在限定环境中建模无线信号强度

摘要

所公开的系统使用非连续射线跟踪来量化在受限环境中的无线信号的功率分布。对于每条射线，预先筛选一个或多个射线反射表面以识别符合碰撞条件的表面并从符合碰撞条件的表面中识别碰撞表面，其中该碰撞表面是射线与之碰撞的第一射线反射表面。指示在环境中特定高程处的射线的位置和功率的功率分布分量被添加到累积功率分布中。如果计算出与每次碰撞相对应的反射射线并且该反射射线满足射线资格条件，则可以为该反射射线确定碰撞表面。可以通过估算多个射线位置的目标函数来识别碰撞表面，其中当射线与射线反射表面之间的位移为零时，目标函数的估算值为零。

说明书

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

不适用。

参考附录

不适用。

背景技术

发明领域

所公开的主题涉及无线通信，并且更具体地涉及特定环境内的无线信号功率分布的建模。

许多商业航空公司提供机载无线接入网络，包括某些形式的IEEE 802.11(WiFi)网络，允许旅客在飞行中访问Internet内容。然而，乘客对通过能够支持数据密集型应用的连接的不间断互联网访问的需求(包括但不限于例如高清视频和音频信号)不断增长的问题仍大量悬而未决。

对于能够支持例如但不限于由乘客在乘客座位上使用乘客的移动设备向地面上的座机或手机进行的飞行中呼叫的高性能、飞行中移动通信服务的需求也在增长。当前，出于安全原因，飞行期间的蜂窝通信经常受到限制或被禁止，因为与大多数移动设备发送的蜂窝通信信号相关的电磁干扰(EMI)会干扰飞机上的电子设备。但是，由于无论是有意还是无意地激活蜂窝电话都非常容易，并且机组人员很难检测到，因此移动电话可能成为飞行安全问题的来源。

无论是确定特定蜂窝通信信号的来源还是向数百个间隔紧密的移动设备提供宽带无线访问，都需要了解在封闭的、人口密集的环境内的电磁信号的功率分布，该环境特征具有大量的不连续性，包括座椅、头上方行李柜等。

发明内容

本文包括的主题公开了一种用于确定诸如飞机机舱内部的封闭环境内的无线信号功率分布的方法和系统。实施例可以采用非连续射线跟踪技术来对装备有泄漏天线阵列的飞机机舱内的信号功率分布进行建模。公开的方法和系统可以考虑各种参数，例如飞机机舱本身的尺寸和材料以及机舱内的座椅、高架储物箱和其他结构，来对飞机机舱内的无线信号覆盖范围进行建模。实施例还可以对可归因于一个或多个乘客的移动设备发送的无线通信信号的功率分布进行建模，以监视电磁干扰或对从泄漏天线阵列发送的无线信号的信号功率分布进行建模。尽管所公开的主题强调了飞机机舱环境，但是所公开的方法和系统可应用于其他封闭或专用环境，包括但不限于隧道、建筑物、轮船和火车。

尽管公开的系统和方法的描述可以包括对WiFi信号或网络的引用，但是WiFi是无线信号的非限制性示例，针对无线信号对诸如飞机机舱之类的封闭环境内的功率分布进行了建模。因此，所公开的主题包括针对其他无线信号的功率分布的建模，所述其他无线信号包括例如但不限于蜂窝通信信号，该蜂窝通信信号包括但不限于全球移动通信系统(GSM)信号等。当前，主要由于电磁干扰(EMI)的考虑，经常限制或完全禁止在飞机上使用蜂窝通信设备。但是，用于抑制或控制GSM引起的EMI的开发技术可能为飞行中的蜂窝通信服务铺平道路，并且此类服务可能会使用泄漏馈电天线来提供可靠的连接性。因此，用于表征与特定封闭环境内的特定天线相关联的信号功率分布的所公开的系统和方法可以有利地用于实现和优化机载无线网络系统，使空运乘客能够使用他们的移动设备给在地面上的人们发短信或打电话或从封闭环境中通过其他方式进行交流。在这方面，所公开的系统和方法不仅可以用来表征和优化期望的GSM信号，而且可以用来表征和最小化任何相关的EMI信号。

所公开的方法包括由中央处理单元(CPU)执行的方法，该CPU执行存储在合适的存储设备或存储器设备中的可执行指令。所公开的实施例包括结合了几乎没有或没有准确性损失的提高性能的方法和操作的实施例。

所公开的方法和系统在包括具有多个天线缝隙的泄漏天线阵列的受限环境中量化用于无线通信信号的功率分布。对于每个缝隙，在此称为表面选择操作的操作在射线跟踪模型的每个传播射线上执行，该射线跟踪模型包括代表每个天线缝隙的辐射图案的多个传播射线。在至少一个实施例中，针对每个传播射线执行的表面选择操作包括：筛选射线反射表面，以识别符合碰撞条件的表面和不符合碰撞条件的表面。然后对符合碰撞条件的表面进行处理，以识别射线的碰撞表面。识别由传播射线与碰撞表面碰撞产生的反射射线。如果反射射线满足一个或多个标准，包括(作为非限制性示例)足够的功率强度，则对反射射线执行表面选择操作，以识别反射射线的碰撞表面并识别随后的反射射线，其中每个随后反射的功率比其前身更低。该过程一直持续到反射射线的功率低于阈值或直到不满足某些其他的一个或多个标准为止。针对每个传播和反射的射线确定信号功率分量，其中，当射线与封闭环境内的特定平面(例如乘客水平平面)相交时，信号功率分量可以指示射线的功率和位置。来自每个射线和反射射线的信号分布分量的累积代表信号功率分布。

