CN116017488A - 基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法及系统，属于散射通信领域，方法包括：确定栅格高程数字地图以及发射站点的整数点坐标；确定栅格高程数字地图的起始计算点；确定起始计算点与整数点坐标之间的剖面坐标集；计算散射通信的路径损耗值集；更新起始计算点，直至得到栅格高程数字地图的所有坐标点与整数点坐标之间散射通信的大区域散射通信路径损耗值；根据大区域散射通信路径损耗值确定通信速率集和通信可靠度数据集，通信速率集和通信可靠度数据集用于表征大区域散射通信效果。本发明能够计算散射通信站点选址规划和机动组网提供大区域的散射通信覆盖效果，并具有高度自动化、计算效率高、准确性高等优势。

Description

基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法及系统

技术领域

本发明涉及散射通信领域，特别是涉及一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法及系统。

背景技术

散射通信具有抗截获、抗干扰和超视距通信能力等优势，应用场景广阔。目前散射通信效能分析主要是使用ITUR-P.617建议方法进行点对点的单链路计算，针对大区域的散射通信覆盖效果分析需进行海量的链路计算，计算量大，计算速度慢，耗时极长，因此很少有针对大区域散射覆盖效果的快速分析方法。而且缺乏大区域散射通信效果仿真手段，难以对目标区域通信效果进行评估，给散射站点规划、散射通信机动组网带来困难，阻碍散射通信应用发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法及系统，能够快速计算大区域的散射通信覆盖效果，为散射通信站点选址规划和机动组网提供技术支持，并具有高度自动化、计算效率高、准确性高等优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

第一方面，本发明提供一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法，包括：

根据发射站点经纬度确定栅格高程数字地图；

根据所述栅格高程数字地图确定发射站点的整数点坐标；

确定所述栅格高程数字地图的起始计算点；

确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集；

根据所述剖面坐标集计算散射通信的路径损耗值集；

按照边界搜索算法更新所述起始计算点；

跳转至步骤“确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集”，直至得到所述栅格高程数字地图的所有坐标点与所述发射站点的整数点坐标之间散射通信的路径损耗值集，即为大区域散射通信路径损耗值；

根据所述大区域散射通信路径损耗值确定通信速率集和通信可靠度数据集，所述通信速率集和通信可靠度数据集用于表征大区域散射通信效果。

可选的，所述根据所述剖面坐标集确定散射通信的路径损耗值集，具体包括：

根据所述剖面坐标集确定剖面高程数据集和距离集，所述距离集为剖面上的点与所述发射站点的距离集合；

根据所述剖面高程数据集和距离集进行视距通信判定，得到确定视距通信判定数集；

根据所述剖面坐标集和视距通信判定数集测算散射通信的路径损耗值集。

可选的，基于最邻近可视点算法进行视距通信判定，判断是否能够进行视距通信。其中，需要进行视距通信判断是因为散射通信和视距通信的路劲损耗值计算方法不同。判定为视距通信即采用自由空间传播模型计算路径损耗值，判定为散射通信即采用ITU方法计算路径损耗值。

可选的，所述边界搜索算法按照顺时针的顺序提取所述栅格高程数字地图的边界点。

可选的，在边界搜索算法的条件下，通过GPU并行计算确定所述大区域散射通信路径损耗值。

第二方面，本发明提供一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测系统，包括：

栅格高程数字地图确定模块，用于根据发射站点经纬度确定栅格高程数字地图；

整数点坐标确定模块，用于根据所述栅格高程数字地图确定发射站点的整数点坐标；

起始计算点确定模块，用于确定所述栅格高程数字地图的起始计算点；

剖面坐标集确定模块，用于确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集；

路径损耗值集计算模块，用于根据所述剖面坐标集计算散射通信的路径损耗值集；

更新模块，用于按照边界搜索算法更新所述起始计算点；

跳转模块，用于跳转至剖面坐标集确定模块，直至得到所述栅格高程数字地图的所有坐标点与所述发射站点的整数点坐标之间散射通信的路径损耗值集，即为大区域散射通信路径损耗值；

