CN115915157A - 一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法 - Google Patents

一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法 Download PDF

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CN115915157A CN202211298286.7A CN202211298286A CN115915157A CN 115915157 A CN115915157 A CN 115915157A CN 202211298286 A CN202211298286 A CN 202211298286A CN 115915157 A CN115915157 A CN 115915157A
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杨海斌
聂云锋
马怀庆
李锐鹏
杨亚
李海华
张宇捷
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Abstract

本发明涉及一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，属于太赫兹通信技术领域。本发明建立城市建筑三维仿真模型，根据所选频段设定建筑材料的相对介电常数，电导率和厚度等、设定太赫兹波传输环境参数，包括载波频率，频带宽度，发射功率，天线参数等，放置相应的发射器与接收器、根据所设定的参数，射线追踪每条从发射端到接收端的传播路径，仿真出接收功率、路径损耗、SNR等信道参数，并生成所研究区域的信号强度温度图、根据仿真结果和实际建筑分布情况，调整基站的位置或添加基站，减少覆盖盲区、对信号强度较弱的区域，使用波束成形、天线分集等技术增强信号强度。

Description

一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法
技术领域
本发明涉及一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，属于太赫兹通信技术领域。
背景技术
射线追踪法是利用几何光学和几何一致性绕射原理(UTD)来预测高频电磁波的传输特性，根据建筑的结构、材料的特性、地形特征等一系列具体的环境条件，来进行信道的仿真。仿真场景的建模方式多样，可以根据建筑大致结构用CAD软件绘制，但还原度较低。本发明是利用Blender软件在地图上截取城市中心的地形和建筑等模型，再导入到电磁仿真软件中进行信道建模，此方法对解决真实环境基站选址问题有很大的帮助。
提高网络传输的可靠性和稳定性是当前基站选址中亟待解决的技术问题。由于频率越高，基站信号的波长越短，很难逾越高楼、树木等障碍物，未来基站的部署密度可能会越来越高，因此，通讯基站的选址和规划的好坏，直接关系到通讯的整体质量和使用成本。本发明在遵循基站选址原则的基础上，根据城市建筑分布情况合理选择基站位置，并且可以灵活改变基站位置通过仿真验证合理性。
在对基站完成选址的基础上，进行模型的信道建模仿真，得出接收功率、路径损耗、信噪比等一些信道特性参数。仿真结果中可能会发现还是存在一些信号强度较弱或者接收不到信号的区域，本发明设置了一条模拟用户在街道行走的接收机直线路径，使用波束成形和天线分集等技术，来提升用户的通信质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，从而解决城市环境的太赫兹波传播和基站选址问题。
本发明的技术方案是：一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，首先建立城市建筑三维仿真模型，根据所选频段设定建筑材料的相对介电常数，电导率和厚度等、设定太赫兹波传输环境参数，包括载波频率，频带宽度，发射功率，天线参数等，放置相应的发射器与接收器、根据所设定的参数，射线追踪每条从发射端到接收端的传播路径，仿真出接收功率、路径损耗、SNR等信道参数，并生成所研究区域的信号强度温度图、根据仿真结果和实际建筑分布情况，调整基站的位置或添加基站，减少覆盖盲区、对信号强度较弱的区域，使用波束成形、天线分集等技术增强信号强度。
具体步骤为：
