无线通信射线跟踪- MATLAB & Simulink - MathWorks印度

无线通信的射线跟踪

简介

无线通信系统使用无线电波来传输信号。传播建模使您能够根据系统参数(如频率、天线高度、地形属性和建筑属性)估计信号强度。

理论和经验模型基于范围估计路径损失，仅对与建模环境相似的环境有效。因此，这些模型通常不能提供准确的时间或空间信息。与这些模型不同的是，光线追踪模型是特定于3d环境的，因此适用于城市环境等场景。

对于传播建模，a雷那是一个单独的无线电信号吗[1]：

在均匀介质中以直线传播。
遵循反射、折射和衍射定律。
携带的能量。传播模型将射线视为管道，当射线与环境相互作用时，横截面上的能量密度会变小。

对于给定的3-D环境，射线追踪模型使用数值模拟来:

预测射线从发射机到接收器的路径。该模型可以发现从发射机到接收器的许多射线。模型从路径推导出出发角、到达角和到达时间。
估计每条射线的路径损耗和相位变化。总路径损耗是相互作用损耗、自由空间损耗和(可选)大气损耗的总和。

射线与环境有几种相互作用的方式[1]．

交互	描述
视距(LOS)	光线直接从发射机传到接收器。
反射	光线根据反射定律从表面反射回来。
折射(传播)	根据折射定律，光线在进入新介质时发生折射。
衍射	光线根据衍射定律从表面上衍射出来。一条射线可以产生许多衍射射线。
散射	光线与粗糙的表面(如海洋或建筑立面)相互作用。

使用这些函数创建射线跟踪模型，预测传播路径，计算路径损耗和相位偏移。

propagationModel-创建一个射线跟踪模型作为射线追踪对象。指定选项，如射线跟踪方法，反射的最大数量和表面材料。方法生成覆盖图时，可以使用射线跟踪模型作为输入报道函数或在计算总接收功率时使用sigstrength函数。
光线跟踪—在地图上显示传播路径(射线)或返回传播路径为comm.Ray对象。每个物体都表示从发射机到接收器的完整路径，并包含诸如路径损耗、相移和表面相互作用类型等信息。
raypl—根据表面材料和天线极化类型计算传播路径的路径损耗和相移。

有关在室内和城市环境中显示光线追踪的例子，请参见利用射线追踪的室内MIMO-OFDM通信链路而且基于射线追踪的城市联系与覆盖分析,分别。

射线追踪方法

的propagationModel而且光线跟踪函数使用射线跟踪模型来查找LOS和非视距(NLOS)路径。

该模型通过从发射机向接收机发射射线来寻找LOS路径。如果光线在到达接收器之前没有与表面相互作用，那么就存在一个LOS路径。
该模型通过使用射击和反射射线(SBR)方法找到NLOS路径[２]或者图像法。方法可以指定该方法propagationModel函数。

根据您想要建模的交互类型、计算速度和准确性选择一种方法。

方法	交互类型	计算速度	计算的准确性
SBR	包括反射效应，不包括衍射、折射或散射效应。最多支持10个路径反射。	计算复杂度随反射的数量线性增加。因此，SBR方法通常比图像方法更快。	以精确的几何精度计算传播路径的近似数目。
图像	包括反射效应，不包括衍射、折射或散射效应。最多支持两条路径反射。	计算复杂度随反射的数量呈指数增长。	以精确的几何精度计算传播路径的精确数量。

方法

交互类型

计算速度

计算的准确性

SBR

包括反射效应，不包括衍射、折射或散射效应。

最多支持10个路径反射。

计算复杂度随反射的数量线性增加。因此，SBR方法通常比图像方法更快。

以精确的几何精度计算传播路径的近似数目。

图像

包括反射效应，不包括衍射、折射或散射效应。

最多支持两条路径反射。

计算复杂度随反射的数量呈指数增长。

以精确的几何精度计算传播路径的精确数量。

当图像和SBR方法都找到相同的路径时，路径上的点在单精度浮点值的机器精度容忍范围内是相同的。

SBR法

这个图说明了SBR方法用于计算从发射机到发射机的传播路径，Tx，致收件人，处方．

采用SBR方法的射线追踪反射和衍射

SBR方法从一个以。为中心的测地球发射许多射线Tx．测地线球使模型发射的光线几乎均匀分布。

然后，该方法跟踪每条射线从Tx并且可以模拟光线和周围物体之间不同类型的相互作用，如反射、衍射、折射和散射。注意，SBR方法的当前实现只考虑反射。

当射线照射到平面时，如图所示R，光线根据反射定律进行反射。
当一条射线击中一条边时，如图所示D，根据衍射定律，射线会产生许多衍射射线[3][4]．每条衍射射线与入射射线的衍射边的夹角相同。衍射点成为新的发射点，SBR方法以与发射射线相同的方式跟踪衍射射线Tx．衍射射线的连续体在衍射边缘周围形成一个锥，这通常被称为凯勒锥[4]．目前SBR方法的实现没有考虑边缘衍射。

