一种基于UTD的电力系统无线通信场强预测方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于UTD的电力系统无线通信场强预测方法。

背景技术：

电网是能源生产与输送的重要渠道，是能源体系的关键枢纽。未来的电网，从技术特征上看，将向新一代电力系统演进；从功能形态上看，将向能源互联网演进。未来的能源互联网中，移动终端将达到30万个。这要求电力无线专网的信号覆盖更加稳定与强大，能随时随地支撑现场业务。因此，发展一种更加精确的场强预测方法对于电力无线专网的覆盖研究有着极强的现实意义。

在无线通信领域，有两种主要的场强预测方法。在无线通信的早期，基于实测数据的统计模型占据主导地位，其中的代表就是Okumura模型和Hata改进后的Okumura-Hata模型。这类模型能简便地预测场强，但对于其中涉及的系数不提供任何分析。这一特点使得该模型在工程应用中较为广泛，并且能够满足在常见环境中大范围(1km至20km)覆盖研究的需要；但也使得该模型不能分析路径损耗的影响因素，并且也不能很好地应用到小范围覆盖研究中。近年来，基于几何理论的传播模型在理论研究中被越来越广泛地应用。其中最为典型的就是本发明中所用的基于一致性几何绕射原理(Uniform geometricalTheory of Diffraction，UTD)的UTD模型。该模型被广泛应用于高频电磁、无人机天线布局、城市环境辐射等问题中。面向城市宏蜂窝的电力无线专网应用场景对于局部范围的深度覆盖有着更高的要求。不同于统计模型，UTD模型能够精确分析每个变量对路径损耗的影响。由此，UTD模型可以很好地反映局部范围覆盖中的场强变化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于UTD的电力系统无线通信场强预测方法，精确计算局部范围覆盖场强。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于UTD的电力系统无线通信场强预测方法，包括如下步骤：

S1,取得并输入待预测区域的几何参数,几何参数包括收端与发端之间建筑物数量及该建筑物的高度、间隔，收端与发端天线高度、收端与建筑物水平距离；

S2,对取得并输入的几何参数进行预处理,包括利用概率分布函数取得概率分布在90％以上的数据区间，并对其中的数据求取平均值,最终得到的待输入参数分别为：①发射机与接收机之间的建筑数目n、②发射机的天线高度ht、③接收机的天线高度hr、④建筑物平均高度hb、⑤建筑物间的平均间距d、⑥基站或发射机到第n栋建筑的距离dt、⑦接收机天线与第n栋建筑物的水平距离dr；

S3,利用处理后的几何参数构建UTD模型；

S4,利用UTD模型预测路径损耗；

S5,结合发射机具体参数计算接收机场强分布，预测的路径损耗单位为分贝,表示的是发射功率与接收功率的比值，再结合发射天线的具体发射功率和规定的场强可接受强度，计算出发射天线四周各个位置的接收机的接收场强与发射天线的覆盖范围。

可选的，UTD模型的构建方法包括如下步骤：

S31,利用步骤S2中得出的参数，分别计算各个中间量，中间量包括角度量与位移量，其中角度量包括①发射天线到目标建筑物的俯角α、②绕射路径绕射角的余角β、③反射路径绕射角的余角θ，位移量包括①发射器和障碍物之间的距离D1、②障碍物和接收器之间的距离D2、③障碍物经过反射到达接收器的距离r2；

S32,通过S31中的位移量，计算出过渡函数的值，该过渡函数用于求取绕射系数；S33,通过步骤S31计算出的间接角度量和步骤S32计算的过渡函数值，求得两条路径的绕射系数和反射路径中的反射系数；

S34，通过步骤S33计算出的绕射系数，计算出信号到达第n栋建筑时的场强，即之后绕射过程的入射场强；

S35，利用步骤S33计算出的绕射系数、反射系数和步骤S34计算出的绕射过程的入射场强，分别计算出绕射路径的传递函数和反射路径的传递函数，总路径的传递函数为绕射路径的传递函数和反射路径的传递函数之和。

可选的，角度量计算方法分别为：

可选的，位移量计算方法分别为：

可选的，F(X)是过渡函数，表达式为：

X1到X5计算方法为：

其中

可选的，计算绕射系数Ds,h(π/2)、Ds,h(α)、其中Ds,h(π/2)和Ds,h(α)用于计算信号经过前n-1栋建筑的绕射到达第n栋建筑时的场强，计算方法为：

