多点局域网无线通讯效果评估的计算机仿真方法

摘要

本发明公开了一种多点局域网无线通讯效果评估的计算机仿真方法，该方法在确定无线信号特性、天线特性以及障碍物特性参数基础上，通过VC编程建立多点通讯工况三维仿真模型，然后，利用无线信号在自由空间或穿透障碍物的传输模型，以及无线信号传输的覆盖方向，对该局域网内多点通讯效果进行评估，从而辅助工程技术人员对复杂工况下无线信号传输效果的评估，并进行天线选择以及配置。本发明方法利用计算机三维仿真直观地向用户提供对局域网信号传输效果，方便用户对多点通讯系统进行天线的配置与选型，从而辅助工程技术人员的工作。

说明书

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，涉及一种多点局域网无线通讯效果评估的计算机仿真方法。 

背景技术

随着无线电技术的发展，无线电传输已经从初期的点对点，发展到点对多点的局域通讯网络。在无线通讯网络中信号品质是大家最关心的问题之一，它直接关系到下情上报和上令下达的准确性和通畅性。然而，影响无线通讯质量的因素很多，除了收发信机的性能外，在整个无线通讯网络工程中，天线系统的选择以及布局一直占有相当比重。 

在电磁波的传输过程中，天线的发送增益或接收灵敏度越高，通讯效果越好，辐射距离越远，电磁波能量衰减越厉害，同时，传输途中各种障碍物对电磁波的能量衰减程度不同，影响通讯距离，无线信号的“穿透能力”与无线信号使用的频段有直接关系，微波传输的最大特点是近似直线传输，绕射能力非常弱，对于被障碍物遮挡的无线接收设备，只有穿透障碍物才能到达障碍物后面的无线接收设备；另外，点对点的有效通讯，必须要求发送电磁波的辐射范围与接受电磁波的范围要重叠；电磁波辐射范围主要与天线的性能有关，它取决与每根天线自己的方向图以及灵敏度。在点对多点的无线局域网中，要保证无线传输的效果，必须根据工况现场合理选择天线、并对各天线进行配置；无线通讯的应用范围越来越广，在实际工程中，要求不同工程领域的工程技术人员对无线信号的选择以及天线选型、配置理解并合理 使用，是比较困难的。因此，一个多点无线局域网如何判断通讯质量，如何辅助工程技术人员进行合理的进行无线信号及天线选型、布局，确保不同地况无线传输的效果，一直是人们关注的问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种多点局域网无线通讯效果评估的计算机仿真方法，解决了现有技术针对无线信号的选择以及天线选型、配置选择，实际效果不理想，决策效率低的问题。 

本发明所采用的技术方案是，一种多点局域网无线通讯效果评估的计算机仿真方法，该方法按照以下步骤实施： 

步骤1、建立三维仿真环境，用VC编写仿真软件，通过参数设置实现多点通讯局域网工况的可编程，利用图形向用户展示多点通讯局域网工况，展示无线信号传输途径，具体包括以下步骤： 

步骤1.1）设置局域网中无线通讯点的参数 

确定局域网中通讯点的数量、每个通讯点的位置以及每个通讯点无线信号的参数以及通讯点发送信号功率、接收信号灵敏度，各个通讯点的位置参数为(x_t，y_t,z_t,θ_xt，θ_yt,θ_zt)，其中(x_t，y_t,z_t)代表通讯点的空间位置；（θ_xt,θ_yt,θ_zt）代表通讯点使用天线的安装空间姿态即天线的放置方向； 

无线信号的参数为信号的频率； 

通讯点发送或接收信号灵敏度S，用负数表示，单位为dBm； 

通讯点发送信号功率，用正数表示，单位为dBm表示； 

步骤1.2）设置天线特性参数 

设置发送增益以及天线波瓣分布，R为发送天线的增益； 

步骤1.3）设置局域网工况中的障碍物参数 

采用矩形体模拟障碍物，矩形体的几何参数用长L、宽W、高H表示；障碍物的位姿用（x_z,y_z,z_z,θ_zz）表示，其中θ_zz代表障碍物在水平面的转角；x_z,y_z,z_z代表障碍物在传输空间中的位置，另外，采用Ay代表障碍物对无线信号的衰减性能； 

