CN116347462A - 一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法 - Google Patents

一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法 Download PDF

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黄铭
张晋笙
陈德章
冯云
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张斌
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Abstract

本发明公开了一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法，首先以发射源位置TX为参考，以各个接收区域与TX之间相隔几堵墙为条件将整个室内区域进行分区；其次，基于仿真获得待构建无线电波传播模型室内场景的路径损耗分布，并根据分区情况对路径损耗仿真值进行划分；最后，对各个区域中的路径损耗分布数据，采用本发明提出的包含方位角φ和传播距离d的对数路径损耗模型进行拟合。通对要进行电波传播模型构建的室内区域，以与发射源相隔几堵墙为条件进行分区，采用提出的包含了方位角φ和传播距离d的对数路径损耗模型对各个区域仿真场强值进行拟合，能够大大降低预测值与真实值之间的误差，提高复杂室内环境下的预测精度。

Description

一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法
技术领域
本发明涉及无线电传播覆盖预测领域，特别涉及一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法。
背景技术
无线通信作为5G时代最基本的通信技术，其数据信息主要是以无线电波为载体的形式在无线信道中来进行传输的。因此，对信道建模以预测电波传播特性是构建无线通信的基础。但由于无线信道所在的环境复杂多变，导致电波会以不同的传输形式到达接收点，从而使接收信号与发射信号并不相同。只有精确预测无线信号的传播特性，才能为无线网络的设计、部署等提供合理的策略。目前，无线信道的建模方法主要可以分为三种。即基于信道测量的统计性建模方法；利用传播环境与电磁波传播理论来分析并预测的确定性建模方法；以及介于上述两种方案，融合其优点，降低复杂度的半确定性建模方法。一般主流的建模方法为半确定和确定性的建模方法，此类方法是通过了解详细的信道环境信息，如地理特征、建筑结构、收发设备位置和材料特性等，对数据进行拟合建模的方式。相比于统计性建模方法，此方法省去了大量的实测工作，仅通过传播环境，实现对大范围内下的传播特性进行预测。
然而在室内环境下，构建能适用于复杂场景的电波传播模型是比较困难的。传统上，室内电波模型的构建主要采用的是对数距离路径损耗(Path Loss)模型，它是通过构建发射源(TX)与接收源(RX)之间关于对数缩放距离的一维函数，来反映收发设备之间电波传播特性的一种电波传播模型。此类模型在无障碍物遮挡或空间建筑结构简单的空间环境中，其预测精准度尚好，但随着环境的复杂模型会变得难以精确预测。由于在环境复杂后，无线信道所处的环境复杂多变，导致了电波在复杂环境下不同区域中的传输方式不同。RX的接收信号情况往往会受制于室内建筑环境的影响。例如，在距离固定点TX相同距离的不同RX处的路径损耗被认为是相同的，但在实际情况中，会因为室内建筑结构不同，导致相同距离的不同RX处的路径损耗完全不同。故传统上的一维对数距离路径损耗模型并不能对室内空间环境下的无线电波传播特性进行很好的预测。因此，如何构建一个能适用于室内复杂环境下的无线电波传播模型成为一个值得研究的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法，具体包括以下步骤：
S1、对要进行电波传播模型构建的室内区域进行分区：设置一个发射点TX，以待构建电波传播模型的各个接收区域与发射点相隔几堵墙为条件进行分区，即相隔相同数量墙体的区域，则划分为同一区域；
S2、基于仿真获得待构建电波传播模型室内场景的路径损耗分布，并根据步骤S1中的区域分区情况对各分区中的路径损耗仿真值进行划分；
S3、对各个划分区域中的路径损耗，采用提出的包含方位角
Figure BDA0004112330540000023
和传播距离d的改进的对数路径损耗模型进行拟合，获得各个区域中使预测值与仿真值误差最小的拟合参数，从而得到适合各个区域的电波传播模型。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤S3当中，包含方位角
Figure BDA0004112330540000024
和传播距离d的改进的对数路径损耗模型为：公式1
Figure BDA0004112330540000021
其中，d为场强接收点RX与发射点TX之间的距离；
Figure BDA0004112330540000022
为以发射点为极坐标原点时，接收点对应的逆时针方向旋转角度；/>
Figure BDA0004112330540000031
表示RX与TX之间距离为d时和角度为/>
Figure BDA0004112330540000032
情况下的路径损耗；d0表示参考距离，一般取值为1米；/>
Figure BDA0004112330540000033
表示参考距离d0时的参考路径损耗值；/>
Figure BDA0004112330540000034
表示路径损耗指数；/>
Figure BDA0004112330540000035