根据所公开的主题，一种用于在受限环境内量化无线通信信号的功率分布的系统和方法包括对布置在受限环境内的泄漏天线的一个或多个天线缝隙中的每个天线缝隙执行特定操作。执行特定操作可以包括在每个天线缝隙的射线跟踪模型中为每个传播射线执行表面选择操作，其中，射线跟踪模型包括多个传播射线。

表面选择操作可以包括相对于传播射线筛选一个或多个射线反射表面，以识别不符合碰撞条件的表面和符合碰撞条件的表面。然后可以从符合碰撞条件的表面中确定碰撞表面，其中该碰撞表面包括传播射线与之碰撞的第一射线反射表面。可以将与传播射线相对应的功率分布分量添加到累积功率分布。当射线与乘客水平平面或某个其他感兴趣的平面相交时，功率分布分量可以指示传播射线的位置和功率。

然后可以计算或以其他方式确定由传播射线与碰撞表面碰撞产生的反射射线的一个或多个参数。作为非限制性示例，反射射线参数可以包括功率参数和方向参数。为了说明，可以至少部分地基于传播射线的功率、传播射线相对于碰撞表面的入射角以及分配给碰撞表面的衰减因子来确定反射射线的功率。如果反射射线的参数满足一个或多个射线资格标准中的每一个，则将反射射线视为新的传播射线，并以与其前身(即与碰撞表面发生碰撞而产生反射射线的传播射线)相同的方式进行处理，以确定反射射线的功率分布分量和碰撞表面。可以重复此过程，直到反射射线的功率最终不足或不满足一个或多个射线资格标准。

筛选射线反射表面可以包括：基于以下因素将射线反射表面识别为符合碰撞条件的表面或不符合碰撞条件的表面：传播射线的原始位置，传播射线的运动方向的速度矢量或其他指标，和表示射线反射表面相对于传播射线原始位置的位置的表面位移。

将射线反射表面识别为符合碰撞条件的表面或不符合碰撞条件的表面包括：将用于传播射线的速度矢量的一个或多个坐标与用于射线反射表面的位移矢量的对应的一个或多个坐标进行比较。在至少一个实施例中。如果检测到速度矢量的一个或多个坐标中的每个坐标和其对应的位移矢量的一个或多个坐标之间的符号一致，则将射线反射表面识别为符合碰撞条件的表面。

在替代实施例中，识别射线反射表面可以包括基于传播射线的初始位置和封闭体积来限定符合条件的表面体积，其中封闭体积的尺寸足以对封闭环境进行封闭。符合条件的表面的体积包括长方体，其中所述长方体的对角线从传播射线的初始位置延伸至相交点，其中所述相交点为位于所述传播射线与所述封闭体积相交处的点。

识别碰撞表面可以包括使用目标函数来识别所述碰撞表面，其中，所述目标函数确定指示传播射线与射线反射表面之间的位移的目标函数值。当传播射线与射线反射面之间的位移为零时，所述目标函数估算值为零，并且所述目标函数值可以随着位移的增加而单调增加。

在示例性实施例中，射线反射表面对应于由点A，B和C限定的三角形ABC，所述传播射线的位置包括点O，并且所述目标函数接收A，B，C和O作为输入。在至少一个实施例中，所述目标函数估算值为(S1+S2+S3)-S0，其中S0代表三角形ABC的面积，S1代表由点O，A和B限定的三角形OAB的面积，S2代表由点O，B和C限定的三角形OBC的面积，以及S3代表由点O，C和A限定的三角形OCA的面积。

用于识别碰撞表面的示例性操作可以包括为每个符合碰撞条件的表面计算目标函数图的初始斜率，其中每个目标函数图包括目标函数值与传播射线位置的关系图。可以将与正值初始斜率相关联的射线反射表面识别为不符合碰撞条件的表面并且将其从进一步的处理中丢弃。在所述识别之后，对于剩余的每个符合碰撞条件的表面，根据目标函数图的初始斜率外推每个目标函数图，以识别每个符合碰撞条件的表面的投影距离值。可以根据投影距离值将符合碰撞条件的表面进行排序，例如首先处理或优先处理与最低投影距离值相关联的表面。处理符合碰撞条件的表面可以包括：计算符合碰撞条件的表面的最小目标函数值；响应于检测到最小目标函数值大于零，将该表面识别为不符合碰撞条件的表面，并丢弃该表面以免进一步考虑关于当前的传播射线。响应于检测到最小目标函数值为零，将该表面识别为对应传播射线的碰撞表面。

附图说明

除非另有说明，否则图纸未按比例绘制。参考以下附图描述本文公开的方法、系统和/或制品的实施例，其中，除非另外指出，否则相似的附图标记表示相似的元件，并且其中附图标记的连字符形式指示相应元件的实例，也可以用非连字符形式的参考数字来通用或共同引用，例如“...第一小部件11-1和第二小部件11-1…其中每个小部件11包括...，其中小部件11进一步包括..