步骤1.4）根据上述通讯点以及障碍物的位姿，利用VC三维图形技术，建立三维仿真模型； 

步骤2、对信号的传输能量以及无线信号覆盖范围进行评估，具体按照以下步骤实施： 

步骤2.1）评估局域网内任意点对点的通讯效果 

2.11）确定点对点无线信号传输的能量损耗 

在点对点传输中，无线信号能量损耗主要包括如下两部分： 

Los=Los1+Los2，其中，Los1为信号在点对点自由空间传输中的能量损耗； 

Los2为信号穿越障碍物时的能量损耗； 

通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关，表达式为： 

[Los1](dB)=32.44+20lgd(Km)+20lgf(MHz)，（1） 

式（1）中的d为传输距离，单位为Km，频率f的单位为MHz； 

其次，将障碍物虚拟为一个立方体，它在通讯局域网环境下的位姿由(x_z,y_z,z_z,θ_zz)确定，因此，在判断两通讯点之间的空间连线是否穿过障碍物时，先将障碍物以及通讯点之间的空间连线投影到XZ平面，判断平面内两线段是否有交点，然后判断高度y方向是否可能相交， 

设两通讯点为A、B，障碍物为Z，在XZ平面投影AB之间的连线为信号的通讯方向，该连线方程式为： 

z=k_tx+b_t；(x_tA≤x≤x_tB)                 （2） 

其中，$k_t=\frac{z_{\mathrm{tB}}-z_{\mathrm{tA}}}{x_{\mathrm{tB}}-x_{\mathrm{tA}}};$$b_t=\frac{(z_{\mathrm{tB}}+z_{\mathrm{tA}})-k(x_{\mathrm{tB}}+x_{\mathrm{tA}})}{2};$

障碍物在XZ平面投影线段方程式为： 

z=k_zx+b_z；(x_z≤x≤(x_z+Lcosθ_zz))，（3） 

其中，k_z=tgθ_zz；b_z=z_z-tgθ_zz*x_z；L为障碍物长；θ_zz为障碍物角度； 

如果XZ平面内线段方程式（2）与方程式（3）无交点，则障碍物对A、B两点之间的通讯没有阻碍；如果XZ平面内线段方程式（2）与方程式（3）有交点(x_m，z_m)，然后将该点投影到A、B通讯点空间连线上，得到该点的高度y_m；如果y_m≤H，H为障碍物高，障碍物对A、B两点之间的通讯有阻碍；反之，如果y_m≥H，障碍物对A、B两点之间的通讯无阻碍； 

在点对点通讯评估中，无线信号能否顺利被接收，要求发送信号的功率L必须满足下列条件，即：L+R-S≥Los1+Los2，（4） 

满足上述条件表示两点之间无线信号能量能满足通讯要求； 

2.12）判断点对点无线信号的传输方向 

设通讯点A接收信号，在空间位置为（x_tA,y_tA,z_tA），天线空间姿态为(0,0,0)；通讯点B发送信号，空间位置为（x_tB,y_tB,z_tB），天线空间姿态为（0,0,θ_z）；根据空间位置，A与B之间的连线与水平面的夹角： 

${\theta }_{\mathrm{AB}}=\mathrm{arctg}\frac{y_{\mathrm{tB}}-y_{\mathrm{tA}}}{\sqrt{{(x_{\mathrm{tB}}-x_{\mathrm{tA}})}^2+{(z_{\mathrm{tB}}-z_{\mathrm{tA}})}^2}},---\left(5\right)$

