基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号预测方法

摘要

本发明涉及一种基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号预测方法。首先，对建筑物建模时采用分楼层逐层建模的方式，逐楼层进行预测，由于各楼层的布局具有相似，即逐楼层的把天线映射到该楼层并在该楼层进行计算，简化射线跟踪算法。另外天线都具有一定的覆盖范围，根据天线在水平方向的覆盖范围和垂直方向的影响楼层数分别在对应的范围内进行计算。其次，本发明提出一种简化的射线跟踪传播模型，引入建筑材质无线传播损耗参数数据库，不需要根据建筑材质的电磁特性计算射线通过障碍物的损耗，直接读取建筑材质无线传播损耗参数数据库中的数据，进行计算，从而进一步减少了计算量，节省时间和所需内存。

说明书

技术领域

本发明涉及基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号预测方法，属于通信领域的 电波传播预测技术领域。

背景技术

在2G时代，主要靠增加室外基站来提供室内的覆盖。这种方法在3G/B3G/4G/B4G网络 中提供优质的室内业务和覆盖将变得越来越困难，因为高速数据等服务需要更好的无线信道， 而只利用室外基站进行室内服务，不可能达到好的室内效果。近年来，随着3G、3.5G移动通 信网络及WLAN的发展，室内无线通信网络的规划和优化工作已经得到广泛重视，例如在越来 越多的大中型楼宇、体育场馆、娱乐和购物场所、车站、机场、地铁等已经铺设了室内分布 系统。

由于室内传播环境复杂多变，室内分布式系统的设计通常需要运用无线传播模型来预测 无线信号的传播和路径损耗，从而确定信号的覆盖场强、信噪比、载干比等，实现对网络信 号质量以及容量的分析与优化。此处所说的无线传播模型，是一组用于表示给定环境中无线 电传播特性的数学表达式、图表或算法。一般说来，无线传播模型可以是经验模型（又称统 计模型），也可以是理论模型（也称确定模型），或是二者的组合（又称半经验模型）。射线跟 踪传播模型是一种确定模型，射线跟踪传播模型预测室内场景时，需要根据室内建筑物的具 体结构，预测信号在建筑物内的传播特性，因此其预测结果准确，但是计算量大。多墙模型， 是一种经验模型，它根据发射点到接收点所需穿透的墙的个数和每堵墙的穿透损耗估计接收 位置的场强，该方法计算量小，但是由于忽略反射、折射等发射点到接收点得多径效应，因 此其预测结果不够准确。

发明内容

发明概述

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号 预测方法。

首先，本发明根据室内建筑结构的特点：多楼层主体结构具有相似性，因此对建筑物建 模时采用分楼层逐层建模的方式，每个楼层的建筑物数据单独保存和处理，在应用射线跟踪 传播模型进行无线信号预测时，逐楼层进行预测，由于各楼层的布局具有相似，室内三维场 景的计算都可以被简化，即逐楼层的把天线映射到该楼层并在该楼层进行计算。另外天线都 具有一定的覆盖范围，因此可以根据天线在水平方向的覆盖范围和垂直方向的影响楼层数分 别在对应的范围内进行计算。从而可以减少不必要的计算量，节省计算时间和所需要的内存。

其次，本发明简化了射线跟踪传播模型，传统的射线跟踪传播模型，需要跟踪每条射线， 当射线遇到障碍物时，需要根据障碍物的电磁特性，计算射线通过障碍物后的损耗，具有计 算量大的缺点，本发明提出一种简化的射线跟踪传播模型，引入建筑材质无线传播损耗参数 数据库，不需要根据建筑材质的电磁特性计算射线通过障碍物的损耗，直接读取建筑材质无 线传播损耗参数数据库中的数据，进行计算，从而进一步减少了计算量，节省时间和所需内 存。

发明详述

本发明的技术方案如下：

一种基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号预测方法，该方法包括如下步骤：

（1）建立或更新建筑材质的无线传播损耗参数数据库，该数据库包括各种建筑材质的无 线传播损耗参数：建筑材质的穿透损耗参数、建筑材质的反射损耗参数和建筑材质的衍射损 耗参数；所述建筑材质的无线传播损耗参数数据库在创建之后，可以供以后多次预测使用， 当预测不同的室内传播模型时，如果建筑材质可以在所述的数据库中找到，就可以直接使用 该种建筑材质的无线传播损耗参数，当遇到所述数据库中不存在的新建筑材质时，则以更新 的方式在数据库中添加新建筑材质的无线传播损耗参数；