通信速率集和通信可靠度数据集确定模块，用于根据所述大区域散射通信路径损耗值确定通信速率集和通信可靠度数据集，所述通信速率集和通信可靠度数据集用于表征大区域散射通信效果。

可选的，所述路径损耗值集确定模块具体包括：

剖面高程数据集和距离集确定单元，用于根据所述剖面坐标集确定剖面高程数据集和距离集，所述距离集为剖面上的点与所述发射站点的距离集合；

视距通信判定单元，用于根据所述剖面高程数据集和距离集进行视距通信判定，得到确定视距通信判定数集；

路径损耗值集确定单元，用于根据所述剖面坐标集和视距通信判定数集测算散射通信的路径损耗值集。

可选的，所述视距通信判定单元基于最邻近可视点算法进行视距通信判定，判断是否能够进行视距通信。

可选的，所述更新模块中所述边界搜索算法按照顺时针的顺序提取所述栅格高程数字地图的边界点。

可选的，在边界搜索算法的条件下，通过GPU并行计算确定所述大区域散射通信路径损耗值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明使用数字高程栅格地图作为数据来源，以散射链路为基础，按照栅格地图边界并行计算全区域的散射通信效果，能够避免大量重复提取剖面的计算过程，提高计算效率，简化计算流程，部署并行计算策略，提供了散射通信在大区域内覆盖预测能力，为散射通信站点规划选址提供技术支撑。在并行计算条件下，可以提供实时散射通信覆盖仿真服务，为散射通信机动组网提供决策支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法流程图；

图2为最近邻可视点性分析算法示意图；

图3为散射链路路径损耗值算法示意图；

图4为边界搜索算法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法及系统，能够快速计算散射通信站点选址规划和机动组网提供大区域的散射通信覆盖效果，并具有高度自动化、计算效率高、准确性高等优势。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明整体技术构思为：通过提取单链路剖面数据，计算剖面上所有点与发射站点的路径损耗值。在此基础之上，通过边界搜索的方法，避免重复计算，并行计算出大区域内所有点与发射站点的路径损耗值，再计算通信速率、可靠度等其他技术指标。

图1为本发明基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法流程图，如图1所示，一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法，包括：

步骤1：根据发射站点经纬度确定栅格高程数字地图。即获取发射站点经纬度后，选取站点周边地区的栅格高程数字地图。

步骤2：根据所述栅格高程数字地图确定发射站点的整数点坐标。

具体的，首先提取出高程数字地图的整数点坐标矩阵[M|M＝(i,j),0≤i≤X,0≤j≤Y]，其中X为栅格横排数量，Y为栅格竖排数量。然后，计算出发射站点整数点坐标(x_b,y_b)。

步骤3：确定所述栅格高程数字地图的起始计算点。

步骤4：确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集。

步骤3-4具体计算过程为：指定栅格地图左上角点(0,Y)为起始计算点，提取点(0,Y)与发射站点(x_b,y_b)之间的剖面连线上的坐标集L¹＝[(0,Y),...,(x_b,y_b)]，即剖面坐标集。

步骤5：根据所述剖面坐标集计算散射通信的路径损耗值集，记为单链路路径损耗值集。

其中，单链路路径损耗值集是以第一个起始点与发射站整数坐标点之间连线上所有点的损耗值，是一条线上的损耗值，更新一次起始点，就计算一条剖面线上点的损耗值。起始点按照顺时针旋转一圈，就可以将平面上所有点都覆盖计算。

步骤6：按照边界搜索算法更新所述起始计算点。

步骤7：跳转至步骤“确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集”，直至得到所述栅格高程数字地图的所有坐标点与所述发射站点的整数点坐标之间散射通信的路径损耗值集，即为大区域散射通信路径损耗值。其中，大区域散射通信路径损耗值也称为全区域路径损耗值。

