的路径损耗计算方法计算发射机到O2I边界点的路径损耗L_OUT；

步骤503，计算O2I边界点到室内接收机的路径损耗，根据室内传播的损耗值计算出O2I边界点到室内接收机的室内路径损耗，室内路径损耗的计算公式如下：

L_IN[dB]＝L_O2Ihord_h+L_O2Iverd_v+L_O2I (18)

其中，d_h，d_v分别为O2I边界点到接收机的水平距离和垂直距离；L_O2I，L_O2Iver，L_O2Ihor分别为材料的外墙穿损，楼宇内部每米垂直损耗和水平损耗，L_IN表示由O2I边界点到室内接收机之间的室内路径损耗；

步骤504，将步骤502计算得到的发射机到O2I边界点的路径损耗，与步骤503计算得到的O2I边界点到室内接收机的室内路径损耗相加，得到所述LOS区域和所述NLOS区域的发射机到室内接收机的透射损耗。

优选地，所述的方法还包括：

对于LOS区域，包含的多径类型有：直射、反射、地物损耗和自地物损耗，对于反射、地物损耗和自地物损耗径，采用电磁模型进行计算，采用Friis公式计算直射径的路径损耗，计算公式为：

PL[dB]＝-20log₁₀(|E_total|) (4)

E_s代表垂直面上的电场分量，E_p代表水平面上的电场分量，E_total代表合成的电场量，A，B代表LOS区域的损耗系数，G代表天线增益，l代表收发信机之间的电波传播距离，PL代表路径损耗。

优选地，所述的方法还包括：

LOS区域的接收功率计算公式为：

P_LOSOut[dB]＝G_sys+20log₁₀ H_LOS(f)-L_c-L_sc (19)

室内LOS区域的接收功率计算公式：

P_LOSIn[dB]＝P_LOSOut-L_IN (20)

其中，G_sys为涵盖发射功率和线损影响的系统增益，

是直射、反射叠加的频率响应，

为第k条径的幅值，φ_k为相位，L_c为传播过程经过的地物累积损耗，L_sc为当前接收机位置所处的地物类型自身的损耗；

室外NLOS区域的接收功率计算公式为：

室内NLOS区域的接收功率计算公式：

P_NLOSIn[dB]＝P_NLOSOut-L_IN (22)

其中，

是O2I透射、反射叠加的频率响应，L_Diff为改进后的Lee’s尖峰绕射损耗。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例结合射线跟踪仿真法和经验模型法的优势，提出了一种仿真精度高、运行时间短的电波传播预测模型，提出了一种全新地计算透射损耗的O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合的模型计算方法，O2O透射模型将透射路径经过的透射点材质损耗系数引入到了传播模型当中，改进后的Lee’s尖峰绕射模型则将尖峰材质的绕射损耗系数引入到模型当中，本发明的两种模型极大地提升了计算效率和仿真精度。

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为本发明实施例提供的一种电波传播预测模型的仿真方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种根据接收机位置进行传播区域分类和进行多径的几何追踪及电磁计算的具体处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种LOS区域及NLOS区域的传播原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种O2O透射模型的计算流程流程图；

图5为本发明实施例提供的一种改进之后的Lee’s尖峰绕射模型计算流程图；

图6(a)为本发明实施例提供的一种Lee’s多峰绕射原理图，图6(b)为本发明实施例提供的一种Lee’s单峰绕射原理图；

图7为本发明实施例提供的一种室内场景计算流程示意图。

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、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。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，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明根据不同场景的地物类型以及不同的收发信机的位置，提出了适用于城镇室内和室外以及山区的电波传播预测模型与仿真方法，使仿真结果更加合理。

本发明在既有的传播模型上，提出了一种新的计算路径损耗的传播模型，对于NLOS(Non-Line of Sight，非视距)区域在进行电磁计算时，必定涉及到非常高的反散射阶数和UTD的绕射阶数，这样会导致仿真效率低，算法复杂度高，并且仿真使用的电子地图对于地物及具体物体的描述也并非完全准确。在此前提下，如果采用绝对的射线跟踪法进行仿真并不完全准确，而如果使用经验模型进行计算也并不适合当前情况，因此本发明提出了一种结合射线跟踪技术和经验模型新的计算模型，新的计算模型既提升了计算效率又提高了仿真精度。