（2）提取需要进行无线信号预测的目标建筑物的三维空间建筑数据：根据目标建筑物的 CAD格式图纸，按照现有建模技术，将所述CAD格式图纸分楼层进行三维空间建模，并单独 保存每个楼层的三维空间建筑数据，所述三维空间建筑数据包括楼层的垂直层高、楼层的水 平面积、楼层的建筑材质数据和楼层的布局结构数据，其中所述第θ楼层的建筑结构数据记 为F_θ,θ∈[n,m]，其中n和m为楼层索引的最小和最大值；

（3）记录并保存目标建筑物中发射天线数据，所述发射天线数据包括每一个发射天线在 每层建筑物内的具体位置信息和每个发射天线的三维辐射参数、发射天线的发射功率、发射 天线在垂直方向所能影响的楼层数、发射天线在水平方向的最大辐射半径；

（4）根据步骤（3）所述目标建筑物中发射天线数据计算发射天线的影响区域，所述发 射天线的影响区域包括垂直方向影响区域和水平方向影响区域；

计算发射天线的垂直方向影响区域L层：当要计算的发射天线Ant所放置的楼层索引为 θ，其在垂直方向上影响的楼层数为a时，则发射天线的垂直方向影响区域L为 {max(n,θ-a),min(m,θ+a)}层；

计算发射天线水平方向影响区域S：当要计算的发射天线Ant在水平方向的最大辐射半径 为r，则其最大辐射面积区域为A，其中A=πr²；所述发射天线在楼层索引为θ的楼层，楼 层θ在水平方向的面积区域为B，则发射天线Ant在θ层的水平方向影响区域S为A∩B；

（5）根据建筑材质的无线传播损耗参数数据、目标建筑物的三维空间建筑数据和发射天 线的影响区域，利用射线跟踪传播模型算法预测出目标建筑物内各接收点接收到的某一个发 射天线的信号强度，具体步骤如（5.1）-（5.6）：

（5.1）根据发射天线和接收点的位置，确定由发射天线发射的射线到达接收点i的所有 传播路径：N为发射天线到接收点i的传播路径的总数；

（5.2）计算每条传播路径在自由空间的传播损耗，其中第k条路径在自由空间传播的损 耗值为L_P(f,d_k),f是信号频率（MHz），d_k是第k条路径在自由空间传输的距离(km)；则第 k条路径在自由空间的损耗值(dB)在不考虑透射、反射和衍射现象的情况下，其计算公式表 示如下：

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

（5.3）计算每条传播路径受建筑物材质影响的损耗，其中L_MAT(f)是第k条路径上由建筑 材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数，δt，δd，δr 分别为第k条路径上的无线信号与建筑材质是否存在透射、衍射、反射的关系系数， L_t(f,M_j)，L_d(f,M_j)，L_r(f,M_j)分别是在建筑材质无线传播损 耗参数数据库中：无线信号频率为f时，在数据库中查找出的材质M_j所对应频率的透射、衍 射和反射损耗参数；则第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和L_MAT(f)的 计算公式表示如下：

$L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right)=\underset{j=1}{\overset{T}{\Sigma }}(\mathrm{\delta t}*L_t(f,M_j)+\mathrm{\delta d}*L_d(f,M_j)+\mathrm{\delta r}*L_r(f,M_j))$

（5.4）计算每条传播路径的传播损耗L(f,d_k)，计算公式表示如下：

L(f,d_k)=L_P(f,d_k)+L_MAT(f)

（5.5）计算到达第i点的N条射线传播路径的损耗总和为PL（dB）；由于每条射线传播 路径的能量是线性关系，计算多条传播路径的损耗可以通过先叠加每条射线能量（mW），然后 取平均，再将能量值转化为路损值；所述PL的计算公式表示如下：

$\mathrm{PL}=10\lg \left(\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left({10}^{\frac{L(f,d_k)}{10}}\right)\right)\leftarrow$

（5.6）计算接收点i的无线信号强度，其中P_i是第i个接收点的信号强度(dBm)；P_t是无线信号发射天线的发射功率(dBm)；G_t和G_r分别为无线信号发射天线和接收点的天 线增益（dBi），则第i个接收点的信号强度P_i的计算公式表示如下：