图1示出了包括泄漏天线阵列的飞机机舱的侧视图；

图2示出了图1的飞机机舱的俯视图；

图3示出了包括泄漏天线缝隙的泄漏天线的一部分；

图4示出了与图3的泄漏天线相关的远场辐射图案；

图5示出了图4的辐射图案的射线跟踪模型；

图6示出了用于对无线信号的功率分布进行建模的射线跟踪方法的流程图；

图7是向三角形ABC传播的传播射线的图形表示，该三角形代表射线反射表面的一部分；

图8是图7的传播射线与射线反射表面碰撞时的示意图；

图9示出了用于识别碰撞表面的方法的流程图；

图10示出了针对少量符合碰撞条件的射线反射表面中的每个绘制的目标函数值；

图11示出了图10的符合碰撞条件的射线反射表面的完全列举的目标函数图；

图12示出了第一射线过滤选项，其中所有表面都被视为符合碰撞条件的表面；

图13示出了第二射线过滤选项，其中一些表面被过滤；

图14示出了第三射线过滤选项，其中与图13相比，更多的表面被过滤；

图15示出了第四射线过滤选项，其中与图14相比，更多的表面被过滤；

图16示出了用于实现图15中示出的第四射线过滤选项实施例的方法的流程图；和

图17示出了被编程以执行所公开的操作的通用计算机的元件。

具体实施方式

上面的参考附图以及下面的具体结构和功能的书面描述并不用于限制申请人发明的范围或所附权利要求的范围。相反，提供附图和书面描述是为了教导本领域的任何技术人员来制造和使用寻求专利保护的发明。本领域技术人员将理解，为了清楚和便于理解，并未描述或示出本发明的商业实施例的所有特征。本领域技术人员还将意识到，结合本公开内容的方面的实际商业实施例的开发将需要许多特定于实施的决定，以实现开发者对于商业实施例的最终目标。此类特定于实施的决策可能包括但可能不限于遵守与系统有关、与业务有关、与政府有关的约束和其他约束条件，这些约束条件可能会因特定实施地点而有所不同，并会不时变化。尽管从绝对意义上说开发人员的工作可能很复杂并且很耗时，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，这样的工作仍然是例行的工作。必须理解的是，本文公开和教导的发明适于进行多种变型和替代形式。单数术语(例如但不限于“一个”)的使用并不旨在限制项目的数量。此外，系统的各种方法和实施例可以被彼此组合地包括在内，以产生所公开的方法和实施例的变型。单数个元素的讨论可以包括复数个元素，反之亦然。对至少一项或一项或多项的引用可以指一项或多项。而且，实施例的各个方面可以彼此结合使用以实现任何公开的目的、优点或益处。除非上下文另外要求，否则术语“包括”或诸如“包括”或“包含”的变体应被理解为暗示包括至少陈述的要素或步骤或要素或步骤的组或其等同物，而不是排除更大数量的数值或任何其他元素或步骤或元素或步骤的组或其等同形式。该设备或系统可以在许多方向和定向上使用。除非另外特别限制，否则步骤的顺序可以以各种顺序进行。本文描述的各个步骤可以与其他步骤组合，插入所述步骤，和/或分为多个步骤。类似地，元件已经在功能上进行了描述，并且可以体现为单独的组件，或者可以组合为具有多种功能的组件。

图1是部署在飞机机舱100内的泄漏天线阵列101的侧视图，图2是部署在飞机机舱100内的泄漏天线阵列101的俯视图。图1和图2所示的泄漏天线阵列101基本上沿着在乘客水平高程106上方的基本水平平面放置或在放置在乘客水平高程106上方的基本水平平面内。在一个示例中，泄漏天线阵列101的高程与乘客水平高程106之间的垂直位移108可以是1.85米。在其他实施例中，垂直位移108可以大于或小于该位移。

乘客水平高程106可以表示在乘客就座时最有可能放置乘客的移动设备的在基础高程或地板104上方的高度或高程。作为非限制性示例来说，乘客水平高程106可位于第一高程和第二高程之间的高程范围内，第一高程对应于乘客座椅的座位表面的高程，第二高程对应于座椅靠背的上端的高程，座椅靠背的上端的高程为典型的乘客或其他无线信号用户限定了一种操作方式。

图2所示的泄漏天线阵列101包括泄漏天线部分102和泄漏天线部分103，其中每个泄漏天线部分102包括一个或多个长度可变的分段。如图2所示，泄漏天线部分102-1放置在飞机机舱100的第一部分107-1中，泄漏天线部分103-1放置在飞机机舱100的第二部分107-2中，泄漏天线部分102-2放置在飞机机舱100的第三部分107-3中，而泄漏天线部分103-2放置在第四部分107-4中，其中飞机机舱100的多个部分107可以由壁和/或其他结构限定。

泄漏天线阵列101，有时也称为泄漏馈线或泄漏馈线天线，是适合在封闭环境中使用的通信系统设备，该封闭环境包括隧道、矿井、飞机等。泄漏天线可能包括同轴电缆，其中一个或多个缝隙沿着电缆的长度并入到外部导体中。缝隙允许电磁信号泄漏入和泄漏出电缆。可以在电缆内以固定间隔使用线路放大器，以将信号保持在功能级别。

图2所示的泄漏天线阵列101包括第一泄漏天线102和第二泄漏天线103。泄漏天线102的第一部分102-1放置在飞机机舱100的右后部107-1中，泄漏天线102的第二部分102-2放置在飞机机舱100的右前部107-3中，泄漏天线103的第一部分103-1放置在泄漏天线阵列101的左后前部分107-3中，泄漏天线103的第二部分103-2放置在飞机机舱100的左前部分107-4中。