对于提供了电子地图的区域，依据接收机位置将场景分为室内和室外场景。本发明针对室外场景下的NLOS区域采用了O2O(Outdoot to Outdoor,室外到室外)透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合进行计算；针对室内场景，本发明根据计算得到的O2I(Outdoor to Indoor,室外到室内)边界点，将室内场景分为两个区域，一个是室外站到O2I边界点传播区域，另一个是O2I边界点到室内接收机传播区域，采用分段计算的方式进行电磁计算。O2I边界点是发射机到室内接收机的透射路径上距离接收机位置最近的一个透射点，算法进行透射多径的几何追踪时，会计算得到发射机到室内接收机之间所有的透射点，这些透射点中紧邻接收机位置的透射点，算法就把它作为O2I边界点，前提是已经确认接收机位于室内。

O2I边界点是发射机到室内接收机的透射路径上距离接收机位置最近的一个透射点，算法进行透射多径的几何追踪时，会计算得到发射机到室内接收机之间所有的透射点，这些透射点中紧邻接收机位置的算法就把它作为O2I边界点，前提是已经确认接收机位于室内。

图1为本发明实施例提供的一种电波传播预测模型的仿真方法的处理流程图，包括如下的处理步骤：

步骤101，进行仿真参数配置，导入电波传播对应的电子地图、天线、基站参数发射机和接收机信息等；

步骤102，基于设定的仿真参数触发射线追踪仿真；

步骤103，根据导入的电子地图及收发信机位置将传播区域分为LOS(Line-of-sight，无线信号的视线传输)区域和NLOS(not line of sight，无线信号的非视线传输)区域，NLOS区域分为接收机位于室内场景和室外场景。

步骤104，根据传播区域的类型进行多径的几何追踪及电磁计算；

步骤105，得到仿真结果，完成仿真。

图2为本发明实施例提供的一种根据接收机位置进行传播区域分类和进行多径的几何追踪及电磁计算的具体处理流程图，包括如下的处理步骤：

步骤201：根据接收机位置进行传播区域分类，根据接收机是否在建筑物内部，将其分为室内场景和室外场景；对于室内场景，算法会根据透射几何追踪计算得到O2I边界点，O2I边界点是收发信机之间所有透射点中距离接收机最近的透射点，依据O2I边界点将室内场景分为发射机到O2I边界点区域和O2I边界点到接收机两个区域，对于发射机到O2I边界点区域，算法将它按照室外场景进行处理，即O2I边界点等效为接收机进行后续计算。

步骤202：多径的几何追踪，根据几何射线追踪原理，分别对室外场景和发射机到O2I边界点区域的多径进行追踪。依据多径追踪结果，收发信机之间或者发射机到O2I边界点之间是否存在直射径，将场景分为LOS区和NLOS区，对于LOS区域，包含的多径类型有：直射、反射、地物损耗和自地物损耗；对于NLOS区域，包含的多径类型有：O2O透射、Lee’s尖峰绕射、反射、地物损耗和自地物损耗，图3为本发明实施例提供的一种室内外LOS区域及NLOS区域的传播原理示意图，图3中并未画出地物损耗和自地物损耗的路径。

步骤203：多径的电磁计算，根据之前几何追踪的多径，首先，进行室内外LOS区域的电磁计算，LOS区域的主要传播机制包括：直射、反射、地物损耗和自地物损耗，反射、地物损耗和自地物损耗采用经典的电磁模型进行计算，具体影响参数见表1，不进行过多阐述，这里具体阐述采用的Friis公式进行直射径的计算，直射路径损耗计算公式为：

PL[dB]＝-20log₁₀(|E_total|)(4)

f代表仿真频率，τ代表电波在收发信机之间传播所用的时间，即时延，j代表虚数单位，E_s代表垂直面上的电场分量，E_p代表水平面上的电场分量，E_total代表合成的电场量，A，B代表LOS区域的多径损耗系数，G_TxV，G_TxH分别代表发射天线垂直面和水平面上的增益，

分别表示接收天线在垂直面和水平面上的增益取共轭，l代表收发信机之间的电波传播距离，PL代表路径损耗，f代表仿真频率，τ代表电波在收发信机之间传播所用的时间，即时延，j代表虚数单位。

