CN112615688B - 一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，具体包括以下步骤：S1、获取城市地图，根据散射点的集合的形式建立环境结构的散射体，形成数字地图；S2、获取散射体的表面损耗因子和密度因子，根据密度因子将数字地图划分为多个子区域，判定相互可见的散射点；S3、根据表面损耗因子和密度因子对散射点的散点密度进行调整，获取数字地图所在二维平面上的随机数，根据随机数和散点密度进行随机撒点；S4、随机撒点完成后的散射点应用一维随机数法进行取点，通过重复多次模拟然后取平均值的方法进行模拟，获得具有统计特征的信道参数，建立信道模型。与现有技术相比，本发明具有提高基于传播图论的信道建模的适用范围等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法。
背景技术
传统基于传播图论的信道建模方法，是一种通过给定区域信息的数字地图，包括发射端与接收端的位置和移动速度、区域中典型散射体的位置、电磁特性以及时变特性等，从而产生一个传播图，再通过随机过程矩阵运算获得时域、空域、频域的信道冲激响应，这样就得到了信道的一个确定性模型的方法。传统传播图论的建模对象主要是小范围的室内环境，具有结构简单、数据量小、随机性弱的特点，而城市环境往往结构复杂、数据量大、随机性强。因此，传统传播图论在面向较大规模的城市环境时不能直接使用，需要做出相应的改进。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，符合大规模城市环境中进行信道建模的要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，具体包括以下步骤：
S1、获取城市地图，根据散射点的集合的形式建立城市地图中环境结构的散射体，形成数字地图；
S2、获取所述数字地图中散射体的表面损耗因子和密度因子，根据所述密度因子将数字地图划分为多个子区域，判定相同子区域或相邻子区域中相互可见的散射点；
S3、根据所述表面损耗因子和密度因子对散射点的散点密度进行调整，同时获取数字地图所在二维平面上的随机数，根据所述随机数和散点密度进行随机撒点；
S4、随机撒点完成后的散射点应用一维随机数法进行取点，通过重复多次模拟然后取平均值的方法进行模拟，获得具有统计特征的信道参数，根据所述信道参数建立信道模型。
所述步骤S2中相互可见的散射点的判定过程具体为将属于相同子区域或相邻子区域中，且没有散射体遮挡的两个散射点设置为相互可见的散射点，包括以下步骤：
S201、获得数字地图的区域散射体密度，根据区域散射体密度设定可见距离阈值；
S202、获取数字地图的环境结构中所有建筑物侧表面地图信息；
S203、获取作为终点与起点的两个目标散射点的三维空间坐标；
S204、获取目标散射点所在区域的可见距离阈值的最大值；
S205、计算目标散射点之间的欧氏距离，判断是否大于可见距离阈值的最大值，若是则判定两个目标散射点为互相不可见的散射点，否则转至步骤S206；
S206、获取目标散射点之间的连线，计算与步骤S202中建筑物侧表面所在平面的交点，判断交点是否在相应的建筑物侧表面范围内，若是则判定两个目标散射点为互相不可见的散射点，否则判定两个目标散射点为互相可见的散射点。
所述表面损耗因子表征散射体表面反射作用的强度。
所述密度因子表征散射体所处周围环境的散射体密度。
所述数字地图中散射体的数据还包括散射体的经度、纬度以及散射体的高度。
进一步地，同一所述散射体的高度上包括多个散射点。
所述步骤S3中散点密度通过表面损耗因子和密度因子计算得到，进行随机撒点的过程具体如下所示：
S301、获取待撒点的散射体表面位置信息和散射体撒点密度；
S302、根据平面图形的面积计算公式，计算得到待撒点表面的面积，再除以撒点密度，取整得到目标散射点数量；
S303、建立随机数矩阵；
S304、在待撒点的散射体表面调用二维平面的随机数获得随机散射点，将随机散射点的坐标输入随机数矩阵；
S305、重复步骤S304直到随机散射点的数量与步骤S302中的目标散射点数量相同，输出最终的随机数矩阵。
所述步骤S4中多次模拟使用的方法为蒙特卡洛模拟方法，具体包括以下步骤：
S401、获取数值地图上传播图的所有散射点；
S402、设置单次模拟选用的散射点个数；
S403、通过取值范围为1～N的随机数算法，重复选取散射点，直到散射点的数量与步骤S402中的散射点个数相同；
