西安电子科技大学

1、西安电子科技大学国家大学生创新性实验计划项目申请书项目名称: 微小区场景下基于射线跟踪算法 的电波传播预测研究及其可视化项目负责人： 李昌龙 指导老师： 郭立新 教授 所在院系： 理学院 研究起止时间： 2011 年 6 月 至 2012年 5月 西安电子科技大学教务处二一年三月制 填表说明一、项目申请书要按顺序逐项填写，空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。二、项目申请书中栏目“一至九”由学生填写，栏目“十至十二”由教师填写，栏目“十三”由学院负责人填写。三、项目申请书由所在学院审查、签署意见后，一式五份（均为原件），报送教务处教学研究科。项目名称微小区场景下基于射线跟踪算

2、法的电波传播预测研究及其可视化项目来源教师的科研项目 学生自选题目申请经费20000元项目完成时间2012年5月申请人(团队)姓名学号性别身份证号码专业班级联系电话手机E-mail李昌龙07084113男41152119881203305507084029-8189424615091637236984786453黄杰07084155男64032119890531005907084029-8189424615102965502504938698张劭东07084056男14052219900403351007084029-8189423915002976592allan0403一、项目组成员情况介

3、绍（包括自身具备的知识条件，有何特长、兴趣，参加哪些科技事件创新活动等）李昌龙: 具有较强的数理分析和电磁场专业基础知识，善于思考，具备较强的自主学习能力和研究能力。英语水平较高，具有较强的英文文献阅读能力与写作能力，同时有较强的科技文献检索能力。爱好计算机语言编写，擅长C语言和Fortran语言编程，具有较好的语言组织和写作能力。黄杰: 数学建模分析能力强，曾参加数学建模培训，数理建模能力较强，积极参加科研项目训练，有较强的科技文献检索能力，具备做研究工作的经验和条件，善于团队合作。熟练掌握Fortran和C等编程语言，熟悉多种开发环境和工具。张劭东: C语言编程能力较强，熟悉Visual编

4、程环境，对于VC+和Fortran的混合编程有深入的了解，有较强的科技文献检索能力，计算机应用能力较高，熟悉Fortran语言，擅长数值计算编程。二、项目研究背景通信行业已成为带动信息产业高速增长的重要引擎，其发展令人瞩目。从上个世纪八十年代初第一代模拟移动通信开始，到九十年代中期的第二代数字移动通信的大规模普及，再到本世纪初第三代移动通信技术的投入运营，以及正在进行中的第四代移动通信，移动通信经历了短短20几年的发展历程。特别是2003年以后，我国移动用户迅猛增长，工业和信息化部2010年11月24日发布的通信业运行状况显示，截止2010年10月，移动电话用户突破8亿户，达到8.42亿户。无

5、线通信技术的快速发展和广泛使用，带动我国相关产业链的发展，已成为我国国民经济和社会发展的强大支柱。第三代移动通信系统是国际电信联盟于1985年提出的，当时被称为未来公众陆地移动通信系统。1996年又被正式更名为全球移动通信系统，其工作频段在2000MHz左右，最高业务速率为2000 kbit。国际电信联盟针对3G规定了五种陆地无线传输标准，其中WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA是三大主流技术标准。其中，WCDMA标准主要由欧洲电信标准化协会（ETSI）提出，支持者是以GSM系统为主的欧洲厂商，这套系统可以由现有的GSM网络较轻易地过渡到3G。在商用化方面，WCDMA算是3G领军技术

6、，发展势头强劲。CDMA2000标准是由美国的电信工业协会（TIA）提出的，是IS-95标准向第三代演进的技术体制，目前使用CDMA2000的地区只有日、韩和北美。TD-SCDMA标准是我国信息产业部电信研究院根据多年的研究而提出的具有自主知识产权的品牌。它具备TDD（Time Division Duplex）的一切特征，可以方便地进行上/下行链路间的灵活切换，实现所有3G对称和非对称业务，提供室内、室外环境下的语音、传真及各种数据业务。另外，在频谱利用率、对业务支持、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。随着我国无线通信事业的蓬勃发展，人们对通信质量的要求也越来越高，这就对通信软、硬件设施的改

7、善和改进，网络环境规划实施的好坏提出了更高的要求。3G网络由于其自干扰的特点，使得精确、高效的网络规划变得越来越重要。假如不经过良好的前期规划和测试，网络投入运行后会产生许多通话质量上的问题，因此，网络规划是移动网络建设过程中一个必不可少的环节。由于第三代移动通信网络技术含量高，设计难度大，用户的需求更加个性化、智能化，网络需要为混合的多种业务提供承载平台，所以，同主要承载语音和低速数据业务的第二代移动通信网络相比，3G的网络规划更加具有复杂性。精确预测电波传播路径损耗为合理的微蜂窝无线网络规划、设计提供了必要条件，从而决定了电波传播预测在现代无线通信系统中扮演着极其重要的角色。选择基站的位置

