CN114928420B - 一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法 - Google Patents

一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，包括：根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线集；对总射线集中每条射线逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线；计算总射线集每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，对射线进行回溯；排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径，重新记录路径信息，得到信道特性。本发明无线信道多径仿真精度优化方法解决正向射线追踪方法精度较低的问题。

Description

一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体地涉及一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法。
背景技术
射线追踪技术（Ray-Tracing, RT）作为一种确定性的无线信道建模方法，能够通过模拟每条射线的传播过程，从而准确预测无线信号的传播结果。除了预测接收信号的功率外，RT还可以提供射线传播的时延信息。通过计算每条多径信号分量的幅度、时延、离开角和到达角，还可以得到信道在时间、频率和空间上的特征。与统计信道模型相比，射线追踪模型能够准确反映不同场景的信道特征，在预测精度上具有很大优势，为无线通信系统的设计提供了更好的支持。
RT技术分为两类，正向RT（以射线弹跳法为代表）和反向RT（以镜像法为代表）。射 线弹跳法的耗时小但精度低；而镜像法精度高但速度慢。镜像法的时间复杂度为， 其中k是面和劈的总数，n是反射和绕射阶数之和。因此，在复杂的城市场景和高阶反射绕射 的情况下，镜像法需要极长时间才能获得仿真结果。在这种情况下，只有正向RT射线弹跳法 可以实现初步的信道仿真工作。
射线弹跳法在发射端以球面形式在三维空间均匀发射射线，每条射线在场景中传播时都会被追踪，直到到达接收端并形成路径，根据所有路径的能量、时延和角度可以计算信道特征。目前对射线弹跳法的研究大多都是扩展其应用场景，很少对其精度进行提升。有学者针对射线发射与接收判定，提出一种改进发射与接收球的方法，该方法能在简单场景仅考虑反射的情况下提高射线弹跳法精度，但对于复杂场景和考虑绕射的情况，仅仅优化发射和接收模块是不够的。
对于射线弹跳法来说，提高精度的方法是：减小发射射线的相邻角度，增加发射射线数量，提高发射射线密度，使路径更加准确。由于是对球面进行插入射线点，增加射线数量带来的时间损耗是不和误差缩减成正比的，对精度的提升的时间代价极大，复杂度很高，所以这种方法很不实用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，以解决目前射线弹跳法精度低的问题。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、确定无线信道的环境以及发射端、接收端位置，设定发射射线划分数、反射阶数和绕射阶数；
步骤S2、根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线集；
步骤S3、进行射线追踪，对总射线集逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线；
步骤S4、对总射线集计算每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，若误差角小于发射射线锥角，对该射线进行回溯，得到路径并记录路径信息；
步骤S5、根据记录路径信息中每条路径的路径节点，排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；