S404、构建传播图，进行图论仿真，得到待求的信道参数仿真结果；
S405、重复步骤S403和404，得到待求信道参数的多个仿真结果，将多个仿真结果取平均值作为最终仿真结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将原本地图中的环境结构如楼宇、树木、桥梁、河流，通过散射点的集合的形式建立相应的散射体，结合散射体的表面损耗因子和密度因子，按照随机数算法和蒙特卡洛模拟方法来建立信道模型，能够有效满足大规模城市环境中进行信道建模的要求，提高了基于传播图论的信道建模的适用范围。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例一中散射点分布的示意图；
图3为本发明实施例一中发射端、接收端的平面分布图；
图4为本发明实施例一中未改进的传播图论模型预测数据与实测数据对比图；
图5为本发明实施例一中改进后的传播图论模型预测数据与实测数据对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，具体包括以下步骤：
S1、获取城市地图，根据散射点的集合的形式建立城市地图中环境结构的散射体，形成数字地图；
S2、获取数字地图中散射体的表面损耗因子和密度因子，根据密度因子将数字地图划分为多个子区域，判定相同子区域或相邻子区域中相互可见的散射点；
S3、根据表面损耗因子和密度因子对散射点的散点密度进行调整，同时获取数字地图所在二维平面上的随机数，根据随机数和散点密度进行随机撒点；
S4、随机撒点完成后的散射点应用一维随机数法进行取点，通过重复多次模拟然后取平均值的方法进行模拟，获得具有统计特征的信道参数，根据信道参数建立信道模型。
步骤S2中相互可见的散射点的判定过程具体为将属于相同子区域或相邻子区域中，且没有散射体遮挡的两个散射点设置为相互可见的散射点，包括以下步骤：
S201、获得数字地图的区域散射体密度，根据区域散射体密度设定可见距离阈值；
S202、获取数字地图的环境结构中所有建筑物侧表面地图信息；
S203、获取作为终点与起点的两个目标散射点的三维空间坐标；
S204、获取目标散射点所在区域的可见距离阈值的最大值；
S205、计算目标散射点之间的欧氏距离，判断是否大于可见距离阈值的最大值，若是则判定两个目标散射点为互相不可见的散射点，否则转至步骤S206；
S206、获取目标散射点之间的连线，计算与步骤S202中建筑物侧表面所在平面的交点，判断交点是否在相应的建筑物侧表面范围内，若是则判定两个目标散射点为互相不可见的散射点，否则判定两个目标散射点为互相可见的散射点。
本实施例中，城区(外环高速以内)高层建筑的可见距离阈值为100m，非高层建筑的可见距离阈值为50m；郊区(外环高速以外)高层建筑的可见距离阈值为400m，非高层建筑的可见距离阈值为100m。
表面损耗因子表征散射体表面反射作用的强度。
密度因子表征散射体所处周围环境的散射体密度。
数字地图中散射体的数据还包括散射体的经度、纬度以及散射体的高度。
同一散射体的高度上包括多个散射点。
步骤S3中散点密度通过表面损耗因子和密度因子计算得到，进行随机撒点的过程具体如下所示：
S301、获取待撒点的散射体表面位置信息和散射体撒点密度；
S302、根据平面图形的面积计算公式，计算得到待撒点表面的面积，再除以撒点密度，取整得到目标散射点数量；
S303、建立随机数矩阵；
S304、在待撒点的散射体表面调用二维平面的随机数获得随机散射点，将随机散射点的坐标输入随机数矩阵；
S305、重复步骤S304直到随机散射点的数量与步骤S302中的目标散射点数量相同，输出最终的随机数矩阵。
随机数矩阵为多行3列的矩阵。
步骤S4中多次模拟使用的方法为蒙特卡洛模拟方法，具体包括以下步骤：
S401、获取数值地图上传播图的所有散射点；
S402、设置单次模拟选用的散射点个数；
S403、通过取值范围为1～N的随机数算法，重复选取散射点，直到散射点的数量与步骤S402中的散射点个数相同；
S404、构建传播图，进行图论仿真，得到待求的信道参数仿真结果；
S405、重复步骤S403和404，得到待求信道参数的多个仿真结果，将多个仿真结果取平均值作为最终仿真结果。
如图2所示，建筑物的外表面，以及内部的嵌套结构，可以通过多层的散射点进行离散化的复现，这些散射点之间存在电波传播的通道。