对于每个发射的射线，SBR方法包围处方用一个叫做接收球的球体，它的半径与光线传播的距离和发射光线之间的平均度数成正比。如果射线与球体相交，那么模型认为射线是一条有效的路径Tx来处方．SBR方法对有效路径进行校正，使路径具有精确的几何精度。

当你通过减少射线之间的度数来增加射线的数量时，接收球就会变小。因此，在某些情况下，发射更多的射线会导致更少或不同的路径。这种情况更可能发生在从STL文件或三角测量对象创建的自定义3d场景中，而不是从OpenStreetMap自动生成的场景中^®建筑物和地形数据。

SBR方法使用单精度浮点计算查找路径。

图像的方法

该图说明了与SBR方法相同的计算单个反射射线在同一发射机和接收机上传播路径的图像方法。图像法定位图像Tx对于平面反射面，Tx”．然后，方法连接Tx”而且处方用线段。如线段与平面反射面相交，如所示R在图中，则为来自的有效路径Tx来处方的存在。该方法通过递归扩展这些步骤来确定具有多个反射的路径。图像方法使用单精度浮点计算查找路径。

利用图像法进行射线追踪

传播损耗

所使用的射线追踪模型propagationModel，光线跟踪,raypl函数通过跟踪信号通过传播路径的水平和垂直偏振来计算反射损失。总功率损耗是自由空间损耗和反射损耗的总和。

表面材料的影响

当射线与表面相互作用时，表面材料对反射损失有影响。

射线追踪模型通过使用表面的复相对介电常数，将建筑和表面材料纳入到传播损耗的计算中，ε_r．ITU-R P.2040-1［5］和ITU-R P.527[6]建议包括用于计算的方法、方程和值ε_r对于一个频率范围。

的方程ε_r是:

$ε_{r} ＝ ε_{r}^{”} + j ε_{r}^{” ”}$

$ε_{r}^{” ”} ＝ \frac{σ}{2 π ε_{0} f}$ ，

地点:

ε_r＇是实际相对介电常数。
σ为电导率单位为S/m。
ε₀是自由空间的介电常数(电常数)。
f为频率单位为Hz。

对于建筑材料，射线追踪模型计算ε_r＇而且σ为:

$ε_{r}^{”} ＝一个 f^{b}$

$σ ＝ c f^{d}$ ，

在哪里一个，b，c,d是由表面材料决定的常数。为了可读性，此表以GHz为单位显示了频率范围。

材料类	相对介电常数的实部		电导率(S / m)		频率范围(GHz)
材料类	一个	b	c	d	频率范围(GHz)
真空(~空气)	1	0	0	0	(0.001, 100)
混凝土	5.31	0	0.0326	0.8095	[100]
砖	3.75	0	0.038	0	(1, 10)
石膏板	2.94	0	0.0116	0.7076	[100]
木	1.99	0	0.0047	1.0718	(0.001, 100)
玻璃	6.27	0	0.0043	1.1925	(0.1, 100)
天花板	1.50	0	0.0005	1.1634	[100]
刨花板	2.58	0	0.0217	0.78	[100]
地板	3.66	0	0.0044	1.3515	[100]
金属	1	0	10⁷	0	[100]
非常干燥的地面	3.	0	0.00015	2.52	[1,10]^(一)
中等干燥地面	15	- 0.1	0.035	1.63	[1,10]^(一)
潮湿的地面	30.	- 0.4	0.15	1.30	[1,10]^(一)
注(a):对于三种地面类型(非常干燥、中等干燥和潮湿)，不能超过所注明的频率限制。

对于水、海水、干湿冰、干湿土壤、植被等地球表面，采用射线追踪模型进行计算ε_r使用ITU-R P.527中提出的方法和方程[6]．

反射损失

这幅图像显示了发射机站点的反射路径tx到接收站点处方．

从发射点到接收点的反射路径

该模型使用这些步骤确定偏振和反射损失。

通过计算传播矩阵来跟踪射线在三维空间中的传播P．矩阵是一个重复乘积，其中我是反射点的数量。

$P ＝ \prod_{我} P_{我}$

对于每个反射，计算P_我将入射电磁场的全局坐标变换为反射平面的局部坐标，将结果乘以反射系数矩阵，再将坐标变换回原来的全局坐标系[7]．的方程P_我而且P₀是:

$P_{我} ＝ \begin{matrix} {［ \begin{matrix} {年代}_{o u t} & p_{o u t} & k_{o u t} \end{matrix} ］}_{我} & {［ \begin{matrix} R_{V} （ α ） & 0 & 0 \\ 0 & R_{H} （ α ） & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix} ］}_{我} & {［ \begin{matrix} {年代}_{我 n} & p_{我 n} & k_{我 n} \end{matrix} ］}_{我}^{- 1} \end{matrix}$

