本發(fā)明屬于場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)領(lǐng)域，具體講,涉及基于加權(quán)接收的簡(jiǎn)單匹配式的射線發(fā)射方法。

背景技術(shù)：

簡(jiǎn)單匹配式的射線發(fā)射法(Ray Launching)是一種比較典型的正向射線跟蹤方法。RayLaunching方法以射線來(lái)表示路徑，從源點(diǎn)以等角度間隔(足夠小)向全空間發(fā)射射線，然后跟蹤計(jì)算每根射線的幾何路徑及其相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)信息，最后在接收天線處以各有效路徑的場(chǎng)強(qiáng)矢量和作為總接收?qǐng)鰪?qiáng)，此方法一般會(huì)事先采用接收球?qū)β窂竭M(jìn)行篩選，若射線與接收球相交則判定路徑有效。

Ray Launching有算法簡(jiǎn)單、場(chǎng)景適用性強(qiáng)、接收點(diǎn)個(gè)數(shù)與路徑搜索次數(shù)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。但在其接收過(guò)程中由接收球造成的場(chǎng)強(qiáng)重復(fù)計(jì)算問(wèn)題值得注意。場(chǎng)強(qiáng)重復(fù)計(jì)算是指由于接收球的幾何特性造成的射線有可能被兩次接收的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出簡(jiǎn)單匹配式的射線發(fā)射新方法，對(duì)接收?qǐng)鲇?jì)算部分作出改進(jìn)，避免場(chǎng)強(qiáng)重復(fù)計(jì)算問(wèn)題，最終提高預(yù)測(cè)模型的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)精度。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于加權(quán)接收的簡(jiǎn)單匹配式的射線發(fā)射方法,用一根射線管狀體代表一條多徑分量，管狀體內(nèi)功率均勻分布，以Ray Launching的路徑搜索算法完成直射及反射路徑的搜索，其中利用加權(quán)接收的方法來(lái)處理在接收天線附近使用接收球篩選路徑的過(guò)程，具體地是對(duì)每條有效射線所攜帶的功率進(jìn)行加權(quán)接收，權(quán)值為代表射線的管狀體與接收球大圓相交面積占管狀體橫截面積之比。

在一個(gè)實(shí)例中具體步驟細(xì)化為：

一根射線管狀體代表一條多徑分量，每根射線管狀體的水平及豎直角間隔Δθ相同，射線跟蹤模型根據(jù)天線發(fā)射功率P_t和增益G_t直接設(shè)定每根管的初始場(chǎng)強(qiáng)，l表示當(dāng)前位置到發(fā)射天線的距離，初始場(chǎng)E₀定義為距離發(fā)射天線Tx中心點(diǎn)l＝1m處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度幅值，Tx周邊區(qū)域的豎直方向場(chǎng)強(qiáng)E滿足公式(1)，是射線方向與水平面即天線法平面夾角，E與水平方位角θ無(wú)關(guān)：

公式(2)表示Tx附近的全向輻射功率，η＝120πΩ為自由空間阻抗，為玻印亭矢量，初始場(chǎng)E₀與通過(guò)包含Tx的球面的總功率的關(guān)系：由公式(1)得單條射線場(chǎng)強(qiáng)：令公式(2)中的ds為管狀體的橫截面，則單條射線的功率如公式(3)所示：

表示第i條射線直接到達(dá)即反射次數(shù)n＝0，或經(jīng)過(guò)n次反射后到達(dá)接收天線附近的場(chǎng)強(qiáng)，其形式滿足公式(4)，j表示這n次反射中的第j階反射，n＞0，j＝1,2,...n，其中，R_j為第j階反射系數(shù)，d為總的徑長(zhǎng)，為第i條接收路徑電場(chǎng)方向矢量，對(duì)于射線被部分接收的情形，采用相交面積占比法分配功率，如公式(5)所示，其中，S_i,cross表示代表射線的管狀體橫截面與接收球面的相交面積，S_i表示代表射線的管狀體橫截面積，S_i,cross與S_i之比即為權(quán)值，如果代表射線的管狀體被接收球完全包含即完全接收，則有S_i,cross＝S_i，權(quán)值為1，P_i表示第i條射線攜帶的全部功率，是和相對(duì)應(yīng)的功率，P_ri表示被天線接收到的第i條射線的有效功率，公式(6)中，為P_ri相對(duì)應(yīng)的第i根射線管的有效接收?qǐng)鰪?qiáng)，公式(7)表示最終求得的接收?qǐng)鰪?qiáng)

