基于加权接收的简单匹配式的射线发射方法与流程

本发明属于场强预测领域，具体讲,涉及基于加权接收的简单匹配式的射线发射方法。

背景技术：

简单匹配式的射线发射法(Ray Launching)是一种比较典型的正向射线跟踪方法。RayLaunching方法以射线来表示路径，从源点以等角度间隔(足够小)向全空间发射射线，然后跟踪计算每根射线的几何路径及其相应的场强信息，最后在接收天线处以各有效路径的场强矢量和作为总接收场强，此方法一般会事先采用接收球对路径进行筛选，若射线与接收球相交则判定路径有效。

Ray Launching有算法简单、场景适用性强、接收点个数与路径搜索次数无关等优点。但在其接收过程中由接收球造成的场强重复计算问题值得注意。场强重复计算是指由于接收球的几何特性造成的射线有可能被两次接收的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出简单匹配式的射线发射新方法，对接收场计算部分作出改进，避免场强重复计算问题，最终提高预测模型的场强预测精度。为此，本发明采用的技术方案是，基于加权接收的简单匹配式的射线发射方法,用一根射线管状体代表一条多径分量，管状体内功率均匀分布，以Ray Launching的路径搜索算法完成直射及反射路径的搜索，其中利用加权接收的方法来处理在接收天线附近使用接收球筛选路径的过程，具体地是对每条有效射线所携带的功率进行加权接收，权值为代表射线的管状体与接收球大圆相交面积占管状体横截面积之比。

在一个实例中具体步骤细化为：

一根射线管状体代表一条多径分量，每根射线管状体的水平及竖直角间隔Δθ相同，射线跟踪模型根据天线发射功率P_t和增益G_t直接设定每根管的初始场强，l表示当前位置到发射天线的距离，初始场E₀定义为距离发射天线Tx中心点l＝1m处的最大电场强度幅值，Tx周边区域的竖直方向场强E满足公式(1)，是射线方向与水平面即天线法平面夹角，E与水平方位角θ无关：

公式(2)表示Tx附近的全向辐射功率，η＝120πΩ为自由空间阻抗，为玻印亭矢量，初始场E₀与通过包含Tx的球面的总功率的关系：由公式(1)得单条射线场强：令公式(2)中的ds为管状体的横截面，则单条射线的功率如公式(3)所示：

表示第i条射线直接到达即反射次数n＝0，或经过n次反射后到达接收天线附近的场强，其形式满足公式(4)，j表示这n次反射中的第j阶反射，n＞0，j＝1,2,...n，其中，R_j为第j阶反射系数，d为总的径长，为第i条接收路径电场方向矢量，对于射线被部分接收的情形，采用相交面积占比法分配功率，如公式(5)所示，其中，S_i,cross表示代表射线的管状体横截面与接收球面的相交面积，S_i表示代表射线的管状体横截面积，S_i,cross与S_i之比即为权值，如果代表射线的管状体被接收球完全包含即完全接收，则有S_i,cross＝S_i，权值为1，P_i表示第i条射线携带的全部功率，是和相对应的功率，P_ri表示被天线接收到的第i条射线的有效功率，公式(6)中，为P_ri相对应的第i根射线管的有效接收场强，公式(7)表示最终求得的接收场强

即将全部与接收球相交的i条射线的有效接收场强累加起来。

本发明的特点及有益效果是：

与现有Ray Launching方法相比,本发明具有以下优点和有益效果:改进后的RayLaunching方法比传统Ray Launching方法相比，场强预测精度更高，更能反映局部场强变化趋势。

附图说明：

图1为发射天线附近射线几何分布示意；

图2为常用的多边形三角化流程图；

图3为室内场景模型及实景图；

图4为传统方法、改进方法的仿真结果与实测结果。

具体实施方式

针对已有预测模型中的上述问题，本发明改进后的模型是用一根射线管状体代表一条多径分量(管状体内功率均匀分布)，以传统Ray Launching的路径搜索算法完成直射及反射路径的搜索，改进之处在于引入了加权接收的方法来处理在接收天线附近使用接收球筛选路径的过程。此方法是对每条有效射线所携带的功率进行加权接收，权值为代表射线的管状体与接收球大圆相交面积占管状体横截面积之比。

本文用一根射线管状体代表一条多径分量。发射天线Tx附近射线几何分布示意如图1所示，每条线的水平及竖直角间隔Δθ相同且较小。射线跟踪模型一般根据天线发射功率P_t和增益G_t直接设定每根管的初始场强，l表示当前位置到发射天线的距离，初始场E₀定义为距离发射天线Tx中心点l＝1m处的最大电场强度幅值。Tx周边区域的竖直方向场强E满足公式(1)，是射线方向与水平面(天线法平面)夹角，E与水平方位角θ无关。

