本發(fā)明涉及一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，屬于無線通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、無人機(jī)作為空中基站在無線通信領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。通過部署無人機(jī)基站，可以快速建立臨時通信，確保救災(zāi)和應(yīng)急響應(yīng)的通信需求。

2、目前無線通信研究主要集中在室內(nèi)環(huán)境、城市區(qū)域和居民小區(qū)，而對山地環(huán)境的研究相對較少。并且，針對山地環(huán)境中的無線通信，尚未對特定山地坡度進(jìn)行深入分析。本發(fā)明采用一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法對不同坡度山地的無線通信進(jìn)行模擬研究，填補(bǔ)了這一研究空白。

3、為了應(yīng)對山地環(huán)境中信號傳播路徑的復(fù)雜性問題，本發(fā)明通過一種結(jié)合數(shù)字高程模型(dem)和射線追蹤算法，并引入山地坡度，對山地?zé)o線信道通信系統(tǒng)進(jìn)行了建模。首先，傳統(tǒng)的無線信道模型難以準(zhǔn)確反映山地環(huán)境中的地形特征，導(dǎo)致信號傳播路徑計算誤差較大。通過引入數(shù)字高程模型，研究得以獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，從而提升了山地環(huán)境中無線信道模型的精確性。其次，采用射線追蹤算法，模擬信號的傳播路徑，提供了更真實的信號能量損耗計算。最后，在信道模型中引入山地坡度，考慮不同坡度對信號傳播路徑的影響，從而仿真信號在不同坡度條件下的傳播特性。通過這些技術(shù)的結(jié)合，能夠提高信道模型的真實性和可靠性，使得在多坡度山地環(huán)境下的通信設(shè)計更加可靠。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，針對山地環(huán)境中的無線通信信號傳播路徑的復(fù)雜的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，具體步驟為：

3、s1：下載數(shù)字高程數(shù)據(jù)；

4、s2：使用arcgis對數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，選取所需地形；

5、s311：使用arcgis提取地形中的山地坡度，生成坡度圖層；

6、s312：在生成的坡度圖層上取樣點；

7、s321：使用wireless?insite設(shè)置地形的相對介電常數(shù)和導(dǎo)電度，完成山地環(huán)境仿真；

8、s322：設(shè)定信號中心頻率，帶寬和天線的相關(guān)配置，為接收器提供天線選擇；

9、s4：根據(jù)樣點位置使用wireless?insite放置接收器，并且確定接收器相關(guān)參數(shù)；

10、s5：在地形中央上方放置發(fā)射器并設(shè)定發(fā)射器的相關(guān)參數(shù)；

11、s6：設(shè)定計算引擎，組合通信系統(tǒng)；

12、s7：分析信道特性snr，實現(xiàn)多坡度山地?zé)o線信道建模。

13、可選的，所述下載數(shù)字高程數(shù)據(jù)，通過數(shù)字地理云網(wǎng)站下載aster?gdem?30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。數(shù)字高程表示的是區(qū)域d上的三維向量有限序列，用函數(shù)表示為:

14、vi＝(xi,yi,zi)(i＝1,2,3,...n)

15、其中，(xi,yi)是平面坐標(biāo)，zi是(xi,yi)對應(yīng)的高程。

16、可選的，所述數(shù)字高程數(shù)據(jù)分割是將輸入要素進(jìn)行分割后生成多個輸出要素類的子集。具體操作是：首先把步驟s1中下載下來的數(shù)字高程數(shù)據(jù)以.img文件形式導(dǎo)入arcgis，在提取分析一欄中選擇分割，設(shè)定輸出地形的個數(shù)。然后選取所需地形，將地形以.tif格式導(dǎo)出。

17、所述山地坡度是地形表面相對于水平面的傾斜程度，山地坡度通過計算表面中心像元在水平方向(dz/dx)和垂直方向(dz/dy)的高程變化率來確定的。坡度以度為單位的計算公式是：

18、

19、其中，atan是反正切函數(shù)。

20、可選的，所述取樣點是在坡度圖層上選取某幾個點，從而獲得樣點的山地坡度值，樣點位置的選取首先是在地形的x軸每隔30米畫一條線，再在y軸每隔30米畫一條線，取兩條直線的交叉點為樣點。

21、可選的，所述相對介電常數(shù)用于描述地形材料在電場中儲存電能的能力，導(dǎo)電度是表示地形材料傳導(dǎo)電流的能力，相對介電常數(shù)和導(dǎo)電度根據(jù)地形材料和信號的中心頻率來設(shè)定。

22、可選的，所述天線的相關(guān)配置有天線的極化模式、天線搭配的波形、天線的最大增益以及接收閾值。

23、可選的，所述放置接收器是在wireless?insite軟件中，打開所選取的地形，根據(jù)取樣點位置放置接收器，接收器的相關(guān)參數(shù)有天線的種類，朝向，噪音系數(shù)和高度。

24、可選的，所述發(fā)射器的相關(guān)參數(shù)包括發(fā)射器采用的天線種類、朝向、輸入功率和高度，所述發(fā)射器用來模擬無人機(jī)作為基站發(fā)送信號。

25、可選的，所述計算引擎是在指定的區(qū)域范圍內(nèi)計算信號從發(fā)射器傳播到接收器的算法模型，同時設(shè)置射線追蹤算法的反射，透射，繞射的次數(shù)。所述組合通信系統(tǒng)是在建模過程中設(shè)置一組或者多組由發(fā)射器和接收器組成的通信系統(tǒng)，進(jìn)而能實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的計算。

