基于射线跟踪的不规则地形场景下电波传播预测加速方法
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提出的地形的双精度建模方法袁 它是根据地形的起 伏程度采取两种 DEM 精度来建模袁 对于地形起伏剧烈 的地方袁 采用高精度的原始 DEM 数据建模袁 而在相对 平坦的区域袁 对 DEM 数据进行等间隔采样袁 采用二阶 粗三角形面元进行建模遥 这样可以在减少三角面片数量 的同时保持地形地貌特征基本不变袁 从而在保证较高预 测精度的同时提高仿真速度遥
渊1冤 在原始 DEM 精度地形下的仿真袁 仿真地形模 型如图 1 所示袁 地形模型中每个三角形面元的长和宽约 为 90m袁 这种情况下的建模精度最高袁 仿真结果最为准 确袁 以此作为标准去判别其它两种地形精度下的仿真误 差遥 渊2冤 在二阶粗网格精度地形下的仿真袁 这种地形
模型如图 2 所示袁 地形模型中每个三角形面元的长和宽 约为 180m遥 渊3冤 在双精度地形下的仿真袁 如图 3 所 示袁 地形模型采用 90m 的原始精度三角形面元和 180m 的二阶粗三角形面元相结合的方式袁 在地形起伏较大区 域采用原始精度三角形面元以保证射线跟踪的准确度袁 而在较为平坦的区域袁 采用二阶粗三角形面元来建模以 提高仿真速度遥
基于双向链表结构袁 能够很容易地得到收发天线之 间所有的有效传播路径袁 然后分别对这些有效的射线路 径进行电磁计算袁 如果发射源和接收点之间为视距传 播袁 则通过直射方式抵达接收天线处的场强为院
渊1冤
上式中袁 是发射天线 Tx 所处位置的场强袁 k 是 波数袁 r0 是视距传播距离遥
在非视距传播情况下袁 则需要沿着双向链表中存储 的路径袁 将这些路径按照两两相邻的节点进行分解袁 相邻 节点之间的路径都可以直接看作是视距传播袁 因此可以利 用公式 渊1冤 求出第一节点处的电场强度 袁 然后依次计 算下一个有效节点的场强袁 直到到达接收天线处遥 将整 个链表递归遍历就能得到所有有效的射线路径在接收点 处的场强袁 然后将所有有效路径在接受点处的电场进行 叠加并求和袁 得到天线在接收点处接收到的总场强 遥
渊2冤
作者简介：杨博 渊1992原冤袁 男袁 硕士袁 助理工程师袁 研 究方向院 嵌入式硬件逻辑开发与电磁环境建模遥
2020.04 145
接收功率 Pr 可以根据上式计算得出的总场强 来 计算袁 公式如下院
渊3冤
上式中袁 Pt 是发射天线 Tx 的辐射功率袁 姿 是其工 作波长袁 Gt 为 Tx 增益袁 Pr 是接收天线 Rx 的增益袁 其他 变量参见公式 渊1冤 和公式 渊2冤遥 3 地形建模方法
这种地形建模方法需要对 DEM 源文件中的高程点 进行一定的筛选袁 首先对 DEM 文件中的高程数据进行 3伊3 单元读取袁 以这个 3伊3 单元区域块为单位去判断高 程点的重要性袁 高程点是否重要取决与该ห้องสมุดไป่ตู้程点周围相 邻的 8 个点的高程值袁 将该点的高程值依次与其周围 8 个点的高程值先做差袁 结果取绝对值然后再求和袁 当和 值大于参考阈值时说明该高程点重要袁 需要保留该点袁 否则说明该高程点不重要袁 进行舍弃遥 判别公式如下院
渊4冤
式中袁 H0 为 3伊3 单元中心点的高度袁 Hi 是 H0 周围 8 个点的高程值袁 啄max 是允许的最大差值袁 是一个参考 常量遥 若最后的计算结果大于 啄max袁 则说明该 3伊3 单元 子区域地形起伏较大袁 该单元地形块需要用原始精度 DEM 数据进行精细三角形网格建模曰 否则说明该 3伊3 单元地形块相对较为平坦袁 可以用经过舍弃筛选后的 DEM 数据进行二阶粗三角形网格建模遥 4 仿真结果与分析 4.1 不同地形精度下的仿真
几何光学 渊Geometrical Optics, GO冤 是用于研究射 线传播的理论袁 GO 理论引入了射线的概念来更准确形 象地分析能量在介质中的传播机理袁 可以用于分析和计 算直射和反射场[3]遥 使用的射线跟踪算法是镜像法[4]袁 根
