專利名稱：基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信技術(shù)領(lǐng)域的電波傳播預(yù)測(cè)方法，具體是一種基于射線跟蹤法的電磁 波傳播預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)下一代移動(dòng)通信技術(shù)研究的深入，如何在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中進(jìn)一步提高頻譜 利用率，為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)成為研究者首要關(guān)心的問題。在構(gòu)建新一代網(wǎng)絡(luò)通信試 驗(yàn)環(huán)境時(shí)，為了減少測(cè)試和組網(wǎng)的盲目性，首先建立電波傳播模型是極其必要的。
電磁波傳播預(yù)測(cè)大多是通過實(shí)地測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)的，實(shí)地測(cè)量需要耗費(fèi)大量的人力、物力 和財(cái)力，而且測(cè)量結(jié)果所估計(jì)的參數(shù)只適用于被測(cè)區(qū)域以及與其結(jié)構(gòu)相近的地區(qū)，實(shí)用范圍 很小，并且測(cè)試結(jié)果受當(dāng)時(shí)測(cè)試條件如空氣濕度和偶然電磁場(chǎng)干擾信號(hào)的影響。
再者，城市環(huán)境，尤其是大城市的城市環(huán)境非常復(fù)雜，包括許多密集建筑、環(huán)形道路、 高速直道、高架路和開闊地等，電磁波的傳播形式多種多樣，有直射、反射、散射、衍射及 透射等。例如金屬玻璃幕墻、江河湖泊、光滑地面或墻面等有可能形成較大的反射。由于大 部分傳播環(huán)境下不存在視距路徑，這就使得電磁波的二階反射波、 一次反射后的一階繞射波以 及一次繞射后的一階反射波在復(fù)雜城市環(huán)境中對(duì)信號(hào)的接收具有較大的貢獻(xiàn)。同時(shí)由于車輛 行駛時(shí)引擎點(diǎn)火產(chǎn)生的電磁波會(huì)帶來很高的噪聲,對(duì)接收信號(hào)造成一定的干擾。所以必須分析 復(fù)雜城市環(huán)境中諸多因素對(duì)鏈路預(yù)測(cè)的影響程度。
通過電磁輻射的分析和計(jì)算，建立電波傳播預(yù)測(cè)的確定性模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)傳播模擬分 析計(jì)算，可有效地彌補(bǔ)實(shí)地測(cè)量耗費(fèi)人力、物力和財(cái)力的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提出一種新型的應(yīng)用在復(fù)雜城市 環(huán)境中的基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法，能在節(jié)省人力、物力的前提下，建立適應(yīng) 性更好的電磁波傳播預(yù)測(cè)模型，為下一代移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)分析和設(shè)計(jì)提供必要的條件。經(jīng)過 理論分析，將電磁波的直射、 一次反射、兩次反射、 一次繞射、 一次反射加一次繞射、 一次 繞射加一次反射及兩次繞射對(duì)信號(hào)的貢獻(xiàn)計(jì)算在內(nèi)，可以精確地計(jì)算接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)從而確定 基站的覆蓋范圍。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本發(fā)明包括射線路徑的査找，反射、繞射射線的計(jì)
算，接收?qǐng)鰪?qiáng)、路徑損耗的計(jì)算。 一般來說，-75dBm (dBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值， 計(jì)算公式為lOlg (功率值/lmw)， lmw即ldBm)的接收電平表示在市區(qū)一般建筑物室
4內(nèi)能夠保證通話，-95dBm的接收電平表示在室外能保證通話，而當(dāng)接收電平低于上述門限時(shí)， 初步可認(rèn)為是信號(hào)盲區(qū)。則根據(jù)接收點(diǎn)的接收?qǐng)鰪?qiáng)就可以估計(jì)基站的覆蓋范圍。
射線路徑的査找基于鏡像法。鏡像法建立在反射定律、折射定律和幾何理論的基礎(chǔ)上,由 幾何光學(xué)可知,反射線可以通過尋找鏡像點(diǎn)的辦法來得到,進(jìn)而確定射線的傳播路徑。
反射、繞射射線的計(jì)算如下
反射場(chǎng)(f)或繞射場(chǎng)(P)基本公式為
<formula>formula see original document page 5</formula>
5'是入射場(chǎng)，i 、 D分別為并矢反射系數(shù)和并矢繞射系數(shù)；A， ^/分別為反射波的傳播
因子和繞射波的傳播因子；^為源點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離；A是波數(shù)。
<formula>formula see original document page 5</formula>
兄和i 工分別是對(duì)水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)，s = &-j'60o";i， Sf是相對(duì)介電常數(shù)，
CT是電導(dǎo)率，義是射線波長。5， 7分別表示反射界面法線方向和入射線方向的單位矢量，
(5，3表示5， 7之間的內(nèi)積。
<formula>formula see original document page 5</formula>