Step1：建立城市建筑三维仿真模型，根据所选频段设定建筑材料的相对介电常数，电导率和厚度。
Step2：设定太赫兹波传输环境参数，所述参数包括载波频率，频带宽度，发射功率，天线参数，放置相应的发射器与接收器。
Step3：根据所设定的参数，射线追踪每条从发射端到接收端的传播路径，仿真出信道参数，并生成所研究区域的信号强度温度图，所述信道参数包括接收功率、路径损耗、自由空间损耗、信道容量、信噪比。
Step4：根据仿真结果和实际建筑分布情况，调整基站的位置或添加基站，减少覆盖盲区。
Step5：对信号强度较弱的区域，使用波束赋形、天线分集技术，增强信号强度。
从信号接收强度温度图来看，整个场景中会存在一些被遮挡导致信号覆盖不到或强度弱的区域，对这些区域用一条接收机路径模拟用户移动，使用波束成形、天线分集等技术增强信号接收强度。
所述城市场景模型包括高楼建筑、街道地形等。
所述材料相关参数包括介电常数、电导率和厚度。根据相关文献设定所使用频率下建筑材料的参数，或使用相关公式推导。
所述Step1中，建立城市建筑三维仿真模型具体为：利用Blender软件在地图上截取某城市中心区域，导出城市地形、建筑模型，再经过渲染处理后导入到电磁仿真软件中进行通信信道建模，射线接触的物体的表面设置为不同的材料。
所述材料指的是仿真中对路径或者能量损耗的影响，不代表仿真物体的物理特性，为建筑材料设置所用载波频率的相关介电常数和电导率。
所述Step2中，载波频率选择110GHz太赫兹频段，发射功率为35dBm，基站放置在建筑楼顶，把要研究区域的地面铺满接收器，仿真出信号的覆盖范围和接收强度，再把接收器放置成沿着街道移动的直线路径，分析这条路径上的信号强度。
所述Step3中，接收功率接收功率是指接收器接收的有效路径功率之和，计算了从多个发射机到单个接收机的总接收功率，当电场无相组合时，作为功率和，所有运行发射机的总接收功率为：
Figure BDA0003903552260000031
其中，Pi是由第i个发射机而产生的接收功率。
Figure BDA0003903552260000032
其中，λ表示信号波长，β表示发射信号的频谱ST(f)与接收器接收的频谱SR(f)的重叠，η0表示自由空间阻抗，Eα，i表示第i条射线到达接收端的俯仰方向的电场强度，Eγ，i表示第i条射线到达接收端的水平方向的电场强度，αi和γi表示射线的到达角度。
gα(α，γ)和β的计算公式如下：
Figure BDA0003903552260000033
Figure BDA0003903552260000034
其中，Gα表示接收天线在α方向上的增益，ψα表示电场α的相对相位，将gγ以此类推。fT表示发射电磁波信号的中心频率，BT表示发射信号的带宽。
假定发射信号的频谱和接收器接收的频谱都为理想情况下的频谱，以dBm为单位的接收功率由下式表示：
PR(dBm)＝10log10[PR(W)]+30dB-LS(dB)
总接收功率在当所有场相干组合的情况下，表达式为：
Figure BDA0003903552260000035
其中，LS表示通信系统中的其他所有损耗。
所述Step3中，路径损耗就是信号从发射器到接收器传播时能量功率的损耗，当收发天线不是理想的各向同性天线，有各自的增益，发射天线的增益为GT，接收天线的增益为GR，路径损耗为：
LPath(dB)
＝PT(dBm)-PR(dBm)+GT，Max(dBi)+GH，Max(dBi)-LS(dB)
其中，GTMax表示该发射天线的最大增益，GRMax表示该接收天线的最大增益，LS表示系统中所有其他损耗的总和，路径损耗等于负的路径增益。
在定向天线中，天线的方向决定了路径损耗的大小，定向天线并不像全向天线一样完全依赖于频率和场景。在太赫兹通信中，使用MIMO定向天线可以提高抗衰落的增益。
所述Step3中，自由空间损耗指的是电磁波在空气中传播时的能量损耗，太赫兹波在自由空间损耗表示为：
Figure BDA0003903552260000041
其中，λ是载波波长，GT是发射天线的增益，GR是接收天线的增益，R是发射机和接收机之间的距离。
所述Step3中，信道容量表示一个通信信道的最大可能的数据传输速率，使用香农定理进行计算，具体为：
C＝Blog2(1+SINR)
其中，B是信道的带宽，SINR表示线性信噪比。
在建立的通信系统中可以使用WiMax、LTE以及WiFi现有的通信协议以及用户自定义的通信协议。