P_i=P_t-PL+G_t+G_r

（6）根据步骤（5）计算出的单个发射天线在目标建筑物内各接收点的无线信号强度， 对接收点处所有发射天线的无线信号进行矢量叠加，从而在目标建筑物室内三维空间内预测 出无线信号的场强。

本发明的优势在于：

本发明所述的基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号预测方法，利用建筑材质 的无线传播损耗参数数据库和射线跟踪模型对目标建筑物的无线信号进行精准预测。本发明 摒弃现有需要根据建筑材质的电磁特性计算射线通过建筑材质的透射、反射、衍射损耗，减 少了利用射线跟踪传播模型预测计算的开销。射线跟踪传播模型的精确性取决于对室内区域 布局建模的精确度和复杂性，计算时间对区域布局中的细节呈指数性的依赖关系。

经验型的传播模型隐含地考虑了所有环境因素的影响，不管它们彼此之间是互相独立的 或是互相影响的。虽然计算量较小，但是其预测结果的准确性主要依赖于预测区域与经验模 型的吻合度，模型参数的选取直接影响着预测结果的准确性。

本发明在现有射线跟踪传播模型的基础上，充分利用预测场景的特点，简化传播模型的 计算量，在满足准确性的前提下，大大减少了计算量。

首先，本发明根据室内建筑结构的特点：多楼层主体结构具有相似性，因此对建筑物建 模时采用分楼层逐层建模的方式，每个楼层的建筑物数据单独保存和处理，在应用射线跟踪 传播模型进行无线信号预测时，逐楼层进行预测，由于各楼层的布局具有相似，室内三维场 景的计算都可以被简化，即逐楼层的把天线映射到该楼层并在该楼层进行计算。另外天线都 具有一定的覆盖范围，因此可以根据天线在水平方向的覆盖范围和垂直方向的影响楼层数分 别在对应的范围内进行计算。从而可以减少不必要的计算量，节省计算时间和所需要的内存。

其次，本发明简化了射线跟踪传播模型，传统的射线跟踪传播模型，需要跟踪每条射线， 当射线遇到障碍物时，需要根据障碍物的电磁特性，计算射线通过障碍物后的损耗，具有计 算量大的缺点，本发明提出一种简化的射线跟踪传播模型，引入建筑材质无线传播损耗参数 数据库，不需要根据建筑材质的电磁特性计算射线通过障碍物的损耗，直接读取建筑材质无 线传播损耗参数数据库中的数据，进行计算，从而进一步减少了计算量，节省时间和所需内 存。

附图说明

图1是利用本发明所述预测方法来预测目标建筑物内无线信号场强的流程图；

图2是计算无线发射天线在目标建筑物水平方向所影响的有效区域S的示意图；

图3为实施例1中所述目标建筑物中第1层的天线布置图及CAD俯视图；

图4为在所述目标建筑物中第1层的左侧天线的水平辐射图；

图5为在所述目标建筑物中第1层的右侧天线的水平辐射图；

图6为所述目标建筑物中第1层左侧天线发射的三条射线到达一个接收点的传播路径示 意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例、

如图3-6所示。

利用本发明所述的基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号预测方法，对一个5 层的目标建筑物内的无线信号进行预测，该所述五层的目标建筑物每层的结构相同，如图3 所示，是根据目标建筑物CAD图纸构建的目标建筑物第一层的三维空间模型的平面结构，每 个楼层的三维空间建筑数据包括楼层的垂直层高为3m、楼层的水平面积(楼层长25m，宽7m)、 楼层的建筑材质数据和楼层的布局结构数据，其中所述第1-5楼层的建筑结构数据分别记为 F₁、F₂、F₃、F₄、F₅，其中n=1和m=5分别为楼层索引的最小和最大值。