对于室内场景和室外场景的NLOS区域，NLOS区域的主要传播机制包括：O2O透射、Lee’s尖端绕射、反射、地物损耗和自地物损耗，反射、地物损耗和自地物损耗不进行阐述，重点讲述本发明提出的一种新的用来计算透射和绕射的电磁模型，图4为本发明实施例提供的一种O2O透射模型的计算流程流程图，这种模型是采用最新提出的O2O室外到室外透射模型与经过改进的Lee’s尖端绕射模型相结合的计算方法，包括如下的处理步骤：

步骤301：模型算法会根据几何追踪的透射路径及仿真频率触发O2O透射计算；

步骤302，计算收发信机之间的直射径传播电场强度。根据收发信机之间的位置，先进行直射径的计算，此处的计算和LOS区域的计算一致，但是多径损耗系数A-B取值会发生变化，当收发信机之间的距离大于算法规定的透射半径时，算法规定的透射半径默认设定为800m，可根据具体场景进行设定。算法会将A-B替换为Anlos-Bnlos进行直射径的计算，即：

Anlos，Bnlos表示在非视距情况下的多径损耗系数，Anlos越大代表多径损耗越小，Bnlos越大多径损耗越大。

E_s代表垂直面上的电场分量，E_p代表水平面上的电场分量，Anlos，Bnlos代表NLOS区域的多径损耗系数，G_TxV，G_TxH代表发射天线垂直面和水平面上的增益，l代表收发信机之间的电波传播距离，PL代表路径损耗。

步骤303，根据透射路径与场景障碍物相交点的材质损耗值计算透射系数，如图3是NLOS区域传播示意图，则透射系数的计算公式为：

S_{trans_coeff}代表此条透射路径的透射系数，i代表透射路径与场景的相交点编号，L_{trans_i}代表穿透障碍时，电磁波的损耗，Coeff_i表示多径经过相交点材质的透射系数，n+1表示相交点个数；

步骤304，根据透射系数计算最终的电场强度值E_total，

和

表示接收天线垂直面和水平面上增益取共轭，得到路径损耗值PL[dB]。

PL[dB]＝-20log₁₀(|E_total|) (9)

表示接收天线水平面上的增益取共轭。对绕射径的计算采用改进后的Lee’s尖端绕射模型，即在经典的Lee’s尖端绕射模型基础上加入了与材料相关的系数，图5为本发明实施例提供的一种改进之后的Lee’s尖端绕射模型计算流程图，包括如下的处理步骤：

步骤401，导入绕射路径及频率参数，开始改进的Lee’s尖端绕射模型计算；

步骤402，计算单峰L_i的绕射损耗，对于单峰绕射损耗的计算，本发明最多进行三个单峰的计算，即前峰L₁、主峰L₂和后峰L₃，图6(a)为本发明实施例提供的一种Lee’s多峰绕射原理图，图6(b)为本发明实施例提供的一种Lee’s单峰绕射原理图。以下是L_i的绕射损耗的计算公式(以前峰为例)：

L_i[dB]＝G_i*K_i(12)

其中，d₁，d₂分别代表收发信机距离单峰的距离，h代表单峰尖端到收发信机之间连线的距离，v表示尖峰绕射系数，i＝1，2或3，表示三个单峰的编号，K_i代表附加的材料衰减因子，G_i表示尖端绕射损耗；

步骤(403)，计算整个绕射损耗：

C₁＝|(6-L₂+L₁)*cosα₁| (14)

C₂＝|(6-L₂+L₃)*cosα₂| (15)

L_Diff收发信机之间的绕射损耗，d₁，d₂，d₃，d₄见图6(a)标识，d₁表示Tx到frontHK之间的距离，d₂表示frontHK到mainHK之间的距离，d₃表示mainHK到backHK之间的距离，d₄表示backHK到Rx之间的距离，L_i表示第i座单峰所产生的绕射路径损耗，C₁，C₂表示Causebrook修正因子。

如图6(a)、(b)所示，L₁表示当只有frontHK阻挡时，Tx到frontHK之间的损耗，L₂表示只有mainHK阻挡时，Tx到Rx之间的损耗，L₃表示只有backHK阻挡时，backHK到Rx之间的绕射损耗。