8、和高度以实现良好的电波覆盖和减少对频率复用区的干扰是网络规划时一项重要的工作。若没有良好的传播预测模型,确定最优化的基站位置和高度的惟一方法就是通过实际测量来反复比较。显然这会浪费大量的人力、财力。通常，无线传播模型是无线网络规划的基础，电波传播模型的研究就是为了给运营商在网络规划的初期阶段提供一个较为准确的理论依据，以便于指导网络的规划。传播模型的准确与否将影响到链路预算小区半径，影响电波传播及干扰的计算，从而影响规划仿真的效果。而对于具有多业务特点的3G网络而言，传播模型的准确与否更直接关系到系统性能仿真的准确性。我们知道，通常的无线传播预测和覆盖预测都是基于经验模型进行的，它建立在统计分

9、析的基础上，具有一定的普遍性，但任何一个经验的传播模型都是根据其特定的预设环境给出的，有其独特的地形、地貌和地物特征。因此有必要对特定环境进行无线传播测量，来确定该环境的无线传播模型，确保覆盖预测和系统性能仿真的准确性。目前，从对于传播模型应用的研究来看，现有的统计和经验性预测模型已不适合复杂多样的城市微蜂窝环境，而刚刚发展的确定性预测模型，即射线跟踪模型，时效性较差，而且对小区的地理环境数据库要求很高。本研究计划旨在原有的射线跟踪模型的基础上提出一种改进型的优化算法，快速、高效地仿真建立该地区较为准确的传播模型，对第三代移动通信网络规划及传播模型适应性评估，特别是微小区电波模型预测和网络优化

10、都具有十分重要的意义。三、国内外的研究现状及研究意义目前，通信业界对电波传播模型大致可分为两类，一类是对大量测试数据进行研究，得到电波传播的统计特性，这类传播模型称为统计模型（经验模型）。另一类是从电磁理论出发，得出电波传播模型，这类被称为理论性模型（确定性模型）。通常后者是通过对具体的环境直接应用电磁场理论进行计算，这样建立起来的模型适合室内、微小区和大城市中心区的传播模型预测，比较有代表性的就是射线跟踪模型。目前，国内外最常用的传播模型有Okumura模型、Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、CCIR模型、Keenan-Motley模型和SPM模型等，其适用范围如下

11、：(1) Okumura-Hata模型，适用于频率在150-1500MHz之间，小区半径大于1km的宏蜂窝系统的路径损耗预测。Okumura-Hata模型适用于大区制移动系统，不适合覆盖距离小于1km的无线个人通信。(2) COST231-Hata模型，该模型是Okumura-Hata模型在2GHz频段的有效扩展，除工作频率外，其他适用条件与Okumura-Hata模型基本相同。此外，由于该模型增加了一个大城市校正因子，应用到不同类型的城市中均能够达到预期的效果，因此，一般认为该模型适用于城市地貌及郊区的无线网络规划。(3) CCIR模型，是Okumura-Hata模型在城市传播环境下的应用，

12、和Okumura-Hata城市模型相比，该模型粗略地考虑了建筑物密度对路径损耗的影响，适用的基站天线高度和终端高度适合小型城市的地物情况。因此，一般认为该模型适合小型城市1.5GHz以下无线网络规划。(4) COST231-WIM模型，它对不同类型的传播损耗进行了较为细致的分类，能够对不同类型城市环境下的电波传播进行简单的模拟，适用于频率在800-2000MHz之间，小区半径小于5km的微蜂窝系统的路径损耗预测。(5) SPM模型，它是建立在COST231-Hata模型基础上的通用模型，可以用于GSM、WCDMA、CDMA2000等移动通信系统的规划设计。该模型通过软件仿真与现场测试数据相结合

13、的方法校正参数取值，能够适用在所有地物、地貌情况下无线网络的规划中。上述几种模型通常都是通过对大量测试数据的统计平均、拟合而得到的图表或公式。具有以下几个方面的缺点：(1) 由于模型是基于特定环境的测量数据，所以一个传播模型只对应一个特定环境，而无法应用于其他环境。比如：一个由东京的测量数据得出的计算模型（Okumura模型），我们不能保证它在其它城市一样有效。(2) 这种模型是基于统计的、大量群体的共同特征，对特定环境不可能做出更为精确地计算。(3) 这种模型也只能用来计算传播特性中的某一种特性。例如，由区域内场强的测量数据建立的计算模型就只能对区域的场强进行计算，而无法对其多径效应进行计算