A和Z^是對(duì)水平極化波和垂直極化波的繞射系數(shù)，0，,分別是入射角和繞射角，式中F0c)
包含一個(gè)菲涅爾積分 ) = 2cos2[-J "]
是最接近于下面四個(gè)方程的整數(shù)
= ^Z￡， p是繞射劈的角度。
￡=_^sin2々。，是距離因子，a是入射線和繞射邊的夾角。a十是繞射劈切表面的垂直極化
或平行極化的反射系數(shù)，i^是法表面的垂直極化或平行極化的反射系數(shù)。
在實(shí)際運(yùn)用中，由于環(huán)境非常復(fù)雜，絕大多數(shù)射線在到達(dá)接收點(diǎn)之前，要經(jīng)過多次反射 和繞射。當(dāng)在射線傳播路徑上遇到反射或繞射時(shí)，需要將電場(chǎng)分解成兩個(gè)分量，這兩個(gè)分量
分別為平行和垂直于入射平面，然后求出反射波(繞射波)。射線到達(dá)場(chǎng)點(diǎn)時(shí)，其電場(chǎng)大小為
五(及)=五(w. n & n k e, (3)
式中，P(力為初始電場(chǎng)矢量，及m為反射方陣，Dn為繞射方陣，A為射線在整個(gè)傳播路徑上的 擴(kuò)散系數(shù)，d為射線經(jīng)過路徑總長度。最后，假設(shè)共有"條射線到達(dá)了接收機(jī)且第/條到達(dá)的 射線電場(chǎng)矢量為&，將所有達(dá)到場(chǎng)點(diǎn)的射線的電場(chǎng)矢量疊加，即求得場(chǎng)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)A。taW
五詢,=￡盡 (4)
求得場(chǎng)點(diǎn)后，即可求的從源點(diǎn)到接收點(diǎn)的路徑損耗i:為
Z = 201g
義五,。,。'
械0
(5)
五c是發(fā)射機(jī)輻射初始場(chǎng)強(qiáng)，X為工作波長。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法，其特征在于操作步驟為:
(a) 采集地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息；
(b) 設(shè)置發(fā)射源以及場(chǎng)點(diǎn)的參數(shù)； (C)射線路徑的査找；
(d)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)以及路徑損耗的計(jì)算。 上述步驟(a)的確定地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息的具體步驟為
6a) 確定建筑物的分布和形狀；
b) 設(shè)置建筑物的特征，它包括設(shè)置建筑物墻面/地面的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。 上述步驟(b)的確定地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息的具體步驟為
a) 設(shè)置發(fā)射源的參數(shù)，它包括發(fā)射天線的位置、極化方式、輻射功率、增益以及高度的設(shè) 置；
b) 設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)的參數(shù)。 上述步驟(c)射線路徑的查找之具體步驟為
a) 反射射線的査找反射線通過尋找鏡像點(diǎn)的辦法來得到,進(jìn)而確定射線的傳播路徑；同時(shí) 源像點(diǎn)對(duì)反射面產(chǎn)生鏡像點(diǎn)，而這些鏡像點(diǎn)作為二次源，又對(duì)諸反射面產(chǎn)生新的鏡像點(diǎn),而 這些新的鏡像點(diǎn)又產(chǎn)生新的鏡像點(diǎn),如此繼續(xù)下去；
b) 繞射射線的査找當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線傳輸被表面銳利的物體阻擋時(shí)，發(fā)生繞 射，此時(shí)二次波分布于整個(gè)空間甚至繞射到物體的背面；
根據(jù)以上說明，如果射線經(jīng)過二次及以上次反射、繞射才能到達(dá)接收點(diǎn)，重復(fù)以上過程來 最終找到射線的路徑；這里只考慮直射線、反射和繞射射線的貢獻(xiàn)。 上述步驟(d)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)以及路徑損耗的計(jì)算之步驟為
在找到對(duì)接收信號(hào)有貢獻(xiàn)的所有射線以后，進(jìn)行以下計(jì)算
a) 計(jì)算反射、繞射射線的場(chǎng)強(qiáng)；
反射場(chǎng)F或繞射場(chǎng)W的基本公式為
F^五'x^xi xe—力 (1)
￡rf 二五'x^/xZ)xe—內(nèi) (2)
式中五i是入射場(chǎng)，及、"分別為并矢反射系數(shù)、繞射系數(shù)；A, ^/分別為反射波的傳播 因子和繞射波的傳播因子；s為源點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離；A是波數(shù)。 經(jīng)過多次反射和繞射到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)其電場(chǎng)大小五f^為
5(及H五'w.n^n""'(e, (3)
附 rt
式中，五'W為初始電場(chǎng)矢量，i m為反射方陣，Z^為繞射方陣，A為射線在整個(gè)傳播路徑上 的擴(kuò)散系數(shù)，d為射線經(jīng)過路徑總長度；
b) 進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)疊加；假設(shè)共有"條射線到達(dá)了接收機(jī)且第z'條到達(dá)的射線電場(chǎng)矢量為&，將所有 達(dá)到場(chǎng)點(diǎn)的射線的電場(chǎng)矢量疊加，即求得場(chǎng)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)五t。tai : ￡,。,。,=^￡,;C)計(jì)算路徑損耗Z: ￡ = 201g^2L械。
