（电磁场与微波技术专业论文）室内场强分布的高效预测分析方法.pdf

南京邮电大学硕：仁学位论文 摘要 摘要 射线跟踪是一种被广泛应用于移动通信和个人通信环境( 室外宏蜂窝、街道微蜂窝和 室内微蜂窝) 中预测无线电波传播特性的技术，它适用于预测场强分布及研究室内无线信 道的特征，能够提供精确度较高的预测结果。入射反弹射线镜像法( s b r i m a g e ) 作为射 线跟踪法当中的一种，由于其自身的优点而被广泛应用。但是传统的s b r i m a g e 法也存在 着一些不足，本文主要针对当中较为突出的不足之处，在基本理论分析的基础上深入研究， 提出了关于反射极化及射线管分裂这两方面的改进方法，得到一种j 下确而有效的室内场强 分布预测分析方法。 论文的主要内容及所作的贡献如下： ( 1 ) 论述采用室内微蜂窝系统传播预测模型的必要性，并阐述现行的几种室内传播预测 模型。 ( 2 ) 对传统s b r i m a g e 法进行深入的研究，对其基本理论及具体实现方法进行详细探讨 与论述，指出传统方法中的优缺点。其中重点讨论射线跟踪当中反射射线的极化问题，提 出任意多次反射射线极化的处理及实现方式，从而解决传统方法中简化甚至忽略反射极化 问题的严重不足。 ( 3 ) 在前面内容的基础上提出基于传统s b p u i m a g e 的确定性射线管分裂的改进方法，以 此来解决传统s b r i m a g e 法中射线管分裂不完善的地方。这种改进主要用于入射射线管与 物体表面相交后反射射线管的分裂处理，通过它可以建立完整的射线管跟踪树，从而实现 在保证计算效率的同时有效地提高预测精度。 ( 4 ) 利用m a t l a b 仿真软件对上述两种改进后的s b r i m a g e 方法加以编程实现，结合相 关文献对特定的室内视距环境进行仿真及数据分析，证明这种改进方法的f 确性、高效性 与优越性。 关键词：入射反弹射线镜像法( s b r i m a g e ) ，场强预测，射线跟踪，传播模 型 南京邮电人学硕二l ：学位论文英义摘舞 a b s t r a c t r a yt r a c i n gi sam e t h o dt op r e d i c tt h ep r o p a g a t i o np e r f o r m a n c eo fr a d i ow a v e i ti sw i d e l y u s e di nm o b i l ea n di n d i v i d u a ic o m m u n i c a t i o nc i r c u m s t a n c es u c ha sm a c r o c e l l u a ra n dm i c r o c e l 1 u a ro fs t r e e ta n di n d o o r i ti ss u i t a b l ef o rp r e d i c t i n gt h ef i e l ds t r e n g t hd i s t r i b u t i o na n dr e s e a r c h i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fi n d o o rr a d i oc h a n n e l ，a n di tc a np r o v i d eh i g ha c c u r a t er e s u l t s a sam e t h o d o fr a yt r a c i n g ，s b r i m a g eh a sb e e nw i d e l yu s e df o ri t ss e l f - m e r i t h o w e v e r , t r a d i t i o n a lm e t h o d s o fs b r i m a g es t i l lh a v es o m el i m i t a t i o n s b yf o c u s i n go nt h e s el i m i t a t i o n s ，a n db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s e s ，t w oi m p r o v e m e n t sa b o u tr e f l e c t e dp o l a r i z a t i o na n ds p l i to fr a yt u b e sa r ep r o p o s e d t os o l v et h eo u t s t a n d i n gp r o b l e m so ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d b yt h i sw a y , w ec a nc o n c l u d ea l le f - f e c t i v em e t h o df o ri n d o o rf i e l ds t r