室内外场景下基于射线跟踪算法的无线信道预测研究

摘要

室内、外无线网络设备市场不论是在商用方面还是在民用方面的发展都被寄予厚望。室内、外传播信道特性的全面调查研究是设计和实现这种应用的一个基本步骤，这使得使用能精确预测室内、外环境下的传播信道特性的传播模型成为必要。传统的传播模型适用于较大场景，该模型一般基于经验模型和半经验模型。然而，随着通信量的稳定增长，蜂窝小区也越来越小，传统的传播模型已经不能提供准确的传播预测。作为确定性算法的射线跟踪成为了传统模型的合适替代工具，并被广泛地使用。射线跟踪一般用于对无线通信系统信道特性的定点预测的计算，该技术能提供多径接收情况时的时延和到达角信息。因此，射线跟踪能为无线电波传播预测和网络规划提供可靠的理论依据。本文针对室内微微小区和街道微小区环境的几何信息存储格式，进行合理的场景建模，在此基础上基于射线跟踪技术实现对这两种场景下的无线信道预测，并系统地研究了覆盖预测的加速技术。主要的研究内容及取得的研究成果如下： ⑴介绍了射线跟踪算法的理论基础:几何光学和一致性绕射理论;详细给出了室内微微小区和街道微小区环境下射线跟踪算法中牵涉到的主要概念和基本定义，在此基础上，提出了一种新型虚拟源树理论;详细地给出了射线跟踪能预测的无线信道参数及其对应的计算公式。 ⑵提出了针对复杂典型室内场景的环境建模方法，并设计出了一种能用于室内三维射线跟踪算法的新型标准环境信息格式;系统阐述了针对室内所有传播路径的射线分类技术，并详细描述了实现三维室内射线跟踪覆盖预测的操作步骤;实现了室内微微小区环境下对于窄带和宽带结果的准确预测。 ⑶基于对三维极面扫描方法的基本思想的分析，避免了在极面扫描算法中出现的不必要的重复计算;通过仿真计算分析了构建虚拟源树的效率，提出了使用功率阈值结合限制数方法来提高构建虚拟源树的效率，以此来避免对无效射线路径的跟踪;针对绕射的特殊传播机制和接收点与周围环境几何信息间的关系，设计了对应的数据结构，来提高建立虚拟源树过程中的遮挡判断效率。 ⑷给出了典型街道微小区场景下的几何环境信息的建模方法，介绍了环境信息的主要来源;针对存储街道微小区环境信息的数字地图，描述了新型室外射线跟踪模型的主要思路，概述了基于该新型射线跟踪技术的室外预测的操作流程，详细描述了构建虚拟源树的具体实现步骤以及如何在建立虚拟源树的过程中避免不必要的遮挡判断;实现了街道微小区环境下对于窄带结果的准确预测。 ⑸根据准三维射线跟踪算法的特性，提出了建筑物几何信息的智能预处理技术;研究了建立虚拟源树过程中与反射源相关的加速技术，使用了新的朝向面集合概念和改进的二维极面扫描算法，解决了已有射线跟踪算法中构建虚拟源树效率不高的问题;提出了反射源和绕射源可见接收位置的加速方法和单射线的阈值控制技术，提高了室外大区域覆盖预测时的预测效率。

目录

作者简介

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 射线跟踪算法的应用

1．2．2 射线跟踪算法的分类

1．2．3 射线跟踪算法的加速

1．2．4 射线跟踪算法精度的改进

1．2．5 射线跟踪算法的未来发展趋势和研究方向

1．3 论文的主要工作及框架

1．4 论文特色与创新点

第二章 射线跟踪的基本理论与相关信道参数计算

2．1 射线跟踪的理论基础

2．1．1 几何光学

2．1．2 一致性绕射理论

2．2 射线跟踪算法中牵涉到的概念和基本定义

2．3 新型虚拟源树理论

2．3．1 新型树结构

2．3．2 虚拟源树的建立

2．4 基于射线跟踪算法的无线信道参数预测

2．5 本章小结

第三章 室内微微小区场景下覆盖预测研究

3．1 引言

3．2 典型室内场景的环境建模

3．2．1 室内三维射线跟踪算法的标准环境信息格式说明

3．2．2 三维室内环境建模

3．3 室内传播路径的分类与确定

3．3．1 基于新型虚拟源树结构的第一类射线路径的确定

3．3．2 第二类射线路径的确定

3．3．3 第三类射线路径的有效性确定

3．3．4 第四类射线路径的有效性确定

3．4 室内射线跟踪覆盖预测的操作流程

3．5 算法的验证及其仿真预测结果的分析与讨论

3．5．1 不同场景下仿真与实测结果的对比

3．5．2 不同场景下的仿真结果分析与讨论

3．5．3 验证与仿真结果分析

3．6 本章小结

第四章 室内微微小区场景下覆盖预测的加速研究

4．1 引言

4．2 源可见区域的加速

4．3 利用功率阈值提高构建可见树的效率

4．4 遮挡判断效率的提高

4．4．1 绕射的加速

4．4．2 有效接收位置的快速确定

4．5 加速效果分析

4．6 本章小结

第五章 街道微小区场景下覆盖预测研究

5．1 引言

5．2 室外微小区场景下的环境建模

5．3 基于新型虚拟源树结构的室外射线跟踪算法

5．3．1 室外射线跟踪覆盖预测的操作流程

5．3．2 虚拟源树结构的建立

5．4 不同微小区场景下算法的验证

5．4．1 场景一下算法的验证

5．4．2 场景二下算法的验证

5．4．3 场景三下算法的验证

5．6 本章小结

第六章 街道微小区场景下覆盖预测的加速研究

6．1 基于数字地图的预处理技术

6．1．1 引言

6．1．2 数字地图的智能预处理技术

6．1．3 仿真计算与讨论

6．1．4 结果分析与结论

6．2 虚拟源树的加速

6．2．1 引言

6．2．2 反射的预处理

6．2．3 改进的二维极面扫描方法

6．2．4 加速效果分析

6．3 大区域覆盖预测的研究

6．3．1 引言

6．3．2 反射源可见接收位置的加速处理

6．3．3 绕射源可见接收位置的加速处理

6．3．4 单射线的阈值控制

6．3．5 加速效果的仿真与讨论

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果