[發明專利]一種室外到室內傳播模型預測室內三維空間場強的方法

有效

• 申請號: 201410583520.X
• 申請日: 2014-10-27
• 公開（公告）號: CN104363616B
• 公開（公告）日: 2018-07-03
• 發明（設計）人: 賴智華;夏冰;秦春霞
• 申請（專利權）人: 英國Ranplan無線網絡設計公司
• 主分類號: H04W24/06
• 分類號: H04W24/06
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 呂俊剛

1.一種室外到室內的傳播模型預測室內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三維場景模型，建立步驟如(1-1)-(1-4)：

步驟(1-1)根據給定的GIS地圖信息，利用現有建模技術，導入GIS地圖信息，建立發射基站到預測區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)根據給定的目標建筑物的CAD格式的建筑圖紙，利用現有建模技術，導入CAD格式圖紙，建立目標建筑物的室內三維場景模型，包括目標建筑物的大小、位置、結構及目標建筑物內的建筑物材質，建筑物材質的無線傳播損耗參數數據；

步驟(1-3)根據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建筑物的詳細模型對齊，對齊的具體步驟包括平移和旋轉室內建筑模型，使得同一建筑在室內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)所述室外建筑街道三維場景模型中，過濾出無效建筑和街道模型信息，得到發射基站與目標建筑范圍內的有效建筑物的三維建筑模型信息及街道信息，所述有效建筑物為包含在發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的所有建筑；

所述第一菲涅爾圈的半徑r的計算方法為其中，λ為電磁波的波長、d表示發射基站到接收點之間的距離，S表示垂直于發射點和接收點之間連線的一個無限大的平面，d₁和d₂分別表示發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_roof，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場測量并記錄發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據，所述目標建筑物的外包絡只包含目標建筑物靠近發射基站的一側，不包含目標建筑物背向發射基站的一側；其中一個接收點的測量數據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,M_rx)，其中x為接收點的經度信息，y為接收點的緯度信息，z為接收點的高度信息，M_rx為接收點的接收信號強度信息；

步驟(2-2)獲取發射基站到步驟(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，所述關鍵參數包括平均樓頂高度h_roof、平均街道寬度w、平均樓宇間距b、基站高度h_tx、接收點高度h_rx、基站發射功率W、基站發射信號頻率f、基站至接收點之間的距離d、基站直射波入射方向與測量點所屬街道方向的夾角Φ；

根據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T_rx；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，依據步驟(2-2-2)計算視線傳播的傳播損耗L_blos，依據步驟(2-2-3)計算非視線傳播的傳播損耗L_bNlos，因此傳播損耗L_b表示為如下公式：

步驟(2-2-2)，基站與接收點為視線傳播時，傳播損耗根據公式L_blos＝42.6+26lgd+20lgf計算，其中L_blos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，傳播損耗根據公式L_bNlos＝L_bs+L_rts+L_msd計算，其中L_bs為自由空間傳播損耗，L_rts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，L_bs、L_rts、L_msd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，L_bs的計算公式為L_bs＝32.45+20lgd+20lgf；

步驟(2-2-3-2)，所述步驟(2-2-3)中，L_rts的計算公式為：

其中，

步驟(2-2-3-3)，所述步驟(2-2-3)中，L_msd的計算公式為：

其中，

步驟(2-2-4)，當發射點與接收點為視線傳播時的接收信號場強T_los＝W-L_blos，當發射點與接收點為非視線傳播時的接收信號場強T_Nlos＝W-L_bNlos，因此接收點信號場強表示為：

步驟(2-3)：根據所述測量點的實際測量場強M_rx和預測場強T_rx，計算實測值和預測值的誤差Δ＝M_rx-T_rx，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M_rx和預測場強T_rx之間的校正值Δ包括視線傳播的校正值Δ_los和非視線傳播的校正值Δ_Nlos：

步驟(2-4)：獲取發射基站到所述測量點的擴展高度h_rx′的接收點的垂直截面，所述擴展高度h_rx’與目標建筑物預測樓層高度一致，并從中過濾出發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，根據校正后的COST-231-Walfisch-Ikegami傳播模型計算所述測量點的擴展高度h_rx’的接收信號強度；計算測量點的擴展高度h_rx’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)，獲取發射基站到所述測量點的擴展高度h_rx’間的垂直截面，從中過濾出發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r的計算方法與步驟(1-4)中的計算方法相同，其中，d表示發射基站到接收點之間的距離，S表示垂直于發射點和接收點之間連線的一個無限大的平面，d₁和d₂分別表示發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，利用步驟(2-2)所述公式計算接收點的場強T_rx’，并利用步驟(2-3)計算出的校正參數Δ，校正接收點信號場強，校正后的接收點場強可以表示為T_rx″＝T_rx′+Δ；

步驟(2-5)：在預測樓層的高度范圍內改變h_rx’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h_rx’＞h_tx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h_rx”代替實際高度h_rx’，鏡像高度符合公式

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一個接收點i接收到的室外發射天線的信號強度，具體步驟如(4-1)-(4-6)：

(4-1)根據步驟(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，根據步驟(2)中的計算結果，N條虛擬射線的初始場強分別記為室外基站的發射功率記為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

(4-2)計算每條傳播路徑在室內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L_P(f，d_k)，其單位為dB，并且1≤k≤N；f是信號頻率，其單位為MHz；d_k是第k條路徑在自由空間傳輸的距離，其單位為km；則第k條路徑在自由空間的損耗值，在不考慮透射、反射和衍射現象的情況下，其計算公式表示如下：

L_P(f，d_k)＝20 log10(f)+20 log10(d_k)+32.45；

(4-3)計算每條傳播路徑受建筑物材質影響的損耗，其中L_MAT(f)是第k條路徑上由建筑材質引起的透射、反射和衍射的衰落總和；T為目標建筑物內所有建筑材質的總數，第j種材質表示為M_j，1≤j≤T，δt，δd，δr分別為第k條路徑上的無線信號與建筑材質是否存在透射、衍射、反射的關系系數，L_t(f，M_j)，L_d(f，M_j)，L_r(f，M_j)分別是當無線信號頻率為f時在建筑材質無線傳播損耗參數數據庫中查找出的材質M_j所對應頻率的透射、衍射和反射損耗參數；則第k條路徑上由建筑材質引起的透射、反射和衍射的衰落總和L_MAT(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，d_k)，計算公式表示如下：

(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，其單位為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，其單位為mW，然后取平均，再將能量值轉化為路損值；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P_i是第i個接收點的信號強度，其單位為dBm；W是無線信號發射天線的發射功率，其單位為dBm；則第i個接收點的信號強度P_i的計算公式表示如下：

P_i＝W-PL；

(4-7)選擇建筑物內其它接收點，重復步驟(4-1)到(4-6)，計算接收點的信號場強，即可預測目標建筑物目標樓層室內三維空間的信號場強。