14、。且随着区域划分的越来越小，小区间的统计相似性丢失，这种纯经验的方法更不实用了。因此，在确定了无线电波的实际传播距离、覆盖范围和干扰影响之后，计算电波传播损耗还需要充分考虑地形、地物等因素。同时，作为商用网络，为了确保用户的通信质量，确保无线电波发射的业务覆盖服务区和数据传播的可靠程度，就必须仔细地计算从发射天线到接收天线之间的路径损耗。基于3G网络技术自身的特点，综合几何光学和绕射理论并采用有效的射线跟踪算法，来确定特定环境下更为精确的传播模型是第三代移动通信网络建设迫切需要解决的技术环节。射线跟踪技术是基于电磁波的高频假设，将几何光学中的射线概念在计算电磁学领域得以充分体现，能够较准确地考

15、虑电磁波的各种传播效应（如直射、反射、绕射等），并能够考虑到影响电波传播的各种因素，从而对具体场景做准确的传播模型预测。射线跟踪技术采用特定的算法计算射线的传播轨迹，常用的两类算法是镜像法和发射射线法。镜像法是利用几何光学的镜像原理求解真实源的多级镜像点，得到镜像树，然后根据镜像树中的像点得到射线的轨迹。发射射线法则是把发射场简化为离散的射线，然后计算每一条射线的轨迹。通常镜像法具有较高的计算精度，但发射射线法则具有较快的计算速度。但是通常由于计算高阶射线需要耗费更多的时间和内存资源，因此射线跟踪算法模型需要在计算精度和时间消耗上做合理的选择，一般取适当的截断次数来提高运算的效率。目前几种商用

16、的射线跟踪模型都是由单独的软件开发商开发的，可以集成在多种网络规划软件中。如Volcano是由法国Siradel公司开发的包含了射线跟踪技术的传播模型，这种模型在华为公司的多个规划项目中得到了应用；再如WinProp是德国AWE公司开发的传播模型软件，其中包含了可以应用于城区、室内和坑道场景的射线跟踪算法；而WaveSight则是由瑞士Wavecall公司开发的三维射线跟踪模型，该模型采用结合垂直面和水平面的射线跟踪算法，采用一致性绕射理论算法计算绕射。概括起来，Volcano模型由于对地图的支持，对模型校正、穿透损耗等方面处理都比较合理，其商用化程度最高。从经济和人力代价考虑，射线跟踪模型并

17、非适用于所有的场景，而较适合于在复杂的密集城区或室内场景中使用。通常大中型城市的中心区人口密集、高楼林立、障碍物很多、小区半径通常在几百米以下，在这种情形下，使用射线跟踪模型是合适也是必要的。3G网络由于其自干扰的特点，使得精确、高效的网络规划变得越来越重要。在传统的GSM网络规划中，一般都以修正的Hata模型为原型，再利用规划软件导入针对当地的实际无线环境所得的测试数据，对原模型公式中的系数进行修正便得到实际预测的传播模型，一般使用的数字地图也仅包括地物信息和高度信息，因此建筑物对无线传播的影响无法充分考虑，只能从统计意义上对建筑物的影响进行粗略的估计。同时，由于GSM网络采用异频系统，不存

18、在同频干扰，网络规划中主要考虑的是网络覆盖以及频率复用问题，因此利用上述方法所得的修正后的模型以及2D数字地图基本上可以满足网络规划的需要。然而，3G网络是共享带宽的，是一个自干扰系统，其网络规划不仅要考虑网络覆盖，还要考虑干扰控制，因此相对于GSM网络规划需要更加精确的传播模型；同时，由于其对高速数据业务的支持使得3G网络小区的覆盖范围更小，对于密集城区环境中这样小的半径内，从发射机到接收机的主要电波传播路径包括直射波、反射波和建筑物棱上的衍射波等。可见，建筑物的特征和分布对信号传播起着关键作用。因此修正后的经验模型以及2D数字地图由于无法充分考虑建筑物的影响，精确性相对较低，不再能够满足3