e n g t hd i s t r i b u t i o n t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ra n dc o n t r i b u t i o na lea sf o l l o w s ： ( 1 ) i l l u m i n a t et h en e c e s s i t yo fu s i n gp r o p a g a t i o np r e d i c t i o nm o d e l sf o ri n d o o rm i c r o c e l l u a r e n v i r o n m e n t a n dt h e ni n t r o d u c es e v e r a la c t u a lm e t h o d s ( 2 ) d e e p l yp r o b ei n t ot h et r a d i t i o n a ls b l u i m a g em e t h o d s d or e s e a r c h e so ni t sb a s i ct h e o r y a n dr e a l i z a t i o n s ，a n dp o i n to u ti t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n dm a i n l yd i s c u s st h ep r o c e s s i n ga n dr e a l i z a t i o no fr a n d o mm u l t i r e f l e c t i o np o l a r i z a t i o ni nr a yt r a c i n g ，h e n c es o l v e dt h e p r o b l e mo fs i m p l i f i c a t i o ne v e nn e g l e c t i n gp o l a r i z a t i o ni nt r a d i t i o n a lm e t h o d s ( 3 ) b a s e do nt h ef o r m e rc o n t e n t ，a l li m p r o v e dm e t h o d ，d e t e r m i n a t e ds p l i to fr a yt u b e s ，i sp u t f o r w a r do nt h eb a s i so fs b r i m a g em e t h o d s i ti sm o s t l yu s e dt op r o c e s st h es p l i to fr e f l e c t e dr a y t u b e sw h i c hi st h ei n t e r s e c t i o no ft h ei n c i d e n tr a yt u b e sa n dt h es u r f a c eo fo b je c t s t h ea c c u r a c y o f p r e d i c t i o ni se f f e c t i v e l yi m p r o v e db yt h i sw a y ( 4 ) t h ei m p r o v e dm e t h o di ss i m u l a t e db ym a t l a b t h er e s u l t sm a k ei tc l e a rt h a tt h ei m p r o v e dm e t h o di sc o r r e c ta n di t sp e r f o r m a n c ei sp r i o rt ot h ef o r m e rm e t h o dp r e s e n t e di nt h e g i v e nr e f e r e n c e k e yw o r d s ：s h o o t i n g a n d b o u n c i n gr a y ( s b r i m a g e ) ，f i e l ds t r e n g t hp r e d i c - t i o n ，r a yt r a c i n g ，p r o p a g a t i o nm o d e l i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：强2 蕴1日期：塑z ：望：1 9 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：落一边一导师签名：弛吼坦z ：垒乡 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蜂窝移动通信系统 近年来无线通信领域得到了巨大的发展，个人移动通信作为无线通信领域中的重要组 成部分受到了前所未有的关注。