一種室外到室內(nèi)傳播模型預測室內(nèi)三維空間場強的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種室外到室內(nèi)的傳播模型預測室內(nèi)三維空間信號場強的方法，步驟如下：建立發(fā)射基站到目標建筑之間的三維空間場景模型；根據(jù)擴展的COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型預測目標建筑外包絡的空間場強；在目標建筑外包絡按照一定的分辨率生成一系列的室外到室內(nèi)的虛擬射線；利用射線跟蹤傳播模型算法仿真虛擬射線的傳播過程，預測目標建筑物內(nèi)的三維空間場強。本發(fā)明在發(fā)射基站與目標建筑物的室外區(qū)域采用一種擴展的COST231-Walfisch-Ikegami傳播模型，目標建筑物的室內(nèi)采用射線跟蹤傳播模型算法，有效結(jié)合了室外經(jīng)驗傳播模型與室內(nèi)確定性傳播模型，在計算效率與計算準確度之間做到了很好的均衡，算法的工程適用性強。
【專利說明】一種室外到室內(nèi)傳播模型預測室內(nèi)三維空間場強的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種室外到室內(nèi)傳播模型預測室內(nèi)三維空間場強的方法，屬于移動通 信的電磁波傳播預測的【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 無線傳播模型是一組用于預測給定環(huán)境中無線電傳播特性的數(shù)學表達式、圖表或 算法。傳播模型可以是經(jīng)驗模型（又稱統(tǒng)計模型），也可以是理論模型（也稱確定模型）， 或是二者的組合。經(jīng)驗模型的計算效率比較高，計算準確度較低，常用于室外大場景的無線 信號預測。理論模型計算準確度較高，但是計算效率比較低，常用于室內(nèi)場景的無線信號預 測。
[0003] 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的廣泛應用，移動數(shù)據(jù)流量呈爆炸式增長，據(jù)日本DoCoMo公 司的調(diào)查，80%的移動數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)生在室內(nèi)，建設室內(nèi)無線網(wǎng)絡已經(jīng)成為移動運營商滿足 移動數(shù)據(jù)業(yè)務需求，提高用戶滿意度的關鍵，一大批室內(nèi)分布式系統(tǒng)、直放站、基站拉遠、小 基站等多種形式的室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡應運而生，這些室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡與室外宏基站共同組成一個 無縫的移動通信網(wǎng)絡。然而，室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡的建設在滿足室內(nèi)業(yè)務需求的同時，也帶來了 一系列的問題，最突出的是室內(nèi)與室外網(wǎng)絡間的干擾日益嚴重，包括室內(nèi)信號對室外的泄 漏，室外基站信號對室內(nèi)的干擾。為解決室內(nèi)室外網(wǎng)絡間的干擾，室內(nèi)外聯(lián)合網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化 已經(jīng)成為未來移動運營商網(wǎng)絡規(guī)劃和建設的重點，室內(nèi)外聯(lián)合仿真是室內(nèi)外聯(lián)合規(guī)劃的前 提，室內(nèi)外聯(lián)合的傳播模型算法是進行室內(nèi)外聯(lián)合仿真的前提。然而，當前業(yè)內(nèi)的無線傳播 模型，主要有兩大類，一類適用于室內(nèi)小場景的精確仿真，一類適用于室外大場景的粗略仿 真。文獻[1]中提出了一種室外到室內(nèi)傳播模型，該模型室外采用射線跟蹤傳播模型算法， 室內(nèi)采用時域有限差分傳播模型，室內(nèi)室外均采用確定性傳播模型，計算量偏大，工程可用 性較低。缺少高效的能同時應用于室內(nèi)外聯(lián)合場景的傳播模型。