26、可選的，所述snr是通過一個發(fā)射器的接收功率與所有噪聲源的功率之和計算得到，計算公式為：

27、snr(db)＝10log10(pr)-10log10(ntotal)

28、其中，pr是發(fā)射器產(chǎn)生的接收功率，ntotal是所有噪聲源的功率之和。ntotal根據(jù)無線通信場景來設(shè)置參數(shù)。若snr值普遍低于-10db時，則返回步驟s5，調(diào)整發(fā)射器采用的天線種類、朝向、輸入功率和高度，以達(dá)到良好的通信效果，實現(xiàn)多坡度山地?zé)o線信道建模。其中pr的計算公式是：

29、

30、其中，θ是z軸與水平面的夾角,φ是水平面上x軸與y軸的夾角。np是總的路徑數(shù)目，λ是信號波長，β是發(fā)射信號的頻譜st(f)與接收器接收的頻譜sr(f)的重疊，η0是自由空間阻抗，eθ,i是第i條射線到達(dá)接收器的俯仰方向的電場強(qiáng)度，eφ,i是第i條射線到達(dá)接收器的水平方向的電場強(qiáng)度，θi和φi是其射線的到達(dá)角度，其中g(shù)θ(θ,φ)，gφ(θ,φ)和β的計算公式如下：

31、

32、其中，ft和bt分別為發(fā)射波形的中心頻率和帶寬。gθ(θ,φ)和gφ(θ,φ)的計算公式如下：

33、gθ(θ,φ)＝10log10[gmax|fθ(θ,φ)|2]

34、gφ(θ,φ)＝10log10[gmax|fφ(θ,φ)|2]

35、其中，gmax是最大增益。

36、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明使得信道模型能夠更準(zhǔn)確地模擬信號在不同坡度條件下的傳播特性。研究坡度對信號傳播的影響，有助于優(yōu)化無線通信系統(tǒng)的設(shè)計和部署，尤其在自然災(zāi)害或緊急事件中，能夠快速部署高效的通信網(wǎng)絡(luò)，確保信息傳遞的可靠性。該通信系統(tǒng)能夠在不同坡度的山地環(huán)境中實現(xiàn)無線通信，具有重要的實際應(yīng)用價值。

技術(shù)特征：

1.一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于，所述下載數(shù)字高程數(shù)據(jù)具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s2中，所述數(shù)字高程數(shù)據(jù)分割是將輸入要素進(jìn)行分割后生成多個輸出要素類的子集，具體操作是：首先把步驟s1中下載下來的數(shù)字高程數(shù)據(jù)以.img文件形式導(dǎo)入arcgis，在提取分析一欄中選擇分割，設(shè)定輸出地形的個數(shù)，然后選取所需地形，將地形以.tif格式導(dǎo)出。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s311中，所述山地坡度是地形表面相對于水平面的傾斜程度，山地坡度通過計算表面中心像元在水平方向(dz/dx)和垂直方向(dz/dy)的高程變化率來確定的，以度為單位的計算公式是：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s312中，所述取樣點是在坡度圖層上選取某幾個點，從而獲得樣點的山地坡度值，樣點位置的選取首先是在地形的x軸每隔30米畫一條線，再在y軸每隔30米畫一條線，取兩條直線的交叉點為樣點。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s321中，所述相對介電常數(shù)用于描述地形材料在電場中儲存電能的能力，導(dǎo)電度是表示地形材料傳導(dǎo)電流的能力，相對介電常數(shù)和導(dǎo)電度根據(jù)地形材料和信號的中心頻率來設(shè)定。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s322中，所述天線的相關(guān)配置有天線的極化模式、天線搭配的波形、天線的最大增益以及接收閾值。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s4中，所述放置接收器是在wireless?insite軟件中，打開所選取的地形，根據(jù)樣點位置放置接收器，接收器的相關(guān)參數(shù)有天線的種類，朝向，噪音系數(shù)和高度。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s6中，所述計算引擎是在指定的區(qū)域范圍內(nèi)計算信號從發(fā)射器傳播到接收器的算法模型，同時設(shè)置射線追蹤算法的反射，透射，繞射的次數(shù)；所述組合通信系統(tǒng)是在建模過程中設(shè)置一組或者多組由發(fā)射器和接收器組成的通信系統(tǒng)，進(jìn)而能實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的計算。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，其特征在于：步驟s7中，所述snr是通過一個發(fā)射器的接收功率與所有噪聲源的功率之和計算得到，計算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種結(jié)合數(shù)字高程模型和射線追蹤的多坡度山地?zé)o線信道建模方法，屬于無線通信領(lǐng)域。以無人機(jī)基站輔助通信，適用于在自然災(zāi)害或緊急事件中，快速部署高效的通信網(wǎng)絡(luò)。通過數(shù)字高程模型，能夠建立真實的不同坡度山地環(huán)境和獲取山地坡度；通過射線追蹤法能夠預(yù)測信號傳播路徑和獲取信號的傳播特性。該建模方法首先建立真實的山地場景，提取山地坡度，然后獲取信道模型參數(shù)，分析信道特性，最后根據(jù)信道特性數(shù)據(jù)調(diào)整發(fā)射器參數(shù)，實現(xiàn)多坡度山地?zé)o線信道建模。本發(fā)明所提建模方法主要思路是通過準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)和信道特性數(shù)據(jù)來分析信道模型，并通過調(diào)整參數(shù)來提高無線通信系統(tǒng)的可靠性。為應(yīng)急通信和技術(shù)創(chuàng)新提出了設(shè)計建議。

技術(shù)研發(fā)人員：宋健,張苗,沈韜,王青旺,顧業(yè)博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30