一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间场强的方法

摘要

一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间信号场强的方法：建立发射基站到预测区域空间的三维场景模型；在预测区域按照一定的分辨率进行现场测量并记录所述区域离地1米高度的无线信号强度信息；获取发射基站到离地1米高度的某一接收点之间的垂直截面，并从中获取平均楼顶高度、平均街道宽度及平均楼宇间距；预测出所述测量点的接收信号强度；根据测量数据和预测结果的差值Δ，校正所述测量点的传播模型；获取发射基站到所述测量点其它高度的接收点的垂直截面，并从中过滤出菲涅尔圈以外的建筑，重新获取平均楼顶高度、平均街道宽度及平均楼宇间距，计算所述测量点其它高度的接收信号强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间场强的方法，属于移动通信的电磁波传播预测领域。

背景技术

无线传播模型是一组用于预测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，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。经验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，经验模型的精确程度不仅取决于测量的精确程度，而且还和所分析的环境与模型适应环境二者间的相似程度有关，这类模型的计算效率比较高，常用于室外大场景的无线信号预测。常用的室外经验预测模型包括应用室外宏蜂窝的Okumura-Hata模型[1]，应用与室外微蜂窝的COST-231-Walfisch-Ikegami模型[2]。理论模型基于电波传播的物理原理，根据特定的环境模型，计算电波在特定环境中的传播过程，计算准确度较高，但是计算效率比较低，常用于室内场景的无线信号预测。常用的室内传播模型包括射线跟踪传播模型[3]，有限时域差分传播模型[4]。

参考文献

[1]M.Hata，″Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services，″IEEE Trans.Vehic.Tech.，vol.29，no.3，1980.

[2]″Propagation Prediction Models，″COST 231Final Rep.，ch.4，pp.17-21.

[3]Gschwendtner，B.E.G.B.Burk，and F.M.Landstorfer，Ray tracing vs.ray launching in 3D microcell modelling，″1st European Personal and Mobile Communications Conference(EPMCC)74-79，Bologna，Nov.1995.

[4]Lajos Nagy，“FDTD and Ray Optical Methods for Indoor Wave Propagation Modeling，″Microwave Review，47-53，July，2010.

COST-231-Walfisch-Ikegami模型是一种室外经验型的传播模型，它基于详细的街道及建筑物数据信息，根据发射天线和接收天线之间的垂直截面，从中获取 平均楼顶高度、平均街道宽度及平均楼宇间距，根据发射天线与接收天线之间是否为视线(LOS)传播，计算出视线传播损耗或者非视线(NLOS)传播损耗(包括自由空间损耗、屋顶绕射损耗、多重屏障绕射损耗)，因为在城区环境中屋顶绕射是信号传播的主要成分，因此该模型在经验模型中预测结果较为准确，由于传统的室外信号预测只关心室外离地高度1米的区域的信号覆盖情况，该模型仅适用于离地高度为1米的室外环境预测。然而，随着无线通信技术的发展，室内外联合网络规划优化已经成为移动运营商网络规划和建设的重点，室内外联合仿真是室内外联合规划的前提，室外基站信号对室内高层建筑的影响是室内外联合仿真需要考虑的一个问题，预测室外信号对室内高层建筑信号的影响，首先需要预测室外基站在室内高层建筑周围产生的信号场强。

总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何快速准确的预测室外基站天线在三维空间产生的信号场强。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间信号场强的方法。

本发明概述： 

一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间信号场强的方法，步骤如下：建立发射基站到预测区域空间的三维场景模型；在预测区域按照一定的分辨率进行现场测量并记录所述区域离地1米高度的无线信号强度信息；获取发射基站到离地1米高度的某一接收点之间的垂直截面，并从中获取平均楼顶高度、平均街道宽度及平均楼宇间距；根据COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算公式，预测出所述测量点的接收信号强度；根据测量数据和预测结果的差值Δ，校正所述测量点的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型；获取发射基站到所述测量点其它高度的接收点的垂直截面，并从中过滤出菲涅尔圈以外的建筑，重新获取平均楼顶高度、平均街道宽度及平均楼宇间距，根据校正后的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算所述测量点其它高度的接收信号强度。