表示阴影衰落；Xσ遵循均值为0，标准偏差为σ的高斯分布，通常情况下，考虑环境因素，σ的取值一般在3.0—14.1dB之间；参数Xσ的取值方式为：在各分区条件下，随机生成的一个满足均值为0标准差为3的高斯分布的数值，随机生成10000次后取平均得到；参数n的取值方式为：通过每次随机生成的Xδ来确定此次的n值，这样10000次后取平均得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提出了包含方位角
Figure BDA0004112330540000036
和传播距离d为参数的对数路径损耗模型，根据墙体阻挡的不同将室内研究区域划分为几个区域，通过分析各区域与固定TX坐标之间的方位角角度变化情况，以及该区域内最小接收点与最大接收点的传播距离，对各区域进行单独拟合，获得不同区域下的拟合模型；能更加精准的预测室内各情况的无线电传播特性，在相同距离的不同RX处的预测值与实际值的均方根误差始终保持在较低的值，可以对复杂的室内环境实现更精准的分析。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是实施例1的室内区域划分示意图；
图2是实施例1的各区域内RX的欧式距离与路径损耗关系图；
图3是实施例1的TX1情况下各区域的拟合曲线；
图4是实施例1的对所有区域数据拟合的结果图；
图5是实施例1的仿真路径损耗图与模型预测路径损耗图；
图6是实施例1的TX1情况下各模型的RMSE图；
图7是实施例2的发射源TX2在房间内时，各区域内RX的欧式距离与路径损耗关系图；
图8是实施例2的TX2情况下各模型的RMSE。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-6所示，本发明提供一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法，具体为：为要进行电波传播模型构建的室内区域划分图，包括两个场景，(a)为发射源在走道上的场景；(b)为发射源在房间内的场景，如图1所示。
以走道上的一点为发射点，标注为TX1；以TX1为极坐标原点，按逆时针方向进行旋转，以穿墙数量为条件，对各个房间进行区域划分，一共划分为六个区域，如图所示，分别用P1、P2、P3、P4、P5.1、P5.2表示。P1区域的RX与TX1之间无墙体遮挡；P2区域的RX与TX1之间有一堵墙体遮挡；在P3区域，大部分RX与TX1之间有两堵墙体遮挡；在P4区域，绝大部分RX与TX1之间有三堵墙体遮挡；在P5.1区域，大部分RX与TX1之间有三堵墙体遮挡，极少部分只有两堵墙体遮挡，并且RX并伴有多径传播影响；在P5.2区域，大部分RX与TX1之间有四堵墙体遮挡，极少部分有三堵墙体或两堵墙体遮挡，并伴有多径传播影响。黑色方框表示接收点RX，它是大小为0.1m×0.1m的方格，均匀分布于整个仿真区域。
采用电磁场仿真软件Altair WinProp进行电波传播仿真，空气的相对介电常数为1，混凝土、木材、玻璃分别设置为6.8、2.5和3.75。仿真得到各个区域内接收点RX与发射点TX1之间的距离和路径损耗的关系如图2所示。
对各个分区，采用提出的路径损耗模型对仿真数据进行拟合，拟合时考虑了各区域的
Figure BDA0004112330540000052
值范围和d值范围。对于P1区域，相对于TX1，其传播方位角为176.2°～185.6°、354.9°～3.4°，传播距离为0m～9m；在P2区域，传播方位角为6.8°～176.2°、191°～349.7°，传播距离为1m～11m；在P3区域，传播方位角为3.4°～49.79°、313.09°～353.2°，传播距离为7m～12m；在P4区域，传播方位角为324.8°～354.9°，传播距离为10m～12m；在P5.1区域，方位角为3.4°～25.9°，传播距离为12m～13m；在P5.2区域，传播方位角为332.13°～354.9°，传播距离为12m～13m。
拟合曲线如图3所示，图4为对所有点进行拟合，不分区的效果，对比可以看出，通过分区后对各区域进行单独拟合构建的模型能更精确的预测该区域内的传播特性。
对各区域拟合得到的系数和公式见表1所示。从表1可以看出，对不同区域进行无线电波传播模型的拟合时，区别最大的参数是n。在不进行分区的情况下，总体的参数n的取值范围为3.0左右；分区后，在P1～P4区域内，参数n的取值分别为1.5、2.7、3.6和4.5左右；在P5.1和P5.2区域内，n分别为4.3和5.1左右。由此可见，在不分区的情况下，拟合公式的得到的预测值并不能很好预测各区的真实情况。由于各区域是依照与TX1之间存在的墙体数量来进行区分的，因此，结合表1可以看出，在室内无遮挡情况下，路径损耗传播模型的参数n取值为1.5左右，每多一堵墙体遮挡，n的取值会增加0.9～1。由此可见，基于分区后的模型，可直接根据模型公式中n的取值情况来估计分析接收区域与TX1之间存在几堵墙体。
表1 TX1情况下各区域的无线电波传播模型
Figure BDA0004112330540000051
Figure BDA0004112330540000061
根据以上得到的传播模型，对研究范围内各区域进行接收场强预测，得到如图5(b)所示的传播路径损耗热力图，与仿真得到的传播路径损耗热力图图5(a)比较，在P1区域无遮挡情况下，其预测结果与真实结果几乎一致，说明在该情况下的预测较精准；对于P2区域，在距离发射源较近的范围内，仿真得到的场强分布更为清晰，而模型预测的结果则是根据电波传播公式中角度和半径的关系，对该半径内场强值计算求平均得到的，故没有仿真效果的清晰，但通过模型预测出的情况依然能够反映该条件下的传播特性。同理，在P3、P4、P5.1、P5.2区域，提出的模型都能较为准确的预测出相应的传播特性。通过预测的模型对整个研究区域进行观察，能清晰看出各个分区内的场强分布存在明显差异，是符合预期效果的。