19、G网络规划的需要。而射线跟踪模型能基于3D数字地图，充分考虑建筑物的特征和分布对信号传播的影响，通过理论计算分别得出每一点上的接收信号强度，因此若利用射线跟踪模型预测结果，就可以更精确地进行网络规划并有效地控制干扰。目前，从对传播模型应用的研究来看，建立快速、准确、高效的三维射线跟踪模型对第三代移动通信网络传播的预测和基站的优化都具有十分重要的意义四、项目研究的目标及主要内容研究目标：通过对室外微小区场景下地、物信息的处理入库、大量环境信息存取方式的设计、虚拟源树的建立，完成射线跟踪算法的初步实现。利用相关算法加速技术和实测结果，对射线跟踪算法计算精度和运行效率进行改进和完善，并结合VC+编译

20、平台，开发能用于室外微小区基站无线覆盖预测研究的可视化仿真软件，使之为室外的网络规划提供重要依据。主要研究内容：1、环境地物数据库的设计。根据室外微小区场景下的环境几何信息，对其进行几何分类、区域划分和电磁参数分析。顾及环境信息详尽程度带来的计算量，建立与之对应的高效的带有几何信息及电磁信息的具有标准输入输出格式的环境地物数据库格式，为下一步射线跟踪算法的实现服务。2、大量信息的存取研究。熟悉计算机的存储机理，理解和分析有关计算机的存储方法，并结合数据结构的相关理论，对存储地、物等环境信息的数据库进行分析，建立一种基于二叉树的合理的、高效的存储方式，从而解决射线跟踪算法在处理大规模数据时的存取

21、问题。3、射线跟踪算法的实现。学习几何光学和统一绕射理论，结合计算机图形学，鉴于室外微小区环境地物信息数据库的格式特点，就基于虚拟源树的射线跟踪模型算法进行分析、改进，突出其算法的优点，并就反向算法进行编程实现。4、射线跟踪算法计算精度和运行效率的提高。一方面，加快基本求交，利用二叉树存储结构，提出射线跟踪加速技术，合理运用射线跟踪加速技术，如对环境地物信息的空间分区，加快对反、绕射点位置确定及反射射线求迹速度，降低射线被遮挡的检验次数，以提高射线跟踪效率；另一方面，基于准确的确定基站与移动终端间的电波传播路径，针对以反射、绕射为主的室外微小区传播情形，改进射线跟踪程序中有关电场计算的子模块，

22、来满足射线跟踪对精度的需求。5、射线跟踪算法的评估与完善。基于实测数据与射线跟踪模型预测结果的对比，在一定的误差范围内评估射线跟踪算法的适用性和准确性，并将比较分析结果反馈到算法的具体实现环节，对算法中信号传播路径的确定和相关的电磁计算两个主要方面做进一步的修正和完善。6、软件的设计与实现。利用可视化编程语言设计室外微小区基站无线覆盖预测的人机交互界面和窗口，开发基于数字地图的特定基站无线覆盖情况的可视化软件。该软件能给出较为直观的路径损耗、功率延迟和冲激响应的可视化分布图样，能为室外微小区电波模型预测和网络优化提供可靠的理论依据。五、项目创新特色概述（50字以内）本项目研究几何基本求交和加速

23、遮挡判断问题，利用改进的射线跟踪算法对无线覆盖相关参数进行预测，并开发可视化软件直观地显示信号预测结果。六、项目实施方案及实施计划1、实施方案1) 结合计算机图形学，建立小区内的环境建筑物数据库。在该数据库中，小区内的建筑物将被简化为一些面片的组合，并提取其中的面、劈和顶点的信息用于计算。这样，小区内的电波传播路径便简化为一些直射、反射及绕射的组合。2) 对于城市密集区的二维模型，建筑群可被划分为一定的“块”，建筑物则被定义为“多边形”，多边形的“边”代表建筑物的表面，多边形的“角”则代表了建筑物的拐角。这种简化了的市区平面图大致可反映出城市的主体结构，利用它进行射线跟踪，可以得到基站与移动终

24、端间的二维传播路径，然后，依据基站和移动终端的高度，可以得到对应的三维传播路径，从而计算得到较为准确的路径损耗。3) 本项目应用一种能有效解决室外电波传播预测模型的新方法“基于虚拟源树的电波传播射线跟踪模型”。该方法克服了强力射线跟踪法与镜像理论的缺点，而保留了这两种方法的优点,使每条射线都严格精确。具体而言包括以下几个部分，首先，对有效虚拟源树算法的改进及实现,如(a)定义发射源、镜像源、绕射源。(b) 由发射源出发，构造一个由这三源所组成的虚拟源树，该树以二叉树的形式进行建立。(c) 虚拟源树层数N(即散射次数)的选择等。其次，结合建筑物自身尺寸及其相互间的相对位置信息，改进射线跟踪程序中