式中&是發(fā)射機(jī)輻射初始場(chǎng)強(qiáng)，X為工作波長。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明首 先確定一個(gè)發(fā)射源的位置，根據(jù)3D地圖上的建筑物特征和分布找出發(fā)射源到測(cè)試點(diǎn)光線的所 有傳播路徑，然后根據(jù)菲涅爾等式和幾何繞射理論/一致性繞射理論等確定發(fā)射和繞射損耗 等，這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。本發(fā)明的優(yōu)越性在于與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型相 比，有更好的適應(yīng)性。本發(fā)明可用于無線通信系統(tǒng)的電波傳播預(yù)測(cè)中，適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、 設(shè)計(jì)的要求。


圖1是本發(fā)明基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法的流程圖。
圖2某城市街道的俯視圖。 圖3是發(fā)射源到某接收點(diǎn)光線的所有傳播路徑。 圖4是在二維平面中尋找射線路徑示意圖。 圖5是測(cè)試區(qū)域各個(gè)接收點(diǎn)處的路徑損耗。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述 的實(shí)施例。
參照?qǐng)D1，本基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法的操作步驟為
(a) 確定地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息；
(b) 設(shè)置發(fā)射源以及場(chǎng)點(diǎn)的參數(shù)； (C)射線路徑的査找；
(d)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)以及路徑損耗的計(jì)算。 首先設(shè)置建筑物參數(shù)，其中建筑物的分布和特征如圖2所示。建筑物的具體參數(shù)如下 地面相對(duì)介電常數(shù)^=15，電導(dǎo)率o^7S/m，墻面相對(duì)介電常數(shù)^=3，電導(dǎo)率o^0.005S/m。
其次設(shè)置發(fā)射源和場(chǎng)點(diǎn)，在圖2中發(fā)射天線放置在T處，高9m,輻射功率為20dBm;接 收天線從Ro向R'移動(dòng)，高度為1.5m。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需要，收發(fā)天線的參數(shù)設(shè)置如下全 向型天線，垂直極化，工作在3.5GHz頻段，增益為10.5dBi。
8接下來根據(jù)3D地圖上的建筑物特征和分布找出發(fā)射源到每個(gè)接收位置(測(cè)試點(diǎn))光線 的所有傳播路徑，如圖4所示，即發(fā)射天線到某接收點(diǎn)電磁波的所有傳播路徑。
反射線可以通過尋找鏡像點(diǎn)的辦法來得到,進(jìn)而確定射線的傳播路徑。按一般的鏡像法所 述，源像點(diǎn)對(duì)反射面產(chǎn)生鏡像點(diǎn),而這些鏡像點(diǎn)又對(duì)諸反射面產(chǎn)生新的鏡像點(diǎn),而這些新的鏡像 點(diǎn)又可以產(chǎn)生新的鏡像點(diǎn),如此繼續(xù)下去。而當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線傳輸被表面銳利的 物體阻擋時(shí)，發(fā)生繞射，此時(shí)二次波分布于整個(gè)空間甚至繞射到物體的背面。在二維平面中
射線路徑的尋找如圖3所示。
然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論/一致性繞射理論(GTD/UTD)等來確定反射和繞射 損耗等，這里分別利用上述式(l)、 (2)計(jì)算反射和繞射射線的場(chǎng)強(qiáng)，經(jīng)過多次反射、繞射后的 射線場(chǎng)強(qiáng)可以利用上述式(3)計(jì)算求得，從而得到每條路經(jīng)到達(dá)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，將同一測(cè) 試點(diǎn)處到達(dá)的所有路徑的場(chǎng)強(qiáng)做相干疊加，得到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)處總的接收?qǐng)鰪?qiáng)，具體計(jì)算式如 上述式(4)。利用上述式(5)可得每個(gè)接收點(diǎn)處的路徑損耗。將該基于射線跟蹤法的電磁波傳播 預(yù)測(cè)方法應(yīng)用在某城市街道的城市環(huán)境中，可得到如圖5所示的接收信號(hào)路徑損耗示意圖。
9
權(quán)利要求