步骤S6、将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；
步骤S7、对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径；
步骤S8、重新记录路径信息，得到信道特性。
进一步地，所述发射射线划分数满足：
其中，N表示发射端发射的射线的数量，n表示发射射线划分数。
进一步地，步骤S2包括如下子步骤：
步骤S2.1、建立球坐标系，在建立的球坐标系中构造标准正二十面体，且所述标准正二十面体的中心位于坐标系的坐标原点，所述标准正二十面体的各个顶点位于半径为1的单位球面上；
步骤S2.2、根据发射射线划分数，对标准正二十面体的每个三角形面进行等角划分，得到所有射线方向；
步骤S2.3、将所有射线的方向进行归一化，使模等于1，并将所有射线的发射点移动至发射端。
进一步地，步骤S2.2包括如下子步骤：
步骤S2.2.1、将标准正二十面体的每一个三角形面，以所述三角形面为第0层，在 三角形面的边上增加个新射线点，各射线点按照顺时针排序，均满足：
记录发射射线发射锥角
其中，为发射射线划分数，为第k层第i个射线点，为第0层第i个射线点，O 为坐标原点，为第0层第i+1个射线点，为第0层三角形面的三个顶 点；
步骤S2.2.2、每向内一层的射线点数量为上一层射线点数量减9，通过第k-1层顶 点构造第k层射线顶点：
通过第层射线顶点构建第k层三角形面，顺时针在第k层 三角形面的边上生成个射线点，满足：
步骤S2.2.3、重复执行步骤S2.2.2，直到，最后一层的划分数为中的一种，当最后一层的划分数为1时，最内层的射线点为3个由上层生成的三角形顶 点；当最后一层的划分数为0时，最内层的射线点为1个位于面心的射线点；当最后一层的划 分数为-1时，最内层的射线点为0；
步骤S2.2.4、将原点与每一层三角形面上所得射线点连接，得到射线方向。
进一步地，步骤S3包括如下子步骤：
步骤S3.1、建立初始总射线集矩阵，所述初始总射线集矩阵中的每一行数组储存了步骤S2中的从发射端发射的射线，并在初始总射线集矩阵的第一行设置头坐标位，在初始总射线集矩阵的最后一行设置尾坐标位；
步骤S3.2、每次使头坐标位向下移动一位，取对应头坐标位的射线进行反射和绕射的综合判定，若产生新射线，则尾坐标位向下移动产生新射线的位数，将初始总射线集矩阵进行更新，记录对应头坐标位的射线发生的作用类型与作用面或劈的编号；
步骤S3.3、重复执行步骤S3.2，直至头坐标位位于尾坐标位之后。
进一步地，所述反射和绕射的综合判定包含反射判定、绕射判定以及阶数判定，所述反射判定的过程具体为：
（a）对于无线信道的环境中的每一个墙面，取总射线集头坐标位置的一条射线，计 算墙面与所述射线的传播距离，
其中，为墙面的法向量，且满足，为墙面位置，墙面所在 平面方程为，为墙面上的任意一点；，为所述射线的发射点，为所述射线的方 向，且；
（b）计算所述射线与墙面的交点坐标，若交点位于墙面 内，则所述射线与墙面发生反射；
（c）保留传播距离最短的墙面为反射墙面，并记录此最短反射传播距离；
所述绕射判定的过程具体为：
（d）对于无线信道的环境中的每一个劈，计算劈与所述射线的最短距离，其中，为所述射线的位置，为劈的位 置；
（e）计算所述射线传播距离 ，若满足，则所述射线与劈发生绕射，其中，为所述射线与劈的交点，为发射射线发射锥角；
（f）保留传播距离最短的劈为绕射劈，并记录此最短绕射传播距离；
当所述射线既通过反射判定又通过绕射判定时，若反射传播距离比绕射传播距离短，将所述射线判定为反射，否则判定为绕射；
所述阶数判定并产生新射线的过程具体为：对于反射射线，若其所记录总反射次数小于设定的反射阶数，则通过阶数判定，根据反射定律发射新射线；对于绕射射线，若其所记录总绕射次数小于设定的绕射阶数，则通过阶数判定，根据绕射定律发射新射线。
进一步地，步骤S4包括如下子步骤：
步骤S4.1、通过总射线集每一条射线与接收端的最小距离和射线传播距 离，计算误差角 ；