即將全部與接收球相交的i條射線的有效接收?qǐng)鰪?qiáng)累加起來(lái)。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：

與現(xiàn)有Ray Launching方法相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:改進(jìn)后的RayLaunching方法比傳統(tǒng)Ray Launching方法相比，場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)精度更高，更能反映局部場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)。

附圖說(shuō)明：

圖1為發(fā)射天線附近射線幾何分布示意；

圖2為常用的多邊形三角化流程圖；

圖3為室內(nèi)場(chǎng)景模型及實(shí)景圖；

圖4為傳統(tǒng)方法、改進(jìn)方法的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

針對(duì)已有預(yù)測(cè)模型中的上述問(wèn)題，本發(fā)明改進(jìn)后的模型是用一根射線管狀體代表一條多徑分量(管狀體內(nèi)功率均勻分布)，以傳統(tǒng)Ray Launching的路徑搜索算法完成直射及反射路徑的搜索，改進(jìn)之處在于引入了加權(quán)接收的方法來(lái)處理在接收天線附近使用接收球篩選路徑的過(guò)程。此方法是對(duì)每條有效射線所攜帶的功率進(jìn)行加權(quán)接收，權(quán)值為代表射線的管狀體與接收球大圓相交面積占管狀體橫截面積之比。

本文用一根射線管狀體代表一條多徑分量。發(fā)射天線Tx附近射線幾何分布示意如圖1所示，每條線的水平及豎直角間隔Δθ相同且較小。射線跟蹤模型一般根據(jù)天線發(fā)射功率P_t和增益G_t直接設(shè)定每根管的初始場(chǎng)強(qiáng)，l表示當(dāng)前位置到發(fā)射天線的距離，初始場(chǎng)E₀定義為距離發(fā)射天線Tx中心點(diǎn)l＝1m處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度幅值。Tx周邊區(qū)域的豎直方向場(chǎng)強(qiáng)E滿足公式(1)，是射線方向與水平面(天線法平面)夾角，E與水平方位角θ無(wú)關(guān)。

公式(2)表示Tx附近的全向輻射功率，η＝120πΩ為自由空間阻抗，為玻印亭矢量(Poynting Vector)。初始場(chǎng)E₀與通過(guò)包含Tx的球面的總功率的關(guān)系：由公式(1)得單根射線場(chǎng)強(qiáng)令公式(2)中的ds為管狀體的橫截面，則單根射線的功率如公式(3)所示。

本發(fā)明在計(jì)算接收功率時(shí)利用接收球與管狀體的相交面積來(lái)處理可能存在的射線被部分接收的情形，考慮了天線形體對(duì)場(chǎng)的影響因素，更加精準(zhǔn)地模擬了射線實(shí)際接收過(guò)程。

表示第i條射線直接到達(dá)(反射次數(shù)n＝0)或經(jīng)過(guò)n次反射后到達(dá)接收天線附近的場(chǎng)強(qiáng)，其形式滿足公式(4)，j表示這n次反射中的第j階反射(n＞0，j＝1,2,...n)。其中，R為反射系數(shù)，d為總的徑長(zhǎng)，為第i條接收路徑電場(chǎng)方向矢量。圖2是接收球與射線的部分相交情形和全部相交情形示意圖。對(duì)于射線被部分接收的情形，本文采用相交面積占比法分配功率，如公式(5)所示。其中，S_i,cross表示代表射線的管狀體橫截面與接收球面的相交面積，S_i表示代表射線的管狀體橫截面積，S_i,cross與S_i之比即為權(quán)值，如果代表射線的管狀體被接收球完全包含(完全接收)，則有S_i,cross＝S_i，權(quán)值為1。P_i(相對(duì)應(yīng)的功率)表示第i條射線攜帶的全部功率，P_ri表示被天線接收到的第i條射線的有效功率。公式(6)中，為P_ri相對(duì)應(yīng)的第i根射線管的有效接收?qǐng)鰪?qiáng)。公式(7)表示最終求得的接收?qǐng)鰪?qiáng)即將全部與接收球相交的i條射線的有效接收?qǐng)鰪?qiáng)累加起來(lái)。

下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式,對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述:

