[發明專利]一種基于視線的通信可視域獲得方法

在審

• 申請號: 202011600928.5
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112702747A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 竇萬峰;郭宇翔
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W16/22;H04B17/318
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 田凌濤

本發明涉及一種基于視線的通信可視域獲得方法，采用全新邏輯設計，解決了通信可達性的分析，將地形上從發射天線到其他地形接收天線的信號傳播，通過基于視線、以及信號反射或衍射機制的方法，進行信號強度計算來確定信號是否可達；依據電磁場傳播機制，針對發射天線和接收天線之間構造第一菲涅爾區，逐步計算連接發射天線和接收天線視線路徑上每個中間格網單元上通信信號的衰減值，并通過計算信號總衰減累計值來確定是否可以通信，最后根據地形上以發射天線為中心、給定半徑的格網通信信號好可達性，得到發射天線所對應的通信可視域。

技術領域

本發明涉及一種基于視線的通信可視域獲得方法，屬于通信可視域技術領域。

背景技術

地形可視域是指圍繞某個視點所看到或可見的地形區域，其廣泛應用在景觀分析、古村落布局、選址規劃和路徑規劃等領域。通信可視域是地形可視域的一種特殊情況，其是指地形上某個點設立一個發射天線，該發射天線周邊點上接收天線所能接收到信號的區域。通信可視域是基于無線電磁信號傳播，并依據發送端和接收端基于視線的傳播路徑上有無障礙物阻擋來判定是否可視。通信可視域可用于判斷中繼通信路徑規劃、發射塔選址規劃等應用，對于規劃涉及中優化建模與計算方法具有重要的意義。

射頻鏈路設計的黃金法則之一是確保發射和接收天線之間的視線(line ofsight,簡稱LOS)暢通無阻。電磁(electromagnetic，簡稱EM)能量將從天線輻射出來，并作為一系列不斷擴展的球面波陣面在空間中傳播。根據天線的具體類型，能量可以均勻地向所有方向輻射，也可以優先集中或“引導”到選定的方向。經典的類比是蠟燭發出的光照亮各個方向，而不是手電筒聚焦的光束。無線電信號和光波都是電磁輻射的表現形式，主要是頻率的不同。在任何情況下，擴展的波前都將照亮一個角區域，該角區域隨著距發射源的距離而增加。

電磁波前的某些部分將遵循在發射和接收天線之間的最短直接路徑，而且該直接路徑通常被稱為傳播的視線路徑。從接收天線的角度來看，該直接路徑包含接收信號的大部分，但是障礙物不要阻塞傳播的直接路徑而對接收信號的強度產生一些影響。因此，要被認為是暢通無阻的，LOS路徑以及垂直于該路徑的某些最小空間量必須是無障礙的。正是這種條件定義了基于視線的傳播。通過菲涅爾區的概念，我們可以定義與LOS路徑相鄰的所需的阻擋區域。

傳播路徑上的物理元素，例如建筑物、金屬結構，甚至干涉地形(特別是水體)的表面，都會導致傳播波陣面的一部分被反射。如果反射波陣面到達接收天線與正常到達接收天線的LOS波陣面是同時發生與否，其影響是接收到信號強度可能增加或降低。由兩個波前面組合產生的信號強度將等于電場的矢量和(相位和振幅)。如果兩個到達的波前面的振幅相等，但相位移了180°(或半個波長的某個倍數)，則波前面和為零，即不會接收到任何信號。相反，如果兩個到達的波前面同相(零相移或整個波長的某個倍數)，則相對于僅單獨從LOS路徑接收的信號，其接收的信號強度將會增加。這種現象稱為多徑接收。由此可見，反射波陣面比LOS波陣面到達接收天線的距離更遠。直接路徑長度和反射路徑長度的差異被稱為過度路徑長度。在直接波前面和反射波前面之間的總相位差等于由于路徑長度過長而引起的相移加上反射點的反射波前面所引起的任何相移。根據總的相位差，接收到的信號將是在接收天線處有益性或破壞性的信號進行求和得到。

傳播電磁波前面的反射機制非常復雜，由此引起的反射波前面的振幅和相位的變化依賴于許多變量。主要影響因素包括傳播波陣面的頻率、入射角、反射面的電導率和入射波陣面的偏振(垂直或水平)。反射波前的損失可歸因于一部分入射能量被反射材料透射(折射)或吸收。反射材料的電學性質(介電常數、磁導率和電導率)，以及波前面頻率是決定反射波前面振幅變化的主要因素。反射波陣面中的相移主要是入射波陣面的電場偏振和入射角的函數。總之，水平偏振波前面在反射點通常表現出至少180°的相移，而垂直偏振波前只有在小于30°的入射角時才會存在相移。當直接的LOS路徑被完全擋住時，衍射成為波前面到達接收天線的主要傳播機制，以及相對于暢通LOS，損耗才是顯著的。