为了验证模型的可靠性，以传播模型分别对传播半径为1m、3m、5m、7m、9m、11m、13m处的路径损耗值进行预测，预测情况分为不分区条件下的预测值和分区后各区域内的预测值。预测值为表1中各公式在各选定传播半径下计算的PL值，为得到较为准确的预测效果，各PL值为公式计算10000次后的均值。各情况下的模型预测值与真实值的均方根误差(RMSE)如图6所示。可看出，未分区情况下，RMSE的取值随着传播距离的增大而不断变大，而通过分区后传播模型的RMSE保持在0～2dB较低的范围内；在12m的传播距离下，分区后的RMSE比未分区情况下大约低11.5dB，分区后预测值明显好于未分区的情况。这说明了分区后模型的预测能力更佳，更能代表指定区域的无线电波传播情况。
实施例2
如图7-8所示，本发明提供一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法，具体为：对于图1(b)所示发射源(TX2)在房间内部的情况：以TX2为极坐标原点，按逆时针方向进行旋转，以穿墙数量为条件，对各个房间进行区域划分，一共划分为P1、P2、P3、P4、P5、P6六个区域。
采用电磁场仿真软件Altair WinProp进行电波传播仿真，空气的相对介电常数为1，混凝土、木材、玻璃分别设置为6.8、2.5和3.75。仿真得到各个区域内接收点RX与发射点TX2之间的距离和路径损耗的关系如图7所示。
对于P1区域，相对于TX2的传播方位角为180°～360°，传播距离为1m～7m；对于P2区域，传播方位角为180°～360°，传播距离为5m～11m；对于P3区域，传播方位角为202.4°～360°，传播距离为7m～8m；对于P4区域，传播方位角210.5°～240.9°、299.6°～345°，传播距离为11m～18m；对于P5区域，传播方位角为317.5°～335.5°，传播距离为15m～18m；对于P6区域，传播方位角为323.9°～339.3°，传播距离为15m～18m。基于公式(1)对各区域进行拟合得到的传播模型见表2所示。
表2TX2情况下各区域的无线电波传播模型
Figure BDA0004112330540000071
为了验证模型的可靠性，以传播模型分别对传播半径为1m、3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m、19m、21m处的路径损耗值进行预测，预测情况分为不分区条件下的预测值和分区后各区域内的预测值的RMSE，如图8所示。可以看出，区拟合模型与整体拟合模型相比，预测值始终保持在相对较小的RMSE之内，表明了分区后的预测精度更高。
由此可见，本发明提出的基于分区思想的无线电波传播模型是具有可泛化性的。经过分区和采用所提出的包含方位角
Figure BDA0004112330540000081
和传播距离d的改进的对数路径损耗模型进行拟合后，能够大大降低预测值与真实值之间的误差，提高复杂室内环境下的无线电波的预测精度，相比于传统仅考虑传播距离的无线电波传播模型，该方法得到的传播模型能更清晰的分析室内建筑情况及无线电波传播情况。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、对要进行电波传播模型构建的室内区域进行分区：设置一个发射点TX，以待构建电波传播模型的各个接收区域与发射点相隔几堵墙为条件进行分区，即相隔相同数量墙体的区域，则划分为同一区域；
S2、基于仿真获得待构建电波传播模型室内场景的路径损耗分布，并根据步骤S1中的区域分区情况对各分区中的路径损耗仿真值进行划分；
S3、对各个划分区域中的路径损耗，采用提出的包含方位角
Figure FDA0004112330530000018
和传播距离d的改进的对数路径损耗模型进行拟合，获得各个区域中使预测值与仿真值误差最小的拟合参数，从而得到适合各个区域的电波传播模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法，其特征在于，在步骤S3当中，包含方位角
Figure FDA0004112330530000011
和传播距离d的改进的对数路径损耗模型为：公式1
Figure FDA0004112330530000012
其中，d为场强接收点RX与发射点TX之间的距离；
Figure FDA0004112330530000019
为以发射点为极坐标原点时，接收点对应的逆时针方向旋转角度；/>
Figure FDA0004112330530000013
表示RX与TX之间距离为d时和角度为/>
Figure FDA0004112330530000014
情况下的路径损耗；d0表示参考距离；/>
Figure FDA0004112330530000015
表示参考距离d0时的参考路径损耗值；/>
Figure FDA0004112330530000016
表示路径损耗指数；/>
Figure FDA0004112330530000017
表示阴影衰落；Xσ遵循均值为0，标准偏差为σ的高斯分布。
3.根据权利要求2所述的一种基于室内传播环境特征的无线电传播模型构建方法，其特征在于，参数Xσ的取值方式为：在各分区条件下，随机生成的一个满足均值为0标准差为3的高斯分布的数值，随机生成10000次后取平均得到；参数n的取值方式为：通过每次随机生成的Xδ来确定此次的n值，这样10000次后取平均得到。
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