据几何光学原理袁 从接收场点出发袁 跟踪可以从发射 源点到达接收场点的射线路径袁 并配合双向链表模拟射 线传播路径遥 电波在实际地形中传播时直射射线和反射 射线为主要的传播路径袁 因此一共定义了 3 种节点院 发 射节点尧 接收节点和各级反射节点遥 所有有效的射线路 径信息和电磁参数均存储在双向链表中遥 2.2 无线信道参数的计算
基于射线跟踪的不规则地形场景下电波传播预测加速方法
杨博 （中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安 710065）
摘 要院 为了能快速预测不规则地形的无线覆盖情况，采用数字高程模型，对不规则地形进行三角形 面元网络建模，并基于射线跟踪算法进行了电磁仿真。为了提高仿真速度，提出了一种地形的双精度 建模方法，对于地形起伏剧烈的地方，采用高精度的三角形面元建模，相对平整的区域，采用二阶粗 三角形面元建模。仿真分析证明了这种方法的有效性，可在保证准确性的前提下大幅提高电波传播预 测速度。 关键词院 射线跟踪；传播预测；数字高程模型；地形建模
1 概述 射线跟踪技术被广泛用于宏小区场景下三维无线电
波传播特性的预测遥 出于通信网络建设的需要袁 国内外 学者重点将射线跟踪技术应用于城市地区无线电波传播 预测[1]袁 对不规则地形环境下的无线电波传播特性预测 的研究相对较少[2]遥
射线跟踪算法首先需要建立预测场景的真实三维模 型才能进行无线电波的传播预测仿真遥 数字高程模型 渊Digital Elevation Model, DEM冤 是地理信息系统中最常 用的一种表现地形地貌特征真实分布的方式遥 首先对真 实地形的 DEM 数据信息进行预处理袁 转换成为对应位 置的三角形顶点的三维坐标袁 然后利用 Matlab 工具生 成三角形面元袁 将地形用很多相接的规则三角形面元来 表示袁 从而建立起地形的三维射线跟踪仿真模型遥 为了 提高仿真速度袁 提出了一种地形的双精度建模方法袁 主 要思想是根据地形起伏剧烈或相对平坦来对不规则地形 采用两种精度的三角形面元进行建模遥 为充分验证双精 度地形建模方法的有效性袁 利用 DEM 对同一块真实地 形建立了 3 种不同精度精度的模型袁 共进行了 3 组有代 表性的对比仿真袁 结果表明在双精度三角形地形模型上 进行射线跟踪电波传播仿真袁 可以在保证一定的预测准 确性的前提下使仿真速度大幅提升遥 2 基本理论 2.1 射线跟踪算法的基本理论
渊1冤 在原始 DEM 精度地形下的仿真袁 仿真地形模 型如图 1 所示袁 地形模型中每个三角形面元的长和宽约 为 90m袁 这种情况下的建模精度最高袁 仿真结果最为准 确袁 以此作为标准去判别其它两种地形精度下的仿真误 差遥 渊2冤 在二阶粗网格精度地形下的仿真袁 这种地形
模型如图 2 所示袁 地形模型中每个三角形面元的长和宽 约为 180m遥 渊3冤 在双精度地形下的仿真袁 如图 3 所 示袁 地形模型采用 90m 的原始精度三角形面元和 180m 的二阶粗三角形面元相结合的方式袁 在地形起伏较大区 域采用原始精度三角形面元以保证射线跟踪的准确度袁 而在较为平坦的区域袁 采用二阶粗三角形面元来建模以 提高仿真速度遥
基于双向链表结构袁 能够很容易地得到收发天线之 间所有的有效传播路径袁 然后分别对这些有效的射线路 径进行电磁计算袁 如果发射源和接收点之间为视距传 播袁 则通过直射方式抵达接收天线处的场强为院
渊1冤
上式中袁 是发射天线 Tx 所处位置的场强袁 k 是 波数袁 r0 是视距传播距离遥
在非视距传播情况下袁 则需要沿着双向链表中存储 的路径袁 将这些路径按照两两相邻的节点进行分解袁 相邻 节点之间的路径都可以直接看作是视距传播袁 因此可以利 用公式 渊1冤 求出第一节点处的电场强度 袁 然后依次计 算下一个有效节点的场强袁 直到到达接收天线处遥 将整 个链表递归遍历就能得到所有有效的射线路径在接收点 处的场强袁 然后将所有有效路径在接受点处的电场进行 叠加并求和袁 得到天线在接收点处接收到的总场强 遥
渊2冤
作者简介：杨博 渊1992原冤袁 男袁 硕士袁 助理工程师袁 研 究方向院 嵌入式硬件逻辑开发与电磁环境建模遥
2020.04 145