对于室内场景的NLOS区域和LOS区域，本发明提出一种全新的传播计算模型，根据室内场景的特点，本模型将其分为如图3所示的区域，第一区域是发射机到O2I边界点的部分，此部分采用与室外场景相同的电磁计算模型来计算路径损耗；第二区域是O2I边界点到室内接收机部分，此部分采用了一种全新的O2I室外到室内透射模型，图7为本发明实施例提供的一种室内区域计算流程示意图，包括如下的处理步骤：

步骤(501)，根据透射路径得到O2I边界点，算法根据计算得到的透射路径，选取透射路径中的接收机与其相邻透射点的subpath(在进行透射径的几何跟踪时，在收发信机之间会定位到一些透射点，这些相邻透射点之间以及收发信机与其相邻的透射点之间的透射路径被称为subpath)作为O2I边界点到接收机的路径，而此条subpath的起点也将成为O2I边界点，如图3的室内区域所示；

步骤(502)，计算发射机到O2I边界点的路径损耗，此处的计算方法与室外区域的路径损耗计算方法一致，只需将O2I边界点作为接收机即可；

步骤(503)，计算O2I边界点到室内接收机的路径损耗，计算公式如下：

L_IN[dB]＝L_O2Ihord_h+L_O2Iverd_v+L_O2I (18)

其中，d_h，d_v分别为O2I边界点到接收机的水平距离和垂直距离；L_O2I，L_O2Iver，L_O2Ihor分别为材料的外墙穿损，楼宇内部每米垂直损耗和水平损耗，L_IN表示由O2I边界点到室内接收机之间的室内路径损耗；

步骤(504)，将步骤502计算得到的发射机到02I边界点的路径损耗，与步骤503计算得到的O2I边界点到室内接收机的室内路径损耗相加，得到所述LOS区域和所述NLOS区域的发射机到室内接收机的透射损耗。

本发明给出了LOS区域和NLOS区域的接收功率计算公式，对于LOS区域存在的传播机制包括：直射、反射、地物损耗的自地物损耗，而对于NLOS区域不存在直射，而是存在绕射、透射、地物损耗的自地物损耗，详细的计算公式如下：

LOS区域接收功率计算公式：

P_LOS[dB]＝G_sys+20log₁₀ H_LOS(f)-L_c-L_sc (19)

其中，G_sys为涵盖发射功率、线损等影响的系统增益，

是直射、反射叠加的频率响应，

为第k条径的幅值(考虑天线方向增益)，G_TX，G_RX表示发射天线和接收的增益，

表示发射天线方向的水平角和俯仰角，

表示接收天线方向的水平角和俯仰角，φ_k为相位，L_c为传播过程经过的地物累积损耗，L_sc为当前接收机位置所处的地物类型自身的损耗。

NLOS区域的接收功率计算公式：

其中，G_sys为涵盖发射功率、线损等影响的系统增益；

是O2I透射、反射叠加的频率响应；

N(t)代表在t时刻到达接收端的O2O透射和反射多径数量；

为第k条径的幅值(考虑天线方向增益)；

G_TX，G_RX表示发射天线和接收的增益，

表示发射天线方向的水平角和俯仰角，

表示接收天线方向的水平角和俯仰角，φ_k为相位，L_Diff为改进后的Lee’s剑锋绕射损耗，L_c为传播过程经过的地物累积损耗，L_sc为当前接收机位置所处的地物类型自身的损耗。

室内场景接收功率计算公式：

P_NLOSIn[dB]＝P_OUT-L_IN (21)

P_OUT代表O2I边界点接收到发射机的功率，L_IN代表O2I室内透射损耗。

表1是本发明使用的传播模型的主要参数。

表1模型及可编辑参数映射表

综上所述，本发明实施例结合射线跟踪仿真法和经验模型法的优势，提出了一种仿真精度高、运行时间短的电波传播预测模型，提出了一种全新地计算透射损耗的O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合的模型计算方法，O2O透射模型将透射路径经过的透射点材质损耗系数引入到了传播模型当中，改进后的Lee’s尖峰绕射模型则将尖端材质的绕射损耗系数引入到模型当中，本发明的两种模型极大地提升了计算效率和仿真精度。

