反向射線(xiàn)跟蹤的三維路徑搜索方法

摘要：移動(dòng)通信基站電磁波傳播預測在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )設計和電磁輻射環(huán)境影響評價(jià)中起著(zhù)關(guān)鍵性作用。反向射線(xiàn)跟蹤方法是解決這一問(wèn)題的有效方法。介紹了反向射線(xiàn)跟蹤的三維路徑搜索方法，這種搜索方法建立在三維模型數據信息的基礎之上，方便，快捷。首先，建立環(huán)境小區的三維建筑物模型；其次，運用本文所介紹的三維路徑搜索方法，找出電波精確的傳播路徑，對每一條路徑計算接收點(diǎn)場(chǎng)強，疊加得出總場(chǎng)強；最后用軟件實(shí)現場(chǎng)強預測系統，并用實(shí)驗驗證預測模型的準確性。
關(guān)鍵詞：反向射線(xiàn)跟蹤；路徑搜索；場(chǎng)強預測系統；三維建模

隨著(zhù)移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，在目前的城市環(huán)境中，移動(dòng)通信基站數目在不斷地增長(cháng)，并且大量采用了微蜂窩及微微蜂窩移動(dòng)通信系統。在這些通信系統中建筑物的反射、衍射等會(huì )造成電波傳播的多徑效應。蜂窩面積越小，在網(wǎng)絡(luò )設計、場(chǎng)強預測、干擾分析時(shí)就越要更多地考慮基站周邊建筑物的影響。由于城市中基站周邊環(huán)境的復雜性和多變性，傳統的統計模型已經(jīng)基本失效，而以射線(xiàn)跟蹤為代表的確一定模型正是處理這一問(wèn)題的有效方法。
射線(xiàn)跟蹤有正向算法和反向算法兩種，正向算法簡(jiǎn)單，效率高，但誤差較大。反向算法比正向算法效率低，復雜度大，但其精度高。本文是基于反向射線(xiàn)跟蹤算法進(jìn)行三維路徑搜索的研究，進(jìn)而建立起精確的城市小區電磁環(huán)境預測系統。
在建立城市小區電磁環(huán)境精確預測系統中，關(guān)鍵技術(shù)有3個(gè)方面，三維建筑物數據模型的建立，到達接收點(diǎn)的所有確定路徑的搜索和場(chǎng)強的計算。本文主要從這3個(gè)方面分別作以介紹。

1 三維建模
本文所研究的三維路徑搜索方法是建立在確定數據結構的三維建筑物模型的基礎上，考慮到普通計算機計算能力及該預測系統計算成本，我們將建筑物的外表面都考慮成平面。假定所建的三維建筑物模型能夠動(dòng)態(tài)地存儲不包括底面的其他所有的面結構及不包含在底面內的所有的棱結構，并將其存儲(而這些在三維建模時(shí)是能夠做到的)。面的數據結構包括4個(gè)頂點(diǎn)信息及其法向量，棱的數據結構包括2個(gè)端點(diǎn)及其所在的2個(gè)面。由于要考慮地面反射影響，需另外存儲一個(gè)有限大的平面，假定1 000 m(長(cháng))x1 000 m(寬)作為小區地面信息。每建立一個(gè)建筑物模型，都依次存儲以上信息，則小區內建筑物模型的所有面結構和棱結構都被存儲。

2 路徑搜索
反向射線(xiàn)追蹤算法中，考慮到電波的衰減特性，本論文只考慮二次以下的反射及繞射的路徑搜索，而忽略三次及以上的反射及繞射路徑。二次以下的反射及繞射路徑主要有以下幾種情形：一次反射，一次繞射，一次反射加一次繞射，一次繞射加一次反射，二次反射，二次繞射。
下面分別對以上6種路徑的搜索方法加以介紹。所有的搜索都是基于三維空間的。
2．1 一次反射
如圖1所示，已知源點(diǎn)Tx，場(chǎng)點(diǎn)Rx，搜索一次反射路徑的步驟為：

1)Tx的鏡像點(diǎn)為T(mén)x’，連接Tx’與Rx交平面S于R點(diǎn)，即R點(diǎn)為反射點(diǎn)。Tx-R-Rx即為一條一次反射路徑；
2)判斷該路徑有效性(兩條件必須同時(shí)具備)：
①Tx-R之間，R-Rx之間沒(méi)有建筑物遮擋；
②反射點(diǎn)在平面S內。
3)如果該路徑有效，將其存儲在一次反射路徑子目錄rpaths>中，即找到一條反射路徑；
4)從發(fā)射源點(diǎn)對三維建筑物模型中存儲的所有面作鏡像點(diǎn)，進(jìn)而找到關(guān)于所有面的反射點(diǎn)，再判斷其有效性，將所有的有效路徑存儲在rpaths>中。
2．2 一次繞射
由Keller的繞射場(chǎng)概念得出，尖劈的繞射線(xiàn)與尖劈直邊緣線(xiàn)的夾角等于入射線(xiàn)與直邊緣線(xiàn)的夾角。如圖2所示，已知源點(diǎn)Tx，場(chǎng)點(diǎn)Rx，搜索一次繞射的路徑的步驟為：