B点天线的垂直平面的波瓣角为θ_E，两实线BB1以及BB2之间夹角为θ_E，当θ_AB满足：(θ_z-θ_E/2)≤θ_AB≤(θ_z+θ_E/2)，（6） 

则接收点A在发送点B的信号覆盖范围，接收点A与发送点B之间的通讯是可行的；否则，接收点A与发送点B之间不能进行通讯； 

步骤2.2）评估仿真工况所有点的通讯效果 

按步骤2.1，重复计算工况中两两通讯点的通讯效果，得出所有点相互之间通讯效果的评估结果。 

本发明方法的有益效果是，通过建立多点通讯工况的三维计算机模型，设置通讯点的无线信号、天线以及通讯路径中障碍物特性参数，分析无线信号的覆盖范围，最后利用无线信号传输模型计算多点通讯的效果，并利用计算机仿真比较直观地提供用户多点通讯的效果，方便的进行多点通讯系统中天线的配置与选型，从而辅助工程技术人员的工作，在复杂工况下进行天线选择以及配置，提高无线通讯的效果。 

附图说明

图1是本发明方法实施例中的点对点通讯覆盖与方向示意图； 

图2是本发明方法实施例中的障碍物与通讯点连线在XZ平面投影相交关系； 

图3是本发明方法实施例中的三点通讯仿真场景三维效果图； 

图4是TC1为信号发送点，TC2为信号接收点通讯效果示意图； 

图5是TC1为信号发送点，TC3为信号接收点，有障碍物通讯效果示意图； 

图6是TC3为信号发送点，TC2为信号接收点通讯效果示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

本发明方法用于复杂工况下多点局域网通讯的仿真与评估，综合考虑了无线信号覆盖、能量衰减以及通讯障碍物影响，便于工程技术人员根据局域网现场进行通讯点天线的配置与选型，确保局域网通讯效果，该方法按照以 

下步骤实施： 

步骤1、建立三维仿真环境，用VC编写仿真软件，通过参数设置实现多点通讯局域网工况的可编程，利用图形向用户清晰展示多点通讯局域网工况，展示无线信号传输途径，具体包括以下步骤： 

步骤1.1）设置局域网中无线通讯点的参数 

在局域网中每个通讯点代表一个无线信号的接收/发送点。根据实际工况，在仿真计算过程中，需要确定局域网中通讯点的数量、每个通讯点的位置以及每个通讯点无线信号的参数、通讯点发送信号功率、接收信号灵敏度， 

通讯点的位置参数为(x_t，y_t,z_t,θ_xt,θ_yt,θ_zt)，其中(x_t，y_t,z_t)代表通讯点的空间位置；（θ_xt,θ_yt,θ_zt）代表通讯点使用天线的安装空间姿态即天线的放置方向，该参数直接影响无线信号的覆盖范围； 

无线信号的参数为信号的频率，中国国家标准中常用的免费无线通讯信号频率为433M及2.4G，一般信号功率要求限制在10mw以内。433M的信号与2.4G信号相比，433M频率低，在工程应用中容易受其它无线信号的干扰，但低频信号绕射能力强。 

通讯点发送或接收信号灵敏度S代表通讯点接收信号的能力，用负数表示，单位为dBm；通讯点发送信号功率，一般也用dBm表示，为正数。信号功率越大，传输距离越远；信号频率越高，信号绕射能力越差，越容易受遮挡，信号传输中损耗也比较大； 

步骤1.2）设置天线特性参数 

天线的性能直接关系到通讯信号的质量，天线的性能参数主要包括发送增益以及天线波瓣分布。 

天线增益R，定量地描述天线把输入功率集中辐射的程度，天线增益是 用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，采用dBi表示。 

天线的波瓣分布描述了无线信号的传输方向，天线的波瓣一般通过天线的方向图来表示，有垂直面E波瓣与水平面H波瓣宽两个方向图，分别代表无线信号在水平面以及垂直面的传输范围。在方向图中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称旁瓣。主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强，但无线信号的覆盖范围也越小。天线增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，天线增益越高。 

