本申請(qǐng)涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于3D幾何模型的視距傳輸概率預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

高空平臺(tái)技術(shù)(HAP)，也稱為平流層平臺(tái)技術(shù)(SPF)，通過將搭載有通信設(shè)備的飛艇、熱氣球的平臺(tái)部署于距離地面17～22km的平流層與地面進(jìn)行通信，能夠有效提升無線通信網(wǎng)絡(luò)性能。與傳統(tǒng)地面蜂窩通信相比，HAP能提供更大概率的視距傳輸(LoS)，大大降低了信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗，且覆蓋范圍高達(dá)上百公里，遠(yuǎn)超過地面蜂窩不足10公里的覆蓋半徑；與衛(wèi)星通信相比，HAP信號(hào)傳輸?shù)难舆t更小，建造和發(fā)射成本更為低廉，平臺(tái)還支持定期回收檢修和設(shè)備更新；此外，平臺(tái)部署方便快捷，能作為通信中斷的緊急應(yīng)對(duì)方案?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，HAP技術(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)有通信系統(tǒng)很好的補(bǔ)充，引起了越來越多業(yè)內(nèi)人士的重視。

盡管與傳統(tǒng)地面通信相比，HAP通信提供了更大的視距傳輸概率，對(duì)于位于城區(qū)等建筑密度較大區(qū)域的用戶，或是處在HAP覆蓋邊緣，接收天線仰角較低的用戶而言，其視距傳輸仍有很大的可能性發(fā)生遮擋。這部分用戶只能接收到經(jīng)由周圍障礙物反射，散射的信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量較差。為了評(píng)估系統(tǒng)性能，為最大化覆蓋范圍的HAP部署方案提供理論支持，對(duì)視距傳輸概率進(jìn)行預(yù)測(cè)具有十分重要的意義。

目前，在HAP視距傳輸概率預(yù)測(cè)方面，主要包括幾何方法和統(tǒng)計(jì)方法兩種主流方案。

幾何方法：利用幾何關(guān)系對(duì)HAP視距傳輸概率進(jìn)行估計(jì)的方案大多基于ITU于2003年所提出的模型。該模型使用三個(gè)參數(shù)對(duì)地面環(huán)境進(jìn)行描述：

參數(shù)α：表征建筑所占面積占區(qū)域總面積的比重；

參數(shù)β：表征單位面積平均建筑數(shù)目；

參數(shù)γ：用于描述建筑高度的分布，在ITU模型中認(rèn)為建筑高度H服從瑞麗分布，即

此外，模型假設(shè)地面建筑等間距均勻分布。UE與HAP間距一旦確定，UE和HAP之間所存在的建筑數(shù)目N隨之確定，而不同位置建筑均存在一定概率遮擋LoS，因此，存在視距傳輸?shù)母怕士赏茖?dǎo)為

其中，r為UE和HAP間的地面距離。

對(duì)于郊區(qū)、城市、密集城市和高密集城市，典型參數(shù)分別為(0.1,750,8)，(0.3,500,15)，(0.3,300,20)，(0.3,300,50)，對(duì)應(yīng)LoS概率曲線可以使用Sigmoid函數(shù)加以近似，即

Θ為用戶天線仰角，a，b被稱為S曲線參數(shù)。

ITU模型雖然使用三個(gè)不同參數(shù)對(duì)不同地面環(huán)境，包括建筑密度、建筑高度等參數(shù)進(jìn)行描繪，但是其推導(dǎo)是基于建筑物等間距分布的假設(shè)上進(jìn)行的，而在實(shí)際環(huán)境中，建筑大多并不嚴(yán)格符合等間距分布。此外，該模型將建筑抽象為點(diǎn)，而并未考慮建筑尺寸所帶來的影響，因而不夠精確。

統(tǒng)計(jì)方法：基于統(tǒng)計(jì)的視距傳輸概率估計(jì)方案主要通過數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)擬合實(shí)現(xiàn)。首先，大量采集不同環(huán)境、不同條件下的HAP-UE通信數(shù)據(jù)，并分析中LoS的比例。隨后，對(duì)概率曲線進(jìn)行擬合，從而得到較為精確的視距傳輸估算公式。

與基于幾何分布的預(yù)測(cè)方案相比，基于統(tǒng)計(jì)的方案通過統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，能夠獲得較為精確的預(yù)測(cè)公式。然而，由于HAP技術(shù)尚不成熟，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取較為困難，耗費(fèi)成本較高，且所獲得的估算公式只適用于數(shù)據(jù)來源區(qū)域，因而并不實(shí)用。