尽管图2示出了包括两个泄漏天线(102、103)的泄漏天线阵列101，每个泄漏天线包括两个或多个直线段，但是其他实施例可以包括更多或更少的泄漏天线，并且每个泄漏天线可以包括更多或更少的直线段。在其他实施例中，泄漏天线阵列101可以包括具有一个或多个弯曲部分(在图1或图2中未示出)的泄漏天线。

图3示出了适合用作图1和图2所示的泄漏天线阵列101中的泄漏天线部分102的泄漏天线110的示例性部分。图3所示的泄漏天线110包括同轴电缆，该同轴电缆包括同心导体，每个同心导体由导电元件、化合物或材料构成。所示的泄漏天线110的同心导体包括内部导体111和外部导体112。外部导体112限定或包括允许电磁信号进入和离开泄漏天线110的泄漏天线缝隙114。尽管图3展示了一个仅包括一个泄漏天线缝隙114的短跨度的泄漏天线110，但是泄漏天线缝隙114可以沿着泄漏天线110被放置在各个位置。

在至少一些实施例中，出于建模泄漏天线110的特征辐射方向图案的目的，可以将泄漏天线110视为理想或接近理想的朗伯表面。来自理想的朗伯源的辐射的功率或强度直接与出射光的方向与表面法线之间的夹角的余弦成正比。将图3的泄漏天线110视为朗伯源是合理的，因为在图1和图2所示的泄漏天线阵列101的配置中，电磁波主要来自泄漏天线110的一侧。然而，在至少一些实施例中，远场电磁行为可以用于近似与泄漏天线110相关联的辐射图案。远场辐射的功率与距天线或其他感兴趣物体的距离的平方成反比。因此，例如，如果在距天线或其他感兴趣物体1个单位距离处远场功率是P，则在2个距离处的功率就是1/4x P。

图4示出了对应于图4所示的泄漏天线110的至少一个实施例的示例性远场强度图案120的图形表示。公开的实施例可以使用射线跟踪来确定在诸如飞机机舱100内(图1)的环境的封闭环境中的无线信号功率分布。顾名思义，射线跟踪将电磁波传播建模为多个传播射线，其中每个传播射线都垂直于传播的波前并指向能量流的方向。当物体与波长之比，即位于适用环境内的反射射线的物体的最小尺寸相对于适用无线信号的波长的比率为一个数量级或更大时，射线跟踪模型最准确。以GSM通信为例，1.88GHz的载波信号频率对应于大约0.1m的波长，其大约是高尔夫球洞的直径。对于这种信号，可以在其中所有或大部分感兴趣目标的物理尺寸为1米或更大的环境(例如飞机机舱)中以高精度使用射线跟踪。

射线跟踪算法包括连续算法和非连续算法。连续射线跟踪算法在射线从物体表面传播到图像表面时，通过预定的表面顺序跟踪射线。连续射线跟踪可以深入了解光学系统中所需的透镜元件的曲率、理想的玻璃类型和数量。但是，对于复杂的系统(例如由飞机机舱内的表面所代表的系统)，分析飞机内部的无线信号时，射线散射并与物体相互作用的顺序取决于射线的相对方向和位置。因此，非连续射线跟踪算法可能是优选的，以确定飞机机舱内或其他几何大且复杂的环境内的无线信号功率分布。

图5示出了示例性的射线跟踪模型130，其包括与图4所示的远场强度图案120相对应并基于其所生成的多个传播射线131。在至少一个实施例中，射线跟踪模型130包括N个传播射线131，其中每个传播阵列131的方向通过随机选择来选定。其他实施例可以采用不同的技术来将辐射图案转换为射线跟踪模型。

N的值，即传播射线131的数量(其对于准确表示相应的辐射图案并准确预测最终的信号功率分布是必需的)取决于应用而发生变化。通常，N的值应为产生准确结果的最小值。可以通过观察针对N的不同值的预测功率分布的变化来凭经验确定N的值，在本文中可以称为Nmin。在至少一个实施例中，Nmin可以被限定为N的最小值，对此N增加10％会使预测的功率分布中的变化少于1％。其他实施例可以采用更宽松或更严格的条件来收敛。

射线跟踪模型130可以表示为包括与每个传播射线131相关联的条目的数据结构。这样的数据结构中的每个条目可以包括足够的字段以完全描述每个传播射线131。作为非限制性示例，这些字段可以包括唯一地限定每个传播射线131的定向的三个或更多个字段、用于指示每个传播射线131的大小的一个或多个字段。在至少一些实施例中，可以通过以下假设来简化数据结构：射线跟踪模型10中的所有传播射线131都起源于相同的原点，在这种情况下，无论是使用笛卡尔坐标系，极坐标系还是其他合适的系统来指定，都可以通过对应于三个维度的三个参数的单个集合来传达定向和大小。在至少一些实施例中，与图5所示的射线跟踪模型130相对应的数据结构由泄漏天线110的制造商或分销商提供。在其他实施例中，用于射线跟踪模型130的数据结构可以从图4所示的远场强度图案120导出。

电磁传播的替代模型的准确性，包括将天线信号视为电磁波的有限元方法(FEM)或有限差分时域(FDTD)方法，取决于网孔尺寸远小于适用波长。这样的方法通常需要相对大量的计算机存储内存和计算时间来进行计算，这使得它们对于在飞机中对无线信号进行建模是不现实的。相反，射线跟踪模型需要的计算机资源更少，并且可以在相对较短的时间内获得可靠的结果。

