一种室外到室内传播模型预测室内三维空间场强的方法

摘要

本发明涉及一种室外到室内的传播模型预测室内三维空间信号场强的方法，步骤如下：建立发射基站到目标建筑之间的三维空间场景模型；根据扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测目标建筑外包络的空间场强；在目标建筑外包络按照一定的分辨率生成一系列的室外到室内的虚拟射线；利用射线跟踪传播模型算法仿真虚拟射线的传播过程，预测目标建筑物内的三维空间场强。本发明在发射基站与目标建筑物的室外区域采用一种扩展的COST231-Walfisch-Ikegami传播模型，目标建筑物的室内采用射线跟踪传播模型算法，有效结合了室外经验传播模型与室内确定性传播模型，在计算效率与计算准确度之间做到了很好的均衡，算法的工程适用性强。

主权项

一种室外到室内的传播模型预测室内三维空间信号场强的方法，其特征在于，该方法包括具体步骤如下：步骤(1)：建立发射基站到目标建筑之间的三维空间场景模型，三维空间场景模型建模包括：室外建筑街道三维场景模型和目标建筑物的室内三维场景模型，建立步骤如(1‑1)‑(1‑4)：步骤(1‑1)根据给定的GIS地图信息，利用现有建模技术，导入GIS地图信息，建立发射基站到预测区域空间的三维场景模型，三维场景模型包括建筑矢量信息、地形和地貌信息，所述建筑矢量信息为建筑物外包络模型；步骤(1‑2)根据给定的目标建筑物的CAD格式的建筑图纸，利用现有建模技术，导入CAD格式图纸，建立目标建筑物的室内三维场景模型，包括目标建筑物的大小、位置、结构及目标建筑物内的建筑物材质，建筑物材质的无线传播损耗参数数据；步骤(1‑3)根据目标建筑物的具体位置信息，将步骤(1‑1)中的室外三维场景模型中的目标建筑物的外包络模型与室内建筑物的详细模型对齐，对齐的具体步骤包括平移和旋转室内建筑模型，使得同一建筑在室内建筑模型坐标系和室外建筑模型坐标系的位置一致；步骤(1‑4)从步骤(1‑1)所述室外建筑模型中，过滤出无效建筑和街道模型信息，得到发射基站与目标建筑范围内的有效建筑物的三维建筑模型及街道信息，所述有效建筑为包含在发射基站与目标建筑室外1米高接收点的第一菲涅尔圈以内的所有建筑；所述第一菲涅尔圈的半径r的计算方法为其中，λ为电磁波的波长、d表示发射基站到接收点之间的距离，S表示垂直于发射点和接收点之间连线的一个无限大的平面，d₁和d₂分别表示发射基站和接收点与平面S的距离；所述三维建筑模型信息包括建筑物外包络信息，建筑物高度信息h_roof，建筑物地理位置信息；所述街道信息包括街道的宽度信息w、街道的地理位置信息；步骤(2)：根据扩展的COST‑231‑Walfisch‑Ikegami传播模型预测目标建筑物外包络的空间场强，包括步骤(2‑1)—(2‑6)：步骤(2‑1)在目标建筑物外围按照固定的分辨率进行现场测量并记录发射基站天线信号到达所述目标建筑物外围离地1米高度的外包络的测量数据，所述目标建筑物的外包络只包含目标建筑物靠近发射基站的一侧，不包含目标建筑物背向发射基站的一侧；其中一个接收点的测量数据包括了该接收点的位置信息及无线信号强度信息，表示为(x,y,z,M_rx)，其中x为接收点的经度信息，y为接收点的纬度信息，z为接收点的高度信息，M_rx为接收点的接收信号强度信息；步骤(2‑2)获取发射基站到步骤(2‑1)所述目标建筑物外包络离地1米高度的某一接收点之间的垂直截面，并从中获取COST‑231‑Walfisch‑Ikegami传播模型的关键参数，所述关键参数包括平均楼顶高度h_roof、平均街道宽度w、平均楼宇间距b、基站高度h_tx、接收点高度h_rx、基站发射功率W、基站发射信号频率f、基站至接收点之间的距离d、基站直射波入射方向与测试点所属街道方向的夹角Φ；根据COST‑231‑Walfisch–Ikegami传播模型计算公式，计算出所述接收点的接收信号强度T_rx；所述COST‑231‑Walfisch‑Ikegami传播模型计算接收