为了更加准确地描述室内的电波传播特性，本发明提出了一种预测室内大规模场景区域的计算方法，此方法准确地反映出室内区域的电波传播情况，极大地提升了接收机位于室内场景下路径损耗计算的准确性。本发明依据射线跟踪仿真平台，结合经典的经验模型，提出了一种新的适用于不同场景下的电波预测模型，提升了射线跟踪仿真精度，减少了仿真运行时间。因此本技术使得射线跟踪电波传播预测具有更高的精度和普适性，能更有效的服务于5G及LTE多场景无线网络规划。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

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。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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 (2)

1.一种电波传播预测模型的仿真方法，其特征在于，包括：

根据接收机位置将场景分为室内场景和室外场景，将所述室内场景和所述室外场景根据电波传播路径分为无线信号的视线传输LOS区域和无线信号的非视线传输NLOS区域,包括：导入电波传播对应的电子地图、天线、基站参数、发射机和接收机信息，根据电波传播对应的电子地图、发射机和接收机信息判断接收机是否被建筑物所包围，进而将场景划分为室内场景和室外场景；对于室外场景根据收发信机之间是否存在直射径，对于室内场景则根据发射机与O2I边界点之间是否存在直射径，根据判断结果将电波传播区域分为LOS区域和NLOS区域，所述LOS区域的传播机制包括：直射、反射、地物损耗和自地物损耗，所述NLOS区域的传播机制包括绕射、透射、反射、地物损耗和自地物损耗；

针对室外场景的NLOS区域，采用了O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合方法计算电波传播的路径损耗值；

针对室内场景的LOS区域和NLOS区域，根据计算得到的O2I边界点分为两个区域：一个是室外发射机到O2I边界点传播区域，另一个是O2I边界点到室内接收机传播区域，采用两个区域分段计算的方式进行电波传播的路径损耗的计算；

所述的针对室外场景的NLOS区域，采用了O2O透射模型与改进后的Lee’s尖峰绕射模型相结合方法计算电波传播的路径损耗值，包括：

针对接收机位于室外场景下的NLOS区域的O2O透射，电波传播的路径损耗值的计算过程包括：

步骤301：根据几何追踪的透射路径及仿真频率触发O2O透射计算；

步骤302，计算收发信机之间的直射径传播电场强度，根据收发信机之间的位置，先进行直射径的计算，当收发信机之间的距离大于规定的透射半径时，将视距传播情况下的多径损耗系数A-B替换为非视距传播情况下多径损耗系数Anlos-Bnlos进行直射径的计算，即：

Anlos，Bnlos表示在非视距情况下的多径损耗系数，Anlos越大代表多径损耗越小，Bnlos越大多径损耗越大；

步骤303，根据透射路径与场景障碍物相交点的材质损耗值计算透射系数，透射系数的计算公式为：

S_{trans_coeff}代表此条透射路径的透射系数，i代表透射路径与场景的相交点编号，L_{trans_i}代表穿透障碍时，电磁波的损耗，Coeff_i表示多径经过相交点材质的透射系数，n+1表示相交点个数；

步骤304，根据透射系数计算最终的电场强度值E_total，并得到路径损耗值PL[dB]：

PL[dB]＝-20log₁₀(|E_total|) (9)

f代表仿真频率，τ代表电波在收发信机之间传播所用的时间，即时延，j代表虚数单位，E_s代表垂直面上的电场分量，E_p代表水平面上的电场分量，E_total代表合成的电场量，A，B代表LOS区域的多径损耗系数，G_TxV，G_TxH分别代表发射天线垂直面和水平面上的增益，

分别表示接收天线在垂直面和水平面上的增益取共轭，l代表收发信机之间的电波传播距离，PL代表路径损耗；

针对接收机位于室外场景下的NLOS区域的Lee’s尖峰绕射，电波传播的路径损耗值的计算过程包括：

步骤401，导入绕射路径及频率参数；

步骤402，对于Lee’s单峰绕射，计算三个单峰：前峰frontHK、主峰mainHK和后峰backHK的绕射损耗，L₁表示当只有frontHK阻挡时，Tx到frontHK之间的绕射损耗，L₂表示只有mainHK阻挡时，Tx到Rx之间的绕射损耗，L₃表示只有backHK阻挡时，backHK到Rx之间的绕射损耗；C₁，C₂表示Causebrook修正因子；

L_j的绕射损耗的计算公式为：

L_j[dB]＝-G_j*K_j (12)