个人移动通信的一个主要特征是大规模的覆盖，这意味着 系统要有足够大的容量以及良好的无线覆盖来支持几乎随处都可能发生的业务接入，以实 现“任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换”。 为了达到这一目的，从频率复用的角度出发，将整个服务区划分为若干个半径在2 2 0 k i n 的小区域，在每个区域内架设基站，负责该小区内移动用户的无线通信。这种方法 称为小区制，小区制的特点是：( 1 ) 提高频率利用率。这是因为小区制可以实现频率的复用， 增加了单位面积上可供使用的信道数，提高了服务区的容量密度。( 2 ) 具有灵活的组网方式。 随着用户数的不断增长，每个服务区还可以继续划分成更小的小区，以适应用户数增长的 实际需要。 现行的移动通信系统采用蜂窝小区的方式来实现无线覆盖。而蜂窝小区结构主要分为 以下几种：传统的宏蜂窝( m a c r o c e l l ) 移动通信系统用于大面积的无线覆盖，在该系统中 大蜂窝小区半径在3 1 5 k m 之间，小蜂窝小区半径则在l - - 一3 k m 之间，基站天线的高度在 5 0 m 左右，但也有采用低基站天线的情况；微蜂窝( m i c r o c e l l ) 移动通信系统则用以对特 定区域作小范围的无线覆盖，采用低成本且结构紧凑的基站，基站高度低于屋顶高度，小 区半径在0 1 - - l k m 左右，适用于高业务密度低移动性的室外工作环境：微微蜂窝( p i c o c e l l ) 移动通信系统则广泛应用于室内无线覆盖，小区半径为l o o m 左右，适用于高业务密度低 移动性的室内工作环境。 随着个人移动通信的迅猛发展，用户数量急剧增加，城市高层建筑越来越多，话务密 度和覆盖要求也不断上升，随之而来的是对移动通信系统容量及信号覆盖的要求越来越 高。而微蜂窝系统，特别是室内覆盖系统较好地解决了公共移动通信系统中的容量覆盖及 无线覆盖问题，从整体上提高公共移动通信网络的服务水平，因而在近年来得到了快速发 展。 1 2 论文背景介绍 我国移动通信事业经过了十几年的发展，特别是近几年移动用户数量逐年迅速增加， 许多大、中城市移动通信通信网络的室外覆盖已达到相当高的规模。城市中诸如商业区之 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 类通信的区域，原有室外宏蜂窝容量已趋于饱和，无法满足室内用户的需要，因此采用室 内微蜂窝技术来进行室内覆盖已经成为移动通信无线网络规划与优化的重点。 无线通信系统的性能主要受无线信道的制约。室内环境下，电波传播几乎不受气候因 素影响，但是受到建筑物尺寸、形状、结构和房间布局的影响，人员的活动也对电波产生 影响，其中最重要的是建筑物几何结构及建筑材料的影响。在室内环境下由于墙壁、门窗、 家具和其他物体的存在，发射信号通过直射、反射、透射和绕射等多种路径到达接收机， 这也使室内无线传播信道更为复杂。随着无线通信技术的飞速发展，许多无线通信系统， 如个人移动通信、无线局域网等在室内环境下的应用也越来越广泛。为了能提供经济可靠 的室内无线通信服务，必须对室内环境下的电波传播特点及其对系统设计的影响作精确的 分析。 正因为室内微蜂窝系统有其自身的特点，使其电波传播特性与传统室外宏蜂窝系统的 电波传播特性大大不同，因此许多传统的预测模型已经不再适合于低功率的室内微蜂窝传 播环境。室内微蜂窝系统需要能提供更为精确的预测结果的传播模型，以便有助于合理设 计小区、确定基站站址、调整天线等相关系统参数，并在优化阶段进行网络质量评估、提 供必要的信息以供参数调整参考，为无线网络优化提供指导性意见。 1 3 国内外研究现状 近几年，电波传播特性的研究越来越集中在对微蜂窝传播环境的研究上，特别是室内 微蜂窝传播环境的无线传播特性已成为研究的热点，有众多学者提出了各种模型并且已经 取得了一些十分有意义的结果。 1 、s c o t ty s e i d e l 等在文献 1 】中提出了一种室内微蜂窝系统的传播统计模型，这种方 法只适用于对容量进行大体的分析与估算的情况下，因此对于场强分布只是进行处略的计 算就足够了。 2 、a h u i c h io b a y a s h i 等在文献 2 】中对室内复杂环境下人体遮挡效用作了相关研究，利 用了统计方法对室内微微蜂窝中人体对电磁波的吸收、反射作用进行了研究，较好的利用 确定性方法对室内场强分布进行预测。 3 、s c o t ty s e i d e l 等在文献【3 】中利用射线跟踪法对室内场强进行了确定性预测。他们 采用了射线跟踪法中的p i nc u s h i o n 法，将源点辐射出去的电磁波模拟为若干射线并进行跟 踪，采用接收球技术来判断是否到达接收点。 4 、s t e v e ne f o r t u n e 等在文献【4 】中宣布，已经在a t & tb e l l 实验室利用现有的场强预 测模型编制出名为w i s e ( w i r e l e s ss y s t e me n g i n e e r i n g ) l 拘实用软件系统。