步骤S4.2、若总射线集中射线的误差角小于发射射线锥角，则此射线到达接收端，回溯生成此射线的射线，直至发射端，将回溯的各条射线的发射点记录为路径节点，记录各条射线的传播机制与发生作用面或劈的编号在路径信息内，将上述误差角记录为路径误差角，将各节点间总距离记录为路径长度，将发射端到发射端后第一个节点的方向记录为离开角，将接收端前最后一个节点到接收端的方向记录为到达角。
进一步地，所述步骤S6包括如下步骤：
步骤S6.1、对新的路径集中的每一条路径，将初始的子锥角设置为射线发射锥角，重复执行步骤S6.2-步骤S6.3，直到达到最大迭代次数；
步骤S6.2、以子锥角除以在路径离开角方向周围以射线发射锥角生成六条子 射线，所述子射线构成正六边形；
步骤S6.3、使所述子射线按照所述路径传播经过的墙面与劈发生作用，得到新射线集，对新射线集中的新射线计算新射线误差角，将新射线误差角与子锥角进行比较，若新射线误差角小于子锥角，对该新射线进行回溯，构造子路径，保留误差角最小的子路径。
进一步地，步骤S7中若误差角最小的子路径集中的子路径为反射路径时，当反射 节点满足，则认为该子路径为合理子路径；若误差角最小的子路 径集中的子路径为绕射路径时，当绕射节点满足 且，则认为该子路径为合理 子路径；其中，为选取墙面的法向量，为墙面位置，为劈一个顶点的坐标，为劈另一个顶点的坐标。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 本发明在传统射线弹跳法的基础上修改射线发射方式，以正二十面体为基础，通过等角划分使发射射线的均匀性提升；并加入基于误差角对路径进行精确化处理步骤，这样可以以线性的时间代价实现指数级的误差缩减，并且路径误差可以以指数级缩减到任意指定值。此外，本发明无线信道多径仿真精度优化方法时间代价小，迭代精确模块增加时间小于传统射线弹跳法耗时，解决了正向射线追踪射线弹跳法对信道信息计算不精确的问题。
附图说明
图1为本发明基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法的流程示意图；
图2为实施例中测试的环境图；
图3为实施例中发射射线密度对比图，图3中的（a）为传统射线弹跳法发射射线密度图，图3中的（b）为本发明优化方法发射射线密度图；
图4为实施例中迭代精确算法示意图；其中，图4中的（a）为射线发射球面上的一根射线锥图，图4中的（b）为射线锥底视图，图4中的（c）为第二次重新发射子射线图，图4中的（d）为经过2次迭代所得更精确的路径方向图；
图5为传统算法与实施例中精确算法角度对比图；其中，图5中的（a）表示离开角（Angle of Departure, AOD），图5中的（b）表示到达角（Angle of Arrival, AOA）；
图6为实施例中基于误差角对路径进行精确化处理的迭代次数与误差缩减的示意图；
图7为实施例中提供的理论、传统算法和本发明方法得到的功率密度分布的示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地解释说明。
如图1为本发明基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，具体包括如下步骤：
步骤S1、确定无线信道的环境以及发射端、接收端位置，设定发射射线划分数、反射阶数和绕射阶数；本发明中发射射线划分数满足：
其中，N表示发射端发射的射线的数量，n表示发射射线划分数。
步骤S2、根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线集，给出发射射线与发射射线划分数的定量关系，提升发射射线的均匀度；具体包括如下子步骤：
步骤S2.1、建立球坐标系，在建立的球坐标系中构造标准正二十面体，且所述标准正二十面体的中心位于坐标系的坐标原点，所述标准正二十面体的各个顶点位于半径为1的单位球面上；
步骤S2.2、根据发射射线划分数，对标准正二十面体的每个三角形面进行等角划分，得到所有射线方向；具体地，