发明详述： 

一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间信号场 强的方法，包括步骤如下：

(1)建立发射基站到预测区域空间的三维场景模型：

利用现有建模技术，通过导入GIS格式地图的方法，建立发射基站到预测区域空间的三维场景模型，所述三维场景模型包括发射基站与预测区域范围内的所有建筑物的三维建筑模型及街道信息；

其中所述发射基站与预测区域范围内的建筑的确定方法为：在发射基站与预测区域接收点间的第一菲涅尔圈以内的所有建筑；所述第一菲涅尔圈的半径r的计算方法为其中，λ为电磁波的波长、d表示发射基站到接收点之间的距离，S表示垂直于发射点和接收点之间连线的一个无限大的平面，d₁和d₂分别表示发射基站和接收点与平面S的距离；所述三维建筑模型信息包括建筑物外包络信息，建筑物高度信息hroof，建筑物地理位置信息；所述街道信息包括街道的宽度信息w、街道的地理位置信息；

(2)按固定分辨率，利用现有仪器测量预测区域内、高度为1米处的无线信号强度，形成每一个接收点的测量数据(x，y，z，M_rx)：

所述每一个接收点的测量数据包括了该接收点的位置信息、无线信号强度信息，其中，x为接收点的经度信息，y为接收点的纬度信息，z为接收点的高度信息，M_rx为接收信号强度；

(3)根据COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型，预测出1米高度某一个测量点的接收信号强度：

获取发射基站到离地1米高度的某一测量点之间的垂直截面，并从中获取COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型的关键参数：所述关键参数包括平均楼顶高度h_roof、平均街道宽度w、平均楼宇间距b、基站高度h_tx、接收点高度h_rx、基站发射功率W、基站发射信号频率f、基站距离测量点之间的距离d、基站直射波入射方向与测量点所属街道方向的夹角

根据COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算公式，预测出所述接收点的接收信号强度T_rx，包括以下步骤(3-1)-(3-3)：

(3-1)分别计算基站与测试点间视线传播和非视线传播的传播损耗，依据步骤(3-2)计算视线传播的传播损耗L_blos，依据步骤(3-3)计算非视线传播的传播损耗L_bNlos，因此传播损耗L_b表示为如下公式：

(3-2)基站与测试点为视线传播时，传播损耗根据公式L_blos＝42.6+26lgd+20lgf计算；

(3-3)基站与测试点为非视线传播时，传播损耗根据公式L_bNlos＝L_bs+L_rts+L_msd计算，其中L_bs为自由空间传播损耗，l_rts为屋顶至街道的绕射及散射损耗，l_msd为多重屏障的绕射损耗，L_bs、L_rts、L_msd的具体计算方法依据步骤(3-3-1)-(3-3-3)：

(3-3-1)所述步骤(3-3)中，L_bs的计算公式为L_bs＝32.45+20lgd+20lgf；

(3-3-2)所述步骤(3-3)中，L_rts的计算公式为：

其中，

(3-3-3)所述步骤(3-3)中，L_msd的计算公式为

其中，

$K_d=\left(\begin{array}{c}18,h_{\mathrm{tx}}>h_{\mathrm{roof}}\\ 18-15\left(\frac{h_{\mathrm{tx}}-h_{\mathrm{roof}}}{h_{\mathrm{roof}-h_{\mathrm{rx}}}}\right),h_{\mathrm{tx}}\le h_{\mathrm{roof}}\end{array}\right)$

(3-4)当发射基站与测试点为视线传播时，所述测试点的接收信号场强 T_los＝W-L_blos；

当发射基站与测试点为非视线传播时，所述测试点的接收信号场强T_Nlos＝W-L_bNlos，因此，所述测试点的信号场强表示为：

(4)根据所述测试点的实际测量场强M_rx和预测场强T_rx，计算测量值和预测值的误差Δ＝M_rx-T_rx，校正所述测量点的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算公式；