以下結(jié)合兩個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景的具體實(shí)例。本發(fā)明在某房間內(nèi)部的兩條和某樓道內(nèi)的一條共三條接收路徑下，對(duì)位于路徑上的樣本點(diǎn)進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)，并對(duì)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比以驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，最后又將本方法與傳統(tǒng)Ray Launching方法進(jìn)行了比較。

改進(jìn)的Ray Launching方法仿真是利用自主編寫(xiě)的軟件實(shí)現(xiàn)的。該軟件是在VisualStudio 2010平臺(tái)下利用C#語(yǔ)言和OpenGL工具編寫(xiě)的可視化窗口應(yīng)用程序。該程序可以加載預(yù)先繪制的DXF格式的圖形文件，在設(shè)置好收發(fā)天線、介電常數(shù)、接收球半徑等各項(xiàng)參數(shù)后，通過(guò)相交測(cè)試進(jìn)行路徑搜索，直射場(chǎng)、反射場(chǎng)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)、顯示、導(dǎo)出結(jié)果等。圖3是進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)場(chǎng)景模型圖及其實(shí)景圖。其中，房間內(nèi)的場(chǎng)景模型示意及實(shí)景圖如圖3a，圖3b所示。樓道內(nèi)的場(chǎng)景模型示意及實(shí)景圖如圖3c，圖3d所示。

本發(fā)明分別在室內(nèi)和樓道兩個(gè)場(chǎng)景下對(duì)三條不同路徑上的點(diǎn)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。其中，房間內(nèi)場(chǎng)景的發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)為(14.5，1.85，2.35)，在房間內(nèi)路徑1---y＝1.85m，x＝5.15～9.95m，z＝1.4m；房間內(nèi)路徑2---y＝1.17m，x＝6.05～11.45m，z＝1.4m上均勻取點(diǎn)并將這些點(diǎn)作為接收點(diǎn)通過(guò)仿真進(jìn)行預(yù)測(cè)；樓道場(chǎng)景的發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)為(11.1，0.2，2)，在樓道路徑3---y＝0.9m，x＝2～10m，z＝1.4m上均勻取點(diǎn)并將這些點(diǎn)作為接收點(diǎn)通過(guò)仿真進(jìn)行預(yù)測(cè)。

同樣的兩個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景下，本發(fā)明對(duì)發(fā)射點(diǎn)和路徑信息完全相同的三條路徑進(jìn)行實(shí)測(cè)。房間內(nèi)場(chǎng)景的發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)為(14.5，1.85，2.35)，在房間內(nèi)路徑1---y＝1.85m，x＝5.15～9.95m，z＝1.4m和房間內(nèi)路徑2---y＝1.17m，x＝6.05～11.45m，z＝1.4m上均勻取點(diǎn)并將這些點(diǎn)作為接收點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量；樓道場(chǎng)景的發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)為(11.1，0.2，2)，在樓道路徑3---y＝0.9m，x＝2～10m，z＝1.4m上均勻取點(diǎn)并將這些點(diǎn)作為接收點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)測(cè)過(guò)程中，發(fā)射端和接收端均采用垂直極化單天線，發(fā)射2.5GHz窄帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)測(cè)。硬件使用軟件無(wú)線電USRP設(shè)備(子板型號(hào)RFX2400，最大射頻功率50mW)，此設(shè)備的軟件運(yùn)行環(huán)境為linux系統(tǒng)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的改進(jìn)方法的優(yōu)越性，我們對(duì)于射線的發(fā)射和接收分別采用傳統(tǒng)的Ray Launching方法和改進(jìn)后的Ray Launching方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其余的電參數(shù)選取、場(chǎng)景三角化算法、相交測(cè)試算法、反射場(chǎng)計(jì)算方法等部分均保持一致。圖4a、圖4b、圖4c分別顯示了兩種方法在上述三條不同的接收路徑上得出的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

上表列出了傳統(tǒng)Ray Launching方法與實(shí)測(cè)值的均方根誤差數(shù)值和改進(jìn)Ray Launching方法與實(shí)測(cè)值的均方根誤差數(shù)值。改進(jìn)后的方法與實(shí)測(cè)值的均方根誤差值與傳統(tǒng)方法相比平均降低了3.97dB。可以看出改進(jìn)后的Ray Launching方法比傳統(tǒng)Ray Launching方法預(yù)測(cè)精度更高，更能反映局部場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)。