公式(2)表示Tx附近的全向辐射功率，η＝120πΩ为自由空间阻抗，为玻印亭矢量(Poynting Vector)。初始场E₀与通过包含Tx的球面的总功率的关系：由公式(1)得单根射线场强令公式(2)中的ds为管状体的横截面，则单根射线的功率如公式(3)所示。

本发明在计算接收功率时利用接收球与管状体的相交面积来处理可能存在的射线被部分接收的情形，考虑了天线形体对场的影响因素，更加精准地模拟了射线实际接收过程。

表示第i条射线直接到达(反射次数n＝0)或经过n次反射后到达接收天线附近的场强，其形式满足公式(4)，j表示这n次反射中的第j阶反射(n＞0，j＝1,2,...n)。其中，R为反射系数，d为总的径长，为第i条接收路径电场方向矢量。图2是接收球与射线的部分相交情形和全部相交情形示意图。对于射线被部分接收的情形，本文采用相交面积占比法分配功率，如公式(5)所示。其中，S_i,cross表示代表射线的管状体横截面与接收球面的相交面积，S_i表示代表射线的管状体横截面积，S_i,cross与S_i之比即为权值，如果代表射线的管状体被接收球完全包含(完全接收)，则有S_i,cross＝S_i，权值为1。P_i(相对应的功率)表示第i条射线携带的全部功率，P_ri表示被天线接收到的第i条射线的有效功率。公式(6)中，为P_ri相对应的第i根射线管的有效接收场强。公式(7)表示最终求得的接收场强即将全部与接收球相交的i条射线的有效接收场强累加起来。

下面将结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述:

以下结合两个室内场景的具体实例。本发明在某房间内部的两条和某楼道内的一条共三条接收路径下，对位于路径上的样本点进行了仿真和实测，并对仿真与实测结果进行了对比以验证该方法的准确性，最后又将本方法与传统Ray Launching方法进行了比较。

改进的Ray Launching方法仿真是利用自主编写的软件实现的。该软件是在VisualStudio 2010平台下利用C#语言和OpenGL工具编写的可视化窗口应用程序。该程序可以加载预先绘制的DXF格式的图形文件，在设置好收发天线、介电常数、接收球半径等各项参数后，通过相交测试进行路径搜索，直射场、反射场计算，并将计算结果存储、显示、导出结果等。图3是进行仿真实验的室内场景模型图及其实景图。其中，房间内的场景模型示意及实景图如图3a，图3b所示。楼道内的场景模型示意及实景图如图3c，图3d所示。

本发明分别在室内和楼道两个场景下对三条不同路径上的点进行了仿真实验。其中，房间内场景的发射点坐标为(14.5，1.85，2.35)，在房间内路径1---y＝1.85m，x＝5.15～9.95m，z＝1.4m；房间内路径2---y＝1.17m，x＝6.05～11.45m，z＝1.4m上均匀取点并将这些点作为接收点通过仿真进行预测；楼道场景的发射点坐标为(11.1，0.2，2)，在楼道路径3---y＝0.9m，x＝2～10m，z＝1.4m上均匀取点并将这些点作为接收点通过仿真进行预测。

同样的两个室内场景下，本发明对发射点和路径信息完全相同的三条路径进行实测。房间内场景的发射点坐标为(14.5，1.85，2.35)，在房间内路径1---y＝1.85m，x＝5.15～9.95m，z＝1.4m和房间内路径2---y＝1.17m，x＝6.05～11.45m，z＝1.4m上均匀取点并将这些点作为接收点进行测量；楼道场景的发射点坐标为(11.1，0.2，2)，在楼道路径3---y＝0.9m，x＝2～10m，z＝1.4m上均匀取点并将这些点作为接收点进行测量。

实测过程中，发射端和接收端均采用垂直极化单天线，发射2.5GHz窄带信号进行实测。硬件使用软件无线电USRP设备(子板型号RFX2400，最大射频功率50mW)，此设备的软件运行环境为linux系统。实测数据实时存入数据库。

为了验证本发明提出的改进方法的优越性，我们对于射线的发射和接收分别采用传统的Ray Launching方法和改进后的Ray Launching方法来实现。其余的电参数选取、场景三角化算法、相交测试算法、反射场计算方法等部分均保持一致。图4a、图4b、图4c分别显示了两种方法在上述三条不同的接收路径上得出的场强预测结果和实际测量结果。

上表列出了传统Ray Launching方法与实测值的均方根误差数值和改进Ray Launching方法与实测值的均方根误差数值。改进后的方法与实测值的均方根误差值与传统方法相比平均降低了3.97dB。可以看出改进后的Ray Launching方法比传统Ray Launching方法预测精度更高，更能反映局部场强变化趋势。