沿着泄漏天线阵列101的不同缝隙发出的射线在撞击机舱表面和飞机机舱内的结构时会发生反射和折射。在至少一个实施例中，因为适用表面，即飞机机壳和飞机家具的表面具有高衰减和非常低的折射，所以忽略了折射射线而没有实质性的精度损失。

在至少一个实施例中，射线维持并传播，直到满足两个射线终止标准中的任何一个。两个射线终止标准可以包括传播长度标准和功率水平标准。传播长度标准可以被配置为在射线及其祖射线(ancestors)的累积传播距离超过特定传播距离(例如60M或更长)之后终止射线。功率水平标准可以终止功率强度为原始射线的初始强度的10％或更小的任何反射射线。

最终结果是一种数据结构，该数据结构映射或以其他方式指示了飞机机舱100内乘客水平高程106内不同位置处的功率水平，这表示对乘客可用于其个人移动设备的无线通信信号功率的估计。

图6示出了用于确定、建模或估计封闭环境(例如，图1所示的飞机机舱100)内的通信信号的信号功率分布(SPD)的示例性方法150的流程图，该封闭环境包括泄漏天线阵列，例如图1所示的泄漏天线阵列101。图6所示的方法150包括对应于各种操作的流程图元素，并且这些操作可以由用计算机程序编程的通用计算机来执行，该计算机程序包括多个计算机可执行程序指令。通用计算机可以包括CPU或另一种合适类型的通用或专用处理器以及该CPU可访问的一个或多个计算机存储设备。计算机存储设备可以包括其中可以存储所有或一些编程指令的易失性或非易失性存储设备或存储设备。图18示出了适用于执行方法150的通用计算机，并在相应的文本中进行了描述。

通常，图6所示的方法150针对可适用的射线跟踪模型中的每个传播射线以及泄漏天线阵列中的每个缝隙执行可包括碰撞表面选择操作和反射射线操作的操作。碰撞表面选择操作可以确定传播射线将与之碰撞的第一射线反射表面以及碰撞的点和角度。反射射线操作识别由每次射线到表面碰撞产生的反射射线，并确定反射射线的强度是否足以包含在SPD判定中。与方法150相关联的一个或多个配置设置可以包括一个或多个衰减参数，该衰减参数与一个或多个强度标准一起确定是要进一步处理还是要丢弃反射射线。最终，反射射线的强度将不足以满足适用的强度标准，并且在从射线跟踪模型加载下一条射线之前丢弃该反射射线。

为每个传播射线和具有足够强度的每个反射射线确定功率值。将各个功率值相加或以其他方式分组、组合或累加以生成SPD。在一些实施例中，每个功率水平值代表在封闭环境内的特定高程处的功率水平。作为非限制性示例，至少一个实施例产生乘客水平SPD，即基于针对每条射线穿过乘客水平106(图1)时计算的功率值的SPD。

在一些实施例中，通过将高程参数限制为代表飞机机舱100的总高程的一部分的单个值或相对较小数量的值来简化方法150。如先前所建议的，例如，可以将乘客水平高程106处的SPD视为图1所示机舱100内最有用的SPD。因此，方法150的一个或多个实施例可以生成表示多个点处的功率强度水平的平面SPD，每个点位于布置在图1所示的乘客水平高程106处的平面内。其他实施例可以生成覆盖整个内部飞机机舱100的SPD，而其他实施例可以生成中间SPD，其覆盖少于整个飞机机舱100但多于单个高程处的SPD。

图6所示的方法150的流程图块对应于本文描述的各种操作，并且包括对应于以下描述的用于检索特定数据的操作的数据检索块(块152)，对应于用于配置系统执行方法150的操作的初始化块(块154)，对应于用于选择泄漏天线缝隙的操作的缝隙选择块(块156)，对应于用于处理以下描述的与泄漏天线缝隙相关联的传播射线的操作的射线处理块(块161)，以及对应于用于确定是否还有任何泄漏天线缝隙剩余的操作的剩余缝隙块(块176)。

可以在可适用的泄漏天线缝隙的射线跟踪模型中针对每个传播射线执行图6所示的射线处理块161。所示的射线处理块161包括：射线发射块(块160)，其与用于选择可适用的射线跟踪模型的传播射线之一的操作相对应；表面过滤块(块162)，其对应于用于识别相对于正在处理的传播射线是不符合碰撞条件的表面的操作；用于识别当前传播射线的碰撞表面的表面识别块(块164)；用于确定传播射线与碰撞表面的碰撞导致的反射射线的功率和角度的功率和角度确定块(块170)；用于区分应进一步处理的反射射线和不需要进一步处理的反射射线的反射射线标准块(块172)；以及用于确定是否在射线跟踪模型中每个传播射线都已被处理的剩余射线块(块174)。

图6所示的方法150加载、检索、获得或以其他方式访问(块152)一个或多个数据结构。在至少一个实施例中，第一数据结构是对应于并指示适用环境的物理几何形状的环境几何文件。在与图1的飞机机舱100相对应的封闭环境中，环境几何文件指示飞机机舱100的物理几何形状。可以作为图6所示的块152的一部分的输入的第二数据结构是射线源文件，其是与图5所示的射线跟踪模型130相对应的数据结构。第三数据结构输入在本文中可被称为材料数据结构，其指示适用环境内部的物理结构的位置、大小、材料或组成。