(5)获取发射基站到所述测量点的扩展高度hrx’的接收点的垂直截面，并从中过滤出发射点到接收点之间第一菲涅尔圈以外的建筑，重新获取COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型的关键参数，根据校正后的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算所述测量点的扩展高度h_rx’的接收点处的接收信号强度；

(6)改变h_rx’的高度，重复步骤(5)，利用校正的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型算法计算该接收点上所有扩展高度上的接收信号强度；

(7)改变测试点的位置，重复步骤(3)-(6)，计算所有测试点上的所有扩展高度上的接收信号强度，从而获得预测区域内建筑物某一室外区域三维空间上的预测信号场强。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中的实际测量场强M_rx和预测场强T_rx之间的矫正值包括视线传播的校正值Δ_los和非视线传播的校正值Δ_Nlos：

根据本发明优选的，所述步骤(5)包括利用步骤(4)所述校正后的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算公式，计算步骤(3)所述测试点的扩展高度hrx’的接收信号强度，具体包括如下步骤(5-1)-(5-2)：

(5-1)获取发射基站到所述测试点的扩展高度h_rx’间的垂直截面，从中过滤出发射点到接收点之间第一菲涅尔圈以外的建筑物，所述第一菲涅尔圈的半径r的计算方法与步骤(1)中的计算方法相同，其中，d表示发射基站到接收点之间的距离，S表示垂直于发射点和接收点之间连线的一个无限大的平 面，d₁和d₂分别表示发射基站和接收点与平面S的距离，第一菲涅耳半径是平面S与菲涅尔椭球相交成圆的半径；

(5-2)根据过滤出第一菲涅尔圈后的三维建筑与街道信息，重新获取COST-231-Walfishch-Ikegami传播模型的关键参数，利用步骤(3)所述公式计算接收点的场强T_rx’，并利用步骤(4)计算出的校正参数Δ，校正接收点信号场强，校正后的接收点场强表示为T_rx″＝T_rx′+Δ。

根据本发明优选的，所述步骤(6)包括根据预测分辨率，按照一定的高度间隔改变h_rx’的值，重复步骤(5)的计算过程，计算高度为1米到2h_tx高度内所有扩展高度的预测结果：

当计算高度h_rx’＞h_tx时，且为非视线传播时，运用镜像原理扩展模型算法，在应用COST-231-Walfishch-Ikegami传播模型公式时，用镜像高度h_rx”代替实际高度h_rx’，镜像高度符合公式

本发明的有益效果：

1、COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型是一种经典的室外经验型传播模型，由于考虑了发射基站和接收点之间详细的三维建筑和街道信息，预测结果相对其它经验模型较为准确，然而，由于该模型为室外覆盖预测模型，因此，模型只考虑了离地高度为1米的水平面上的预测结果。本发明一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间场强的方法，可以预测离地高度为2倍基站发射天线高度范围内的三维空间的信号覆盖情况。

2、本发明一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegam传播模型预测室外三维空间场强的方法，在非视线传播时，应用了菲涅尔圈原理过滤出第一菲涅尔半径以外的建筑物，从而获得更为精确的非视线传播时的模型参数，提高了模型预测的精确度。

3、本发明一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间场强的方法，在接收信号高度大于基站发射天线高度时，应用镜像原理，从而可以预测接收信号离地高度为2倍基站发射天线高度范围内的三维空间的信号覆盖情况，同时也提高了模型的准确度。

4、本发明一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空 间场强的方法，可以获得三维建筑周边的无线信号场强，为预测室外基站到室内的覆盖和室内外联合网络规划优化提供了前提。

附图说明：

图1是本发明所述一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型预测室外三维空间场强的流程图；

图2是本发明所述COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型的垂直界面图及模型参数；

图3是本发明所述基站直射波入射方向与测试点所属街道方向的夹角

图4是本发明所述菲涅尔圈过滤建筑原理图；

图5是本发明所述镜像原理图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

如图1-5所示。

实施例、

一种扩展的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型对一个大城市中心区域的一个室外基站天线在某一栋建筑周边产生的场强进行预测：