所述Step3中，信噪比(SNR)是指从发射机接收到的功率与来自所有噪声源的功率和之比，具体为：
SNR(dB)＝10log10(PR(i))-10log10(Ntotal)
其中，PR表示从发射器接收的功率，Ntotal表示噪音之和。
所述Step4中，基站的选址原则主要是针对密集城市场景，建议站距为0.4～0.6KM，由于太赫兹波频段高，基站布局会更加密集，实际选址站距要小于建议值，此外基站天线的挂高应处理好保证基站覆盖和减少基站间相互干扰两方面的问题。基站天线的挂高不低于周围高楼建筑平均高度5～8米，以保证天线四周视野开阔。各个基站天线高度差不能过大，过大会难以控制其覆盖区，造成越区覆盖，产生干扰和掉话。最终根据信号强度仿真结果和实际建筑分布情况选择基站位置。
所述基站选址方法，根据城市建筑分布情况，合理选择基站的位置，使覆盖范围尽可能大。同时要注意基站放置在楼顶的高度与高楼本身长度的关系，避免被高楼边缘遮挡产生阴影区域。
所述增强信号强度方法，在信道建模中运用MIMO技术，包括发射天线使用波束成形(MRT)，接收天线使用天线分集。MRT是在TX点到RX点之间根据权重值建立一支最佳波束。信噪比低时，适合使用波束成形发射和天线分集接收。
本发明的有益效果是：可以对真实城市环境进行信道建模仿真，提取的高楼建筑还原度较高，有实用意义。并且能根据建筑具体分布情况来选择基站的放置位置，若覆盖效果不佳，能方便地调整基站位置或者添加基站优化覆盖。另外一点就是应用了太赫兹通信中的MIMO技术，使用波束成形和天线分集，帮助增强信号接收强度，响应了下一代移动通信技术的发展趋势。
附图说明
图1是本发明的步骤流程图
图2是本发明实施例中的城市场景三维仿真模型图；
图3是本发明实施例中的单天线总接收功率温度图；
图4是本发明实施例中的4×4MIMO天线总接收功率温度图；
图5是本发明实施例中的直线接收机路径单天线与MIMO天线接收功率对比图；
图6是本发明实施例中的直线接收机路径几种天线分集技术对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，具体步骤为：
Step1：建立城市建筑三维仿真模型，根据所选频段设定建筑材料的相对介电常数，电导率和厚度。
Step2：设定太赫兹波传输环境参数，所述参数包括载波频率，频带宽度，发射功率，天线参数，放置相应的发射器与接收器。
如图2所示，城市场景建模完成后，设置通信信道建模参数，载波频率设为110GHz，发射功率35dBm，发射天线使用单个定向天线或者4×4MIMO天线，接收机使用半波偶极子天线或MIMO天线，在场景中一块矩形区域铺满接收机，每个接收机间隔为3米，再铺设一条模拟用户沿街道行走的直线路径，路径一直铺设到信号覆盖强度较低的区域。
Step3：根据所设定的参数，射线追踪每条从发射端到接收端的传播路径，仿真出信道参数，并生成所研究区域的信号强度温度图，所述信道参数包括接收功率、路径损耗、自由空间损耗、信道容量、信噪比。
所述Step3中，接收功率接收功率是指接收器接收的有效路径功率之和，表示为：
Figure BDA0003903552260000061
其中，Pi是由第i个发射机而产生的接收功率。
Figure BDA0003903552260000062
其中，λ表示信号波长，β表示发射信号的频谱ST(f)与接收器接收的频谱SR(f)的重叠，η0表示自由空间阻抗，Eα，i表示第i条射线到达接收端的俯仰方向的电场强度，Eγ，i表示第i条射线到达接收端的水平方向的电场强度，αi和γi表示射线的到达角度。
gα(α，γ)和β的计算公式如下：
Figure BDA0003903552260000063
Figure BDA0003903552260000064
其中，Gα表示接收天线在α方向上的增益，ψα表示电场α的相对相位，将gγ以此类推。fT表示发射电磁波信号的中心频率，BT表示发射信号的带宽。
假定发射信号的频谱和接收器接收的频谱都为理想情况下的频谱，以dBm为单位的接收功率由下式表示：
PR(dBm)＝10log10[PR(W)]+30dB-LS(dB)
总接收功率在当所有场相干组合的情况下，表达式为：
Figure BDA0003903552260000071
其中，LS表示通信系统中的其他所有损耗。
所述Step3中，路径损耗就是信号从发射器到接收器传播时能量功率的损耗，当收发天线不是理想的各向同性天线，有各自的增益，发射天线的增益为GT，接收天线的增益为GR，路径损耗为：
