基于射线追踪的城市联系与覆盖分析

这个例子展示了如何使用射线追踪来分析城市环境中的通信链路和覆盖区域。在示例:

导入和可视化三维建筑数据到网站查看器
定义对应5G城市场景的发射机站点和射线跟踪传播模型
分析非视距条件下的链路
使用具有不同数量的反射和发射射线的射击和反射射线(SBR)射线跟踪方法来可视化覆盖
使用波束转向和相控阵系统工具箱™优化非视距链接

导入和可视化建筑数据

导入对应于英国伦敦金丝雀码头的OpenStreetMap (.osm)文件。下载的文件https://www.openstreetmap.org，该网站提供了对世界各地众包地图数据的访问。这些数据是根据开放数据共享开放数据库许可证(ODbL)授权的，https://opendatacommons.org/licenses/odbl/．OpenStreetMap文件中包含的建筑信息被导入并在Site Viewer中可视化。

观众= siteviewer (“建筑”，“canarywharf.osm”，“技术”，“地形”）;

定义发射机网站

定义一个发射机站点，以在密集的城市环境中建模一个小单元场景。发射机站点代表一个基站，该基站被放置在一根杆子上，为包括邻近公园在内的周边地区提供服务。发射机采用默认的各向同性天线，工作在28 GHz的载频下，功率水平为5 W。

tx = txsite (“名称”，“小细胞发射机”，.．.“人肉搜索”, 51.50375,.．.“经”, -0.01843,.．.“AntennaHeight”10.．.“TransmitterPower”5,.．.“TransmitterFrequency”, 28日e9);显示(tx)

查看视线传播的覆盖地图

使用射击和反弹射线(SBR)方法创建射线跟踪传播模型。SBR传播模型使用射线跟踪分析来计算传播路径及其相应的路径损耗。路径损耗由自由空间损耗、材料反射损耗和天线极化损耗计算而成。

将反射的最大数量设置为0，以便将初始分析限制为仅视线传播路径。设置建筑和地形材质类型，以建立完美的反射模型。

rtpm = propagationModel (“射线”，.．.“方法”，“sbr”，.．.“MaxNumReflections”0,.．.“BuildingsMaterial”，“perfect-reflector”，.．.“TerrainMaterial”，“perfect-reflector”）;

查看相应的从基站到250米的最大范围的覆盖地图。覆盖图显示每个地面位置接收器的接收功率，但不计算建筑物顶部或侧面。

覆盖(tx rtpm,.．.“SignalStrengths”-120: 5日,.．.“MaxRange”, 250,.．.“决议”3,.．.“透明”, 0.6)

在非视线位置定义接收点

视距传播的覆盖图显示了由于障碍物而产生的阴影。定义一个接收器位置，以模拟在障碍物位置上的移动接收器。绘制瞄准线路径以显示从发射机到接收器的阻塞路径。

rx = rxsite (“名称”，“小细胞接收器”，.．.“人肉搜索”, 51.50216,.．.“经”, -0.01769,.．.“AntennaHeight”1);洛杉矶(tx, rx)

使用射线追踪的情节传播路径

调整射线跟踪传播模型，以包括单反射路径，并绘制射线。结果显示信号沿单反射路径传播。选择绘制的路径查看相应的传播特性，包括接收功率、相位变化、距离和出发和到达的角度。

rtpm。MaxNumReflections = 1;clearMap(观众)光线跟踪(tx, rx rtpm)

分析信号强度和材料的影响

使用传播模型计算接收功率，该模型先前配置为模拟完美反射。然后分配一个更现实的材料类型，并重新计算接收功率。更新“站点查看器”中显示的射线。与完全反射相比，使用真实的材料反射会导致大约8分贝的功率损失。

党卫军= sigstrength (rx, tx rtpm);disp (“使用完美反射的接收功率:”+ ss +“dBm”）

完美反射的接收功率:-70.392 dBm

rtpm。BuildingsMaterial =“具体”；rtpm。TerrainMaterial =“具体”；Raytrace (tx,rx,rtpm) ss = sigstrength(rx,tx,rtpm);disp (接收到的电力使用混凝土材料:+ ss +“dBm”）

使用混凝土材料的接收功率:-78.4999 dBm

包括天气损失

在传播模型中加入天气损害并重新计算接收功率会导致另外1.5 dB的损耗。

rtPlusWeather =.．.rtpm + propagationModel (“气”) + propagationModel (“雨”）;raytrace(tx,rx,rtPlusWeather) ss = sigstrength(rx,tx,rtPlusWeather);disp (“收到的电力包括天气损失:”+ ss +“dBm”）

接收功率包括天气损失:-80.0172 dBm

包含两个反射的情节传播路径

扩展点对点分析，以包括双反射路径，并为SBR方法选择发射射线之间较小的角分离。该可视化显示了两个传播路径集群。双反射路径的总接收功率与单反射路径的总接收功率相似。

rtPlusWeather.PropagationModels(1)。MaxNumReflections = 2;rtPlusWeather.PropagationModels(1)。AngularSeparation =“低”；党卫军= sigstrength (rx, tx rtPlusWeather);disp (双反射路径接收功率:+ ss +“dBm”）