该软件系统可以用 2 堕室塑皇奎兰堡生堂垡堡塞兰二皇堡堡 于室内微蜂窝无线系统的设计，并且相关实验数据表明该软件取得t a l ：f l 当的成功。 1 4 本文的研究工作及主要贡献 如前所述，采用室内微蜂窝系统来进行室内无线覆盖已经成为提高移动通信系统容量 及无线覆盖质量的一种有效方法，并且随着无线宽带技术应用的日益广泛，客观上要求有 与之相适应的传播预测模型来指导室内微蜂窝系统的设计。 本文来源于“国家自然科学基金：超宽带脉冲的传播特性及其传播模型的研究项目， 研究的重点是以射线跟踪模型为主进行室内场强预测及其传播特性的研究，主要采用的是 结合入射反弹法( s b r - s h o o t i n g - a n d b o u n c i n gr a y ) 与镜像原理( i m a g e ) 的s b r i m a g e 方法，并对其不足之处加以适当的必要改进。这种基于传统s b r i m a g e 的改进方法，是一 种适用于室内无线传播预测的高效分析方法，通过它我们能够预测室内视距环境中无线信 道的信号电平、时间色散、功率时延等一系列相关参数，因此适用于室内视距微蜂窝系统 的规划设计。由于个人能力及时间有限，该方法的研究成果仍然存在一些不足的地方，有 待进一步的深入研究与改进。 本文各章节安排如下：第二章综述了较为常见的室内传播预测模型，对其进行了归纳 总结；在第三章当中对s b r i m a g e 法进行深入的探讨，包括了对其基本理论的研究、射线 跟踪技术的实现，其中对于射线跟踪当中的反射极化问题进行了重点深入讨论；第四章提 出了基于s b r f l m a g e 的确定性射线管分裂的改进方法。第五章简述了m a t l a b 对这种改进 方法的实现，并对仿真结果进行分析与讨论；第六章为作者对已有工作的总结，并提出下 一步工作的设想及建议。 南京邮电大学硕士学位论文第二章室内微蜂窝传播预测模型 2 1 综述 第二章室内微蜂窝传播模型 在传统的移动通信宏蜂窝系统规划设计中，基本采用的是经验模式。这些模式根据统 计意义上的环境数据( 例如，建筑物的平均高度，平均街道宽度等) ，并假设发射天线处 在小区中较高的地方( 如高塔上，小山上等) ，而接收机则被相对大量的障碍物( 如建筑 物，小山等) 所遮挡，根据相关公式计算就可以给出令人满意的预测结果。可是随着日益 增长的话务要求，开始出现微蜂窝或者微微蜂窝移动通信系统，发射天线处在比较低的位 置的情况，这时用统计方式得到的经验模式就不再适用。在这种情况中，微蜂窝小区规划 所需要的传播参量( 如路径损耗、时延扩展等) 只能通过以下两类方法得到： 第一类，现场实测方法( 统计方法) ，即在各种典型传播环境中进行发射和接收测试， 现场记录下接收信号的各种数据。在实测后，用计算机对大量数据进行统计分析，寻找出 反应传输特性的各种参数的统计分布。再根据数据分析结果，建立传输统计模型来进行传 输预测。在此基础上，可以利用相关电磁场理论对模型进行修正 1 ，1 9 2 1 ，3 2 3 3 】。实测统计 方法所得到的结果直接来自于实测，直观可靠，由这种方法所获得的电波传播模型占据了 主流，但是用该方法所得出的电波传播模型对环境的依赖性较大，对实测设备的要求也较 高，使得该方法的应用具有一定的局限性。 第二类，理论研究方法( 确定性方法) ，即利用电磁波传播理论来预测无线传播的相 关参数。例如可将室内环境视为波导 5 】，求解m a x w e l l 方程来预测场强分布，但是这种存 理论方法在研究中较少采用，这是由于传播环境的复杂性使得边界条件很难确定。而射线 跟踪法r t m ( r a yt r a c i n gm e t h o d ) 由于其自身所具有的较多优点而备受青睐，现在也越 来越多地被采用。一般来说，可按两种方式利用r t m 预测模型： 1 、正向方式：该方法是从源点出发，向周围空间均匀发出若干波束，分别跟踪每根 波束的路径，然后进行场的计算。包括了p c ( p i nc u s h i o n ) 【3 ，6 - 7 ，3 5 矛ns b r ( s h o o t i n g a n db o u n c i n gr a y ) 等 8 1 1 ，3 4 ，镜像法 1 2 - 1 3 及其他方法 2 5 3 1 。 2 、反向方式：该方法是从全局出发，综合考虑给定的空间结构、源点和观察点，然 后寻找连接源点和观察点的路径( 反射、折射、绕射等) 。包括空间体积分割法( s p a c i n g v o l u m e t r i cp a r t i t i o n i n g ) 【1 4 1 5 、角度z 缓存法( a n g u l a rz b u f f e r ) 1 6 和二元空间分割法 ( b i n a r ys p a c ep a r t i t o n i n g ) 1 6 等。 近几年随着计算机软硬件技术的迅猛发展，计算机的性能获得前所未有的提升，并且 4 南京邮电大学硕士学位论文第二覃至内微蜂窝传播预钡0 模型 得到了普及，被广泛应用于科研领域。