1.一種基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法，其特征在于操作步驟為(a)采集地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息；(b)設(shè)置發(fā)射源以及場(chǎng)點(diǎn)的參數(shù)；(c)射線路徑的查找；(d)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)以及路徑損耗的計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(a)確定地理環(huán)境數(shù)據(jù)信息的具體步驟為a) 確定建筑物的分布和形狀；b) 設(shè)置建筑物的特征，它包括設(shè)置建筑物墻面/地面的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(b) 設(shè)置發(fā)射源以及場(chǎng)點(diǎn)的參數(shù)之具體步驟為a) 設(shè)置發(fā)射源的參數(shù)，它包括發(fā)射天線的位置、極化方式、輻射功率、增益以及 高度的設(shè)置；b) 設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)的參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(c) 射線路徑的査找之具體步驟為a) 反射射線的查找反射線通過尋找鏡像點(diǎn)的辦法來得到,進(jìn)而確定射線的傳播路 徑；同時(shí)源像點(diǎn)對(duì)反射面產(chǎn)生鏡像點(diǎn),而這些鏡像點(diǎn)作為二次源，又對(duì)諸反射面產(chǎn) 生新的鏡像點(diǎn),而這些新的鏡像點(diǎn)又產(chǎn)生新的鏡像點(diǎn),如此繼續(xù)下去；b) 繞射射線的查找當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線傳輸被表面銳利的物體阻擋時(shí)， 發(fā)生繞射，此時(shí)二次波分布于整個(gè)空間甚至繞射到物體的背面；根據(jù)以上說明，如果射線經(jīng)過二次及以上次反射、繞射才能到達(dá)接收點(diǎn)，重復(fù)以上過程 來最終找到射線的路徑；這里只考慮直射線、反射和繞射射線的貢獻(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(d)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)以及路徑損耗的計(jì)算之步驟為-在找到對(duì)接收信號(hào)有貢獻(xiàn)的所有射線以后，進(jìn)行以下計(jì)算 a)計(jì)算反射、繞射射線的場(chǎng)強(qiáng)；反射場(chǎng)^或繞射場(chǎng)W的基本公式為五r^五'xv^xi xe—>4 (1)<formula>formula see original document page 3</formula>入射場(chǎng)，i 、 D分別為并矢反射系數(shù)、繞射系數(shù)；A, ^rf分別為反射波的傳播因 子和繞射波的傳播因子；s為源點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離；A是波數(shù)。經(jīng)過多次反射和繞射到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)其電場(chǎng)大小五fi )為-<formula>formula see original document page 3</formula>為初始電場(chǎng)矢量，i m為反射方陣，Z)n為繞射方陣，A為射線在整個(gè)傳播路徑上的 擴(kuò)散系數(shù)，d為射線經(jīng)過路徑總長度；b)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)疊加；假設(shè)共有"條射線到達(dá)了接收機(jī)且第Z'條到達(dá)的射線電場(chǎng)矢量為 ￡,，將所有達(dá)到場(chǎng)點(diǎn)的射線的電場(chǎng)矢量疊加，即求得場(chǎng)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)五t。m！ : <formula>formula see original document page 3</formula>c)計(jì)算路徑損耗丄<formula>formula see original document page 3</formula>式中A是發(fā)射機(jī)輻射初始場(chǎng)強(qiáng)，A為工作波長-
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于射線跟蹤法的電磁波傳播預(yù)測(cè)方法。本方法包括射線路徑的查找，反射、繞射射線的計(jì)算，接收?qǐng)鰪?qiáng)、路徑損耗的計(jì)算。其構(gòu)思是首先確定一個(gè)發(fā)射源的位置，根據(jù)3D地圖上的建筑物特征和分布找出發(fā)射源到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)光線的所有傳播路徑，然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論/一致性繞射理論等確定反射和繞射損耗等，這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，將同一測(cè)試點(diǎn)處到達(dá)的所有路徑的場(chǎng)強(qiáng)做相干疊加，得到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)處總的接收?qǐng)鰪?qiáng)。本發(fā)明的優(yōu)越性在于與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型相比，有更好的適應(yīng)性。本發(fā)明可用于無線通信系統(tǒng)的電波傳播預(yù)測(cè)中，適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)的要求。
文檔編號(hào)G01R29/08GK101592690SQ20091005057
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者軍 嚴(yán), 娟 張, 李國輝, 王志彬, 王慧娜 申請(qǐng)人:上海大學(xué)