步骤S2.2.1、将标准正二十面体的每一个三角形面，以所述三角形面为第0层，在 三角形面的边上增加个新射线点，各射线点按照顺时针排序，均满足：
记录发射射线发射锥角
其中，为发射射线划分数，为第k层第i个射线点，为第0层第i个射线点，O 为坐标原点，为第0层第i+1个射线点，为第0层三角形面的三个顶 点；
步骤S2.2.2、每向内一层的射线点数量为上一层射线点数量减9，通过第k-1层顶 点构造第k层射线顶点：
通过第层射线顶点构建第k层三角形面，顺时针在第k层 三角形面的边上生成个射线点，满足：
通过第层射线顶点、、构建第k层三角形面，顺时针在第k层三角形面 的边上生成个射线点，满足：
步骤S2.2.3、重复执行步骤S2.2.2，直到，最后一层的划分数为中的一种，当最后一层的划分数为1时，最内层的射线点为3个由上层生成的三角形顶 点；当最后一层的划分数为0时，最内层的射线点为1个位于面心的射线点；当最后一层的划 分数为-1时，最内层的射线点为0；
步骤S2.2.4、将原点与每一层三角形面上所得射线点连接，得到射线方向。
步骤S2.3、将所有射线的方向进行归一化，使模等于1，并将所有射线的发射点移动至发射端。
本发明通过对标准正二十面体的每个三角形面进行等角划分，使射线在归一化后均匀度保持一致，因为射线归一化使射线方向的模等于1，相当于将标准正二十面体表面上生成的所有射线点投影至球面上。由于正二十面体面心距离球面较远，这会导致面心处射线密度的降低。通过等角划分在正二十面体表面上划分射线点时使面心射线密度较高，弥补了上述正二十面体面心射线密度的降低，由此保证射线密度在归一化后各处保持一致，射线均匀度一致。
步骤S3、进行射线追踪，对总射线集逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线，简化新射线生成过程，减少耗时；本发明中总射线集包括从发射端通过等角划分产生的发射射线和它们产生的所有射线，代表无线信道的环境传播的所有射线；包括如下子步骤：
步骤S3.1、建立初始总射线集矩阵，所述初始总射线集矩阵中的每一行数组储存了步骤S2中的从发射端发射的射线，并在初始总射线集矩阵的第一行设置头坐标位，在初始总射线集矩阵的最后一行设置尾坐标位；
步骤S3.2、每次使头坐标位向下移动一位，取对应头坐标位的射线进行反射和绕射的综合判定，若产生新射线，则尾坐标位向下移动产生新射线的位数，将初始总射线集矩阵进行更新，记录对应头坐标位的射线发生的作用类型与作用面或劈的编号；
步骤S3.3、重复执行步骤S3.2，直至头坐标位位于尾坐标位之后。
本发明中反射和绕射的综合判定包含反射判定、绕射判定以及阶数判定，反射判定的过程具体为：
（a）对于无线信道的环境中的每一个墙面，取总射线集头坐标位置的一条射线，计 算墙面与所述射线的传播距离，
其中，为墙面的法向量，且满足，为墙面位置，墙面所在 平面方程为，为墙面上的任意一点；，为所述射线的发射点，为所述射线的方 向，且；
（b）计算所述射线与墙面的交点坐标，若交点位于墙面 内，则所述射线与墙面发生反射；
（c）保留传播距离最短的墙面为反射墙面，并记录此最短反射传播距离；
绕射判定的过程具体为：
（d）对于无线信道的环境中的每一个劈，计算劈与所述射线的最短距离，其中，为所述射线的位置，为劈的位 置；
（e）计算所述射线传播距离 ，若满足，则所述射线与劈发生绕射，其中，为所述射线与劈的交点，为发射射线发射锥角；
（f）保留传播距离最短的劈为绕射劈，并记录此最短绕射传播距离；
当所述射线既通过反射判定又通过绕射判定时，若反射传播距离比绕射传播距离短，将所述射线判定为反射，否则判定为绕射；
阶数判定并产生新射线的过程具体为：对于反射射线，若其所记录总反射次数小于设定的反射阶数，则通过阶数判定，根据反射定律发射新射线；对于绕射射线，若其所记录总绕射次数小于设定的绕射阶数，则通过阶数判定，根据绕射定律发射新射线。
因为总射线集的存在，初始发射射线和发生反射、绕射的射线都储存在此射线集内，这样可以对所有射线采取统一的判定方法处理，使总体步骤简化，降低算法的耗时。