在这种情况下，以电磁场基本理论为基础，以计算 机仿真技术为手段的射线跟踪技术得n t 快速的发展并且已经在实际工程中得到应用，充 分体现了其优越性。 射线跟踪的主体思想是用射线模拟电磁波束的传播。即在确定收发天线及周围建筑等 环境特性后，根据反射、绕射、透射、散射等波动现象寻找出可能到达接收天线的射线传 播路径，再根据电磁场理论计算出一系列反应信道特性的相关参数，如路径损耗、时延扩 展等等。 此外，文献 1 7 1 8 q b 提出利用神经网络对场强进行预测，文献 1 9 提出利用多信道耦 合( m u l t ic h a n n e lc o u p l i n g ) 对室内电波传播进行预测，文献 2 2 2 4 q hj 丕提出了其他一些 方法。这些方法不再仅仅局限于电磁场理论，而是运用了其他学科的理论与方法，从不同 角度对电波传播进行研究，对电波传播的研究起到了很大的推动作用。 下面几节将对几种较为常用的方法加以简介。 2 2 统计模型 统计模型也称为经验模式，它是根据大量的测量结果统计分析后导出的公式。用经验 模式预测路径损耗的方法很简单，不需要相关环境的详细信息，而且由于它计算的是闭式 形式的公式，具有节省时间的优势，所以可以很容易和快速地掌握和应用它们。但是经验 模式不能提供非常精确的路径损耗，只能用在对场强做大致估算的情况下。 在经验模式中，有一个最基本的公式如下： 瓦( d ) 【如】= 儿( 反) 招】+ 1 0 n l o g 【丢j ( 2 1 ) 其中凡是平均路径损耗( d b ) ：d 是收发天线之间的距离( m ) ：d o 是参考距离( m ) ； 咒( 吨) 是发射点到参考距离哦的路径损耗( d b ) ；刀是平均路径损耗指数，它表示了路径 损耗随距离增长的程度，取决于环境。 在这一公式的基础上，发展出了许多改进的统计模型。 2 2 1 对数距离路径损耗模式 从式( 2 1 ) 发现路径损耗是对数正态分布的。平均路径损耗指数力和标准差仃是取决于 建筑物类型、建筑物侧面以及收发天线之间楼层数的参数。在收发间隔距离为d 米处的路 径损耗可以给出如下公式 5 南京邮电大学硕士学位论文第二章室内微蜂窝传播预测模型 儿( d ) 【抛】= 凡( d ) 【船】+ 以( 扭) ( 2 2 ) 其中以是具有标准差盯( d b ) 的零均值对数正态分布随机变量，代表环境地物的影 响。文献 4 2 】已经分析了几种类型的室内环境在l o s 和n l o s 情况下，对每一种情况中不 同频率下疗和差盯的值。由于它的简单性，这种模式已经被广泛地用在室内场强预测中， 同时它0 1 可以被应用在室外微蜂窝小区环境中。 2 2 2 多楼层环境下的路径损耗预测 s c o t t y s e i d e l 等人在文献 1 】中提出了如下的室内统计模型： 1 、当收发天线在不同楼层时，有如下公式： 一e l ( d ) 易】= e l ( d o ) d s + 。刀。g ( 丢) ( 2 3 ) 其中刀是平均路径损耗指数，它是收发天线之间楼层数的函数。 2 、当收发天线在同一楼层时，引入地面衰减因子f a f ，此时有如下公式： 瓦( d ) 【以】= p l ( d o ) d s + - 。g ( 毒 + f a f ( 拙) ( 2 4 ) 其中刀是位于同一楼层上的路径损耗指数，它取决于建筑物的类型，其典型值为2 8 ； f a f 是楼层衰减因子( d b ) ，它是楼层数和建筑物类型的函数。 在文献 4 3 1 d 0 提出了对该模式的修改，修改后给出的路径损耗为 瓦( d ) 【扭】= e t ( d o ) d s + 2 。g ( 詈 + 口d + f a f ( 如) ( 2 5 ) 式中口是对不同室内环境实验测定的衰减因子。这个模式也称为线性斜率模式，因为 对数路径能够损耗线性地取决于收发天线之间的间隔距离。 3 、当收发天线之间存在墙壁的情况下，引入墙壁衰减因子a f ，此时有如下公式： 瓦( d ) d b = 2 0 1 0 9 ( 等) + p x a 舶嗍 ( 2 6 ) 其中p 为收发天线之间的软隔墙数：g 为收发天线之间的混凝土墙数；彳e 的是软隔 墙的衰减因子，值为1 3 9 d b ；彳e 的是混凝土隔墙的衰减因子，值为2 3 8 d b 。 2 2 3k e e n a n m o t l e y 模式 一个考虑了通过各单独墙体和楼层的更加精细的方法如下表示 4 4 】 式中厶是参考距离处( 1 m ) 的衰减( d b ) ；刀是路径损耗指数：d 是收发天线之间的 距离( m ) ；l ，通过类型i 的楼层的衰耗( d b ) ；七夕是在收发天线间类型f 的楼层数：l 砂， 通过类型的墙壁的衰耗( d b ) ：七。，是在收发天线间类型歹的墙壁数。在这个模式中，厶 和，? 趋向于自由空间条件的值( 厶- 3 7 ，拧= 2 ) 。通过楼层衰减的典型值是在1 2 - 3 2 d b 之间( 见文献【l 】) 。通过墙壁衰减的值完全取决于所用隔墙的类型。对于典型的软隔墙，衰 减值在近似为1 5 d b 之间变化，硬隔墙的衰减可能在5 - 2 0 d b 之间变化。 