(1)建立发射基站到预测区域空间的三维场景模型：

根据给定深圳罗湖5米精度的GIS地图信息，建立发射基站到预测区域空间的三维场景模型，所述三维场景模型包括发射基站与预测区域范围内的所有建筑物的三维建筑模型及街道信息；所述发射基站与预测区域范围内的所有建筑的确定方法为发射基站与预测区域接收点间的第一菲涅尔圈以内的所有建筑；所述第一菲涅尔圈的半径r的计算方法为其中，d表示发射基站到接收点之间的距离d＝600m，S表示垂直于发射点和接收点之间连线的一个无限大的平面，d₁和d₂分别表示发射基站和接收点与平面S的距离，d₁+d₂＝600m，λ为电磁波的波长，电磁波的频率f为2600MHz，电磁波的传播速度为光速c，λ＝c/f＝3/26m，λ＝c/f＝3/26m，第一菲涅耳半径是平面S与菲涅尔椭球相交成圆的半径，因此椭球中心的菲涅耳半径为所述三维建筑模型信息包括建筑物外包络信息，建筑物高度信息hroof，建筑物地理位置信息；所述街道信息包括街道的宽度信息w、街道的地理位置信息；

(2)选择一栋建筑的四周街道作为预测区域，在预测区域按照5米的分辨率利用现有仪器测量预测区域内、高度为1米处的无线信号强度，形成每一个接收点的测量数据(x，y，z，M_rx)：

所述每一个接收点的测量数据包括了该接收点的位置信息、无线信号强度信息，其中，x为接收点的经度信息，y为接收点的纬度信息，z为接收点的高度信息，M_rx为实际接收信号强度；

(3)选择一个接收点P，根据发射基站到接收点之间的垂直界面，获取COST-231-Walfishch-Ikegami传播模型的关键参数，所述关键参数包括平均楼顶高度h_roof＝30m、平均街道宽度w＝14m、平均楼宇间距b＝100m，以及基站高度h_tx＝39m、接收点高度h_rx＝1m、以及基站发射功率W＝49.63dBm、基站发射信号频率f＝2600MHz、基站距离接收点之间的距离d＝0.6km、基站直射波入射方向与测试点所属街道方向的夹角

(3-1)分别计算基站与接收点间视线传播和非视线传播的传播损耗，依据步骤(3-2)计算视线传播的传播损耗L_blos，依据步骤(3-3)计算非视线传播的传播损耗L_bNlos，因此传播损耗L_b表示为如下公式：

(3-2)若P为视线传播，传播损耗公式为L_blos＝42.6+26lgd+20lgf＝42.6+26*lg0.6+20*lg2600＝105.13dB；

(3-3)若P为非视线传播，传播损耗根据公式L_bNlos＝L_bs+L_rts+L_msd计算，其中L_bs为自由空间传播损耗，L_rts为屋顶至街道的绕射及散射损耗，L_msd为多重屏障的绕射损耗，L_bs、L_rts、L_msd的具体计算方法依据步骤(3-3-1)-(3-3-3)；

(3-3-1)L_bs的计算公式为

$L_{\mathrm{bs}}=32.45+20\mathrm{lgd}+20\mathrm{lgf}=32.45+20\lg 0.6+20\lg 2600=96.3.$

