本发明属于电波传播预测领域，具体涉及一种电磁波传播特性分析方法与分析系 统。
背景技术：
近年来随着无线移动通信地迅速发展，人们对于无线移动通信的速率和质量要求 越来越高，这就需要对室内外无线电波的传播特性进行相对精确的预测，并且对无线 网络进行不断优化和改进，才能够使得用户体验到有效性和可靠性较高的无线网络系 统。为了能够对室内无线网络进行方便地规划与优化，需要对室内环境下的电波传播 特性进行定性地分析，得出室内不同环境下的无线电波的传播方式与传播特性，以便 对室内无线信道进行分析。
目前研究无线信道的传播特性主要有两类方法：第一类是基于测量的随机统计方 法，也就是经验模型，此方法是基于大量的信道实测数据，利用多种统计方法来对信 道的各个参量进行分析，经验模型可以运用在许多实际的无线通信环境中，并且能够 得到比较准确的室内无线信道的参数特性，但是该方法对于实测设备的要求较高，且 测量成本相对较高，所以在一般情况下采用第二类方法，也就是确定性模型的方法来 对室内无线信道进行特性分析，该方法运用Maxwell方程组对电波传播进行计算分析， 其中分为：射线跟踪法、时域有限差分方法、几何光学法、几何绕射理论和一致性绕 射理论等。确定性方法基于电磁波传播的基本理论对室内无线电波的传播特性进行分 析，该方法方便快捷，运用成本较低，是室内无线通信规划和优化的有效手段。
射线跟踪法可以分辨并跟踪多径传播过程中的每一条传播路径，再根据不同的路 径信息计算相应的幅度、相位、时延等参数。射线跟踪法具有计算结果准确和计算效 率高效等特点，在室内无线信道的建模和分析中起到了重要的作用，是分析室内无线 电波传播的有效方法和途径。
技术实现要素：
本发明所要解决的问题在于针对背景技术存在的问题，提出了一种电磁波传播特 性分析方法与分析系统，一定程度上解决了对于室内无线移动通信的网络规划与优化 的问题，也方便了室内无线信道的建模与特性分析。
为此本发明采用的技术方案为一种电磁波传播特性分析方法，包括以下步骤：
(a)室内环境模型的初始化建模；
(b)建立发射射线管模块；
(c)对从源点出发的射线管进行跟踪，并对遇到墙面和障碍物的射线管进行相交测试；
(d)建立反射射线管的确定模块；
(e)建立射线管的接收判决模块；
(f)计算接收点处的总场强且对电波特性进行分析。
进一步，步骤(a)中，室内环境模型的初始化建模包括：建立环境模型的几何参数 和物理参数，具体为生成房间内的六个平面法向量，并且生成每个墙壁的介电常数和 电导率参数，建立室内环境模型坐标系，并且给房间的长、宽、高参数赋值，随后产 生六个平面方程，同时给室内环境的六个平面进行编号，以方便后续的相交测试和接 收判决，并且生成房间内各点的坐标和棱的方程，同时生成信号的发射点和接收点的 位置坐标数组。
进一步，步骤(b)中，建立发射射线管模块包括：利用入射反弹射线法，使用正二 十面体对波前球进行划分，并且设置正二十面体的各顶点坐标，生成横截面为正三角 形的射线管，并且利用数组存放射线管的三条射线方向矢量和射线管的中心射线矢量， 最后设置射线管的分裂次数。
进一步，步骤(c)中，跟踪射线管并对其进行相交测试包括：设置最大反射次数， 测试每个射线管的三条射线与平面的相交情况，判定只有当射线管的三根射线与平面 的三个交点在同一个平面时，才是一次有效的反射，利用数组记录射线管的相交点和 相交平面，并且求出正三角形的中心射线与相交平面的交点，在相交测试中，利用以 下方法来判断一条射线是否和平面相交：