2 2 4 多层墙模式 为了更好地符合测量结果，k e e n a n m o t l e y 模式已经被包含在一个对于穿透楼层的非 线性函数来修正【4 5 ，4 6 。路径损耗为 p l d b = 胚【抛】+ o 【抛】+ 七岁7 ，+ 艺七叫上叫 ( 2 8 ) 式中厶n 代表收发天线之间的自由空间损耗( db ) ；厶是一常数；k w 是收发天线之间 类型的墙壁数：k l 是收发天线问的楼层数：0 代表通过毗连楼层的衰减：第3 项中的指 数目给出为 驴等一6 ( 2 9 ) e ，2 磊山 ( 2 9 ) 式中的b 是必须实验确定的常数。典型的参数值是0 = 18 3 d b ，j = 2 ，l ，= 3 4 d b ， 2 = 6 9 d b 和1 b = 0 4 6 ，这里三。l 是通过窄墙( 窄于l o o m ) 的损耗，l w 2 是通过宽墙( 宽于 1 0 c m ) 的损耗。 2 3 确定性方法 2 3 1a z b 法 a z b 法属于r t m 方法中反向方式。该方法是从全局出发，综合考虑给定的空间结构、 源点和观察点，然后寻找连接源点和观察点的路径( 反射、折射、绕射等) 。它是由 m f c a t e d r a 提出的，其原理与图形学中的l i g h tb u f f e r 原理相似。例如在寻找反射路径的 7 盖 南京邮电大学硕士学位论文第二章室内微蜂窝传播预测模型 过程中，必须检查： 所有从源点s 和观察点o 都可以看见的物体； 2 、每一个可见的物体，检查物体表面是否存在符合s n e l l 定理的反射点r ，并且路径 s r 与r o 是否被其他物体遮挡。 一般说来反向方式比正向方式复杂，因为它必须检测所有可能连接s 与o 的路径。但 正向方式与反向方式都有一些相同从处理方法及步骤，例如检测两点之间连线是否被物体 遮挡。同时，反向方式需要有效算法去除对反射、绕射等无贡献的物体、边缘等。 下面我们将对a z b 法进行简介，主要对折射、反射两种情况加以说明。 2 3 1 1 直射情况的处理 设给定一个2 d 空间结构如图2 1 所示，以数字f n 对每一物体加以识别。首先以源点 s 为中心，将空间分为等分夹角的若干区域，将这些夹角称为“角素( 角度微元素之意) 。 每一角素对应于一个子矩阵d a z b ( i ，j ，k ) ，k = l ，2 ：j = l ，2 ，e ee l tn f ( n f 为每个角素 所包括的物体的最大编码) 。这个矩阵可认为是由k = 1 与k = 2 两层二维数组组成，在第i 个角素内的所有物体编号的f n 存储在d a z b ( “j ，1 ) 内。 首先，将第i 个角素内实际存在的n i 个物体的编号填在此行的前n i 项内，然后根据 它们离源点s 的最短距离( 即为s 点于物体最近一个定点的距离，简称物距) 排序。排序 之后，再从排在第二的物体开始，检查它们是否被离它们更近的物体遮挡，若是被遮挡则 将该物体的编号删除。经过这样的处理，我们最后可以得到小于或等于角素中物体数目的 若干项。这个在角素中排序和删除被遮挡项的过程被称为“画家算法”。因为这个过程类 似于画家的工作：远处被遮挡的物体将不被画家记录，只有最近的能被画家看见的物体才 被画家画下来。例如在图2 - 1 中，在d a z b ( 2 i ，1 ) 中存储的f n 为1 3 、1 4 ，在d a z b ( 3 ，j ，1 ) 中存储的f n 为7 、1 3 、3 2 、1 7 、8 。 图2 - 1 检测正当的路径示例 8 南京邮电大学硕士学位论文 第二章室内微蜂窝传播预测模型 为了对路径s o 进行遮挡测试( 如图2 1 ) ，需要计算该路径长度以及与路径所在角素 中的物距进行比较。首先考虑离源最近物体( 角素的d a z b 中的第一个f n ) ，若路径长度 小于离源最近物体的物距的话，则该路径肯定没有被遮挡；若是路径长度大于该物距的话， 就要考虑离源最近的物体是否遮挡了点o 。如果点o 没有被遮挡的话，则要考虑离源次近 物体是否遮挡点o ，如此一直做路径s o 遮挡的循环判断，直至满足以下两种情况中的一 种才终止判断，并得出对应的结果( 点o 是否为可视点) ：检测到被一个比点o 更近的 物体遮挡，此时点o 为不可视点；点o 没有被物距最小的物体遮挡并且比角素中的其余 物体更近，此时点o 为可视点。 以上为2 d 情况中的a z b 应用，若在3 d 情况下角素为立体角增量，如图2 2 所示。 分析研究时，在球坐标分量0 和由的角度空间内，将以源点s 为中心的整个空间分为网格 ( 展开成二维图形时) ，如图2 - 3 所示。此时的处理与2 - d 情况下的处理相似，先定义矩 阵d a z b ，子矩阵d a z b ( i ，j ，k ) 与第i 个角素相对应( j = l ，2 ，n f ：k = l ，2 ) ； 然后执行画家算法进行角素中物体的排序与剔除；接着进行遮挡测试等等，其具体过程不 再赘述。 e 。 1 8 0 0 图2 - 2 三维空间内角素为立体角增量 z x 0 3 6 0 移。 