LPath(dB)
＝PT(dBm)-PR(dBm)+GT，Max(dBi)+GR，Max(dBi)-LS(dB)
其中，GTMax表示该发射天线的最大增益，GRMax表示该接收天线的最大增益，LS表示系统中所有其他损耗的总和，路径损耗等于负的路径增益。
在定向天线中，天线的方向决定了路径损耗的大小，定向天线并不像全向天线一样完全依赖于频率和场景。在太赫兹通信中，使用MIMO定向天线可以提高抗衰落的增益。
所述Step3中，自由空间损耗指的是电磁波在空气中传播时的能量损耗，太赫兹波在自由空间损耗表示为：
Figure BDA0003903552260000072
其中，λ是载波波长，GT是发射天线的增益，GR是接收天线的增益，R是发射机和接收机之间的距离。
所述Step3中，信道容量表示一个通信信道的最大可能的数据传输速率，使用香农定理进行计算，具体为：
C＝Blog2(1+SINR)
其中，B是信道的带宽，SINR表示线性信噪比。
在建立的通信系统中可以使用WiMax、LTE以及WiFi现有的通信协议以及用户自定义的通信协议。
所述Step3中，信噪比(SNR)是指从发射机接收到的功率与来自所有噪声源的功率和之比，具体为：
SNR(dB)＝10log10(PR(i))-10log10(Ntotal)
其中，PR表示从发射器接收的功率，Ntotal表示噪音之和。
如图3所示，在楼顶分别放置基站A、基站B和基站C，从接收功率温度图可以看出区域中总体信号覆盖和强度较好，范围大致在-68～-130dBm，但从图中能发现西北角有一块小区域信号强度较差，这块区域是两幢楼位置过于紧密，且前方被另一幢楼遮挡形成。
如图4所示，将三个基站的单天线换成4×4MIMO天线，很明显看到信号的接收强度变大，范围大致在-55～-130dBm，虽然有一定改善，西北角区域接收到的信号强度还是较弱，影响用户的通信质量。
Step4：根据仿真结果和实际建筑分布情况，调整基站的位置或添加基站，减少覆盖盲区。
所述Step4中，基站的选址原则主要是针对密集城市场景，建议站距为0.4～0.6KM，由于太赫兹波频段高，基站布局会更加密集，实际选址站距要小于建议值，此外基站天线的挂高应处理好保证基站覆盖和减少基站间相互干扰两方面的问题。基站天线的挂高不低于周围高楼建筑平均高度5～8米，以保证天线四周视野开阔。各个基站天线高度差不能过大，过大会难以控制其覆盖区，造成越区覆盖，产生干扰和掉话。最终根据信号强度仿真结果和实际建筑分布情况选择基站位置。
其中，仿真结果由图3，4已经给出，基站基本的选址原则前面也已简单说明，从结果图看出：有一些被遮挡严重的区域信号接收强度过低，虽然MIMO天线能略微提高信号强度，但不能完全解决问题，这里根据建筑实际的分布情况，可以考虑调高天线的架设高度或把基站调整到减少遮挡的位置，但实际天线架设不宜过高，多次尝试调整基站位置后效果不佳，也会造成其他位置的遮挡。在调整位置也无法解决的情况下，甚至要在这块被遮挡严重区域添加一个基站，来减少覆盖盲区。
Step5：对信号强度较弱的区域，使用波束赋形、天线分集技术，增强信号强度。
从信号接收强度温度图来看，整个场景中会存在一些被遮挡导致信号覆盖不到或强度弱的区域，对这些区域用一条接收机路径模拟用户移动，使用波束成形、天线分集等技术增强信号接收强度。
其中，如图5所示，从图中发现0～200米接收机慢慢靠近基站，接收功率值不断变大，在60米左右处有被左侧高楼遮挡的接收点，数值出现向下的突变。从300～500米，接收机远离基站，数据值缓慢变小。500～700米反映的正好是西北角被遮挡的区域，数值急剧下降，配置MIMO天线后，使用了MIMO中的波束成形(MRT)技术，波束成形的目的是运用多个天线单元合成一支信号波束，借由提高SINR来提升到接收端的吞吐量，MRT将TX点到RX点之间的波束强度以自适应方式提升，对比三次仿真结果，信号的接收功率基本被提升到了-110dBm以上。用户可以正常通信，降低了基站部署的密度。
如图6所示，接收端也配置MIMO天线，对比了三种天线分集技术下的SNR数据，这些技术都运用基站和终端的MIMO天线之间每一个点对点链路的空间分集技术以及各端的特定技巧来改善通信效能，得到的结论是运用MRC技术效果最佳。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于：