DDs,h和分别用于计算模型中两条绕射路径的场强，计算方法为：

可选的，反射系数RH,V为信号在第n+1栋建筑反射时的反射系数，H和V分别代表水平和垂直极化，其计算方法为：

其中aH＝1,

εr是相对复介电常数，其计算方法为：εr＝ε-j·60σλ

其中ε和σ分别是建筑物的介电常数和电导率，理想导体电导率为无穷，

在理想情况下，即障碍物为理想导体时，RH,V分别为RH＝-1,RV＝1。

可选的，假设在每个建筑物顶部只能看到相邻的前后两栋建筑物，因此电磁波到达第n栋建筑须经过n-1次绕射，用|En+1/E0|表示经n-1次绕射后的入射场强，其下标n+1代表第n栋建筑编号为n+1，计算方法为:

可选的，两条路径的传递函数H1(f)和H2(f)，计算方法为：

其中λ＝c/f为波长。

本发明通过测量待预测地区的地形数据，建立精确的地形模型；再利用UTD理论，从而得出场强预测结果。具有如下有益效果：

1、本发明在局部场强预测中比传统的统计模型更加精准，更适于局部信号覆盖研究。

2、构建的UTD模型中考虑了反射路径，可以提高场强预测精度。

3、考虑到相位的因素，本方法并未直接求两条路径的路径损耗，而是通过传递函数的方式计算了两条路径相位的互相影响，再求得总路径损耗，可以提高场强预测精度。

公式中，α＝0的情况是利用极限对传统UTD模型的补充定义，去除了原模型中当发射机和建筑物等高时会出现的未定义点，即间断点，使模型更加完整。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为UTD模型中的城市宏蜂窝环境的路径剖面图；

图2为场强预测算法流程图；

图3为UTD模型与传统的Okumura-Hata模型的场强预测结果对比图。

具体实施方式

本发明提出一种基于一致性几何绕射原理(Uniform geometrical Theory ofDiffraction，UTD)的电力系统无线通信场强预测方法。本发明基于UTD原理，通过对地形建立精确的几何模型来预测路径损耗与场强。

一种基于UTD的电力系统无线通信场强预测方法，包括如下步骤：

S1,取得并输入待预测区域的几何参数；

S2,对取得并输入的几何参数进行预处理,包括利用概率分布函数取得概率分布在90％以上的数据区间，并对其中的数据求取平均值；

S3,利用处理后的几何参数构建UTD模型；

S4,利用UTD模型预测路径损耗；

S5,结合发射机具体参数计算接收机场强分布。

如图1所示为UTD模型中的城市宏蜂窝环境的路径剖面图。图中为发射天线与各建筑物在底部标明序号，发射天线标号为1，发射天线旁的建筑按距离由近到远分别标号为2、3、4……n、n+1……从图中可以看出，总路径分为两部分，分别是D1+D2组成的绕射路径和D1+r2组成的反射路径。绕射路径仅涉及一次绕射，反射路径涉及一次绕射和一次反射。在之后的计算中，将分别计算两条路径的传递函数，并将其相加，从而求得总路径的传递函数和路径损耗。

如图2所示为场强预测算法流程图，以下参考图2具体说明场强预测算法。

(1)在待预测场强的区域测得多组数据，其种类包括收端与发端之间建筑物数量及该建筑物的高度、间隔，收端与发端天线高度、收端与建筑物水平距离，每个类别测量若干组以保证预测的准确性。

(2)将上一步中测得的数据利用概率论的方法求取平均值以用在UTD模型中。具体的方法为分别为每一组数据建立概率分布模型，并以置信概率90％选定概率区间，即舍弃过大或过小的数据。接下来分别对各置信区间内的数据求取平均值，从而得到①发射机与接收机之间的建筑数目n②发射机的天线高度ht③接收机的天线高度hr④建筑物平均高度hb⑤建筑物间的平均间距d⑥基站或发射机到第n栋建筑的距离dt⑦接收机天线与第n栋建筑物的水平距离dr。

(3)利用上一步中得出的参数，分别计算各个中间量，包括角度量与位移量。其中角度量有①发射天线到目标建筑物的俯角α②绕射路径绕射角的余角β③反射路径绕射角的余角，也是在第n+1栋建筑发生反射的反射角余角θ，位移量有①发射器和障碍物之间的距离D1②障碍物和接收器之间的距离D2③障碍物经过反射到达接收器的距离r2。