图2 3 三维空间内分布在角素网格内的障碍物( 以源点为中心，覆盖所有空间角度) 9 物体序号。 如 够 s 辩 i = 哆歹 卜二一一一 ：一蕾山_ 。二舢 。十 嘲2 - 4 反射空间的确定 图 反射至1 日j 啪硼肥 与直射! 竺竺二僚删以，本文不再赘述 详见文献【1 6 】。 对于其他情况，原理类似本x 个竹贝耻”。 南京邮电大学硕士学位论文第二章室内微蜂窝传播预测模型 2 3 2p i nc u s h i o n 法 p i nc u s h i o n 法属于正向方式，该方式是以射线为主体，计算射线从源点发射之后的传 播路径( 包括直射、反射、绕射、折射等等) ，判断射线是否在传播过程中能够到达接收 点，若是能够到达接送点则计算这些射线对接送点场强的贡献。 本节将就正向方式中的p i n c u s h i o n 法加以简要介绍，详见文献【3 ，6 7 ，3 5 。 p i nc u s h i o n 法是一种较为理想的射线跟踪方法，它的过程体现了射线跟踪法的主要思 想，其处理步骤大致如下： 2 3 2 1 确定源射线 为了确定所有可能离开发射( 机) 点和到达接收( 机) 点的射线，就需要考虑发射机 的所有可能的角度和到达接收机处的所有可能的角度。通常采用球面坐标系，射线以仰角 o 和方向角由从发射机发射，为了考虑方位和俯仰方面的天线增益的影响，还应结合天线 方向图。 一个理想的波前应当完整、无缝地包围发射( 机) 点的波前球。为了增加射线的分辨 能力，波前球必须划分成形状和大小相同的波前( 这是为了保证源射线确定程序的通用 性) ，即每个波前占据相同的立体角。正三角形、四边形和正六边形的波前都可以符合以 上要求。典型的做法是将离发射点，处的波前球划分为等立体角的正2 0 面体( 其表面是由 完全相同的2 0 个正三角形构成，如图2 - 6 ( a ) 所示) ，然后把每个正三角形的边再划分成 1 1 等份，通过作平行于正三角形个边的线段将正三角形分成更小的正三角形。通过这种方 法，原来的正三角形波前经被划分成n 2 个小的正三角形，然后将这些正三角形透射到球面 上。对于一个给定的n ，可以得到2 0 n 2 个波前面，而每个波前面取其中心与源点的连线来 构成一条射线代表该立体角内的辐射场，这也就相当于产生了从源点发射出总数为2 0 n 2 条的射线，如图2 - 6 ( b ) 所示。 内接正 踱前球 ( a ) 正2 0 面体的划分( b ) n = 4 的波前面划分 图2 - 6 源射线的产生 l l 堕室塑皇- 大兰堡圭兰垡堡奎笙三童皇堕燮些堕堡堡堡型堡型 2 3 2 2 射线的跟踪 计算机程序通过射线跟踪找到每条路径，从发射位置辐射出的能量将沿着这些路径到 达接收点。在实际的城市或者室内环境中，射线跟踪的数量将非常大，因此整个射线跟踪 过程可以安排和储存在所谓的“射线跟踪树”中。树起源于源点，树的分支是所要跟踪的 射线，树节是传播过程中遇到障碍物( 多面体面) 后的反射点或者绕射点。通常，射线在 到达接收点之前可能会遇到障碍物体，当一射线遇到障碍物时，就会发生反射和折射，它 们服从反射定律和折射定律。射线被折射和反射后，将分解为两条“子 射线反射射 线和折射射线，并且按照新的反射方向和折射方向继续传播。所以每条射线到达障碍物后 都会分解为两条射线。换句话说，射线跟踪树是一条二叉树。但是在室外传播中，折射射 线一般被丢弃，所以只有和反射射线相对应的分支会被考虑。为了计算反射系数，在每个 树节中存储了g o 所需要的参量( 入射角、射线路径长度、多面体面材料的类型等等) 。树 包含了有关射线跟踪的信息，它们全部用合适的格式表示。注意，射线跟踪和障碍物没有 关系。图2 7 显示了一个简单的2 d 室外所在地的射线跟踪树。为了简单起见，只跟踪4 条射线。实际中，发射天线发射几千条射线。 ， s 土 9 、 i ，2_ ，= l v丫 52 l 12 盯， i 、 9、 o n 一，、 由波的极化来决定是用垂直极化发射系数还是用水平极化发射系数。如在室内微蜂窝系统 中，当被地板或者天花板反射和折射时，则可以用水平极化的反射系数和折射系数；当射 是从源点发出的射线数，i t 是一条射线分裂为反射和折射射线的次数，也就是指分裂后产 地从源发射约1 0 5 1 0 6 的有限数量的射线，这些射线由镶嵌n 次后的二十面体确定的近似 相等的角度所分隔。建筑物模型的复杂性在这种情况下对计算量的影响比较小，因此它适 为了确定一条射线是否到达定义为一点的接收机，要引入接收球的概念。接收球的缓 所示这个图是正在被跟踪的射线的2 d 表示，所测试的射线的两条相邻射线也画在图上。 因此，在2 d 情况中，缓冲半径的确定可以很容易解决。对于在发射点处角度为口的两条 相隔的射线，在距离发射点距离d 处，当a 很小的时候，它们之间的直线距离近似为三= c r d ， d ，一，一、校乒接收球 _ f 一一，( 蒲黼撇 、 7 ，i ，彳一“、j 。1 、 ，i ! 一? ，、名二互7 二专专_ 磊射线 南京邮电大学硕士学位论文第二章室内微蜂窝传播预测模型 但是在3 d 情况中，射线作用是一个3 d 椎体，锥体的顶点是发射点。