在方块152中加载适用的数据结构之后，图6所示的方法150初始化(方块154)预训练执行方法150的特定计算系统的一个或多个系统参数。然后可以从为特定的泄漏天线阵列101限定的多个泄漏天线缝隙中选择泄漏天线缝隙(方块156)。从图2的俯视图看，每个泄漏天线缝隙可以由其纬度和经度坐标以及在飞机机舱100内的高度或高程来限定。在块152中，可以加载包括每个泄漏天线缝隙的位置信息的泄漏天线数据结构作为第四输入。

一旦识别出泄漏天线缝隙，图6所示的方法150就为在射线跟踪模型130(图4)中的每个传播射线131(图5)执行射线处理循环161。图6所示的射线处理循环161包括如本文所述的操作160、162、164、170、172和174。

环境几何文件和材料文件可以包括限定飞机机舱100内的数百或数千个表面的数据。图6所示的块162包括表面过滤操作，以减少用于确定碰撞表面(即，传播射线与之碰撞的第一表面)的表面的数量。相对于图12至图16更详细地讨论了由表面过滤块162包含的特定操作的各方面。

在表面过滤块162中对至少一些表面进行过滤之后，图6所示的方法150执行表面选择块164以识别所考虑的传播射线首先与之碰撞的表面。该表面在本文中可以被称为第一碰撞表面，或更简单地，与传播射线相关联的碰撞表面。下面参照图9更详细地描述识别每个传播射线的碰撞表面的操作。

一旦识别出射线的碰撞表面，就可以确定由原始射线和碰撞表面的碰撞产生的反射射线的角度和功率(块170)。反射射线的方向可以通过反射定律确定，反射系数可以根据菲涅耳方程计算。可以规定一个或多个衰减因子，并将其用于确定与反射射线相关的强度。图6所示的方法150可以采用一个或多个强度标准和/或最小强度阈值。如果反射射线的强度小于最小强度阈值(如在块172中确定的)，则反射射线将被有效地丢弃，并且如图6所示的方法150进行到块174。但是，如果反射射线的强度足以满足任何一个或多个强度阈值或标准，则图6所示的方法150对反射射线执行操作162、164和170。

当反射射线的强度不满足任何强度标准时，方法150确定(块174)是否已针对当前天线缝隙处理了射线跟踪模型中的每个传播射线。如果尚未处理与当前天线缝隙相关的任何传播射线，则方法150对下一个传播射线执行操作160到172。如果已经针对当前天线缝隙处理了每个传播射线，则当前天线缝隙的处理完成，并且方法150进行到块176以确定是否还剩下任何其他天线缝隙。如果方法150在方块176中确定所有天线缝隙均已处理，则方法150终止。否则，方法150对下一个天线缝隙执行操作156至174。

如上所述，表面选择块164找到特定射线的碰撞表面，即，随着射线随时间向前传播，特定射线与之碰撞的第一表面。在至少一个实施例中，通过采用如本文所述的目标函数F来促进对与特定传播射线相关联的碰撞表面的识别，该目标函数F产生指示传播射线与表面之间的位移的值。

参考图7和图8，在两个时间点描绘了传播射线131和示例性表面201，以说明目标函数F。环境几何文件和材料文件中的每个表面对应于由空间中三个点限定的三角形。在图7中最清楚地示出的示例性表面201对应于由点A，B和C限定并且由线段L1、L2和L3组成的三角形区域S0，线段L1在点A和B之间，L2在点B和C之间，以及L3在点C和A之间。在图7中，传播射线131的原点O从表面201位移并向表面201传播，而在图8中，传播射线131的原点O已到达表面201并与表面201碰撞。在图7中，传播射线131的原点O形成具有点A和B的第一三角形表面202-1，具有点B和C的第二三角形表面202-2和具有点A和点C的第三三角形表面202-3。

在至少一个实施例中，目标函数F(A,B,C,O)被限定为：

F(A,B,C,O)＝(S1+S2+S3)-S0

其中，S1是三角形OAB的面积，S2是三角形OBC的面积，S3是三角形OCA的面积，S0是三角形ABC的面积。图8表明，当O位于对应于三角形ABC的表面201中时，目标函数F(A,B,C,O)计算值为零，即当且仅当点O和表面201之间的距离为零时，S1+S2+S3＝S0。就目标函数F而言，传播射线的碰撞表面是在射线传播时产生目标函数值为零的第一表面。因此，表面选择块164(图6)的一个实施例找到了第一表面，随着传播射线131向前传播，该第一表面的目标函数F计算值为零。

图9示出了用于确定传播射线131(图5)的碰撞表面或反射射线的碰撞表面的示例性表面选择块164的流程图。

图9所示的流程图块对应于本文所述的各种操作，并且包括用于确定符合碰撞条件的表面的目标函数图的初始斜率的初始斜率块(块301)，用于基于它们的初始斜率丢弃某些表面的过滤块(块302)，用于估计特定表面的碰撞距离的估计块(块304)，以及与用于分类或以其他方式处理符合碰撞条件的表面的操作相对应的优先化块(块306)，用于确定当前表面的最小目标函数的仿真循环块(块307)，以及用于识别当前传播射线的碰撞表面的识别块(块320)。

图9所示的仿真循环块307包括：选择块(块310)，用于选择具有最短估计碰撞距离的符合碰撞条件的表面；最小目标函数值块(块312)，用于计算当前传播射线相对于当前符合碰撞条件的表面的最小目标函数值；决策块(方块314)，用于确定最小目标函数值是否为零(0)；和丢弃块(块318)，用于丢弃产生最小目标函数值大于0的表面。