一种基于射线跟踪传播模型的室内三维空间无线信号预测方法，该方法包括如下步骤：

（1）建立或更新建筑材质的无线传播损耗参数数据库，该数据库包括各种建筑材质的无 线传播损耗参数：建筑材质的穿透损耗参数、建筑材质的反射损耗参数和建筑材质的衍射损 耗参数；所述建筑材质的无线传播损耗参数数据库在创建之后，可以供以后多次预测使用， 当预测不同的室内传播模型时，如果建筑材质可以在所述的数据库中找到，就可以直接使用 该种建筑材质的无线传播损耗参数，当遇到所述数据库中不存在的新建筑材质时，则以更新 的方式在数据库中添加新建筑材质的无线传播损耗参数；如，当前的目标建筑物中存在水泥 墙、砖墙、木门在内的三种建筑材质，而当前的建筑材质的无线传播损耗参数数据库中不存 在水泥墙的无线传播损耗参数，仅存在砖墙、木门2种建筑材质的无线传播损耗参数，则在 无线传播损耗参数数据库中添加一条水泥墙的无线传播损耗参数：将常用于无线通信的 800MHz-2.6GHz的频率空间，划分为1-9个频带，分别记录对应于各个频带的无线信号在厚 水泥墙的穿透、反射、衍射损耗，例如对于频带9，其频率范围为2.4GHz-2.6GHz的无线信 号，其在水泥墙穿透、反射、衍射损耗分别为23.64dB、6.00dB、21.07dB；

（2）提取需要无线信号预测的目标建筑物的三维空间建筑数据：根据目标建筑物的CAD 格式图纸，按照现有建模技术，将所述CAD格式图纸分楼层进行三维空间建模，并单独保存 每个楼层的三维空间建筑数据，所述三维空间建筑数据包括楼层的垂直层高、楼层的水平面 积、楼层的建筑材质数据和楼层的布局结构数据，其中所述第θ楼层的建筑结构数据记为 F_θ,θ∈[n,m]，其中n和m为楼层索引的最小和最大值；

如图3所示，每个楼层的三维空间建筑数据包括楼层的垂直层高为3m、楼层的水平面积 (楼层长25m，宽7m)、楼层的建筑材质数据和楼层的布局结构数据，其中所述第1-5楼层的 建筑结构数据分别记为F₁、F₂、F₃、F₄、F₅，其中n=1和m=5分别为楼层索引的最小和最大 值；

（3）记录并保存目标建筑物中发射天线数据，所述发射天线数据包括每一个发射天线在 每层建筑物内的具体位置信息、发射天线的三维辐射参数、发射天线的发射功率、发射天线 在垂直方向所能影响的楼层数、发射天线在水平方向的最大辐射半径；如图4、图5分别为2 个无线发射天线（左无线发射天线和右无线发射天线）在第一层的无线信号覆盖区域示意图， 其中无线发射天线均为增益为3dBi的全向辐射天线，接收点i处的接收天线的增益为3dBi、 无线发射天线的发射功率为20dBm、无线发射天线在水平方向的最大覆盖半径r为10米，垂 直方向影响的楼层数为1层；

（4）根据步骤（3）所述目标建筑物中发射天线数据计算发射天线的影响区域，所述发 射天线的影响区域包括垂直方向影响区域和水平方向影响区域；

计算发射天线的垂直方向影响区域L层：当要计算的无线发射天线Ant所放置的楼层索 引为θ，其在垂直方向上影响的楼层数为a时，则发射天线的垂直方向区域L为 {max(n,θ-a),min(m,θ+a)}层；

在本实施例中，计算单个无线发射天线的垂直方向区域L层：所述无线发射天线Ant所 放置的楼层索引为θ=1，其在垂直方向上影响的楼层数为a=1时，则无线发射天线的垂直方 向影响区域L为{max(n,θ-a),min(m,θ+a)}层，即L为{1,2}；因此这两个无线发射天线在 垂直方向上所无线影响的楼层数为第1、2两层；

如图2所示，计算发射天线水平方向区域S：当要计算的发射天线Ant在水平方向的最大 辐射半径为r，则其最大辐射面积区域为A，其中A=πr²；所述发射天线在楼层索引为θ的 楼层在水平方向的面积区域为B，则发射天线在θ层的水平方向区域S为A∩B；如图4所示， 为左无线发射天线在目标建筑物内一层的无线信号覆盖区域；如图5所示，为右无线发射天 线在目标建筑物内一层的无线信号覆盖区域；

（5）根据建筑材质的无线传播损耗参数数据、目标建筑物的三维空间建筑数据和发射天 线的影响区域，利用射线跟踪传播模型算法预测出目标建筑物内各接收点接收到的某一个发 射天线的信号强度，具体步骤如（5.1）-（5.6），如图6所示：

（5.1）根据左无线发射天线和接收点i的位置，确定由左无线发射天线发射的射线到达 接收点i的所有传播路径：其中包括N=3条射线传播路径，射线路径a、射线路径b、射线路 径c；