其中，h₁，h₂分别代表收发信机距离单峰的距离，h代表单峰尖端到收发信机之间连线的距离，v代表尖峰绕射系数，j＝1，2或3，表示三个单峰的编号，G_j表示尖端绕射损耗，K_j代表附加的材料衰减因子；

步骤403，计算整个绕射损耗：

C₁＝|(6-L₂+L₁)*cosα₁| (14)

C₂＝|(6-L₂+L₃)*cosα₂| (15)

d₁表示Tx到frontHK之间的距离，d₂表示frontHK到mainHK之间的距离，d₃表示mainHK到backHK之间的距离，d₄表示backHK到Rx之间的距离；

对于LOS区域，包含的多径类型有：直射、反射、地物损耗和自地物损耗，对于反射、地物损耗和自地物损耗径，采用电磁模型进行计算，采用Friis公式计算直射径的路径损耗，计算公式为：

PL[dB]＝-20log₁₀(|E_total|) (4)

E_s代表垂直面上的电场分量，E_p代表水平面上的电场分量，E_total代表合成的电场量，A，B代表LOS区域的损耗系数，G代表天线增益，l代表收发信机之间的电波传播距离，PL代表路径损耗；

所述的针对室内场景的LOS区域和NLOS区域，根据计算得到的O2I边界点分为两个区域：一个是室外站到O2I边界点传播区域，另一个是O2I边界点到室内接收机传播区域，采用两个区域分段计算的方式进行电波传播的路径损耗的计算，包括：

针对接收机位于室内的所述LOS区域和所述NLOS区域的室内场景，根据计算得到的O2I边界点分为两个区域：第一区域是室外发射机到O2I边界点传播区域，采用与室外场景相同的电磁计算模型来计算路径损耗；第二区域是O2I边界点到室内接收机的传播区域，这两个区域的电波传播路径损耗的计算过程为：

步骤501，选取透射路径的最后一条subpath作为O2I边界点到接收机的路径，而最后一条subpath的起点也将成为O2I边界点；

步骤502，将O2I边界点作为接收机，按照室外场景的路径损耗计算方法计算室外发射机到02I边界点的路径损耗LOUT；

步骤503，计算O2I边界点到室内接收机的路径损耗，根据室内传播的损耗值计算出02I边界点到室内接收机的室内路径损耗，室内路径损耗的计算公式如下：

L_IN[dB]＝L_O2Ihord_h+L_O2Iverd_v+L_O2I (18)

其中，d_h，d_v分别为O2I边界点到接收机的水平距离和垂直距离；L_O2I，L_O2Iver，L_O2Ihor分别为材料的外墙穿损，楼宇内部每米垂直损耗和水平损耗，L_IN表示由O2I边界点到室内接收机之间的室内路径损耗；

步骤504，将步骤502计算得到的室外发射机到O2I边界点的路径损耗，与步骤503计算得到的O2I边界点到室内接收机的室内路径损耗相加，得到所述LOS区域和所述NLOS区域的室外发射机到室内接收机的透射损耗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

室外LOS区域的接收功率计算公式为：

P_LOSOut[dB]＝G_sys+20log₁₀H_LOS(f)-L_c-L_sc (19)

室内LOS区域的接收功率计算公式：

P_LOSIn[dB]＝P_LOSOut-L_IN (20)

其中，G_sys为涵盖发射功率和线损影响的系统增益，

是直射、反射叠加的频率响应，

为第k条径的幅值，φ_k为相位，L_c为传播过程经过的地物累积损耗，L_sc为当前接收机位置所处的地物类型自身的损耗；

室外NLOS区域的接收功率计算公式为：

室内NLOS区域的接收功率计算公式：

P_NLOSIn[dB]＝P_NLOSOut-L_IN (22)

其中，

是O2I透射、反射叠加的频率响应，L_Diff为改进后的Lee’s尖峰绕射损耗，G_TX，G_RX表示发射天线和接收的增益，

表示发射天线方向的水平角和俯仰角，

表示接收天线方向的水平角和俯仰角，φ_k为相位，L_Diff为改进后的Lee’s剑锋绕射损耗，L_c为传播过程经过的地物累积损耗，L_sc为当前接收机位置所处的地物类型自身的损耗。

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