步骤S4、对总射线集计算每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，若误差角小于发射射线锥角，对该射线进行回溯，得到路径并记录路径信息，可以定量确定每条路径是否准确，比较每条射线的精确程度；包括如下子步骤：
步骤S4包括如下子步骤：
步骤S4.1、通过总射线集每一条射线与接收端的最小距离和射线传播距 离，计算误差角 ，误差角代表了每条射线的定量误差，通过误差 角可以判断每条射线的精确程度；
步骤S4.2、若总射线集中射线的误差角小于发射射线锥角，则此射线到达接收端，回溯生成此射线的射线，直至发射端，将回溯的各条射线的发射点记录为路径节点，记录各条射线的传播机制与发生作用面或劈的编号在路径信息内，将上述误差角记录为路径误差角，将各节点间总距离记录为路径长度，将发射端到发射端后第一个节点的方向记录为离开角，将接收端前最后一个节点到接收端的方向记录为到达角。
步骤S5、根据记录路径信息中每条路径的路径节点，排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；
步骤S6、将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；包括如下子步骤：
步骤S6.1、对新的路径集中的每一条路径，将初始的子锥角设置为射线发射锥角，重复执行步骤S6.2-步骤S6.3，直到达到最大迭代次数；本发明通过子锥角的引入，记录每次迭代的误差缩减；
步骤S6.2、以子锥角除以在路径离开角方向周围以射线发射锥角生成六条子 射线，所述子射线构成正六边形；
步骤S6.3、使所述子射线按照所述路径传播经过的墙面与劈发生作用，得到新射线集，对新射线集中的新射线计算新射线误差角，将新射线误差角与子锥角进行比较，若新射线误差角小于子锥角，对该新射线进行回溯，构造子路径，保留误差角最小的子路径。
进行路径回溯的条件是新射线误差角小于子锥角，保证每次迭代所得子路径的误 差角小于等于每次迭代的子锥角，使每次迭代子路径的误差角符合子锥角缩减方式，每次 缩减为。
步骤S7、对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径；若误差角 最小的子路径集中的子路径为反射路径时，当反射节点满足，则 认为该子路径为合理子路径；若误差角最小的子路径集中的子路径为绕射路径时，当绕射 节点满足且，则认为该子路径为合理子 路径；其中，为选取墙面的法向量，D为墙面位置，为劈一个顶点的坐标，为劈另一个顶点的坐标。
步骤S8、重新记录路径信息，得到信道特性。
本发明基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法解决了射线弹跳法精度较低的问题。通过基于误差角对路径进行精确化处理，本发明在时间代价很小的情况下对射线弹跳法不够精确的结果进行误差缩减，使正向算法精度提升至与反向算法同等的高度，解决了正向算法精度低的问题。
实施例
本实施例提供一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，包括如下步骤：
步骤S1、确定无线信道的环境以及发射端、接收端位置，设定发射射线划分数、反 射阶数和绕射阶数；在本实施例中，信道仿真环境是在如图2所示，为办公室内，场 景包含1573个面和1183个劈，发射端与接收端坐标分别为(4m, 6.6m, 1.6m)、(1m, 3.6m, 1.6m)，并设置反射阶数为2。
步骤S2、根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线 集；划分数的设定应依据场景复杂度与阶数设置。一般来说，较大的划分数产生较多射线， 适用于复杂高阶场景，而较小的划分数、更少的发射射线适用于简单低阶场景。划分数设置 过高会导致运算时间加长，划分数设置过低可能导致遗漏路径。这里取划分数发射射 线。具体地：
步骤S2.1、建立球坐标系，在建立的球坐标系中构造标准正二十面体，且所述标准正二十面体的中心位于坐标系的坐标原点，所述标准正二十面体的各个顶点位于半径为1的单位球面上；