假设某室内平面的方程为ax+by+cz+d＝0，射线的起点坐标为(x0,y0,z0)，方向 为(d1,d2,d3)，射线的参数方程是：t≥0，当ad1+bd2+cd3＝0时，射线 与平面平行；当ax0+by0+cz0+d＝0时，射线在平面内。除了以上两种情况，射线或 者射线的反向延长线将与平面相交，参数ti＝-(ax0+by0+cz0+d)/(ad1+bd2+cd3)，若 ti≥0，就表明射线与平面的交点在此射线上，而不在射线的反向延长线上，即此时射 线与平面相交，然后将ti代入射线的参数方程就可得出射线与平面的交点(xi,yi,zi)， 然后将该射线与相交平面的编号存入数组。
进一步，步骤(d)中，建立反射射线管的确定模块包括：此分析方法中运用入射反 弹射线法与镜像法相结合的方法来对反射射线进行预测，利用镜像法寻找镜像点，从 发射源对于每个交面的镜像点来得到反射射线管，根据追踪代数不断寻找次反射产生 的镜像点，最终确定所有的反射射线管。
进一步，步骤(e)中，建立射线管的接收判决模块包括：判断接收点是否在射线管 的内部，并且建立数组用来记录接收点处可以接收到的射线管编号，在判断接收点处 接收到的射线时，通过经由接收点处作一个与到达射线管的三角截面平行的三角平面， 然后连接所作出的平面与射线管相交的三个交点与接收点，同时连接得到的三条线段 会产生三个夹角，判断三个夹角之和若为2π，则接收点能够接收到此条射线。
进一步，步骤(f)中，计算接收点处的总场强且对电波特性进行分析包括：显示发 射机的发射信号时域波形，从发射信号的时域图中可以看出信号的波形，周期时长及 其幅值，并且对电波传播的接收功率、路径损耗、电场分量和时延-到达角分布进行计 算且作出其特性分布图，并且还能够将电波传播的轨迹以动画的形式呈现出来。
本发明还进一步提出一种实现上述电磁波传播特性分析方法的系统，包括电波传 播环境初始化建模模块、发射射线管生成模块、跟踪射线管及相交测试模块、反射射 线管确定模块、射线管到达接收点的接收判决模块、接收点处总场强计算模块，上述 模块依次执行，最终实现对电磁波传播特性的分析，电波传播环境初始化建模模块建 立传播环境的几何模型和物理模型，确定发射机和接收机的具体位置；发射射线管生 成模块建立波前球，并且对波前球进行正二十面体的划分，从而生成发射射线管；跟 踪射线管及相交测试模块运用入射及反弹射线法对不同的射线管进行跟踪，并且对射 线管与墙面的相交情况进行判决，测试射线管的直射和反射传播方式；反射射线管确 定模块运用镜像法生成入射射线的镜像源，从而产生并追踪反射射线管；射线管到达 接收点的接收判决模块通过接收点和到达射线管截面是否处于同一平面来对接收机的 接收情况进行判决；接收点处总场强计算模块运用电磁场的相关基本理论来对无线信 道传播过程中的某一特定场点进行计算和分析。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1，本发明采用基于入射反弹射线/镜像法的射线跟踪算法建立了一种分析系统来对 电磁波的传播特性和方式进行分析与演示，因为利用了入射反弹射线法和镜像法相结 合的方法，所以对于反射射线管寻迹和查找相对较为方便，降低了算法的时间复杂度 和空间复杂度。
2，本发明提供的分析系统能够较为方便快捷的对室内电磁波的传播进行特性分析， 并且能够直观的显示出电磁波在室内环境下的传播方式，对室内无线通信系统的规划 与优化有着非常重要的指导作用，具有较强的实用性。
附图说明
图1是运用入射反弹射线/镜像法进行电磁波传播分析的流程图；
图2是利用正二十面体对波前球进行划分的示意图；