上述天线参数可以确定天线发送信号的覆盖范围，以及发送信号的能量；一般天线的发送增益越高，通讯效果越好；同时，发送天线与接收天线能有效进行通讯，要求发送电磁波的辐射范围与接受电磁波的范围必须重叠。在实际工程中，天线在空中的姿态也会改变无线信号的辐射范围。 

步骤1.3）设置局域网工况中的障碍物参数 

在电磁波的传输途径中，各种障碍物对电磁波的能量衰减程度不同，直接影响信号传输的距离。在多点局域通讯网中，根据实际工况，需要确定具体工况下障碍物的类型，按经验估计障碍物对无线信号的衰减，同时，需要确定障碍物的形状尺寸以及位姿。在本发明方法中，采用矩形体模拟障碍物，矩形体的参数采用长L、宽W、高H表示；障碍物的位姿用（x_z,y_z,z_z,θ_zz）表示，其中θ_zz代表障碍物在水平面的转角；x_z,y_z,z_z代表障碍物在传输空间中的位置，另外，采用Ay代表障碍物对无线信号的衰减性能； 

步骤1.4）根据上述通讯点以及障碍物的位姿，利用VC三维图形技术，建立三维仿真模型。 

步骤2、无线信号在传输过程中，一方面，传输距离越远，信号能量衰减越厉害，同时，在无线信号的传输途径中，各种障碍物对无线信号的能量衰减也影响通讯距离；另一方面，无线信号发送点与接收点能实现有效通讯，要求发送无线信号的辐射范围与接受信号的范围必须重叠；因此，在局域网多点通讯的评估中需要对信号的传输能量以及无线信号覆盖范围进行评估， 

具体按照以下步骤实施： 

步骤2.1）评估局域网内任意点对点的通讯效果 

2.11）确定点对点无线信号传输的能量损耗 

在点对点传输中，无线信号能量损耗主要包括如下两部分： 

Los＝Los1+Los2，其中，Los1为信号在点对点自由空间传输中的能量损耗， 

Los2为信号穿越障碍物时的能量损耗； 

首先，所谓自由空间传输系指天线周围为无限大真空时的电波传输，它是理想传输条件，电波在自由空间传输时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射，通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关，表达式为：[Los1](dB)=32.44+20lgd(Km)+20lgf(MHz)，（1） 

式（1）中的d为传输距离，传输距离单位为Km，频率f的单位为MHz，由上式可见，自由空间中电波传输损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传输距离d有关。 

其次，点对点无线信号传输中，障碍物是否对无线信号有阻碍，需要判断障碍物是否在无线信号传输方向上。本发明方法中，在判断两通讯点之间的空间连线是否穿过障碍物时，先将障碍物以及通讯点之间的空间连线投影到XZ平面，判断平面内两线段是否有交点，再判断高度y方向是否可能相交。如图2，两通讯点A、B以及障碍物Z在XZ平面投影，AB之间的连线 为信号的通讯方向，该连线方程式为： 

z=kt_x+b_t；(x_tA≤x≤x_tB)（2） 

其中：$k_t=\frac{z_{\mathrm{tB}}-z_{\mathrm{tA}}}{x_{\mathrm{tB}}-x_{\mathrm{tA}}};$$b_t=\frac{(z_{\mathrm{tB}}+z_{\mathrm{tA}})-k(x_{\mathrm{tB}}+x_{\mathrm{tA}})}{2};$

障碍物在XZ平面投影线段方程式为： 

z=k_zx+b_z；(x_z≤x≤(x_z+Lcosθ_zz))，（3） 

其中：k_z=tgθ_zz；b_z=z_z-tgθ_zz*x_z；L为障碍物长；θ_zz为障碍物角度； 

如果XZ平面内线段方程式（2）与方程式（3）无交点，则障碍物对A、B两点之间的通讯没有阻碍； 

如果XZ平面内线段方程式（2）与方程式（3）有交点(x_m,z_m)，然后将该点投影到A、B通讯点空间连线上，得到该点的高度y_m；最后判断，如果y_m≤H（H为障碍物高），障碍物对A、B两点之间的通讯有阻碍；反之，如果y_m≥H（H为障碍物高），障碍物对A、B两点之间的通讯无阻碍； 