步骤S2.2、根据发射射线划分数，对标准正二十面体的每个三角形面进行等角划分，首先取标准正二十面体的一个三角形面作为最外层，根据射线划分数、三角形顶点及等角划分原则确定三角形边上的新增射线点，然后根据顶点和邻接射线点确定内层射线点，依次以层状结构生成新射线点，最后对标准正二十面体每个面进行处理，得到所有射线方向；
步骤S2.3、将所有射线的方向进行归一化，使模等于1，并将所有射线的发射点移动至发射端。由图3中的（a）和（b）可见，同样基于正二十面体，等角划分方法对发射射线密度均匀性有所提升，但是图3中的（a）内部存在一些阴影，代表密度的不均匀，而图3中的（b）显示本发明优化方法发射射线密度更加一致。
步骤S3、进行射线追踪，对总射线集逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线；具体地：
步骤S3.1、建立初始总射线集矩阵，所述初始总射线集矩阵中的每一行数组储存了步骤S2中的从发射端发射的射线，在本实施例中，共4412条从发射端发射的射线存入初始总射线集矩阵中，并在初始总射线集矩阵的第一行设置头坐标位，在初始总射线集矩阵的最后一行设置尾坐标位；
步骤S3.2、每次使头坐标位向下移动一位，取对应头坐标位的射线进行反射和绕射的综合判定，若产生新射线，则尾坐标位向下移动产生新射线的位数，将初始总射线集矩阵进行更新，记录对应头坐标位的射线发生的作用类型与作用面或劈的编号；
步骤S3.3、重复执行步骤S3.2，直至头坐标位位于尾坐标位之后。
进一步地，进行反射和绕射的综合判定包含反射判定、绕射判定以及阶数判定，反射判定确定射线是否与墙面相交，并且计算射线传播距离；绕射判定确定射线是否与劈相交，并且计算射线传播距离；当所述射线既通过反射判定又通过绕射判定时，若反射传播距离比绕射传播距离短，将所述射线判定为反射，否则判定为绕射；最后进行阶数判定并产生新射线。
步骤S4、对总射线集计算每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，若误差角小于发射射线锥角，对该射线进行回溯，得到路径并记录路径信息；在本实施例中，计算每条射线到接收端(1m, 3.6m, 1.6m)的距离，将此距离除射线传播距离得到误差角，此误差角小于射线发射锥角则此射线到达接收端。回溯产生此射线的上一条射线，并循环此过程直到射线在初始发射射线集内，记录路径信息。
步骤S5、根据记录路径信息中每条路径的路径节点，排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；
步骤S6、将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；具体地：
步骤S6.1、对新的路径集中的每一条路径，将初始的子锥角设置为射线发射锥角，图4中的（a）为路径的发射射线锥，重复执行步骤S6.2-步骤S6.3，直到达到最大迭代次数，本实施例中最大迭代次数设置为10；
步骤S6.2、以子锥角除以在路径离开角方向周围以射线发射锥角生成六条子 射线，所述子射线构成正六边形，如图4中的（b）所示；
步骤S6.3、使所述子射线按照所述路径传播经过的墙面与劈发生作用，得到新射线集，对新射线集中的新射线计算新射线误差角，将新射线误差角与子锥角进行比较，若新射线误差角小于子锥角，对该新射线进行回溯，构造子路径，保留误差角最小的子路径。
如图4中的（c）为依次迭代的结果，如图4中的（d）为2次迭代的结果，可以看出图4中的（d）子射线锥更为精确。
步骤S7、对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径，在本实施例中，计算每条路径的节点是否在所记录墙面或劈上，将不满足所述要求的路径计为不合理路径并排除。
步骤S8、重新记录路径信息，得到信道特性。在本实施例中，最终计录5条路径信息，并根据路径信息计算信道特性。图5中的（a）和（b）表明了本发明得到更精确的离开角、到达角，传统正向射线追踪算法得到的离开角、到达角与理论值存在误差，经过本发明所述精确算法，离开角、到达角的误差已经缩减到小于0.01°。