綜上，現(xiàn)有HAP視距傳輸概率的估算方案要么基于過強(qiáng)的假設(shè)前提，與實(shí)際環(huán)境不夠貼切，精確度不高，要么方案較為復(fù)雜，測(cè)量成本過高，不具有普適性，因而提出新的視距傳輸估算方法迫在眉睫。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

目前現(xiàn)有的HAP視距傳輸概率預(yù)測(cè)方案大多基于ITU幾何模型進(jìn)行，通過估計(jì)UE-HAP間建筑數(shù)目，結(jié)合建筑高度分布，對(duì)視距傳輸概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于模型“建筑物等間距分布”的假設(shè)過強(qiáng)，且未考慮建筑尺寸所帶來的影響，精確度不高。因此，本發(fā)明提出了一種基于3D幾何模型的視距傳輸概率預(yù)測(cè)方法，綜合考慮地面建筑物分布、建筑物高度分布、建筑物尺寸、用戶天線仰角、用戶天線水平角等諸多因素的影響，在低復(fù)雜度的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)HAP視距傳輸概率較為精確的預(yù)測(cè)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于3D幾何模型的視距傳輸概率預(yù)測(cè)方法包括以下步驟：

S1，以用戶UE為原點(diǎn)構(gòu)建三維笛卡爾坐標(biāo)系，并設(shè)置參數(shù)；

S2，確定建筑可能遮擋視距傳輸?shù)姆秶?/p>

S3，確定建筑高度門限值；

S4，求取視距傳輸概率；

所述步驟S1中所設(shè)置參數(shù)為：

方向角用戶UE-高空通信平臺(tái)HAP連線在x-y平面上的投影與x軸之間的夾角；

用戶天線仰角θ；

建筑密度ρ：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)平均建筑物數(shù)量，單位為棟/平方千米；

建筑的寬和長(zhǎng)的尺寸為：2w和2l；

建筑高度h：這里所述建筑高度服從參數(shù)λ的指數(shù)分布，即

f(h)＝λe^-λx；

高空通信平臺(tái)HAP的坐標(biāo)可以表示為

z_h＝20km為HAP高度；

所述步驟S3中建筑高度門限值為：

(1)建筑物中心坐標(biāo)(x_b,y_b)∈(-w<x_b<w，-l<y_b<l)，視距傳輸LoS必被遮擋；

(2)建筑物中心坐標(biāo)(x_b,y_b)∈(-w<x_b<w，l<y_b<(y_h/x_h)×(x_b+w)+l)，建筑高度門限值

(3)建筑物中心坐標(biāo)(x_b,y_b)∈(w<x_b<R，(y_h/x_h)×(x_b-w)-l<y_b<(yh/xh)×(x_b+w)+l)，建筑高度門限值為

所述步驟S4中視距傳輸LoS概率求?。?/p>

所分析區(qū)域內(nèi)僅有一棟建筑物時(shí)，UE和HAP之間不存在視距傳輸?shù)母怕蕿椋?/p>

規(guī)定建筑分布在用戶UE周圍2R×2R的正方形區(qū)域內(nèi)；

因?yàn)榻ㄖ叨确膮?shù)λ的指數(shù)分布，有

(2)帶入公式(1)可得：

所分析區(qū)域內(nèi)的建筑物數(shù)目為：

N＝4R²ρ (4)

因此，LoS存在的概率為

進(jìn)一步地，所述步驟S2中，在用戶UE和高空通信平臺(tái)HAP的連線之間存在建筑物且建筑高度大于門限高度h_T時(shí)，則不存在視距傳輸。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的主要思路是首先基于3D幾何模型，確定建筑可能遮擋LoS的區(qū)域；進(jìn)而通過面積分，確定存在視距傳輸?shù)母怕省１景l(fā)明綜合考慮了復(fù)雜地面環(huán)境所帶來的影響，包括建筑物密度、建筑高度、用戶天線仰角、天線水平角等，與傳統(tǒng)LoS概率預(yù)測(cè)方案所參照的“建筑物等距分布”假設(shè)相比，具有更強(qiáng)的普適性和準(zhǔn)確性，能夠獲得高空通信平臺(tái)視距傳輸概率較為精確的估計(jì)，對(duì)于高空通信平臺(tái)部署方案的確定有較大的參照價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程示意圖；