(3-3-2)L_rts的计算公式为

L_rts＝-16.9-10lgw+10lgf+20 lg(h_roof-h_rx)+L_ori

＝-16.9-10lg14+101g2600+20lg(30-1)+L_ori

其中，L_ori＝2.5+0.075×(φ-35)＝2.5+0.075×(37.5-35)＝2.64

因此L_rts＝37.7；

(3-3-3)L_msd的计算公式为

L_msd＝L_bsh+K_a+K_dlgd+K_flgf-9lgb 

＝L_bsh+K_a+K_dlg0.6+K_flg2600-9lg100 

其中

L_bsh＝-18lg(1+h_tx-h_roof)＝-18lg(1+9)＝-18

K_a＝54

K_d＝18

$K_f=-4+1.5\times (\frac{f}{925}-1)=-4+1.5\times (\frac{2600}{925}-1)=-1.28$

因此L_msd＝-18+54+18×lg0.6-1.28×lg2600-9×lg100＝9.62

L_bNlos＝L_bs+L_rts+L_msd＝96.3+37.7+9.62＝143.66

(3-4)依据如下公式计算接收点信号场强：

步骤(4)根据测试位置的测量数据M_rx＝-98.5dBm，

(5)获取发射基站到所述测量点P的扩展高度h_rx’＝4米的接收点的垂直截面，从中过滤出发射点到接收点之间第一菲涅尔圈以外的建筑，经判断发射点与接收点为非视线传播，因此平均楼顶高度h'_roof＝30m、平均街道宽度w'＝14m、平均楼宇间距b’＝100m，以及基站高度h’_tx＝39m不变，接收点高度h'_rx＝4m、以及基站信号发射功率W'=49.63dBm、基站发射信号频率f’=2600MHz、基站距离接收点之间的距离d’＝0.6km、基站直射波入射方向与测试点所属街道方向的夹角均不变。利用步骤(3-1)到(3-5)计算T_rx’＝-93.08；

根据校正后的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算所述测量点的扩展高度h_rx’的接收信号强度T_rx″。T_rx″＝T_rx′+Δ＝-93.08-4.47＝-97.55dBm；

(6)以3米的间隔，改变h_rx’(h_rx’≤h_tx)的高度分别为(7，10，13，16，19，22，25，28，31，34，37)米，根据发射点到接收点间的截面，过滤出第一菲涅尔圈以外的建筑，经判断发射点与接收点依然为非视线传播，得出平均楼顶高度h’_roof分别为(30，30，30，30，33.75，33.75，33.75，38，38，38，38)m，平均街道宽度w’分别为(14，14，14，14，16.8，16.8，16.8，21，21，21，21) m，平均楼宇间距b’分别为(100，100，100，100，120，120，120，150，150，150，150)m，基站距离接收点的距离d’分别为(0.6，0.6，0.599，0.599，0.599，0.599，0.599，0.599，0.599，0.599，0.599)km，基站信号发射功率W’＝49.63dBm，基站发射信号频率f’=2600MHz，基站直射波入射方向与测试点所属街道方向的夹角；

重复步骤(5)，利用校正的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型算法计算该接收点上所有扩展高度上的接收信号强度分别为(-96.49，-95.25，-93.83，-92.14，-94.77，-92.79，-90.23，-98.46，-95.36，-90.5，-78.46)dBm；

继续扩展h_rx’的高度为(40，43)时，h_rx’＞h_tx，根据发射点到接收点间的截面，过滤出第一菲涅尔圈以外的建筑，经判断发射点到接收点依然为非视线传播，此时，应用镜像原理h_rx”＝2h_tx-h_rx’，计算镜像高度分别为(38，35)m，此时，h'_roof分别为(38，48)m，w’分別为(21，28)m，b’分別为(150，200)m，d’分别为(0.599，0.599)km，基站信号发射功率W’＝49.63dBm，基站发射信号频率f’=2600MHz，基站直射波入射方向与测试点所属街道方向的夹角 ；

重复步骤(5)，利用校正的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型算法计算该接收点上所有扩展高度上的接收信号强度分别为(-71.74，-95.61)dBm。继续扩展h_rx’的高度为(46，49，52，55，58，61，64，67，70，73，76)m，根据发射点到接收点间的截面，过滤出第一菲涅尔圈以外的建筑，经判断发射点与接收点间为视线传播，基站距离接收点的距离d’分别为(0.599，0.599，0.599，0.599，0.599，0.599，0.599，0.6，0.6，0.6，0.6)km，基站信号发射功率W'＝49.63dBm，基站发射信号频率f’＝2600MHz，重复步骤(5)，利用校正的COST-231-Walfisch-Ikegami传播模型计算公式该接收点上所有扩展高度上的接收信号强度分别为(-98.48，-98.48，-98.48，-98.48，-98.48，-98.48，-98.48，-98.5，-98.5，-98.5，-98.5)dBm；

步骤(7)，选择其它测试点，重复步骤(3)-步骤(6)，计算三维空间的信号场强。