图3是利用镜像法获得反射射线管的示意图；
图4是电磁波分析系统运行界面图；
图5是电磁波路径损耗分析实例图；
图6是电磁波接收功率分析实例图；
图7是电磁波时延扩展分析实例图；
图8a至8c是接收点处的X轴、Y轴和Z轴方向的电场幅度值；
图9是接收点处的时延-到达角分布实例图；
图10是电磁波的传播动画演示实例图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实际应用案例对本发明作进一步的说明。
本发明提供了一种电波传播的预测方法，利用基于入射反弹射线/镜像法的射线跟 踪方法来对室内无线电波传播特性进行预测和分析，并且运用此种射线跟踪方法建立 了一套电波传播特性分析系统，可以很大程度地简化室内无线信道的规划与优化流程， 方便对室内无线电波传播特性的分析与研究。其中，提供的一种电磁波传播特性分析 方法与分析系统的步骤和模块可具体分为以下几类：电波传播环境的建模模块，创建 波前球和发射射线管的生成模块，射线管的相交测试模块，反射射线管的确定模块， 射线管到达接收点的接收判决模块和接收机处的总场强计算模块。通过这几类模块的 建立，形成了一个对室内电磁波进行特性分析的分析系统。
本发明提供的分析方法是基于射线跟踪法中的入射反弹射线/镜像法(SBR/IM)，入 射反弹射线/镜像法是一种修正了入射反弹射线技术的确定性方法，它将入射反弹射线 法和镜像法这两种方法有效地结合在一起，特别适用于预测微蜂窝小区及室内的无线 电波的传播特性。入射反弹射线/镜像法首先根据镜像法得到发射源所对应的镜像源， 再通过入射反弹射线法确定反射射线管并且跟踪室内反弹的镜像射线管，来处理由三 角形小平面组成的有家具布置房间中的无线电波传播，不需要利用接收球，假若接收 机在射线管内，该射线管将对接收机处的场强有贡献，并且可以确定相应的等效源， 另外，还包括家具边缘的一阶绕射射线，可以把绕射射线归咎于相对应的镜像，通过 对所有这些镜像贡献的叠加，可以得到接收机处的总场强。
为了能够实现对室内电磁波传播特性的预测和分析，发明的分析系统由以下几个 模块组成和实现：
电波传播环境初始化建模模块：首先建立传播环境的几何模型，包括以下几个步 骤：
(a)以地面所在的平面作为XOZ坐标平面，并且建立坐标系，设置室内房间的尺寸参 数、发射机的位置坐标T(xt,yt,zt)和接收机的位置坐标R(xr,yr,zr)；
(b)确定房间的顶点A、B、C、D、E、F、G、H相对应的坐标，12条棱所在的直线方 程以及六个墙面所在的平面方程；
(c)规定墙面的法向量的正向为垂直指向房间外部；
(d)设定墙面1代表地面所在的平面BCHF；墙面2代表天花板所在平面ADEG，墙面3 代表左平面ADCB，墙面4代表前平面DCFE，墙面5代表右平面EFHG，墙面6代表后平 面AGHB；
(e)然后建立传播环境的物理模型，包括设置地面的相对介电参数为ε1r，电导率为σ1， 相对磁导率为μ1r；还需要得知并设置六个墙面的电参数，以墙面ADGE为例，需要预先 知道墙面的相对介电常数ε2r，电导率σ2，相对磁导率μ2，其他墙面需要知道同样类似 的电参数。另外在频域分析时，需要分别知道发射天线与接收天线的发射功率f，方 向图函数和天线的极化方式。
发射射线管生成模块包括：
(a)与设置电波传播的环境模型相同，首先设置并输入发射点源的坐标T(xt,yt,zt)， 接收点的坐标R(xr,yr,zr)；