Step1：建立城市建筑三维仿真模型，根据所选频段设定建筑材料的相对介电常数，电导率和厚度；
Step2：设定太赫兹波传输环境参数，所述参数包括载波频率，频带宽度，发射功率，天线参数，放置相应的发射器与接收器；
Step3：根据所设定的参数，射线追踪每条从发射端到接收端的传播路径，仿真出信道参数，并生成所研究区域的信号强度温度图，所述信道参数包括接收功率、路径损耗、自由空间损耗、信道容量、信噪比；
Step4：根据仿真结果和实际建筑分布情况，调整基站的位置或添加基站，减少覆盖盲区；
Step5：对信号强度较弱的区域，使用波束赋形、天线分集技术，增强信号强度。
2.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，所述Step1中，建立城市建筑三维仿真模型具体为：利用Blender软件在地图上截取某城市中心区域，导出城市地形、建筑模型，再经过渲染处理后导入到电磁仿真软件中进行通信信道建模，射线接触的物体的表面设置为不同的材料；
所述材料指的是仿真中对路径或者能量损耗的影响，不代表仿真物体的物理特性，为建筑材料设置所用载波频率的相关介电常数和电导率。
3.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，Step2中：所述载波频率选择110GHz太赫兹频段，发射功率为35dBm，基站放置在建筑楼顶，把要研究区域的地面铺满接收器，仿真出信号的覆盖范围和接收强度，再把接收器放置成沿着街道移动的直线路径，分析这条路径上的信号强度。
4.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，Step3中：所述接收功率接收功率是指接收器接收的有效路径功率之和，表示为：
Figure FDA0003903552250000011
其中，Pi是由第i个发射机而产生的接收功率；
Figure FDA0003903552250000021
其中，λ表示信号波长，β表示发射信号的频谱ST(f)与接收器接收的频谱SR(f)的重叠，η0表示自由空间阻抗，Eα,i表示第i条射线到达接收端的俯仰方向的电场强度，Eγ,i表示第i条射线到达接收端的水平方向的电场强度，αi和γi表示射线的到达角度。
5.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，Step3中：所述路径损耗就是信号从发射器到接收器传播时能量功率的损耗，当收发天线不是理想的各向同性天线，有各自的增益，发射天线的增益为GT，接收天线的增益为GR，路径损耗为：
LPath(dB)
＝PT(dBm)-PR(dBm)+GT，Max(dBi)+GR,Max(dBi)-LS(dB)
其中，GTMax表示该发射天线的最大增益，GRMax表示该接收天线的最大增益，LS表示系统中所有其他损耗的总和，路径损耗等于负的路径增益。
6.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，Step3中：所述自由空间损耗指的是电磁波在空气中传播时的能量损耗，太赫兹波在自由空间损耗表示为：
Figure FDA0003903552250000022
其中，λ是载波波长，GT是发射天线的增益，GR是接收天线的增益，R是发射机和接收机之间的距离。
7.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，Step3中：所述信道容量表示一个通信信道的最大可能的数据传输速率，使用香农定理进行计算，具体为：
C＝Blog2(1+SINR)
其中，B是信道的带宽，SINR表示线性信噪比。
8.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，Step3中：所述信噪比(SNR)是指从发射机接收到的功率与来自所有噪声源的功率和之比，具体为：
SNR(dB)＝10log10(PR(i))-10log10(Ntotal)
其中，PR表示从发射器接收的功率，Ntotal表示噪音之和。
9.根据权利要求1所述的基于射线追踪的城市环境太赫兹无线通信基站选址方法，其特征在于，Step4中：所述基站的站距为0.4～0.6KM，基站天线的挂高不低于周围高楼建筑平均高度5～8米。
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