当障碍物材质对无线信号也有影响，在点与点通讯中，障碍物直接影响信号的传输；不同障碍物对不同频率的信号影响不同，如下表1是常见建筑材料对2.4GHz信号衰减损耗Los2的经验数据： 

表1，常见建筑材料对2.4GHz信号衰减损耗Los2的经验数据 

  障碍物   对2.4GHz信号的衰减   红砖墙   18dBm   空心砌块砖墙   6dBm   简易石膏板墙   5dBm   玻璃、玻璃窗   8dBm   木门   8dBm

[0087] 在点对点通讯评估中，无线信号能否顺利被接收，与信号功率以及通讯点发送或接收信号灵敏度、天线发送增益有关，要求设发送信号的功率为L（dBm）满足下列条件，即：L+R-S≥Los1+Los2，（4） 

其中，S为通讯接收点的灵敏度；R为发送天线的增益，满足上述条件表示两点之间无线信号能量能满足通讯要求。 

2.12）判断点对点无线信号的传输方向 

发送与接收天线能有效通讯，必须要求发送电磁波的辐射范围与接受电磁波的范围要重叠；在进行通讯评估过程中，必须根据每根天线的方向图评估点对点的通讯效果。 

图1为点对点通讯中信号覆盖以及方向计算，图中，通讯点A接收信号，在空间位置为（x_tA,y_tA,z_tA），天线空间姿态为(0,0,0)；通讯点B发送信号，空间位置为（x_tB,y_tB,z_tB），天线空间姿态为（0,0,θ_z）；根据空间位置，A与B之间的连线与水平面的夹角： 

${\theta }_{\mathrm{AB}}=\mathrm{arctg}\frac{y_{\mathrm{tB}}-y_{\mathrm{tA}}}{\sqrt{{(x_{\mathrm{tB}}-x_{\mathrm{tA}})}^2+{(z_{\mathrm{tB}}-z_{\mathrm{tA}})}^2}},---\left(5\right)$

图1中，B点天线的垂直平面的波瓣角为θ_E，图1中两实线BB1以及BB2之间夹角为θ_E，当θ_AB满足：(θ_z-θ_E/2)≤θ_AB≤(θ_z+θ_E/2)，（6） 

则接收点A在发送点B的信号覆盖范围，接收点A与发送点B之间的通讯是可行的；否则，接收点A与发送点B之间不能进行通讯。 

步骤2.2）评估仿真工况所有点的通讯效果 

按步骤2.1，重复计算工况中两两通讯点的通讯效果，最后得出所有点相互之间通讯效果的评估结果。在这个过程中，如果评估结果不好，可以调整通讯点天线的姿态，改变信号覆盖；或调整天线的增益，放大信号的能量， 改变通讯效果，直到最后整个工况的通讯效果正常。 

实施例1 

以某工况下，三点通讯为例，仿真、评估点对多点局域网工况下无线信号传输效果。 

步骤1，建立三维仿真模型的过程，包括以下几个步骤： 

步骤1.1：设置局域网中无线通讯点参数。无线信号频率为2.4G，无线信号发送信号功率为L=30dBm，通讯点发送或接收信号灵敏度为S=-115dBm；同时，设置仿真工况中为三个通讯点，位姿坐标如下； 

  通讯点   x_t  y_t  z_t  θ_xt  θ_yt  θ_zt  TC1   0   60   0   0   0   0   TC2   45   73   79   0   0   0   TC3   63   40   30   0   0   0