图9所示的表面选择块164开始于通过计算(块301)与每个符合碰撞条件的表面(即，在表面过滤块162中对表面进行预筛选之后剩余的每个表面(图6))相关联的目标函数图的初始斜率。图10示出了五个符合碰撞条件的表面中的每一个的目标函数图351，而在实际实践中，符合碰撞条件的表面的数量可能明显更大。每个目标函数图351以传播射线的目标函数值F(A,B,C,O)与代表传播射线从其原始位置行进的距离的距离参数D作图。通过计算目标函数差来确定每个目标函数图351的初始斜率，该目标函数差对应于传播射线的初始目标函数值353(即，D＝0时的传播射线的目标函数值)与传播射线的增量目标函数值355(即D＝dx处的传播射线的目标函数值，其中dx是一个小值)之间的差。在一个示例性实施例中，等于适用波长的10％的值被用于dx。然而，其他实施例可以使用更大或更小的值。连接每个初始目标函数值353及其对应的增量目标函数值355的线的斜率表示初始目标函数斜率。

返回图9，放弃其目标函数图呈现出正初始斜率的每个符合碰撞条件的表面(块302)，因为正斜率表明相应的传播射线正在远离适用表面。参照图10中的示例性的一组目标函数图351，与目标函数图351-1相关的表面可以被排除作为碰撞表面候选者，因为目标函数图351-1的初始斜率是正的，即，随着射线远离其原始位置传播，射线与和目标函数图351-1相关联的表面之间的距离增加。

图9中所示的表面选择块164包括计算(块304)距离，在此称为碰撞距离估计D0，其中D0表示目标函数图351的线性外推与图350的D轴相交处的D的值，即，目标函数值沿着初始目标函数值353和相应的增量目标函数值355之间的直线的线性外推达到零处的距离。

然后，根据碰撞表面候选者的碰撞距离估计值D0，对碰撞表面候选者(即，在块302中丢弃表面之后剩余的所有符合碰撞条件的表面)进行优先级排序或排序(块306)。然后，图9中所示的表面选择块164开始执行循环307，在该循环中，选择具有最低碰撞距离估计D0的碰撞表面候选者(块310)以进行射线传播仿真。

然后通过计算适用射线的增量位置的目标函数值来执行针对所选表面的射线传播仿真，以识别(块312)所选表面的最小目标函数值Fmin。由于目标函数值随着传播射线接近特定表面而单调减小，并且一旦传播射线与特定表面碰撞或经过特定表面就单调增大，因此Fmin是在检测到目标函数值增加之前计算出的最后的目标函数值。因此，如果将传播射线的一系列增量距离表示为D(l)，D(2)，...，D(n-1)，D(n)，...，则：

Fmin＝F(A,B,C,D(x)),

其中F(A,B,C,D(x-1))>F(A,B,C,D(x))

一旦识别出Fmin，图9所示的表面选择块164就确定(块314)Fmin是否等于零。如果所选表面的Fmin为零，则将所选表面识别为碰撞表面(块320)。相反，如果Fmin为正，则传播射线不与所选表面碰撞，并且可以丢弃所选表面(块318)作为碰撞表面候选者。

图11示出了完全列举的目标函数图361-1至361-5。每个完全枚举的目标函数图361对应于五个符合碰撞条件的表面之一，并指示适用射线的每个增量距离的适用表面的目标函数值。比较图10和图11，可以看到基于初始目标函数斜率被识别为最可能是碰撞表面的表面(即与图10中的目标函数图351-5相关联的表面)不是实际碰撞表面。而是如图11所示，将与完全枚举的目标函数图361-4相关联的表面被识别为碰撞表面。具体地，尽管与完全枚举的目标函数图361-5相关联的表面是基于目标函数图351-5(图10)的初始斜率和估计的碰撞距离D0(图10)而被估算为碰撞表面的第一表面，Fmin 367-5的正值可以证明，传播射线经过该表面而不是与该表面碰撞。当发现目标功能图361-4的Fmin值(367-4)为零时，随后将与完全枚举的目标函数图361-4关联的表面识别为实际碰撞表面。

图12至图15示出了表面过滤块162(图6)的四个不同实施例，用于在执行表面选择块164(图6和图9)之前减少符合碰撞条件的表面的数量。尽管为了清楚和简单起见在二维空间中示出了每个实施例，但是所公开的方法可以在三个维度中过滤不符合碰撞条件的表面。另外，尽管图12至图15使用笛卡尔坐标以图形形式示出了每个实施例，但是其他实施例可以采用不同的坐标系。

在图12至图15中，(x0,y0,z0)是传播射线的原始位置。图12示出了一个示例，在该示例中，不对表面201执行任何过滤，并且所有表面201被认为是必须通过表面选择块164(图6，图9)进行处理的符合碰撞条件的表面。

