CN101090301B

CN101090301B - 一种无线电波路径损耗仿真测量方法

Info

Publication number: CN101090301B
Application number: CN2006100871493A
Authority: CN
Inventors: 欧阳俊; 吴峰; 李晟; 陈健
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: CN101090301A

Abstract

本发明公开了一种无线电波路径损耗仿真测量方法，包括：输入数字地图，确定地图矩阵与路损矩阵，并获得传播模型和发射天线参数；根据所述发射天线参数以及要测量的范围，生成一系列以发射天线为起点的分层射线，在每条射线上取一系列取样点，并根据地图矩阵中与取样点位置对应的地图栅格确定有效取样点；根据所述有效取样点位置在地图中对应的地理信息，计算发射天线的有效高度以及绕射损耗，并结合所述传播模型，计算有效取样点的路径损耗；将有效取样点的路径损耗作为与该有效取样点对应的地图栅格的路径损耗，保存入路损矩阵中。本发明着眼于路径损耗算法的时间复杂度和空间复杂度上，设计了一种快速有效的路径损耗测量的方法。

Description

一种无线电波路径损耗仿真测量方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，提供了一种快速有效的测量无线电波中路径损耗的方法。

背景技术

无线网络规划设计的质量直接影响移动通讯网的各项指标，而电波传播的复杂性大大增加了无线网络规划质量的不确定性。通过仿真软件模拟现实网络环境，对网络性能进行仿真是提高网络规划质量的有效手段。

仿真的可信度很大程度上依赖于路径损耗计算的准确度。无线电波在现实传播环境中的传播受到复杂的地形地物的影响，存在直射、反射、绕射和散射等多种传播途径，导致路径损耗计算非常复杂。对于宏小区，目前路径损耗主要是采用半经验半确定性的传播模型进行计算，如COSTT231-Hata传播模型。基于此类传播模型的路径损耗计算涉及到了众多的因素和算法，需要在数字地图中的每一个栅格进行计算，计算量极大，在整个仿真计算中占据很大的比重。因此，在保证路径损耗计算准确度的前提下降低路径损耗算法的时间复杂度和空间复杂度成为仿真研究中的一个主要难题。

目前业界在传播模型上进行了很多的研究，也取得了相当多的成果。半经验半确定性的传播模型几乎成为目前宏小区的路径损耗计算的事实标准。但是在路径损耗计算中如何设计时间复杂度和空间复杂度最优算法方面，目前还没有发现深入的专利研究成果。涉及这方面的专利主要有：

美国专利，专利号US6985839B1，<System and method for wirelesslocation coverage and prediction>。该专利讲述到了路径损耗计算流程，但该专利进行路径损耗计算的目的是进行移动台定位，没有从时间复杂度和空间复杂度上考虑设计最优的路径损耗算法。

美国专利，专利号5710758，<Wireless network planning tool>。该专利的主要目的是如何建立无线网络规划工具，涉及到了路径损耗计算方法，其不足之处是没有深入的从时间复杂度和空间复杂度上考虑设计最优路径损耗算法，也没有提到如何通过调整因子来控制路径损耗计算的精度/速度比。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种无线电波路径损耗仿真测量方法。该方法减少了重复计算，提高了算法效率，可以快速有效的完成路径损耗的计算，而且通过一系列调整因子可以灵活控制路损计算的精度/速度比。

为了解决上述问题，本发明提出一种无线电波路径损耗仿真测量方法，主要包括以下步骤：

(1)输入数字地图、传播模型和发射天线参数，根据预测半径生成路损矩阵；

(2)根据所述发射天线参数以及要测量的范围，生成一系列以发射天线为起点的分层射线，在每条射线上取一系列取样点，并根据取样点与该点在路损矩阵中对应的栅格中心之间的距离确定有效取样点；