如图6，任意次迭代后的分贝AOD误差以线性下降，代表了每次迭代误差有比例的 缩减，AOD误差斜率近似为-2.3，符合上述推导每次射线锥角缩减为，误差缩减为。在AOD误差折线中，有一些上翘的点，不是所有点都为下降趋势。这是因为将原射线 束圆锥划分为六个子射线锥的时候，正确射线点有可能距离原射线锥中心更近，所以不管 取哪一个子射线锥，误差都会扩大。但是这是合理的现象，因为六个子射线锥可以完全覆盖 原射线锥，所以误差较大的子射线锥中也包含正确的精确路径，正确的射线路径并没有被 舍弃。在一次上翘之后，误差往往会显著降低而弥补上一次对精度的降低。图7体现了本发 明方法对功率密度分布精度的提升作用，传统SBR算法在功率上与IM算法所得准确结果有 差距，最大误差可达1dbm，经过本发明方法进行优化，误差降低为0.01dbm。
本发明无线信道多径仿真精度优化方法通过基于误差角对路径进行精确化处理，本发明在时间代价很小的情况下对射线弹跳法不够精确的结果进行误差缩减，使正向算法精度提升至与反向算法同等的高度，解决了正向算法精度低的问题。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1、确定无线信道的环境以及发射端、接收端位置，设定发射射线划分数、反射阶数和绕射阶数；
所述发射射线划分数满足：
N＝10n2+2
其中，N表示发射端发射的射线的数量，n表示发射射线划分数；
步骤S2、根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线集；包括如下子步骤：
步骤S2.1、建立球坐标系，在建立的球坐标系中构造标准正二十面体，且所述标准正二十面体的中心位于坐标系的坐标原点，所述标准正二十面体的各个顶点位于半径为1的单位球面上；
步骤S2.2、根据发射射线划分数，对标准正二十面体的每个三角形面进行等角划分，得到所有射线方向；包括如下子步骤：
步骤S2.2.1、将标准正二十面体的每一个三角形面，以所述三角形面为第0层，在三角形面的边上增加3(n-1)个新射线点，各射线点按照顺时针排序，均满足：
记录发射射线发射锥角
其中，为第k层第i个射线点，/>为第0层第i个射线点，O为坐标原点，/>为第0层第i+1个射线点，/>为第0层三角形面的三个顶点；
步骤S2.2.2、每向内一层的射线点数量为上一层射线点数量减9，通过第k-1层顶点 构造第k层射线顶点/>
通过第k层射线顶点构建第k层三角形面，顺时针在第k层三角形面的边上生成3n-9k个射线点，满足：
步骤S2.2.3、重复执行步骤S2.2.2，直到n-3k<2，最后一层的划分数为1,0，-1中的一种，当最后一层的划分数为1时，最内层的射线点为3个由上层生成的三角形顶点；当最后一层的划分数为0时，最内层的射线点为1个位于面心的射线点；当最后一层的划分数为-1时，最内层的射线点为0；
步骤S2.2.4、将原点与每一层三角形面上所得射线点连接，得到射线方向；
步骤S2.3、将所有射线的方向进行归一化，使模等于1，并将所有射线的发射点移动至发射端；
步骤S3、进行射线追踪，对总射线集逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线；包括如下子步骤：
步骤S3.1、建立初始总射线集矩阵，所述初始总射线集矩阵中的每一行数组储存了步骤S2中的从发射端发射的射线，并在初始总射线集矩阵的第一行设置头坐标位，在初始总射线集矩阵的最后一行设置尾坐标位；
步骤S3.2、每次使头坐标位向下移动一位，取对应头坐标位的射线进行反射和绕射的综合判定，若产生新射线，则尾坐标位向下移动产生新射线的位数，将初始总射线集矩阵进行更新，记录对应头坐标位的射线发生的作用类型与作用面或劈的编号；
步骤S3.3、重复执行步骤S3.2，直至头坐标位位于尾坐标位之后；
所述反射和绕射的综合判定包含反射判定、绕射判定以及阶数判定，所述反射判定的过程具体为：
(a)对于无线信道的环境中的每一个墙面，取总射线集头坐标位置的一条射线，计算墙面与所述射线的传播距离