$P_{0} ＝［ \begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix} ］$

地点:
- 年代，p,k为入射平面(入射光线和反射平面的表面法线形成的平面)形成一个基底。年代而且p分别垂直于入射面和平行于入射面。
- k_在而且k_出分别是入射射线和出射射线的方向(在全局坐标中)。
- 年代_在而且年代_出分别为入射射线和出射射线的水平偏振方向(全局坐标)。
- p_在而且p_出分别为入射射线和出射射线的垂直偏振方向(全局坐标)。
- R_H而且R_V为水平偏振和垂直偏振的菲涅耳反射系数。α光线的入射角和ε_r是材料的复相对介电常数。
  $R_{H} （ α ）＝ \frac{因为（ α ） - \sqrt{（ ε_{r} - 罪^{2} （ α ）） / ε_{r}^{2}}}{因为（ α ） + \sqrt{（ ε_{r} - 罪^{2} （ α ）） / ε_{r}^{2}}}$
  $R_{V} （ α ）＝ \frac{因为（ α ） - \sqrt{ε_{r} - 罪^{2} （ α ）}}{因为（ α ） + \sqrt{ε_{r} - 罪^{2} （ α ）}}$
投影传播矩阵P变成一个2乘2的极化矩阵R．该模型旋转发射机和接收器的坐标系，使它们处于全局坐标中。

$R ＝［ \begin{matrix} H_{我 n} \cdot H_{r x} & V_{我 n} \cdot H_{r x} \\ H_{我 n} \cdot V_{r x} & V_{我 n} \cdot V_{r x} \end{matrix} ］$

$H_{我 n} ＝ P （ V_{t x} \times k_{t x} ）$

$V_{我 n} ＝ P V_{t x}$

地点:
- H_处方而且V_处方是(在全局坐标中)水平(E_θ)和垂直(E_ϕ)极化，分别为接收器。
- H_在而且V_在分别是传播的水平极化和垂直极化的方向(全局坐标)。
- V_tx是离开发射机的射线的标称垂直偏振的方向(在全局坐标中)。
- k_tx是射线离开发射机的方向(在全局坐标中)。
通过使用2 × 1琼斯极化向量，指定发射机和接收器电场的归一化水平和垂直极化J_tx而且J_处方,分别。如果发射机或接收器中有一个是无极化的，那么该模型假设 $J_{t x} ＝ J_{r x} ＝ \frac{\sqrt{2}}{2} ［ \begin{matrix} 1 \\ 1 \end{matrix} ］$ ．
计算偏振和反射损耗伊尔通过结合R，J_tx,J_处方．

$我 l ＝ - 20. {日志}_{10} | J_{r x}^{- 1} R J_{t x} |$

参考文献

[1]云，正清，Magdy F. Iskander。无线电传播建模的射线追踪:原理和应用。IEEE访问3(2015): 1089-1100。https://doi.org/10.1109/ACCESS.2015.2453991。

[２]Schaubach, k.r.， N.J. Davis, T.S. Rappaport。一种预测微细胞环境中路径损失和延迟扩散的射线追踪方法。在[1992论文集]车辆技术学会第42届VTS会议-技术前沿932 - 35。丹佛，科罗拉多州，美国:IEEE, 1992。https://doi.org/10.1109/VETEC.1992.245274。

[3]国际电信联盟无线电通信部门。衍射传播．推荐P.526-15。ITU-R, 2019年10月21日批准。https://www.itu.int/rec/r - rec - p.526 - 15 - 201910 i/en。

[4]约瑟夫·b·凯勒<衍射的几何理论>。美国光学学会杂志52岁的没有。第2期(1962年2月1日):116。https://doi.org/10.1364/JOSA.52.000116。

［5］国际电信联盟无线电通信部门。建筑材料和结构对约100MHz以上无线电波传播的影响。推荐P.2040-1。ITU-R, 2015年7月29日批准。https://www.itu.int/rec/r - rec - p.2040 - 1 - 201507 - i/en。

[6]国际电信联盟无线电通信部门。地球表面的电特性．推荐P.527-5。ITU-R, 2019年8月14日批准。https://www.itu.int/rec/r - rec p.527 i/en——5 - 201908。

[7]奇普曼，拉塞尔·A，贾兰姆·杨，韦思，林黛芬妮。“菲涅耳方程”。在偏振光和光学系统“，．光学科学与光的应用“，”博卡拉顿:泰勒和弗朗西斯，CRC出版社，2019年。

[8]麦克纳马拉，D. A.， C. W. I.皮斯托瑞斯，J. A. G.马尔赫比。衍射均匀几何理论导论．波士顿:Artech House, 1990。

另请参阅

功能

propagationModel|光线跟踪|raypl|buildingMaterialPermittivity|earthSurfacePermittivity

对象

射线追踪|comm.Ray