(b)从点源发射波前球，设半径为r，利用正二十面体内接波前球并对波前球进行划分， 如图2所示，其中正二十面体有十二个顶点，分别记为Pn(n＝1,2,…,12)，相应坐标为 Pn(xn,yn,zn)(n＝1,2,…,12)。如果需要增加电波传播分析的精度，则可以将波前球进行细 分，使得射线管的界面变小，生成更多的射线管，每一次划分是将正二十面体的每个 等边三角形分成四等份，也就是连接各边的中点，这样正二十面体经过n次划分就可 以形成正N面体，其中N＝20×4n；
(c)再从十二个顶点中依次按正确组合选取能够确定构成三角形射线管的二十个三 角形，需要重新标记为ΔQiQjQk(i,j,k是从1,2,3…，12中选取的二十个确定的组合)， 此时这二十个三角形再和点源T组成确定的二十个三角形射线管，记为T-QiQjQk (i,j,k是从1,2,3…，12中选取的二十个确定的组合)。这时，构成每个射线管的三条 射线方向矢量唯一确定；例如射线管T-QiQjQk的三条射线方向矢量可以表示为： {xi-xt,yi-yt,zi-zt}，{xj-xt,yj-yt,zj-zt}和{xk-xt,yk-yt,zk-zt}，其中 Qi,Qj,Qk的坐标为{xi,yi,zi}，{xj,yj,zj}和{xk,yk,zk}。则构成每个射线管的三条射线 所在的直线方程就是：
跟踪射线管及相交测试模块包括：
(a)遍历组成每个射线管的所有三条射线，对三条射线都进行相交测试，判断射线管 是否与同一平面相交，如果组成该射线管的三条射线都与同一平面相交，则判断该射 线与此平面相交；
(b)首先判断组成射线管的三条射线中的一条射线是否与平面相交，假设室内电波传 播环境中的某一平面方程为
ax0+by0+cz0+d＝0
射线起点坐标为(x0,y0,z0)，方向为(d1,d2,d3)，参数方程为：
当ad1+bd2+cd3＝0时，射线与平面平行；当ax0+by0+cz0+d＝0时，射线在平面内。 除去以上两种情况，射线或该射线的反向延长线就与平面相交，此时得出 ti＝-(ax0+by0+cz0+d)/(ad1+bd2+cd3)，若ti≥0，就表明射线与平面的交点在该射线 上，而不在射线的反向延长线上，表明此时射线与平面相交，然后根据ti值代入射线的 参数方程，即可求得交点坐标(xi,yi,zi)，之后记录该射线与相交平面的平面编号，然 后再对射线管的另外两根射线进行相交测试，如果最终得出的三条射线的相交平面编 号都相同，则判断此射线管与该平面确实相交。
反射射线管确定模块包括：在对射线管与平面进行相交测试之后，可以通过运用 镜像法来得到下一代的反射射线管，从而完成了由第n代射线管到第n+1代射线管的 寻迹，镜像法就是通过得到反射射线管的方向矢量得出反射射线管，如图3所示。通 过镜像法得到镜像点，再计算出入射射线管的三条射线与相交平面的三个交点，分别 连接镜像点和三个交点就可以确定反射射线管，得到第n+1代射线管。设墙面所在平 面Π的法向量为入射射线管为T-PiPjP，点源关于平面Π的镜像点为T'，求出镜 像点T'的坐标，平面Π的交点分别是Ai,Aj,Ak和反射射线管为T'-BiBjBk，根据平面解 析几何的知识，可以求得反射射线管T'-BiBjBk的方向矢量为：
然后连接镜像点和三个交点便可以确定发射射线管的相应矢量。
射线管到达接收点的接收判决模块包括：
(a)接收判决模块主要由两个子模块组成，一个是用来做接收测试，判断射线管能否 被接收点正确接收，也就是判断接收机所在的点坐标是否在射线管内，另一个子模块 是用来记录接收点处可以接收到的射线管编号及其其他有用数据；