(4)通过上一步中的位移量，可以计算出过渡函数的值。该过渡函数用于求取绕射系数。

(5)通过计算出的间接角度量和过渡函数值，可以求得两条路径的绕射系数和反射路径中的反射系数。在本发明的模型中，假设在每一栋建筑顶部只能看见相邻的前后两栋建筑，因此信号传递到第n栋建筑前需要经过n-1次绕射。这n-1次绕射的绕射系数相同，同样可以通过计算出的间接角度量和过渡函数值算出。

(6)通过计算出的绕射系数，可以计算出信号到达第n栋建筑时的场强，即之后绕射过程的入射场强。

(7)利用计算出的绕射系数、反射系数和计算出的绕射过程的入射场强，可以分别计算出绕射路径的传递函数和反射路径的传递函数。

(8)总路径的传递函数为算出的两条路径的传递函数之和。之后通过总路径的传递函数可以求得总路径损耗。该路径损耗的定义为发射天线发射功率与接收天线接收功率之比的对数，因此结合发射天线的发射功率和有效覆盖范围场强限制，可以计算出天线的有效覆盖范围。

若设发射功率为Pt,有效覆盖规定最小场强为Pd，则由|H(f)²＝Pt/Pr发射天线到有效覆盖边缘的传递函数可求，再通过公式反解出dt。理论上条件齐备，关于距离的参量均可用dt表示，从而反解出dt。可以考虑使用计算机画出H(f)在工作频率下关于dt的函数图像，利用图像法估计出有效覆盖范围大小。

在该UTD模型中，定义Pt为各向同性发射天线的发射功率，Pr为各向同性接收天线的接收功率。计算总路径损耗的总传递函数为H(f)，定义为H(f)²＝Pt/Pr。f为工作频率。总路径损耗由绕射路径损耗和反射路径损耗组成，其传递函数分别定义为H1(f)和H2(f)。因此，H(f)的计算方法为：

H(f)＝H1(f)+H2(f)

由此，总路径损耗的计算方法为：

Lt＝20lg|H(f)|

分别计算两部分路径损耗。首先，计算所需的间接几何量。其中角度量有①发射天线到目标建筑物的俯角α②第n栋建筑绕射到天线的绕射角的余角β③第n栋建筑绕射到下一栋建筑的绕射角的余角，也是在第n+1栋建筑反射的反射角余角θ。计算方法分别为：

位移量有①发射器和障碍物之间的距离D1②障碍物和接收器之间的距离D2③障碍物经过反射到达接收器的距离r2。计算方法分别为：

在此基础上，计算绕射系数Ds,h(π/2)、Ds,h(α)、和反射系数RH,V。其中Ds,h(π/2)和Ds,h(α)用于计算信号经过前n-1栋建筑的绕射到达第n栋建筑时的场强，计算方法为：

和分别用于计算模型中两条绕射路径的场强，计算方法为：

其中s(-)和h(+)分别表示水平和垂直极化，对于发射天线不同的极化方式，需要选择不同的公式。本发明中的公式都以(-)和(+)分别代表水平与垂直极化。k＝2π/λ是波数。F(X)是过渡函数，表达式为：

X1到X5计算方法为：

其中

反射系数RH,V为信号在第n+1栋建筑反射时的反射系数，H和V分别代表水平和垂直极化，其计算方法为：

其中aH＝1,

εr是相对复介电常数，其计算方法为：εr＝ε-j·60σλ

其中ε和σ分别是建筑物的介电常数和电导率(理想导体电导率为无穷)。在理想情况下，即障碍物为理想导体时，RH,V分别为RH＝-1,RV＝1。

接下来，计算入射到第n栋建筑的场强。由于本发明中的模型假设在每个建筑物顶部只能看到相邻的前后两栋建筑物，因此电磁波到达第n栋建筑须经过n-1次绕射。用|En+1/E0|表示经n-1次绕射后的入射场强，其下标n+1代表第n栋建筑编号为n+1，计算方法为:

由上述的计算结果可以分别计算两条路径的传递函数H1(f)和H2(f)，计算方法为：

其中λ＝c/f为波长。

本发明的特点在于在建模中充分考虑到了对场强的影响因素，并且能够对每一系数与参量给出具体分析。这在电力无线专网的规划与建设中有着十分重要的意义。

图3为在发射天线高为60m，接收端天线高为1.6m,建筑物高40m，间隔300m的情况下使用本方法和传统的Okumura-Hata模型进行预测的结果。从图中可以发现，两种方法预测的路径损耗结果一致。但是传统的统计模型预测结果中对局部范围内场强波动的估计能力不足，并不适合用于局部场强预测。而本方法在局部场强预测中更加精确。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。