(3)根据所述有效取样点位置在地图中对应的地理信息，计算发射天线的有效高度以及绕射损耗，并结合所述传播模型，计算有效取样点的路径损耗；

(4)将有效取样点的路径损耗作为与该有效取样点对应的地图栅格的路径损耗，保存入路损矩阵中。

本发明所述方法，还可以进一步包括：

(5)对于没有路损值的地图栅格，根据其邻近栅格的路损值，通过插值获得路损值，并保存入路损矩阵中。

本发明所述方法，步骤(2)中进一步包括：

(21)在以发射天线的位置为圆心，以预测半径为半径的圆内生成一系列分层射线，通过调整射线层数以及每层射线中相邻两条射线的夹角控制路损计算的精度/速度比；

(22)在每一条射线上，取一系列的取样点，使得取样点在整个预测范围内分布均匀，通过调整取样点的稀疏程度控制路损计算的精度/速度比；

(23)针对每个取样点的位置，从地图矩阵中获取对应的地理信息，所述地图矩阵是根据数字地图生成的；

(24)根据该地理信息，计算取样点与该点在路损矩阵中对应的栅格中心之间的距离，取距离最短的点为该栅格的有效取样点。

本发明所述方法，步骤(3)中进一步包括：

(31)将所述一系列分层射线进行合并后，依次获得所有合并后的射线与射线上的取样点；

(32)计算发射天线的有效高度；

(33)根据取样点位置对应的地理信息确定刃峰；

(34)如果当前取样点为有效取样点，且该点对应的地图栅格没有计算路径损耗，则根据所述刃峰信息计算绕射损耗，并根据所采用的传播模型，计算当前取样点的路径损耗；

步骤(4)中进一步包括：

确定当前取样点对应的地图栅格，将计算获得的路径损耗加上发射天线方向增益作为该栅格的路径损耗保存入相应的路损矩阵中。

本发明所述方法中，步骤(33)中所述地理信息包括高程信息。

本发明所述方法中，步骤(33)中所述地理信息进一步包括地物类型信息，使用地物类型信息来补偿高程信息，用以确定刃峰。

本发明所述方法，步骤(1)中进一步包括获得接收天线参数与地球半径信息；

本发明所述方法，步骤(33)中，进一步根据所述接收天线参数与地球半径信息，计算地球曲率对地理高程信息的影响，用以确定刃峰。

本发明所述方法，步骤(3)中进一步包括：根据所述有效取样点位置在地图中对应的地理信息，计算地物损耗，并在计算当前取样点的路径损耗时考虑所述地物损耗的影响。

其中，所述地物损耗由两部分组成：地物补偿因子与穿透损耗。

本发明上述的技术方案，着眼于路径损耗算法的时间复杂度和空间复杂度上，设计了一种快速有效的路径损耗的测量方法；同时，也设计了一系列调整因子可以很方便的控制路径损耗测量的精度/速度比。

附图说明

图1为本发明所述无线电波路径损耗仿真测量方法的流程图；

图2为本发明实施例所述的方法中生成射线及取样点的示意图；

图3为本发明实施例所述的方法中地球曲率对地理高程信息的影响示意图；

图4为本发明实施例所述的方法中计算穿透损耗的示意图。

具体实施方式

如图1所示，通过以某具体网络为实施例进一步阐述本发明的方法。

步骤1、输入数字地图、传播模型、发射天线参数、接收天线参数与地球半径等信息。根据数字地图生成地图矩阵，根据预测半径生成路径矩阵。

本实施例中，网络包含一个发射天线，采用COSTT231-Hata传播模型。下倾角均为θ度。数字地图精度为20米，地图包括高程信息和地物信息。取虚拟地球半径a＝4r/3＝8493km。

步骤2、根据所述发射天线参数以及要测量的范围，生成一系列以发射天线为起点的分层射线，在每条射线上取一系列取样点，并根据地图矩阵中与取样点位置对应的地图栅格确定有效取样点。

本实施例中，该步骤具体分为以下4个小步骤：

步骤201、在以发射天线的位置为圆心，以预测半径为半径的圆内生成一系列分层射线。

如图2所示，本实施例采用双层射线，第一层R1和第二层R2射线长度均为10公里，其和为20公里，即预测半径长度。首先要确定每层射线中相邻两条射线之间的夹角R。实际计算的时候可以采用将周长分成若干份等长线的方式来确定射线数，进而确定夹角R。假设第一层R1射线将周长划分成20米长一份，则第一层R1射线总数为2*π*r/20＝2*3.1416*10000/20＝3141.6，往上取整，取3142条射线。第一层R1射线之间的夹角为360/3142度。第二层R2射线也将周长等分成20米长一份，射线总数为2*π*r/20＝2*3.1416*20000/20＝6283.2，往上取整，取6284条射线。射线之间的夹角为360/6284度。外层和内层射线数比例为2。

步骤202、在每一条射线上，取一系列的取样点，使得取样点在整个预测范围内分布均匀。

如图2所示，本实施例在每一条射线上，取一系列的点。相邻两点之间的距离为D_i。取点可以均匀分布，也可以不均匀分布。不均匀分布时，可以采用靠近发射天线D_i值较大，远离发射天线D_i值较小等策略。通过调整D_i值，可以使得取样点在整个圆内均匀分布，同时通过调整射线层数，每层射线中相邻两条射线的夹角，以及每条射线上取样点的稀疏程度可以调整路径损耗计算的精度/速度比。在本实施例中，每隔20米取一个取样点。