步骤5-7具体计算过程为：通过剖面坐标集提取剖面高程数据集

计算出剖面上点与发射站点的距离

在得知第一个点与发射站点之间距离集

和剖面高程数据集

的基础之上，进行视距通信判定。其中，这里

和

代表着第一个点与发射站点的剖面集和距离集，也是整条链路的剖面值集和距离值集。使用基于最邻近可视点算法进行判定是否能够进行视距通信，即用最近邻可视点分析方法，计算剖面坐标集L¹上点相对于发射站点的可视性，判断出相对于发射站点L¹上点的是否为视距通信，从而得到视距通信判定数集S₁＝[s₁,...,s_k]，s_i为布尔型数值，s_i＝0为不具备视距通信条件，s_i＝1为具备视距通信条件。

针对L¹＝[(0,Y),...,(x_b,y_b)]坐标集上第一个点与发射站点之间进行散射通信计算路径损耗，首先判断s₁的值，当s₁＝1时，代表着点与发射站点之间是视距通信，路径损耗

可以使用自由空间传播损耗模型计算得出。当s₁＝0时，代表着点与发射站点之间是非视距通信，路径损耗

出根据ITU_R-P.617-5建议基本传输损耗为L＝F+22logf+35logθ+17logd+L_c-Y_p，其中f为频率，θ为散射角(弧度制)，d为收发站点之间距离，设Υ＝F+L_c-Y_p。此时，可以将公式简化为L＝22logf+35logθ+17logd+Υ，其中Υ与通信地区气候，天线增益等因素相关。

计算完第一点后，将第二点与发射站点(x_b,y_b)之间的剖面数据集

作为散射通信链路剖面，距离集为

计算出通信损耗值

以此类推，将L¹＝[(0,Y),...,(x_b,y_b)]坐标集上所有的数据点遍历计算与发射站点散射通信的第一条链路路径损耗值集

在计算第一条链路上所有点与发射站点之间的通信损耗值的基础上，切换起始点，提取(1,Y)作为第二条链路的起点，计算以(1,Y)与发射站点作为散射通信剖面的坐标数据集L²＝[(1,Y),...,(x_b,y_b)]，提取剖面高程数据集

距离集

在此基础上计算坐标数据集L²＝[(1,Y),...,(x_b,y_b)]上所有点与发射站点散射通信的路径损耗值集

按照边界搜索的顺序，顺时针提取所有边界上的点作为起点与发射点之间的坐标数据集上的散射通信损耗值集。至此，栅格地图上所有的坐标点与发射站点之间散射通信的全区域路径损耗值集Z＝[z|z＝z(x_i,y_i)]计算完毕。

步骤8：根据所述大区域散射通信路径损耗值确定通信速率集和通信可靠度数据集，所述通信速率集和通信可靠度数据集用于表征大区域散射通信效果。

其中，确定通信速率集和通信可靠度数据集，还需要确定发射功率、天线增益、气候区域类型、余量等参数。

综上，本发明是按照一定顺序，提取边界上的点与发射站点连线上的坐标点集，计算连线上点与发射站点之间进行散射通信的路径损耗值，最终完成边界上所有的点搜索计算过程，得到整个栅格地图上所有坐标点与发射站点之间的散射通信路径损耗值。在路径损耗值基础上，计算出散射通信速率和散射通信可靠度，完成大区域散射通信效果快速预测和评估。

图2是本发明中散射通信链路剖面进行视距通信判定的最邻近可视点算法示意图，具体包括以下步骤：

(1)设置发射站点为观测点，计算接下来第一点与发射站点之间的斜率k₁,第一个点默认可视点即s₁＝1，计算第二点与发射站之间的斜率k₂，明显看出k₂＞k₁时，认为第二点可视即s₂＝1，以此类推，直至计算到R点，k_i＞k_i-1，R点可视即s_i＝1，但可知k_i+1＜k_i，即R点之后第一点不可视即s_i+1＝0。

(2)此时替换R点为观测点，直接计算通过R点且斜率为k_i的直线与剖面在R点之后的交点P点坐标，可知P点可视，即s_j＝1，P点与R点之间所有点都不可视，即s_i+1,…,s_j-1＝0。

(3)计算P点之后的点相对于观测点R点的斜率k_j+1，可知k_j+1＞k_j，即P点之后的第一点可视即s_j+1＝1，以此类推，直到算出斜率下降的点，更新观测点为P点，重复计算。