圖2是建筑可能遮擋視距傳輸?shù)姆秶氖疽鈭D。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例

如圖1所示，基于3D幾何模型的視距傳輸概率預(yù)測(cè)方法包括以下步驟：

S1，以用戶UE為原點(diǎn)構(gòu)建三維笛卡爾坐標(biāo)系，并設(shè)置參數(shù)如下；

方向角用戶UE-高空通信平臺(tái)HAP連線在x-y平面上的投影與x軸之間的夾角；

用戶天線仰角θ；

建筑密度ρ：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)平均建筑物數(shù)量，單位為棟/平方千米；城市、鄉(xiāng)村、郊區(qū)的典型值為10³，4.95×10²，4.86×10²；

建筑的寬和長(zhǎng)的尺寸為：2w和2l；

建筑高度h：這里所述建筑高度服從參數(shù)λ的指數(shù)分布，即

f(h)＝λe^-λx；

高空通信平臺(tái)HAP的坐標(biāo)可以表示為z_h＝20km為HAP高度；

S2，確定建筑可能遮擋視距傳輸?shù)姆秶?；在用戶UE和高空通信平臺(tái)HAP的連線之間存在建筑物且高度大于門限高度h_T則無視距傳輸；即如圖2所示，當(dāng)高空通信平臺(tái)HAP與用戶UE連線在xy平面上的投影穿過AB或BC，即建筑中心(x_b,y_b)落在圖中虛線區(qū)域，且建筑高度h大于門限值h_T時(shí)，視距傳輸LoS將被遮擋，高空通信平臺(tái)HAP與用戶UE之間將不存在視距傳輸LoS。

S3，確定建筑高度門限值；

(1)建筑物中心坐標(biāo)(x_b,y_b)∈(-w<x_b<w，-l<y_b<l)，即當(dāng)建筑中心在矩形區(qū)域時(shí)視距傳輸LoS必被遮擋；

(2)建筑物中心坐標(biāo)(x_b,y_b)∈(-w<x_b<w，l<y_b<(y_h/x_h)×(x_b+w)+l)，即建筑中心落在三角形區(qū)域，UE-HAP投影將于BC邊相交，由UE-HAP投影方程

可知，交點(diǎn)由相似三角形關(guān)系可以得到，建筑高度門限值h_T有

即

(3)建筑物中心坐標(biāo)(x_b,y_b)∈(w<x_b<R，(y_h/x_h)×(x_b-w)-l<y_b<(yh/xh)×(x_b+w)+l)，即建筑中心落在菱形區(qū)域，UE-HAP連線可能與AB或BC邊相交。當(dāng)連線與AB邊相交時(shí)，交點(diǎn)坐標(biāo)為與(4)類似，可以得到建筑高度門限值為當(dāng)連線與BC邊相交，則建筑高度門限值為

S4，視距傳輸概率求??；

根據(jù)S3中對(duì)應(yīng)分析及圖1，容易得到當(dāng)所分析區(qū)域內(nèi)僅有一棟建筑物時(shí)，用戶UE和高空通信平臺(tái)HAP之間不存在視距傳輸?shù)母怕蕿椋?/p>

這里，我們認(rèn)為建筑分布在UE周圍2R×2R的正方形區(qū)域內(nèi)。

因?yàn)榻ㄖ叨确膮?shù)λ的指數(shù)分布，有

將(6)帶入公式(5)可得

所分析區(qū)域內(nèi)的建筑物數(shù)目為

N＝4R²ρ (6)

因此，LoS存在的概率為

本發(fā)明的主要思路是首先基于3D幾何模型，確定建筑可能遮擋LoS的區(qū)域；進(jìn)而通過面積分，確定存在視距傳輸?shù)母怕省１景l(fā)明綜合考慮了復(fù)雜地面環(huán)境所帶來的影響，包括建筑物密度、建筑高度、用戶天線仰角、天線水平角等，與傳統(tǒng)LoS概率預(yù)測(cè)方案所參照的“建筑物等距分布”假設(shè)相比，具有更強(qiáng)的普適性和準(zhǔn)確性，能夠獲得高空通信平臺(tái)視距傳輸概率較為精確的估計(jì)，對(duì)于高空通信平臺(tái)部署方案的確定有較大的參照價(jià)值。