点信号强度的方法包括如下步骤(2‑2‑1)‑(2‑2‑4)：步骤(2‑2‑1)，分别计算基站与接收点间视线传播和非视线传播的传播损耗，依据步骤(2‑2‑2)计算视线传播的传播损耗L_blos，依据步骤(2‑2‑3)计算非视线传播的传播损耗L_bNlos，因此传播损耗L_b表示为如下公式：步骤(2‑2‑2)，基站与接收点为视线传播时，传播损耗根据公式L_blos＝42.6+26lgd+20lgf计算，其中L_blos为视线传播的传播损耗；步骤(2‑2‑3)，基站与接收点为非视线传播时，传播损耗根据公式L_bNlos＝L_bs+L_rts+L_msd计算，其中L_bs为自由空间传播损耗，L_rts为屋顶至街道的绕射及散射损耗，L_msd为多重屏障的绕射损耗，L_bs、L_rts、L_msd的具体计算方法包括步骤(2‑2‑3‑1)‑(2‑2‑3‑3)：步骤(2‑2‑3‑1)，所述步骤(2‑2‑3)中，L_bs的计算公式为L_bs＝32.45+20lgd+20lgf；步骤(2‑2‑3‑2)，所述步骤(2‑2‑3)中，L_rts的计算公式为其中，步骤(2‑2‑3‑3)，所述步骤(2‑2‑3)中，L_msd的计算公式为其中，$K_d=\left\{\begin{array}{c}18,h_{\mathrm{tx}}>h_{\mathrm{roof}}\\ 18-15\left(\frac{h_{\mathrm{tx}}-h_{\mathrm{roof}}}{h_{\mathrm{roof}}-h_{\mathrm{rx}}}\right),h_{\mathrm{tx}}\le h_{\mathrm{roof}}\end{array}\right.$步骤(2‑2‑4)，当发射点与接收点为视线传播时的接收信号场强T_los＝W‑L_blos，当发射点与接收点为非视线传播时的接收信号场强T_Nlos＝W‑L_bNlos，因此接收点信号场强表示为：步骤(2‑3)：根据所述测试点的实际测量场强M_rx和预测场强T_rx，计算实测值和预测值的误差Δ＝M_rx‑T_rx，校正所述测量点的COST‑231‑Walfisch‑Ikegami传播模型计算公式：其中，实际测量场强M_rx和预测场强T_rx之间的矫正值包括视线传播的校正值Δ_los和非视线传播的校正值Δ_Nlos：步骤(2‑4)：获取发射基站到所述测量点的扩展高度h_rx′的接收点的垂直截面，所述扩展高度h_rx′与目标建筑物预测楼层高度一致，并从中过滤出发射点到接收点之间第一菲涅尔圈以外的建筑，重新获取COST‑231‑Walfisch‑Ikegami传播模型的关键参数，根据校正后的COST‑231‑Walfisch‑Ikegami传播模型计算所述测量点的扩展高度h_rx′的接收信号强度；计算测量点的扩展高度h_rx′的接收信号强度的具体包括如下步骤(2‑4‑1)‑(2‑4‑2)：步骤(2‑4‑1)，获取发射基站到所述测量点的扩展高度h_rx′间的垂直截面，从中过滤出发射点到接收点之间第一菲涅尔圈以外的建筑物，所述第一菲涅尔圈的半径r的计算方法与步骤(1‑4)中的计算方法相同，其中，d表示发射基站到接收点之间的距离，S表示垂直于发射点和接收点之间连线的一个无限大的平面，d₁和d₂分别表示发射基站和接收点与平面S的距离，第一菲涅耳半径是平面S与菲涅尔椭球相交成圆的半径；步骤(2‑4‑2)，根据过滤出第一菲涅尔圈后的三维建筑与街道信息，重新获取COST‑231‑Walfishch‑Ikegami传播模型的关键参数，利用步骤(2‑2)所述公式计算接收点的场强T_rx′，并利用步骤(2‑3)计算出的校正参数Δ，校正接收点信号场强，校正后的接收点场强可以表示为T_rx″＝T_rx′+Δ；步骤(2‑5)：在预测楼层的高度范围内改变h_rx′的高度，重复步骤(2‑4)，利用校正的COST‑231‑Walfisch‑Ikegami传播模型计算该接收点在目标楼层的接收信号强度：当预测楼层所在的高度h_rx′＞h_tx时，且为非视线传播