(b)首先获取组成射线管的三条射线的方向矢量和射线所在的直射方程，以及点源和 接收点的位置坐标，由已知条件求得射线管的三角形截面所在平面的平面方程和法向 量；
(c)通过接收点作一个平面平行于射线管的三角形截面，分别与射线管的三条延长线 相交于三个点；
(d)连接所作的平行面与射线管延长线的交点，构成一个三角形面，然后判断接收机 是否在三角形面内；
(e)将接收点与三角形面的三个交点连接起来，并且求出三条连接线的方向矢量，利 用解析几何的知识求出每两条连接线之间的夹角，然后计算三条连接线之间两两夹角 的和，若夹角之和为2π，则判断该射线管可以被接收机正确接收，否则无法接收。
接收点处总场强计算模块包括：
(a)首先判断到达接收点的场是直射场还是反射场，然后再分别利用直射场和反射场 相应的计算方法计算到达接收点的场强，最后将接收点处的各个场进行矢量叠加，得 到总场；
(b)若发射点为T，接收点为R，则直射场可由计算得出，其中表示 射线管初始场强或参考位置场强的大小，k为波数，为射线管到达接收点的传播距 离；
(c)反射场的场强大小可由计算得出，其中表示 射线管的初始场强或射线管在参考位置的场强，和分别表示射线管在整个射 线路径下的反射和折射系数的并矢量，γi和li表示射线管在初始位置或参考位置开始 计算的相位变化和衰减变化，表示扩散因子，其中SΔ1和SΔ2分别表示接收 点处的射线管三角形截面的面积和初始位置射线管的三角形截面的面积。
参考图1，本发明基于入射反弹射线/镜像法的具体实现步骤为：
(a)室内环境模型的初始化建模；
(b)建立发射射线管模块；
(c)对从源点出发的射线管进行跟踪，并对遇到墙面和障碍物的射线管进行相交测试；
(d)建立反射射线管的确定模块；
(e)建立射线管的接收判决模块；
(f)计算接收点处的总场强且对电波特性进行分析。
参考图5，首先建立室内房间环境的物理尺寸，包括长宽高参量，并且进行设置， 然后室内环境模型就会绘制在分析系统的视图区域中；
设置发射机的坐标位置，包括设置其x，y和z坐标值，随后发射机就会在分析系 统界面上呈现；
设置接收机的坐标位置，可以设置点型接收机，也可以设置路径接收机，在设置 路径接收机时，首先设置接收机的起点坐标，然后设置终点坐标位置，最后设置路径 接收机的取样间隔，需要注意在设置发射机和接收机的过程中，发射机和接收机的坐 标位置都必须在已建立的环境模型的内部，而不能超出其边界；
对发射机的发射信号进行发射功率和信号频率的设置，信号频率的单位可以选择 Hz、MHz和GHz，发射信号的功率单位可以选择mW或dBm，然后还需设置发射信号的极 化方式，可以选择水平极化或垂直极化；
设置计算深度，也就是设置算法的反射次数、绕射次数和射线管的分裂次数，分 裂次数决定了对于电磁波的预测精确度，但是分裂次数越大，算法的时间复杂度也就 相应增加；
将室内环境模型参数和发射信号等相关参数设置完成后，就可以启动分析系统对 电磁波的传播特性进行分析，在分析系统运行时，可以终止分析运行过程，分析的进 度也将会显示在分析系统的运行界面上，图4是电磁波分析系统运行界面图。
当分析系统运行完成度达到100％时，表示分析系统已完成对室内环境模型下的电 磁波传播的预测分析，之后可以查看电磁波在环境模型中传播的路径损耗，接收功率 和时延扩展分析图，如图6至8所示，也可以查看各个接收机处的电场在X、Y和Z分 量上的幅度值和接收点处的时延-到达角分布图，如图9所示，为了能够直观地分析和 观察电磁波在室内环境下的传播方式，通过本发明中的分析系统，可以对环境模型下 的电磁波传播模式进行动画传播演示，如图10所示。