25、有关电场计算的反射、绕射和透射子模块，通过设置合理的反射、折射和绕射的次数，减少射线跟踪的总时间；再次，结合计算机图形学里的分区算法，如二元空间分区算法，空间体积分区算法，角度的z缓存区等算法，减少射线相交测试所用的时间；最后，利用二叉树存储结构和独立的指针数组，避免了同一绕射源的重复处。同时利用不同源的极轴扫描方法，加快对反、绕射点位置确定及反射射线求迹，降低射线被遮挡的检验次数。4) 基于数据结构中单链表的低占用空间性和双向链表的双向性，实现虚“左孩子右兄弟”关系的二叉树拓扑结构的快速建立，并避免了因遍历虚拟源树来确定收发天线间的无线电波传播路径所带来的额外时间。5) 用C语言编程实现基于

26、虚拟源树的射线跟踪算法和相关的加速技术，利用VC编译平台，开发相应的室外微小区基站无线覆盖预测仿真软件。图1 本项目的实施方案流程2、实施计划1) 收集资料，查阅有关射线跟踪在室外微小区环境下电波预测应用方面的文献和书籍，了解射线跟踪算法的国内外动态及其发展趋势，理解射线跟踪的理论基础：几何光学理论和几何绕射理论；认真学习开发软件所需的编程语言知识。2) 学习数据结构和计算机存储机理方面的相关知识，设计环境地物信息数据库的数据存储标准，并确定合理的、高效的虚拟源树存储方式及树中各节点的相互关系。3) 对射线跟踪算法进行模块分解，确定算法实现的流程图，编写算法步骤，实现射线跟踪的第一步。并学习计

27、算机图形学相关知识，明确算法的加速计算，实现射线跟踪算法对室外微小区预测中的实时性。4) 获取实测数据，将射线跟踪算法的小区覆盖预测结果与实测数据进行对比，修正并完善射线跟踪算法的精度。5) 分解射线跟踪模型成具有独立功能的模块，明确各模块对输入信息内容和输入信息方式的要求，分析并设计与路径损耗、功率延迟和冲激响应相对应的最佳可视化呈现方式。综合各功能模块及相关结果展示设计思想，应用 VC编译平台，宏观的拟定软件界面设计目标和总体构造，编程实现、调试并美化室外微小区基站无线覆盖预测仿真软件。七、成员分工情况李昌龙：对室外微小区场景下的环境几何信息进行几何分类、区域划分和电磁参数分析。建立与环境

28、吻合的详细数据库，为下一步射线跟踪算法的实现服务。在算法改进完成后，针对某一小区（或室内）环境，进行电波传播模型预测，并就预测结果同实测结果进行比较，分析算法改进的合理性和准确性，并将比较分析结果反馈到算法的具体实现环节，对算法中信号传播路径的确定和相关的电磁计算两个主要方面做进一步的修正和完善。张劭东：为解决大规模数据库的存取问题，运用计算机的存储机理与存储方法，并结合数据结构的相关理论，对存储地、物等环境信息的数据库进行分析，建立一种基于二叉树的合理的、高效的存储方式。就基于虚拟源树的射线跟踪模型算法进行分析、改进，突出其算法的优点，并就反向算法进行编程实现。黄 杰 ：为突出算法的计算精度

29、与运行效率，就提高反射和绕射射线路径的求解速度、环境地物信息的空间分区、观测点场强的计算精度以及者遮蔽判断的检验次数等进行改进研究。利用可视化编程语言设计室外微小区基站无线覆盖预测的人机交互界面和窗口，开发基于数字地图的特定基站无线覆盖情况的可视化软件。八、预期成果及成果形式预期研究成果主要包括技术报告、科技论文、算法软件以及可视化仿真软件。通过本项目研究将取得如下研究成果：1、 完成对环境地、物信息数据库格式的设计，分析环境中几何信息和电参数信息的详细程度对射线跟踪算法带来的影响。2、 完成对虚拟源树拓扑结构的设计，分析在处理地物环境数据库时，不同数据结构及其不同组合对占用系统内存和处理数据效率的影响。3、 完成基于虚拟源树的射线跟踪算法程序，分析不同极化方式下基站天线的高度、移动终端在不同城市街道网格上的位置、建筑物的分布规律和走向以及建筑物和街道上电参数的设定对预测结果的影响程度。在视距街道（基站所在街道）以及与视距街道平行和成任意角度的街道上，研究特定基站位置时路径损耗、功率延迟和冲激响应的分布规律。4、 完成设计开发一款用于室外微小区基站无线覆盖预测研究的可视化仿真