如果在3 d 情 况中仍然取，= 谢2 的话，将会出现问题。这个问题可以通过双计数误差或者利用加权函 数对每条接收射线的功率电平加权来实现对场强的补偿。 利用接收球技术，接收点处场的大小( 直达的或者反射的) 能被很好地近似。但是场 的相位可能与精确穿过接收点的射线相位有相当大的差别。因此，该技术不象其他传播模 式那样接收点处的总场强不能从各分量的相干求和中得到。 1 4 南京邮电大学硕士学位论文第三章入射反弹射线镜像( s b r i m a g e ) 法 第三章入射反弹射线镜像( s b r i m a g e ) 法 3 1 概述 入射反弹( s b r - - s h o o t i n ga n db o u n c i n gr a y ) 法是在前面一章中介绍到的p c ( p i n c u s h i o n ) 法的基础上加以改进得到的。在p c 法中采用接收球来判断射线是否能够到达接 收点，而接收球半径的确定至关重要，而且引入接收球有一个前提：相邻射线的间距必须 为恒定值。正因为如此限制了p c 法的应用。为了解决这一问题，在p c 法的基础上改进得 到s b r 法。在s b r 法中的跟踪不再针对“射线”，而是针对由射线组成的“射线管”的跟 踪。由于采用了射线管的概念，因此射线管本身具有了立体角，射线管也就具有了作用的 范围，根据这个作用范围我们可以判断接收点是否在这个范围内，若在这个范围内则认为 射线管能够到达接收点，否则就认为没有到达接收点。因此s b r 法不必要采用接收球来判 断，也就克服了p c 法的不足，具有更广的实用范围。 镜像( i m a g e ) 法理论是大家熟悉的一种电磁理论，其理论依据是唯一性定理。镜像 法是在一种点对点的预测方法，它具有较高的预测精度，而且它一开始就将那些不能到达 接收点的射线舍弃，所以它具有较高的计算效率。然而该方法的致命弱点是选择产生镜像 的散射体十分困难。 s b r i m a g e 法将上述两种方法结合在一起，即保留了各自的优点又克服了一些不足， 特别适用于预测室内的无线信道特征。该方法主要是利用镜像法得到入射源对应的等效源 ( 镜像) ，再通过s b r 法确定反射射线管( 不是射线) 并追踪室内反弹的镜像射线管。另 外，该方法还可以结合绕射理论得到绕射射线管及相对应的镜像。通过所有对接收点有贡 献的射线管的场强叠加，可以得到接收点的场强。 3 2s b r i m a g e 3 2 1 传统镜像( i m a g e ) 法的射线跟踪技术 已经知道源点s 和多面体面，根据镜象法原理，由该多面体面反射的射线可以认为 是从镜象源点，的虚源点直接辐射的射线。镜象源，的位置和源点s 对于多面体面所在的 平面是对称的( 见图3 - 1 ) 。从实源点s 的辐射特性以及多面体的电特性可以得到镜象源辐 射的场。 1 5 南京邮电大学硕士学位论文 第三章入射反弹射线镜像( s b r i m a g e ) 法 ，o 。 图3 一l 镜像方法用于射线反射 对于已知的观察点d ，很容易知道反射点r 是线段刀和多面体面的交点。 当所求空间区域中有个平坦多面体面时，镜象的数目将是个。因此，到达一个观 察点的最大反射射线数目是n 。显然，实际上到达观察点的反射射线树木要少得多。这是 因为由于多面体面的尺寸有限，只有位于多面体面的反射空间( r s ) ( 见图2 4 ) 内的观察 点才能接收到反射射线。实际上，当反射点r 在多面体面上时，观察点必定是在多面体面 的反射空间( r s ) 内。第二个原因是反射射线或者入射射线( 从s 到r ) 可能被环境中的 其他多面体面所遮挡。这个必须通过阴影测试来获知。 可以用类似的方法分析二次反射射线。二次反射射线的源是一阶镜象( 一次反射的镜 象) 的镜象。它们被称为二阶镜象。二阶镜象的数目是n ( n 1 ) 个。对于二次反射必须 满足3 个条件： ( 1 ) 观察点必须在第二个多面体面的r s 中。换句话说，第二个反射点必须位于第二个 多面体面上。 ( 2 ) 第2 个反射点必须是在第二个多面体面的r s 中。换句话说，第一个反射点必须位 于第一个多面体面上。 ( 3 ) 图3 - 2 中画出的3 条路径( s r 。，r 。一足。，尺2 0 ) 中没有一条被环境中的其它 多面体面所遮挡( 阴影测试) 。 图3 - 2 二次反射镜像方法应用 1 6 南京邮i u 人学倾i j 学位论义第三帝入射反弹射线镜像( s b r i m a g e ) 法 用同样的方法可以分析多次反射。对于是次反射的镜象数目将是n ( n 1 ) 杠。当所考 虑的反射次数和多面体面数目增加时，意味着阴影测试的数目就增加。因此，镜像方法应 该和减少阴影测试数量的射线跟踪加速算法结合起来。 镜像理论允许人们得到反射射线跟踪的确切路径，所以有可能得到和反射射线有关的 场的相位。因此，多径传输分量对观察点处的接收场的贡献可以用相干求和方法得到。 3 2 2s b r 法中镜像天线的等效矢量有效高度( v e h ) 在这里引入了天线的矢量有效高度( v e h ) 来描述天线及其镜像的增益方向图和极化 性