[0004] 總而言之，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題是：尋找一個快速 有效的室外到室內(nèi)傳播模型算法，快速準確的預測室外到室內(nèi)三維空間產(chǎn)生的信號場強。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種室外到室內(nèi)傳播模型預測室內(nèi)三維空間場 強的方法。
[0006] 發(fā)明概述
[0007] -種室外到室內(nèi)的傳播模型預測室內(nèi)三維空間信號場強的方法，步驟如下：建立 發(fā)射基站到目標建筑之間的三維空間場景模型；根據(jù)擴展的COST-231-Walfisch-Ikegami 傳播模型預測目標建筑外包絡的空間場強；在目標建筑外包絡按照一定的分辨率生成一系 列的室外到室內(nèi)的虛擬射線；利用射線跟蹤傳播模型算法仿真虛擬射線的傳播過程，預測 目標建筑物內(nèi)的三維空間場強。
[0008] 發(fā)明詳述
[0009] -種室外到室內(nèi)的傳播模型預測室內(nèi)三維空間信號場強的方法，包括具體步驟如 下：
[0010] 步驟（1):建立發(fā)射基站到目標建筑之間的三維空間場景模型，三維空間場景模 型建模包括：室外建筑街道三維場景模型和目標建筑物的室內(nèi)三維場景模型，建立步驟如 (1-1)-(1-4)：
[0011] 步驟（1-1)根據(jù)給定的GIS地圖信息，利用現(xiàn)有建模技術，導入GIS地圖信息，建 立發(fā)射基站到預測區(qū)域空間的三維場景模型，三維場景模型包括建筑矢量信息、地形和地 貌信息，所述建筑矢量信息為建筑物外包絡模型；
[0012] 步驟（1-2)根據(jù)給定的目標建筑物的CAD格式的建筑圖紙，利用現(xiàn)有建模技術，導 入CAD格式圖紙，建立目標建筑物的室內(nèi)三維場景模型，包括目標建筑物的大小、位置、結(jié) 構及目標建筑物內(nèi)的建筑物材質(zhì)，建筑物材質(zhì)的無線傳播損耗參數(shù)數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟（1-3)根據(jù)目標建筑物的具體位置信息，將步驟（1-1)中的室外三維場景模 型中的目標建筑物的外包絡模型與室內(nèi)建筑物的詳細模型對齊，對齊的具體步驟包括平移 和旋轉(zhuǎn)室內(nèi)建筑模型，使得同一建筑在室內(nèi)建筑模型坐標系和室外建筑模型坐標系的位置 一致；
[0014] 步驟（1-4)從步驟（1-1)所述室外建筑模型中，過濾出無效建筑和街道模型信息， 得到發(fā)射基站與目標建筑范圍內(nèi)的有效建筑物的三維建筑模型及街道信息，所述有效建筑 為包含在發(fā)射基站與目標建筑室外1米高接收點的第一菲涅爾圈以內(nèi)的所有建筑；
[0015] 所述第一菲涅爾圈的半徑r的計算方法為r= ￥，其中，λ為電磁波的波長、d 、? 表示發(fā)射基站到接收點之間的距離，s表示垂直于發(fā)射點和接收點之間連線的一個無限大 的平面，Cl1和d2分別表示發(fā)射基站和接收點與平面S的距離；所述三維建筑模型信息包括 建筑物外包絡信息，建筑物高度信息hM()f，建筑物地理位置信息；所述街道信息包括街道的 寬度信息W、街道的地理位置信息；
[0016] 步驟（2):根據(jù)擴展的COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型預測目標建筑物外包 絡的空間場強，包括步驟（2-1)-(2-6):
[0017] 步驟（2-1)在目標建筑物外圍按照固定的分辨率進行現(xiàn)場測量并記錄發(fā)射基站 天線信號到達所述目標建筑物外圍離地1米高度的外包絡的測量數(shù)據(jù)，所述目標建筑物的 外包絡只包含目標建筑物靠近發(fā)射基站的一側(cè)，不包含目標建筑物背向發(fā)射基站的一側(cè)； 其中一個接收點的測量數(shù)據(jù)包括了該接收點的位置信息及無線信號強度信息，表示為（X， y,z，Mm)，其中X為接收點的經(jīng)度信息，y為接收點的緯度信息，z為接收點的高度信息，Mm 為接收點的接收信號強度信息；