图13和图14示出了表面过滤示例，其中，基于传播射线的速度矢量371和位移矢量(未明确地示出)，相对于传播射线，将表面201识别为符合碰撞条件的表面或不符合碰撞条件的表面，其中位移矢量表示适用表面201相对于传播射线的初始位置(x0,y0,z0)的位置。在至少一个实施例中，如果位移矢量的坐标和速度矢量371的坐标具有相同的符号，则将表面201识别为符合碰撞条件的表面。例如，如果用于特定传播射线的速度矢量371具有正y坐标值，则定位成其中位移矢量具有负y坐标值的任何表面201都是不符合碰撞条件的表面，因为传播射线正在沿y方向移动远离表面。在图13中示出了该示例，其中，传播射线具有初始位置(x0,y0,z0)和具有正y坐标值的速度矢量371。速度矢量371的正y坐标值使相对于初始位置(x0,y0,z0)处于“负y方向”的所有表面不符合碰撞条件。不符合碰撞条件的表面373在图13中用虚线示出。

可以将前面示例中描述的表面过滤扩展为基于三个坐标中的任何两个或基于所有三个坐标来过滤表面。图14示出了y-z过滤的示例，即，基于y坐标和z坐标的组合的过滤。速度矢量371具有正值y坐标和正值z坐标。因此，被定位成其中位移矢量具有负值y坐标或负值z坐标的任何表面都是不符合碰撞条件的。不符合碰撞条件的表面375在图14中用虚线示出。

限定每个表面的三个点的坐标在x，y和z平面中具有最大值和最小值，并且图13和图14中所示的过滤可基于反映这些最大值和/或最小值的位移矢量，取决于速度矢量坐标的值。使用图13的示例来说明，y坐标是出于过滤目的而关注的坐标，并且速度矢量371具有正值y坐标。为了仅过滤那些具有零概率成为碰撞表面的表面，可以根据表面的最大y坐标值(ymax)限定位移矢量。如果ymax位移矢量的y坐标为负值，则整个表面相对于传播射线的初始位置(x0,y0,z0)在y方向上处于负方向，并且，因为传播射线在正y方向上移动，传播射线不会与表面碰撞，因此可以将该表面指定为不符合碰撞条件。通过类推，可以将基于最大x坐标值xmax，最大y坐标值ymax和最大z坐标值zmax限定的位移矢量用于图14的过滤。

图15示出了根据图16的流程图中描绘的过滤方法400的表面过滤。

图16所示的流程图块对应于本文所述的各种操作，并且包括用于加载所有符合碰撞条件的表面的加载块(块401)，用于构造第一虚拟箱的构造块(块402)，用于确定与传播射线相关的矢量与第一虚拟块相交的点的块(块404)，用于构造第二虚拟块的构造块(块406)和用于将第二虚拟块内的表面识别为符合碰撞条件的表面的块(块408)。

图16所示的过滤方法400包括加载所有表面(块401)和构造(块402)第一虚拟箱381，该第一虚拟箱381的尺寸正好足以封闭所有表面或稍大。在至少一个实施例中，第一虚拟箱381是由xmin，xmax，ymin，ymax，zmin和zmax平面限定的平行六面体，其中xmin是所有表面的最小x坐标值，xmax是所有表面的最大x坐标值等等。然后，从传播射线在(x0,y0,z0)的初始位置开始，传播射线的速度矢量371线性地外推，以计算或其他方式确定(块404)速度矢量371与第一虚拟箱381相交的相交点(x1,y1,z1)。

然后，使用传播射线的原始位置(x0,y0,z0)和相交点(x1,y1,z1)作为第二虚拟箱的相对角，构造第二虚拟箱383(块406)。然后，可以基于表面201相对于第二虚拟箱383的位置将表面201识别为符合碰撞条件或不符合碰撞条件(块408)。可以将整个在第二虚拟箱383外部的表面201识别为不符合碰撞的表面。

下表1显示了使用图12至图15中所示的四个表面过滤选项中的每一个来处理泄漏天线阵列的示例性时间，其中选项1指的是图12的表面过滤实施例，选项2指的是图13的表面过滤实施例，选项3指的是图14的表面过滤实施例，而选项4指的是图15的表面过滤实施例。对于四个过滤表面选项中的每一个都使用一个射线跟踪模型，其中每个天线缝隙包含12,000条传播射线。尽管所有四个选项都识别了相同的一组碰撞表面并产生了基本上相同的信号功率分布，但是在四个选项之间，处理天线阵列所需的时间明显不同。对于6720个表面的情况，选项2所需的时间不到通过选项1处理天线阵列所需时间的50％，而选项3所需的时间仅为选项2所需的处理时间的35％，选项4所需的处理时间刚好超过选项3所需的处理时间的20％。

表格1

图17示出了适于执行确定本文所述的信号功率分布的操作的计算机或计算机系统。图17所示的计算机系统450包括CPU 451，该CPU 451耦合至闪存设备452以存储例如基本I/O系统(BIOS)代码等。进一步示出了CPU 451耦合到存储器455。存储器455可以包括CPU可执行程序指令，该CPU可执行程序指令在由CPU 451执行时使系统450执行本文公开的一个或多个操作，包括关于图6、图9和图16的流程图公开的操作。CPU 451进一步示为通过识别为I/O集线器457的芯片组设备耦合到一个或多个I/O设备460-1和460-2。I/O设备460可以包括例如无线和/或有线网络接口设备，其使得系统450能够经由因特网或一个或多个专用网络与其他系统通信。

已经在有利的实施例和其他实施例的上下文中描述了本发明，而没有描述本发明的每个实施例。对所描述的实施例的显而易见的修改和变更对于本领域的普通技术人员是可用的。所公开和未公开的实施例并不旨在限制申请人所构想的本发明的范围或适用性，而是根据专利法，申请人意图完全保护落入以下权利要求的等效范围内的所有此类修改和改进。