步骤1.2：设置天线特性参数。天线发送增益为R=3dBi，天线的波瓣宽度：水平面波瓣宽为360度；垂直面波瓣宽为45度； 

步骤1.3：设置局域网工况中的障碍物参数，设该仿真工况有一个障碍物，该障碍物对无线信号的衰减率为18dBm；障碍物的空间位姿为(20,0,10,30)：障碍物的几何尺寸：5*20*59； 

步骤1.4：根据上述工况参数，建立计算机三维仿真工况模型，见图3；图中，TC1，TC2以及TC3为三个通讯点，Z为障碍物； 

步骤2、根据无线信号传输模型对该工况的通讯效果进行评估，包括如下步骤，该障碍物位姿坐标如下； 

步骤2.1：评估局域网内任意点对点通讯效果 

选择TC1为发送点，TC2为信号接收点，判断点对点的通讯效果， 

A：TC1与TC2无线信号传输能量损耗 

根据前面设置，该工况下，无线信号功率为L=30dBm，频率为2.4G，天线增益为R=3dBi，接收灵敏度为S=-115dBm；根据两点之间的空间坐标计算空间距离为d=91.8米；根据式（1），点对点自由空间传输能量损耗Los1=140dBm；根据TC1、TC2以及障碍物Z的坐标，由式（2）（3），可以判断，障碍物Z对TC1与TC2之间的通讯物阻碍，因此Los2=0dBm； 

最后，由式（4）得TC1发送的无线信号能量在TC2点是能够接收到的。 

B：TC1发送信号是否覆盖TC2 

该工况下，由式（5）可计算TC1与TC2之间的水平夹角θ_AB=8.130；根据工况设置TC1的天线的姿态垂直向上，天线的水平波瓣角为360（为全向天线），垂直波瓣宽度为45度，于是，TC1的天线姿态角θ_z=0度；于是，信号覆盖判据满足式（6）的要求，则判断接收TC2在发送点TC1的无线信号的覆盖范围内；图4中TC1与TC2之间的连线在发送信号的覆盖范围内，图中TC1与TC2之间的实线在信号发送虚线范围内； 

综合上述两点：TC2能接收到TC1的无线信号； 

步骤2.2：整个仿真工况下多点通讯评估 

重复步骤2.1，选择TC1为发送点，TC3为信号接收点，判断点对点的通讯效果。 

A：TC1与TC3无线信号传输能量损耗 

该工况下，无线信号功率为L=30dBm，频率为2.4G，天线增益为R=3dBi，接收灵敏度为S=-115dBm；根据两点之间的空间坐标计算空间距离为d=72.6米；根据式（1），点对点自由空间传输能量损耗Los1=137dBm；根据TC1、TC3以及障碍物Z的坐标，由式（2）（3），可 以判断，障碍物Z在TC1与TC3之间的通讯路径上，该阻碍物对TC1与TC3之间的通讯有阻碍，于是Los2=18dBm； 

最后，由式（4）得TC1发送的无线信号能量不能顺利到达TC3点。 

B：TC1发送信号是否覆盖TC3 

如图5中，显示出了上述的仿真结果：TC1与TC3之间的实线在TC1信号发送虚线范围外，TC1的无线信号能覆盖TC3。 

对于TC1发送、TC3接收的情况，无线信号覆盖范围满足条件，但信号能量不满足条件，评估结果为：TC3不能接收到TC1的无线信号。 

综上所述，对该工况下任意点对点的通讯效果进行循环评估，得到三点工况下的点对点通讯评估结果： 

接收点TC1能顺利收到TC2发送的信号，接收点TC2能顺利接收到TC1发送的信号； 

TC1与TC3之间由于信号能量不够，不能进行无线信号交互，只能通过增加天线的增益或加大无线信号的功率来实现通讯。 

TC2与TC3之间由于信号覆盖范围不够无法顺利通讯，如图6，TC2与TC3之间的实线在TC3信号发送虚线范围外，TC3的无线信号不能覆盖TC2。