如图3所示，以发射端为中心，向四周每隔一定距离放置一个接收端，通过传播图论仿真得到每个接收端处的接收功率，获得所示传播环境中路径损耗的分布热力图。本实施例中，每隔20m放置一个接收端，仿真范围为以发射端为中心800m的环境。中央的圆点表示发射端位置，星形点表示均匀分布的接收端位置，线条表示建筑物轮廓。
图4为图3所示的传播环境下，未优化的传播图论模型预测数据和实测数据的对比图，其中发射功率为30dBm，发射和接收天线增益都为0。如图3所示，横轴代表收发端之间的对数距离，纵轴代表路径损耗。圆形散点代表实测数据样本，星形散点代表传播图论模型预测数据样本。从图3的结果显示，未优化的传播图论模型预测的数据与实测数据有较大的差别。具体计算显示，传播图论模型预测数据与实测数据的RMSEE为19.9214dBm。
图5为图3所示的传播环境下，优化后的传播图论模型预测数据和实测数据的对比图。优化前的收发天线增益为0，撒点间隔为100；优化后接收天线增益40dB，发射天线增益41dB，撒点间隔为50。增加天线的增益的主要原因源自测试数据中存在没有补偿消除的系统增益。经过分析和计算，传播图论模型预测数据与实测数据的RMSEE为4.0080dB。图5的结果显示，优化后的传播图论模型预测的数据已经很接近实测数据。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例子，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、获取城市地图，根据散射点的集合的形式建立城市地图中环境结构的散射体，形成数字地图；
S2、获取所述数字地图中散射体的表面损耗因子和密度因子，根据所述密度因子将数字地图划分为多个子区域，判定相同子区域或相邻子区域中相互可见的散射点；
S3、根据所述表面损耗因子和密度因子对散射点的散点密度进行调整，同时获取数字地图所在二维平面上的随机数，根据所述随机数和散点密度进行随机撒点；
S4、随机撒点完成后的散射点应用一维随机数法进行取点，通过重复多次模拟然后取平均值的方法进行模拟，获得具有统计特征的信道参数，根据所述信道参数建立信道模型；
所述相互可见的散射点之间的距离小于预设的可见距离阈值；
所述相互可见的散射点之间的距离为欧式距离，
所述步骤S2中相互可见的散射点的判定过程具体为将属于相同子区域或相邻子区域中，且没有散射体遮挡的两个散射点设置为相互可见的散射点，包括以下步骤：
S201、获得数字地图的区域散射体密度，根据区域散射体密度设定可见距离阈值；
S202、获取数字地图的环境结构中所有建筑物侧表面地图信息；
S203、获取作为终点与起点的两个目标散射点的三维空间坐标；
S204、获取目标散射点所在区域的可见距离阈值的最大值；
S205、计算目标散射点之间的欧氏距离，判断是否大于可见距离阈值的最大值，若是则判定两个目标散射点为互相不可见的散射点，否则转至步骤S206；
S206、获取目标散射点之间的连线，计算与步骤S202中建筑物侧表面所在平面的交点，判断交点是否在相应的建筑物侧表面范围内，若是则判定两个目标散射点为互相不可见的散射点，否则判定两个目标散射点为互相可见的散射点。
2.根据权利要求1所述的一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，其特征在于，所述表面损耗因子表征散射体表面反射作用的强度。
3.根据权利要求1所述的一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，其特征在于，所述密度因子表征散射体所处周围环境的散射体密度。
4.根据权利要求1所述的一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，其特征在于，所述数字地图中散射体的数据还包括散射体的经度、纬度以及散射体的高度。
5.根据权利要求4所述的一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，其特征在于，同一所述散射体的高度上包括多个散射点。
6.根据权利要求1所述的一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中散点密度通过表面损耗因子和密度因子计算得到。
7.根据权利要求1所述的一种基于传播图论的面向大规模城市的信道建模仿真方法，其特征在于，所述步骤S4中多次模拟使用的方法为蒙特卡洛模拟方法。
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