[0018] 步驟（2-2)獲取發(fā)射基站到步驟（2-1)所述目標建筑物外包絡離地1米高度的某 一接收點之間的垂直截面，并從中獲取COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型的關鍵參數(shù)， 所述關鍵參數(shù)包括平均樓頂高度hM()f、平均街道寬度w、平均樓宇間距b、基站高度htx、接收 點高度、基站發(fā)射功率W、基站發(fā)射信號頻率f、基站至接收點之間的距離d、基站直射波 入射方向與測試點所屬街道方向的夾角Φ;
[0019] 根據(jù)COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型計算公式，計算出所述接收點的接收 信號強度Trx;所述COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型計算接收點信號強度的方法包括 如下步驟（2-2-1)-(2-2-4):
[0020] 步驟（2-2-1)，分別計算基站與接收點間視線傳播和非視線傳播的傳播損耗，依據(jù) 步驟（2-2-2)計算視線傳播的傳播損耗Lbltjs，依據(jù)步驟（2-2-3)計算非視線傳播的傳播損 耗Lbmtjs，因此傳播損耗Lb表示為如下公式：
[0021]
【權利要求】
1. 一種室外到室內(nèi)的傳播模型預測室內(nèi)三維空間信號場強的方法，其特征在于，該方 法包括具體步驟如下： 步驟（1):建立發(fā)射基站到目標建筑之間的三維空間場景模型，三維空間場景模型 建模包括：室外建筑街道三維場景模型和目標建筑物的室內(nèi)三維場景模型，建立步驟如 (1-1)-(1-4)： 步驟（1-1)根據(jù)給定的GIS地圖信息，利用現(xiàn)有建模技術，導入GIS地圖信息，建立發(fā) 射基站到預測區(qū)域空間的三維場景模型，三維場景模型包括建筑矢量信息、地形和地貌信 息，所述建筑矢量信息為建筑物外包絡模型； 步驟（1-2)根據(jù)給定的目標建筑物的CAD格式的建筑圖紙，利用現(xiàn)有建模技術，導入 CAD格式圖紙，建立目標建筑物的室內(nèi)三維場景模型，包括目標建筑物的大小、位置、結(jié)構及 目標建筑物內(nèi)的建筑物材質(zhì)，建筑物材質(zhì)的無線傳播損耗參數(shù)數(shù)據(jù)； 步驟（1-3)根據(jù)目標建筑物的具體位置信息，將步驟（1-1)中的室外三維場景模型 中的目標建筑物的外包絡模型與室內(nèi)建筑物的詳細模型對齊，對齊的具體步驟包括平移和 旋轉(zhuǎn)室內(nèi)建筑模型，使得同一建筑在室內(nèi)建筑模型坐標系和室外建筑模型坐標系的位置一 致； 步驟（1-4)從步驟（1-1)所述室外建筑模型中，過濾出無效建筑和街道模型信息，得到 發(fā)射基站與目標建筑范圍內(nèi)的有效建筑物的三維建筑模型及街道信息，所述有效建筑為包 含在發(fā)射基站與目標建筑室外1米高接收點的第一菲涅爾圈以內(nèi)的所有建筑；
，其中，A為電磁波的波長、d表 示發(fā)射基站到接收點之間的距離，S表示垂直于發(fā)射點和接收點之間連線的一個無限大的 平面，Cl1和d2分別表示發(fā)射基站和接收點與平面S的距離；所述三維建筑模型信息包括建 筑物外包絡信息，建筑物高度信息h_f，建筑物地理位置信息；所述街道信息包括街道的寬 度信息w、街道的地理位置信息； 步驟（2):根據(jù)擴展的COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型預測目標建筑物外包絡的 空間場強，包括步驟（2-1) -（2-6): 步驟（2-1)在目標建筑物外圍按照固定的分辨率進行現(xiàn)場測量并記錄發(fā)射基站天 線信號到達所述目標建筑物外圍離地1米高度的外包絡的測量數(shù)據(jù)，所述目標建筑物的 外包絡只包含目標建筑物靠近發(fā)射基站的一側(cè)，不包含目標建筑物背向發(fā)射基站的一 偵h其中一個接收點的測量數(shù)據(jù)包括了該接收點的位置信息及無線信號強度信息，表示為 (X，y, z, Mj，其中X為接收點的經(jīng)度信息，y為接收點的緯度信息，z為接收點的高度信息， Mn為接收點的接收信號強度信息； 步驟（2-2)獲取發(fā)射基站到步驟（2-1)所述目標建筑物外包絡離地1米高度的某一接 收點之間的垂直截面，并從中獲取COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型的關鍵參數(shù)，所述 關鍵參數(shù)包括平均樓頂高度h_f、平均街道寬度w、平均樓宇間距b、基站高度htx、接收點高 度hra、基站發(fā)射功率W、基站發(fā)射信號頻率f、基站至接收點之間的距離d、基站直射波入射 方向與測試點所屬街道方向的夾角〇 ; 根據(jù)COST-231-Walfisch - Ikegami傳播模型計算公式，計算出所述接收點的接收信號 強度Tra ;所述COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型計算接收點信號強度的方法包括如下 步驟（2-2-1)-(2-2-4): 步驟（2-2-1)，分別計算基站與接收點間視線傳播和非視線傳播的傳播損耗，依據(jù)步 驟（2-2-2)計算視線傳播的傳播損耗Lbltjs，依據(jù)步驟（2-2-3)計算非視線傳播的傳播損耗 Lbmtjs，因此傳播損耗Lb表示為如下公式：
步驟（2-2-2)，基站與接收點為視線傳播時，傳播損耗根據(jù)公式Lbltjs = 42. 6+261gd+201gf計算，其中Lbltjs為視線傳播的傳播損耗； 步驟（2-2-3)，基站與接收點為非視線傳播時，傳播損耗根據(jù)公式LbN1()S = Lbs+Lrts+Lmsd計算，其中Lbs為自由空間傳播損耗，Lrts為屋頂至街道的繞射及散射損耗，L msd為多重屏障 的繞射損耗，Lbs、Lrts、Lmsd的具體計算方法包括步驟（2-2-3-1)-(2-2-3-3): 步驟（2-2-3-1)，所述步驟（2-2-3)中，Lbs 的計算公式為 Lbs = 32. 45+201gd+201gf ; 步驟（2_2_3_2)，所述步驟（2_2_3)中，Lrts的計算公式為
步驟（2-2-4)，當發(fā)射點與接收點為視線傳播時的接收信號場強Tltjs = W-Lbltjs，當發(fā)射 點與接收點為非視線傳播時的接收信號場強TN1()S = W-Lbmtjs，因此接收點信號場強表示為：
步驟（2-3):根據(jù)所述測試點的實際測量場強Mra和預測場強，計算實測值和預測值 的誤差A = Mra-Tra，校正所述測量點的COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型計算公式： 其中，實際測量場強和預測場強之間的矯正值包括視線傳播的校正值A 1()s和非 視線傳播的校正值Amtjs :
步驟（2-4):獲取發(fā)射基站到所述測量點的擴展高度hn'的接收點的垂直截面，所述 擴展高度hn'與目標建筑物預測樓層高度一致，并從中過濾出發(fā)射點到接收點之間第一菲 涅爾圈以外的建筑，重新獲取COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型的關鍵參數(shù)，根據(jù)校正 后的COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型計算所述測量點的擴展高度hj的接收信號強 度；計算測量點的擴展高度hj的接收信號強度的具體包括如下步驟（2-4-1)-(2-4-2): 步驟（2-4-1)，獲取發(fā)射基站到所述測量點的擴展高度hn'間的垂直截面，從中過濾 出發(fā)射點到接收點之間第一菲涅爾圈以外的建筑物，所述第一菲涅爾圈的半徑!的計算方 法與步驟（1-4)中的計算方法相同，