其中，V＝[A,B,C]为墙面的法向量，且满足|V|＝1，D为墙面位置，墙面所在平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，(x,y,z)为墙面上的任意一点；Ro＝[Xo,Yo,Zo],Rd＝[Xd,Yd,Zd]，Ro为所述射线的发射点，Rd为所述射线的方向，且|Rd|＝1；
(b)计算所述射线与墙面的交点坐标PointsF＝Rdt+R0，若交点位于墙面内，则所述射线与墙面发生反射；
(c)保留传播距离最短的墙面为反射墙面，并记录此最短反射传播距离；
所述绕射判定的过程具体为：
(d)对于无线信道的环境中的每一个劈，计算劈与所述射线的最短距离tray-wedg＝|Dray-Dwedge|，其中，Dray为所述射线的位置，Dwedge为劈的位置；
(e)计算所述射线传播距离若满足则所述射线与劈发生绕射，其中，Pd为所述射线与劈的交点，θlaunch为发射射线发射锥角；
(f)保留传播距离最短的劈为绕射劈，并记录此最短绕射传播距离；
当所述射线既通过反射判定又通过绕射判定时，若反射传播距离比绕射传播距离短，将所述射线判定为反射，否则判定为绕射；
所述阶数判定并产生新射线的过程具体为：对于反射射线，若其所记录总反射次数小于设定的反射阶数，则通过阶数判定，根据反射定律发射新射线；对于绕射射线，若其所记录总绕射次数小于设定的绕射阶数，则通过阶数判定，根据绕射定律发射新射线；
步骤S4、对总射线集计算每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，若误差角小于发射射线锥角，对该射线进行回溯，得到路径并记录路径信息；
步骤S5、根据记录路径信息中每条路径的路径节点，排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；
步骤S6、将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；包括如下子步骤：
步骤S6.1、对新的路径集中的每一条路径，将初始的子锥角设置为射线发射锥角，重复执行步骤S6.2-步骤S6.3，直到达到最大迭代次数；
步骤S6.2、以子锥角除以在路径离开角方向周围以射线发射锥角生成六条子射线，所述子射线构成正六边形；
步骤S6.3、使所述子射线按照所述路径传播经过的墙面与劈发生作用，得到新射线集，对新射线集中的新射线计算新射线误差角，将新射线误差角与子锥角进行比较，若新射线误差角小于子锥角，对该新射线进行回溯，构造子路径，保留误差角最小的子路径；
步骤S7、对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径；若误差角最小的子路径集中的子路径为反射路径时，当反射节点Pref满足Pref·V+D＝0，则认为该子路径为合理子路径；若误差角最小的子路径集中的子路径为绕射路径时，当绕射节点Pdif满足且/>则认为该子路径为合理子路径；其中，V为选取墙面的法向量，D为墙面位置，Pwedge1为劈一个顶点的坐标，Pwedge2为劈另一个顶点的坐标；
步骤S8、重新记录路径信息，得到信道特性。
2.根据权利要求1所述基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，其特征在于，步骤S4包括如下子步骤：
步骤S4.1、通过总射线集每一条射线与接收端的最小距离dRx-ray和射线传播距离dray，计算误差角
步骤S4.2、若总射线集中射线的误差角小于发射射线锥角，则此射线到达接收端，回溯生成此射线的射线，直至发射端，将回溯的各条射线的发射点记录为路径节点，记录各条射线的传播机制与发生作用面或劈的编号在路径信息内，将上述误差角记录为路径误差角，将各节点间总距离记录为路径长度，将发射端到发射端后第一个节点的方向记录为离开角，将接收端前最后一个节点到接收端的方向记录为到达角。
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