接收功率 Pr 可以根据上式计算得出的总场强 来 计算袁 公式如下院
渊3冤
上式中袁 Pt 是发射天线 Tx 的辐射功率袁 姿 是其工 作波长袁 Gt 为 Tx 增益袁 Pr 是接收天线 Rx 的增益袁 其他 变量参见公式 渊1冤 和公式 渊2冤遥 3 地形建模方法
这种地形建模方法需要对 DEM 源文件中的高程点 进行一定的筛选袁 首先对 DEM 文件中的高程数据进行 3伊3 单元读取袁 以这个 3伊3 单元区域块为单位去判断高 程点的重要性袁 高程点是否重要取决与该ห้องสมุดไป่ตู้程点周围相 邻的 8 个点的高程值袁 将该点的高程值依次与其周围 8 个点的高程值先做差袁 结果取绝对值然后再求和袁 当和 值大于参考阈值时说明该高程点重要袁 需要保留该点袁 否则说明该高程点不重要袁 进行舍弃遥 判别公式如下院
渊4冤
式中袁 H0 为 3伊3 单元中心点的高度袁 Hi 是 H0 周围 8 个点的高程值袁 啄max 是允许的最大差值袁 是一个参考 常量遥 若最后的计算结果大于 啄max袁 则说明该 3伊3 单元 子区域地形起伏较大袁 该单元地形块需要用原始精度 DEM 数据进行精细三角形网格建模曰 否则说明该 3伊3 单元地形块相对较为平坦袁 可以用经过舍弃筛选后的 DEM 数据进行二阶粗三角形网格建模遥 4 仿真结果与分析 4.1 不同地形精度下的仿真
几何光学 渊Geometrical Optics, GO冤 是用于研究射 线传播的理论袁 GO 理论引入了射线的概念来更准确形 象地分析能量在介质中的传播机理袁 可以用于分析和计 算直射和反射场[3]遥 使用的射线跟踪算法是镜像法[4]袁 根
据几何光学原理袁 从接收场点出发袁 跟踪可以从发射 源点到达接收场点的射线路径袁 并配合双向链表模拟射 线传播路径遥 电波在实际地形中传播时直射射线和反射 射线为主要的传播路径袁 因此一共定义了 3 种节点院 发 射节点尧 接收节点和各级反射节点遥 所有有效的射线路 径信息和电磁参数均存储在双向链表中遥 2.2 无线信道参数的计算
基于射线跟踪的不规则地形场景下电波传播预测加速方法
杨博 （中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安 710065）
摘 要院 为了能快速预测不规则地形的无线覆盖情况，采用数字高程模型，对不规则地形进行三角形 面元网络建模，并基于射线跟踪算法进行了电磁仿真。为了提高仿真速度，提出了一种地形的双精度 建模方法，对于地形起伏剧烈的地方，采用高精度的三角形面元建模，相对平整的区域，采用二阶粗 三角形面元建模。仿真分析证明了这种方法的有效性，可在保证准确性的前提下大幅提高电波传播预 测速度。 关键词院 射线跟踪；传播预测；数字高程模型；地形建模
1 概述 射线跟踪技术被广泛用于宏小区场景下三维无线电
波传播特性的预测遥 出于通信网络建设的需要袁 国内外 学者重点将射线跟踪技术应用于城市地区无线电波传播 预测[1]袁 对不规则地形环境下的无线电波传播特性预测 的研究相对较少[2]遥
射线跟踪算法首先需要建立预测场景的真实三维模 型才能进行无线电波的传播预测仿真遥 数字高程模型 渊Digital Elevation Model, DEM冤 是地理信息系统中最常 用的一种表现地形地貌特征真实分布的方式遥 首先对真 实地形的 DEM 数据信息进行预处理袁 转换成为对应位 置的三角形顶点的三维坐标袁 然后利用 Matlab 工具生 成三角形面元袁 将地形用很多相接的规则三角形面元来 表示袁 从而建立起地形的三维射线跟踪仿真模型遥 为了 提高仿真速度袁 提出了一种地形的双精度建模方法袁 主 要思想是根据地形起伏剧烈或相对平坦来对不规则地形 采用两种精度的三角形面元进行建模遥 为充分验证双精 度地形建模方法的有效性袁 利用 DEM 对同一块真实地 形建立了 3 种不同精度精度的模型袁 共进行了 3 组有代 表性的对比仿真袁 结果表明在双精度三角形地形模型上 进行射线跟踪电波传播仿真袁 可以在保证一定的预测准 确性的前提下使仿真速度大幅提升遥 2 基本理论 2.1 射线跟踪算法的基本理论