接收功率双反射路径:-79.6847 dBm

clearMap(观众)光线跟踪(tx, rx rtPlusWeather)

使用单一反射路径查看覆盖地图

使用配置的传播模型，重新生成包含单反射路径和天气损害的覆盖图。重新生成覆盖率结果的代码包括在内，但被注释掉了。通过运行代码生成的结果从文件中加载，以在示例演示中节省几分钟的计算时间。由此产生的覆盖图显示了上述分析的非现场线接收器周围区域的接收功率。

rtPlusWeather.PropagationModels(1)。MaxNumReflections = 1;clearMap(观众)

加载覆盖结果和图。覆盖结果是使用下面的注释覆盖调用生成的，它需要几分钟才能完成。

show(tx) coverageResults = load(“coverageResults.mat”）;轮廓(coverageResults.propDataSingleRef.．.“类型”，“权力”，.．.“透明”, 0.6)%覆盖率(tx, rtPlusWeather,…%”SignalStrengths ", -120: 5,……% "MaxRange"， 250，…%“决议”,2,……%“透明度”,0.6)

查看覆盖地图与四反射

考虑到更多的传播路径，并通过将射线跟踪分析的最大反射数增加到4来生成更精确的覆盖图。再次可视化一个预先计算的覆盖图，它显示了发射机站点周围区域的几乎全部覆盖。

rtPlusWeather.PropagationModels(1)。MaxNumReflections = 4;clearMap(观众)

使用预加载的覆盖率结果绘图。覆盖结果是使用下面的注释覆盖调用生成的，根据计算机硬件的不同，可能需要几个小时才能完成。

显示(tx)轮廓(coverageResults.propDataFourRef,.．.“类型”，“权力”，.．.“透明”, 0.6)%覆盖率(tx, rtPlusWeather,…%”SignalStrengths ", -120: 5,……% "MaxRange"， 250，…%“决议”,2,……%“透明度”,0.6)

使用波束转向增强接收功率

许多现代通信系统使用技术来引导发射机天线以实现最佳的链路质量。本节使用相控阵系统工具箱™优化引导波束，使非视距链路的接收功率最大化。

从ITU-R M.2412报告中定义一个自定义天线［1］评估5G无线电技术。根据报告第8.5节中定义的元素模式创建一个8 × 8的均匀矩形数组，将其指向南方，并查看辐射模式。

tx.Antenna = helperM2412PhasedArray (tx.TransmitterFrequency);tx.AntennaAngle = -90;clearMap(观众)显示(rx)模式(tx,“透明”0.6)隐藏(tx)

调用光线跟踪使用一个输出来访问所计算的射线。返回的comm.Ray对象包括每条射线的几何和传播相关特征。

rtPlusWeather.PropagationModels(1)。MaxNumReflections = 1;雷=光线跟踪(tx, rx rtPlusWeather);disp (ray {1})

射线的属性:PathSpecification: 'Locations' CoordinateSystem: ' geography ' TransmitterLocation: [3×1 double] ReceiverLocation: [3×1 double] LineOfSight: 0交互:[1×1 struct]频率:2.8000e+10 PathLossSource: 'Custom' PathLoss: 117.0069相移:4.0976只读属性:繁殖延迟:6.6488e-07繁殖距离:199.3261 angleofleaving: [2×1 double] AngleOfArrival: [2×1 double] NumInteractions: 1

获取单反射路径的出发角，并应用该角度将天线导向最佳方向，以获得更高的接收功率。出发角方位角被物理天线角方位角偏移，以转换为相控阵天线局部坐标系中定义的转向矢量方位角。

大气气溶胶雷= {1}.AngleOfDeparture;steeringaz = wrapTo180(大气气溶胶(1)-tx.AntennaAngle (1));steeringVector =分阶段。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);sv = steeringVector (tx.TransmitterFrequency [steeringaz; aod (2)]);tx.Antenna.Taper =连词(sv);

绘制辐射图以显示沿传播路径定向的天线能量。新的接收功率增加超过20 dB。增加的接收功率对应于天线的峰值增益。

模式(tx,“透明”0.6)光线跟踪(tx, rx rtPlusWeather);hide(tx) ss = sigstrength(rx,tx,rtPlusWeather);disp (接收到的功率与波束转向:+ ss +“dBm”）

接收功率与波束转向:-57.0575 dBm

结论

本例在城市环境中使用射线跟踪进行链路和覆盖率分析。分析显示:

如何使用射线追踪分析来预测存在反射传播路径的非视距链路的信号强度
实际材料的分析对计算的路径损耗和接收功率有显著影响
分析与高数量的反射结果增加计算时间，但揭示额外的信号传播领域
使用带波束转向的定向天线可以显著增加接收器的接收功率，即使它们位于非视线位置

本例分析了链路和覆盖的接收功率和路径损耗。要了解如何使用射线跟踪来配置用于链路级模拟的通道模型，请参见利用射线追踪的室内MIMO-OFDM通信链路(通信工具箱)的例子。

参考文献

ITU-R M.2412报告，“IMT-2020无线电接口技术评估指南”，2017年。https://www.itu.int/pub/R-REP-M.2412