步骤203、针对每个取样点的位置，从所述地图矩阵中获取对应的地理信息。

本实施例中，计算射线上的每个取样点的坐标，根据坐标从地图矩阵中获取对应的地形高度和地物类型等相关地理信息。

步骤204、根据该地理信息，计算取样点与该点在路损矩阵中对应的栅格中心之间的距离，取距离最短的点为该栅格的有效取样点。

步骤3、根据所述有效取样点位置在地图中对应的地理信息，计算发射天线的有效高度以及绕射损耗，并结合所述传播模型，计算有效取样点的路径损耗。

本实施例中，该步骤具体分为以下11个小步骤：

步骤301、将所述一系列分层射线进行合并后，依次获得所有合并后的射线与射线上的取样点。

本实施例中，将内层和外层的射线进行合并，内层射线每条对应外层两条射线。合并后依次取每一条射线。合并原则是相邻两层射线和水平线夹角差最小的两条线合并成一条线；然后对每条射线，从圆心开始，依次取202步中生成的取样点，进行以下计算。步骤302至306对所有的取样点都需要进行计算。

步骤302、根据所述接收天线参数与地球半径信息，计算地球曲率对地理高程信息的影响，用以确定刃峰。

如图3所示，本实施例中，a为虚拟地球半径，取8493km。Tx为发射天线即射线起点，Rx为接收天线即当前点。A为射线中的某一点，需要求地球曲率对A点的高度的增加值H_P，计算公式为：

H_{P} (x) = \sqrt{a^{2} - x^{2}} - h = \sqrt{a^{2} - x^{2}} - \sqrt{a^{2} - {(\frac{d}{2})}^{2}}

步骤303、所述地理信息进一步包括地物类型信息，使用地物类型信息来补偿高程信息，用以确定刃峰。

本实施例中，如果需要考虑地物高度影响，则将地物类型的高度加到当前点的地形高度上。对于从射线起点到当前点之前的点的地物高度，重新运用已有的计算结果。

步骤304、计算发射天线有效高度。

本实施例中，均采用绝对高度。针对当前点，计算对应的发射天线有效高度。

步骤305、根据取样点位置对应的地理信息确定刃峰。

本实施例中，计算从射线起点到当前点的刃峰是根据步骤303和304补偿过的高程信息。在这里，刃峰的计算原则是：从发射天线到接收天线牵一条线，这条线与山峰的交点集合即为刃峰集合。

步骤306、判断当前点是否需要计算出路径损耗。

本实施例中，如果当前点为有效取样点，而且该点对应的路损矩阵栅格没有路径损耗值，则继续进行步骤307至309的计算。否则直接进入步骤301取下一取样点。

步骤307、根据所述刃峰信息计算绕射损耗。

本实施例中，根据步骤305计算出的刃峰列表，计算绕射损耗。

步骤308、根据所述有效取样点位置在地图中对应的地理信息，计算地物损耗。

本实施例中，对当前点，分别加上地物补偿因子和穿透损耗。

地物补偿因子：针对每种地物事先设定一个补偿因子(dB)，然后根据当前点所处的地物类型，在路径损耗中加上该补偿因子即可。

穿透损耗：如图4所示，假设从Tx发射天线(即射线起点)到Rx接收天线(即当前点)的路径长度为D，该路径上有n段连续的地物。其中某一段连续地物长度为V公里，该段地物中心点离接收天线距离为S公里，该类型地物穿透损耗因子为K_i(dB/km)。F(S)为变量S的函数，该函数体现地物离接收天线越近对信号衰减越大的趋势，且该函数可随传播环境变化而不同。则该段地物的穿透损耗为V_iF(S_i)K_i。整个穿透损耗为n段连续地物穿透损耗之和，计算公式为：

L = Σ_{i = 1}^{n} V_{i} F (S_{i}) K_{i}

步骤309、本实施例根据所采用的传播模型以及以上步骤的计算结果，计算出当前点的路径损耗。

步骤310、确定当前取样点对应的地图栅格，将计算获得的路径损耗加上发射天线方向增益作为该栅格路径损耗保存在入相应的路损矩阵中。

步骤311、判断所有有效取样点是否均计算完成，如果所有都计算完成，则继续进行步骤4的计算，否则直接进入步骤301中取下一取样点。

步骤4、本实施例中，对于部分没有路损值的地图栅格，采用最近邻插值法进行插值获得路损值，并保存入路损矩阵中。

上面给出的仅仅是本发明的一个典型案例，用于说明本发明，而非用于限定本发明。同样，根据本发明的技术方案还可扩展到其它无线电波覆盖预测中，如广播，电视等。

Claims

1.一种无线电波路径损耗的仿真测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)输入数字地图、传播模型、发射天线参数、接收接收天线参数和地球半径信息，根据预测半径生成路损矩阵；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：

(32)计算发射天线的有效高度；

(33)根据取样点位置对应的地理信息确定刃峰；

步骤(4)包括：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(33)所述地理信息包括高程信息。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(33)所述地理信息进一步包括地物类型信息，使用地物类型信息来补偿高程信息，用以确定刃峰。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(33)中，进一步根据所述接收天线参数与地球半径信息，计算地球曲率对地理高程信息的影响，用以确定刃峰。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括：根据所述有效取样点位置在地图中对应的地理信息，计算地物损耗，并在计算当前取样点的路径损耗时考虑所述地物损耗的影响。