(4)重复上述计算过程，直到观测点与剖面没有在观测点以后的交点，即可以认为此观测点之后所有的点都不可视，得到所有的点的视距通信判断数据集S＝(s₁,...,s_k)。至此，剖面链路视距通信分析完成。

图3是本发明专利中散射通信链路剖面上所有点与发射站点之间散射通信路径损耗值算法示意图，具体步骤如下：

(1)提取起始点与发射站点之间的剖面高程数据集

距离数据集

首先判定此条链路相对于发射站点的是否为视距通信S＝(s₁,...,s_k)。

(2)当s_k＝0时，起始点为非视距散射通信，根据ITUR-P.617建议，计算出起始点处的路径损耗值

当s_k＝1时，起始点为视距散射通信，根据自由空间传输损耗模型计算出该点的路径损耗值

(3)继续判断第二点的路径损耗，可知第二点与发射站点之间的剖面高程数据集为

距离数据集为

当s_k-1＝0时，为非视距通信，根据ITUR-P.617建议计算出第二点的路径损耗值

当s_k-1＝1时，为视距通信，根据自由空间传输损耗模型计算出第二点的路径损耗值

(4)重复以上步骤直至将整条链路的路径损耗值计算完成

至此，整条剖面链路与发射站点之间所有的路径损耗值计算完成。

图4是本发明专利中基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测算法示意图，具体包括以下步骤：

(1)以栅格地图左上角(0,Y)作为起始点，计算点(0,Y)与发射站点(x_b,y_b)之间剖面链路所有点的散射通信路径损耗值

(2)按照顺时针的顺序计算上边界第二点(1,Y)与发射站点(x_b,y_b)之间剖面链路所有点的散射通信路径损耗值

(3)以此类推，直至计算完栅格题图上所有点与发射站点散射通信路径损耗值Z，在此基础之上计算，大区域内所有点的通信速率V，以及通信可靠度T。至此，大区域内散射通信效果预测计算完成。

基于上述方法，本发明还公开了一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测系统，包括：

栅格高程数字地图确定模块，用于根据发射站点经纬度确定栅格高程数字地图。

整数点坐标确定模块，用于根据所述栅格高程数字地图确定发射站点的整数点坐标。

起始计算点确定模块，用于确定所述栅格高程数字地图的起始计算点。

剖面坐标集确定模块，用于确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集。

路径损耗值集计算模块，用于根据所述剖面坐标集计算散射通信的路径损耗值集。

更新模块，用于按照边界搜索算法更新所述起始计算点。

跳转模块，用于跳转至剖面坐标集确定模块，直至得到所述栅格高程数字地图的所有坐标点与所述发射站点的整数点坐标之间散射通信的路径损耗值集，即为大区域散射通信路径损耗值。

通信速率集和通信可靠度数据集确定模块，用于根据所述大区域散射通信路径损耗值确定通信速率集和通信可靠度数据集，所述通信速率集和通信可靠度数据集用于表征大区域散射通信效果。

本发明还公开了如下技术效果：

本发明为大区域散射通信覆盖预测提供了快速算法，可以大量减少重复计算过程，提高计算效率，并且在边界搜索的条件下可进行并行计算，为硬件加速提供了计算方案。极大缩短了大区域散射通信覆盖预测的耗时，算法效率高，计算结果准确，为散射站点规划、散射通信机动组网提供辅助决策手段。

另外，本发明在计算边界点与发射站点连线上各坐标点的路径损耗Zⁿ时，可以同时进行多个此类型坐标点集路径损耗值计算，因此就可以通过GPU并行计算加速计算过程。

本发明对链路上坐标点进行视距通信判定时，采用的最近邻可视性分析算法，算法核心在于更换观测点的方式使得大多数链路上的点不用计算斜率，在保证可视性分析准确度的前提下节省了计算时间，链路越长越节省时间。

本发明在链路上的点进行散射通信路径损耗值计算前先进行视距通信判定，能够避免在视距通信条件下默认添加对流层散射损耗，提高了准确性。并且自由空间传输损耗值计算比基于ITUR-P.617建议方法计算散射通信损耗值简单许多，节约了时间。此步骤能够提升链路上的点与发射站点散射通信路径损耗值的准确度和计算效率。