其中射线路径a为经水泥墙反射、穿透水泥墙后到达接收点i；射线路径b穿透水泥墙 和砖墙后到达接收点i；射线路径c为穿过水泥墙、经水泥墙反射、穿透砖墙后到达接收点i；

（5.2）计算每条传播路径在自由空间的传播损耗，上述射线路径a、射线路径b、射线 路径c的路线长度分别为6.6米、5.2米和7.1米，无线信号的发射频率为2.4GHz；

其中第k条路径在自由空间传播的损耗值为L_P(f,d_k),f是无线信号频率（MHz），d_k是第 k条路径在自由空间传输的距离(km)；则第k条路径在自由空间的损耗值(dB)在不考虑透射、 反射和衍射现象的情况下，其计算公式表示如下：

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

根据L_P(f,d_k)=20log10(f)+20log10(d_k)+32.45,计算出上述a、b、c三条射线路径 的在自由空间的损耗分别为：56.45dB、54.37dB、57.08dB。

（5.3）计算每条射线路径受建筑物材质影响的损耗，其中L_MAT(f)是第k条路径上由建筑 材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数，δt,δd,δr 分别为第k条路径上的无线信号与建筑材质是否存在透射、衍射、反射的关系系数， L_t(f,M_j)，L_d(f,M_j)，L_r(f,M_j)分别是在建筑材质无线传播损 耗参数数据库中：无线信号频率为f时，在数据库中查找出的材质M_j所对应频带的透射、衍 射和反射损耗参数；则第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和L_MAT(f)的 计算公式表示如下：

$L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right)=\underset{j=1}{\overset{T}{\Sigma }}(\mathrm{\delta t}*L_t(f,M_j)+\mathrm{\delta d}*L_d(f,M_j)+\mathrm{\delta r}*L_r(f,M_j))$

据建筑材质无线传播损耗参数数据库中，无线信号频率为2.4GHz时，砖墙，水泥墙的 透射损耗分别为7.86dB、23.64dB，水泥墙的反射损耗为6dB，根据公式 $L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right)=\underset{j=1}{\overset{T}{\Sigma }}(\mathrm{\delta t}*L_t(f,M_j)+\mathrm{\delta d}*L_d(f,M_j)+\mathrm{\delta r}*L_r(f,M_j)),$路径a的损耗为水泥墙的反射损 耗加水泥墙的透射损耗；路径b的损耗为水泥墙的透射损耗加砖墙的透射损耗；路径c的损 耗为水泥墙透射损耗加水泥墙反射损耗加砖墙透射损耗；计算出上述a、b、c三条射线路径 受建筑物材质影响的损耗，分别为：29.64dB、31.5dB、37.5dB；

（5.4）计算每条射线路径的传播损耗L(f,d_k),计算公式表示如下：

L(f,d_k)=L_P(f,d_k)+L_MAT(f)

根据公式L(f,d_k)=L_P(f,d_k)+L_MAT(f),计算出上述a、b、c三条射线路径到达接受点i 的传播损耗L(f，d_k)分别为，86.09dB、85.87dB、94.58dB。

（5.5）计算到达第i点的N=3条射线传播路径的损耗总和为PL（dB）；由于每条射线路 径的能量是线性关系，计算多条传播路径的损耗可以通过先叠加每条射线能量（mW），然后取 平均，再将能量值转化为路损值；所述PL的计算公式表示如下：

$\mathrm{PL}=10\lg \left(\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left({10}^{\frac{L(f,d_k)}{10}}\right)\right)\leftarrow$

计算上述三条射线径总的损耗得出PL=90.87dB。

（5.6）计算接收点i的无线信号强度，其中P_i是第i个接收点的信号强度(dBm)；P_t是 无线信号发射天线的发射功率(dBm)；G_t和G_r分别为无线信号发射天线和接收点的天线增 益（dBi），则第i个接收点的信号强度P_i的计算公式表示如下：

P_i=P_t-PL+G_t+G_r

由于步骤（3）记载了无线发射天线和接收点i的天线增益均为3dBi，无线发射天线的 发射功率为20dBm，则根据公式P_i=P_t-PL+G_t+G_r,计算出接收点i处的无线信号场强P_i= ‐64.87dBm；

（6）根据步骤（5）计算出的单个发射天线在目标建筑物内各接收点的无线信号强度， 针对接收点处所有发射天线的无线信号进行矢量叠加，从而在目标建筑物室内三维空间内预 测出无线信号的场强。