时，运用镜像原理扩展模型算法，在应用COST‑231‑Walfishch‑Ikegami传播模型公式时，用镜像高度h_rx″代替实际高度h_rx′，镜像高度符合公式步骤(2‑6)：改变接收点的位置，重复步骤(2‑2)‑(2‑5)，计算所有预测点在目标层楼外侧的接收信号强度，从而获得目标建筑目标楼层外包络上的预测信号场强；步骤(3)：在目标建筑外包络按照固定的分辨率生成一系列的室外到室内的虚拟射线：步骤(4)利用射线跟踪传播模型算法跟踪虚拟射线的传播过程，预测目标建筑物内的三维空间场强：利用射线跟踪传播模型算法预测出目标建筑物内一个接收点i接收到的室外发射天线的信号强度，具体步骤如(4‑1)‑(4‑6)：(4‑1)根据步骤(3)中生成的虚拟射线的传播方向和室外接收点的位置，确定虚拟射线到达室内接收点i的所有传播路径：N为虚拟射线到达接收点i的传播路径的总数，根据步骤(2)中的计算结果，N条虚拟射线的初始场强分别记为室外基站的发射功率记为W，N条虚拟射线从基站在到达目标建筑物外包络的室外传播损耗分别记为(4‑2)计算每条传播路径在室内自由空间的传播损耗，其中第k条路径在自由空间传播的损耗值为L_P(f，d_k)(1≤k≤N)，f是信号频率(MHz)，d_k是第k条路径在自由空间传输的距离(km)；则第k条路径在自由空间的损耗值(dB)在不考虑透射、反射和衍射现象的情况下，其计算公式表示如下：L_P(f，d_k)＝20log10(f)+20log10(d_k)+32.45；(4‑3)计算每条传播路径受建筑物材质影响的损耗，其中L_MAT(f)是第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数，第j种材质表示为M_j(1≤j≤T)，δt，δd，δr分别为第k条路径上的无线信号与建筑材质是否存在透射、衍射、反射的关系系数，L_t(f，M_j)，L_d(f，M_j)，L_r(f，M_j)分别是在建筑材质无线传播损耗参数数据库中：无线信号频率为f时，在数据库中查找出的材质M_j所对应频率的透射、衍射和反射损耗参数；则第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和L_MAT(f)的计算公式表示如下：$L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right)=\underset{j=1}{\overset{T}{\Sigma }}(\mathrm{\delta t}*L_t(f,M_j)+\mathrm{\delta d}*L_d(f,M_j)+\mathrm{\delta r}*L_r(f,M_j));$(4‑4)计算每条虚拟射线在传播路径上的传播损耗L(f，d_k)，计算公式表示如下：$L(f,d_k)=L_{\mathrm{out}}^k+L_P(f,d_k)+L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right);$(4‑5)计算到达第i点的N条射线传播路径的损耗总和为PL(dB)；由于每条射线传播路径的能量是线性关系，计算多条传播路径的损耗通过先叠加每条射线能量(mW)，然后取平均，再将能量值转化为路损值；所述PL的计算公式表示如下：$\mathrm{PL}=10\lg \left(\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left({10}^{\frac{L(f,d_k)}{10}}\right)\right);$(4‑6)计算接收点i的无线信号强度，假设P_i是第i个接收点的信号强度(dBm)；W是无线信号发射天线的发射功率(dBm)；则第i个接收点的信号强度P_i的计算公式表示如下：P_i＝W‑P_L；(4‑7)选择建筑物内其它接收点，重复步骤(4‑1)到(4‑6)，计算接收点的信号场强，即可完成目标建筑物目标楼层室内三维空间的信号场强。