本发明通过边界搜索的方式，避免的大量的重复提取剖面，重复计算散射通信链路中关键参数，保证结果准确的前提下提升了计算效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法，其特征在于，包括：

根据发射站点经纬度确定栅格高程数字地图；

根据所述栅格高程数字地图确定发射站点的整数点坐标；

确定所述栅格高程数字地图的起始计算点；

确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集；

根据所述剖面坐标集计算散射通信的路径损耗值集；

按照边界搜索算法更新所述起始计算点；

跳转至步骤“确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集”，直至得到所述栅格高程数字地图的所有坐标点与所述发射站点的整数点坐标之间散射通信的路径损耗值集，即为大区域散射通信路径损耗值；

根据所述大区域散射通信路径损耗值确定通信速率集和通信可靠度数据集，所述通信速率集和通信可靠度数据集用于表征大区域散射通信效果。

2.根据权利要求1所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法，其特征在于，所述根据所述剖面坐标集确定散射通信的路径损耗值集，具体包括：

根据所述剖面坐标集确定剖面高程数据集和距离集，所述距离集为剖面上的点与所述发射站点的距离集合；

根据所述剖面高程数据集和距离集进行视距通信判定，得到确定视距通信判定数集；

根据所述剖面坐标集和视距通信判定数集测算散射通信的路径损耗值集。

3.根据权利要求2所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法，其特征在于，基于最邻近可视点算法进行视距通信判定，判断是否能够进行视距通信。

4.根据权利要求1所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法，其特征在于，所述边界搜索算法按照顺时针的顺序提取所述栅格高程数字地图的边界点。

5.根据权利要求4所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测方法，其特征在于，在边界搜索算法的条件下，通过GPU并行计算确定所述大区域散射通信路径损耗值。

6.一种基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测系统，其特征在于，包括：

栅格高程数字地图确定模块，用于根据发射站点经纬度确定栅格高程数字地图；

整数点坐标确定模块，用于根据所述栅格高程数字地图确定发射站点的整数点坐标；

起始计算点确定模块，用于确定所述栅格高程数字地图的起始计算点；

剖面坐标集确定模块，用于确定所述起始计算点与所述整数点坐标之间的剖面坐标集；

路径损耗值集计算模块，用于根据所述剖面坐标集计算散射通信的路径损耗值集；

更新模块，用于按照边界搜索算法更新所述起始计算点；

跳转模块，用于跳转至剖面坐标集确定模块，直至得到所述栅格高程数字地图的所有坐标点与所述发射站点的整数点坐标之间散射通信的路径损耗值集，即为大区域散射通信路径损耗值；

通信速率集和通信可靠度数据集确定模块，用于根据所述大区域散射通信路径损耗值确定通信速率集和通信可靠度数据集，所述通信速率集和通信可靠度数据集用于表征大区域散射通信效果。

7.根据权利要求6所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测系统，其特征在于，所述路径损耗值集确定模块具体包括：

剖面高程数据集和距离集确定单元，用于根据所述剖面坐标集确定剖面高程数据集和距离集，所述距离集为剖面上的点与所述发射站点的距离集合；

视距通信判定单元，用于根据所述剖面高程数据集和距离集进行视距通信判定，得到确定视距通信判定数集；

路径损耗值集测算单元，用于根据所述剖面坐标集和视距通信判定数集测算散射通信的路径损耗值集。

8.根据权利要求7所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测系统，其特征在于，所述视距通信判定单元基于最邻近可视点算法进行视距通信判定，判断是否能够进行视距通信。

9.根据权利要求6所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测系统，其特征在于，所述更新模块中所述边界搜索算法按照顺时针的顺序提取所述栅格高程数字地图的边界点。

10.根据权利要求9所述的基于边界搜索的大区域散射通信覆盖预测系统，其特征在于，在边界搜索算法的条件下，通过GPU并行计算确定所述大区域散射通信路径损耗值。

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