，其中，d表示發(fā)射基站到接收點之間的距 離，S表示垂直于發(fā)射點和接收點之間連線的一個無限大的平面，Cl1和(12分別表示發(fā)射基 站和接收點與平面S的距離，第一菲涅耳半徑是平面S與菲涅爾橢球相交成圓的半徑； 步驟（2-4-2)，根據(jù)過濾出第一菲涅爾圈后的三維建筑與街道信息，重新獲取 COST-231-Walfishch-Ikegami傳播模型的關鍵參數(shù)，利用步驟（2-2)所述公式計算接收點 的場強TJ，并利用步驟（2-3)計算出的校正參數(shù)A，校正接收點信號場強，校正后的接收 點場強可以表示為Tra" =TJ +A ; 步驟（2-5):在預測樓層的高度范圍內(nèi)改變hj的高度，重復步驟（2-4)，利用校正的 COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型計算該接收點在目標樓層的接收信號強度： 當預測樓層所在的高度hj > htx時，且為非視線傳播時，運用鏡像原理擴展模型算 法，在應用COST-231-Walfishch-Ikegami傳播模型公式時，用鏡像高度hra"代替實際高度
步驟（2-6):改變接收點的位置，重復步驟（2-2)-(2-5)，計算所有預測點在目標層樓 外側(cè)的接收信號強度，從而獲得目標建筑目標樓層外包絡上的預測信號場強； 步驟（3):在目標建筑外包絡按照固定的分辨率生成一系列的室外到室內(nèi)的虛擬射 線. 步驟（4)利用射線跟蹤傳播模型算法跟蹤虛擬射線的傳播過程，預測目標建筑物內(nèi)的 三維空間場強： 利用射線跟蹤傳播模型算法預測出目標建筑物內(nèi)一個接收點i接收到的室外發(fā)射天 線的信號強度，具體步驟如（4-1)-(4-6): (4-1)根據(jù)步驟（3)中生成的虛擬射線的傳播方向和室外接收點的位置，確定虛擬射 線到達室內(nèi)接收點i的所有傳播路徑：N為虛擬射線到達接收點i的傳播路徑的總數(shù)，根 據(jù)步驟（2)中的計算結(jié)果，N條虛擬射線的初始場強分別記為kg N〕，室外基站的 發(fā)射功率記為W，N條虛擬射線從基站在到達目標建筑物外包絡的室外傳播損耗分別記為 L^ut = W-T^ (i< k<N)； (4-2)計算每條傳播路徑在室內(nèi)自由空間的傳播損耗，其中第k條路徑在自由空間傳 播的損耗值為LP(f，dk) (I < k < N)，f是信號頻率（MHz)，dk是第k條路徑在自由空間傳輸 的距離（km);則第k條路徑在自由空間的損耗值（dB)在不考慮透射、反射和衍射現(xiàn)象的情 況下，其計算公式表示如下： LP(f, dk) = 201ogl0(f)+201ogl0(dk)+32. 45 ； (4-3)計算每條傳播路徑受建筑物材質(zhì)影響的損耗，其中Lmat (f)是第k條 路徑上由建筑材質(zhì)引起的透射、反射和衍射的衰落總和；T為目標建筑物內(nèi)所 有建筑材質(zhì)的總數(shù)，第j種材質(zhì)表示為Mj (1彡j彡T)，S t，S d，S r分別為 第k條路徑上的無線信號與建筑材質(zhì)是否存在透射、衍射、反射的關系系數(shù)，
播損耗參數(shù)數(shù)據(jù)庫中：無線信號頻率為f?時，在數(shù)據(jù)庫中查找出的材質(zhì)％所對應頻率的透 射、衍射和反射損耗參數(shù)；則第k條路徑上由建筑材質(zhì)引起的透射、反射和衍射的衰落總和 Lmat (f)的計算公式表示如下：
(4-4)計算每條虛擬射線在傳播路徑上的傳播損耗L (f，dk)，計算公式表示如下： L(f，dk) = L^ut Lp(f，dk) + LMAT(f5 (4-5)計算到達第i點的N條射線傳播路徑的損耗總和為PL(dB);由于每條射線傳播 路徑的能量是線性關系，計算多條傳播路徑的損耗通過先疊加每條射線能量（mW)，然后取 平均，再將能量值轉(zhuǎn)化為路損值；所述PL的計算公式表示如下：
(4-6)計算接收點i的無線信號強度，假設Pi是第i個接收點的信號強度（dBm) ;W是無 線信號發(fā)射天線的發(fā)射功率（dBm);則第i個接收點的信號強度Pi的計算公式表示如下： Pi = W-Pl ; (4-7)選擇建筑物內(nèi)其它接收點，重復步驟（4-1)到（4-6)，計算接收點的信號場強，即 可完成目標建筑物目標樓層室內(nèi)三維空間的信號場強。
【文檔編號】H04W24/06GK104363616SQ201410583520
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權日:2014年10月27日
【發(fā)明者】賴智華, 夏冰, 秦春霞 申請人:山東潤譜通信工程有限公司