使用光线追踪的城市联系和覆盖分析

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本示例展示了如何使用光线跟踪来分析城市环境中的通信链路和覆盖区域。在这个例子中:

导入并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光线跟踪传播模型
在非视线条件下分析一个链接
使用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™优化非视距链路

导入和可视化建筑物数据

导入对应英国伦敦金丝雀码头的OpenStreetMap (.osm)文件。该文件已从https://www.openstreetmap.org该网站提供了获取世界各地众包地图数据的途径。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文件中包含的建筑物信息将在Site Viewer中导入和可视化。

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

定义发射机站点

定义一个发射机站点，以模拟密集城市环境中的小蜂窝场景。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。发射器使用默认的各向同性天线，工作在28 GHz的载波频率和5 W的功率水平。

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

视距传播的视图覆盖图

使用射击和反弹射线(SBR)方法创建一个射线跟踪传播模型。SBR传播模型采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。

将最大反射数设置为0，以便将初始分析限制为视线传播路径。设置建筑和地形的材质类型来完美的反映模型。

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

查看距离基站最大250米范围对应的覆盖图。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造成的阴影。定义一个接收点来模拟一个在障碍物位置的移动接收。绘制视距路径以显示从发射机到接收机的阻塞路径。

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)

使用射线跟踪绘制传播路径

调整光线追踪传播模型，以包括单反射路径，并绘制光线。结果表明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、出发和到达的角度。

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

分析材料的信号强度和效应

使用传播模型计算接收功率，该模型之前配置为模拟完全反射。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。与完美反射相比，使用真实的材料反射会导致大约8 dB的功率损失。

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

使用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 (“接收电力使用混凝土材料:”+ ss +“dBm”）

混凝土材料接收功率:-78.4999 dBm

包括天气损失

在传播模型中添加天气损害并重新计算接收功率会导致另外1.5 dB的损失。

rtPlusWeather =..．rtpm +传播模型(“气”+ propagationModel(“雨”);raytrace(tx,rx,rtPlusWeather) ss = sigstrength(rx,tx,rtPlusWeather);disp (“接收功率包括天气损失:”+ ss +“dBm”）

接收功率包括天气损失:-80.0172 dBm

包括两个反射的图传播路径

扩展点对点分析以包括两个反射路径，并为SBR方法选择更小的发射射线之间的角分离。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”;ss = sigstrength(rx,tx,rtPlusWeather);disp (“双反射路径接收功率:”+ ss +“dBm”）

双反射路径接收功率:-79.6847 dBm

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

使用单反射路径查看覆盖地图

使用配置的传播模型并重新生成包括单反射路径和天气损害的覆盖图。包含了重新生成覆盖结果的代码，但注释掉了。从文件中加载可通过运行代码生成的结果，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面分析的非现场线接收机周围区域的接收功率。

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

负载覆盖结果和图。覆盖结果是使用下面的注释覆盖调用生成的，该调用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，…% " signalstrength "，-120:-5，…% "MaxRange"， 250，…%“分辨率”，2，…%“透明度”,0.6)

使用四反射查看覆盖地图

考虑更多的传播路径，并通过将光线跟踪分析的最大反射数增加到4来生成更准确的覆盖图。再次可视化预先计算的覆盖图，显示发射机站点周围区域几乎完全覆盖。

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

使用预加载的覆盖结果绘制图。覆盖结果是使用下面的注释覆盖调用生成的，这可能需要几个小时才能完成，具体取决于计算机硬件。

显示(tx)轮廓(coverageResults.propDataFourRef,..．“类型”，“权力”，..．“透明”, 0.6)%覆盖率(tx,rtPlusWeather，…% " signalstrength "，-120:-5，…% "MaxRange"， 250，…%“分辨率”，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控制发射机天线以达到最佳的链路质量。本节使用相控阵系统工具箱™来优化引导波束，以最大化非视距链路的接收功率。

从ITU-R M.2412报告定义一个自定义天线[1]用于评估5G无线电技术。根据本报告第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;显示(rx)模式(tx，“透明”0.6)隐藏(tx)

调用光线跟踪使用输出访问已计算的射线。返回的comm.Ray对象包括每条射线的几何特征和传播相关特征。

rtPlusWeather.PropagationModels(1)。MaxNumReflections = 1;ray = raytrace(tx,rx,rtPlusWeather);disp (ray {1})

射线属性:PathSpecification: 'Locations' CoordinateSystem: 'Geographic' 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移相:4.0976只读属性:PropagationDelay: 6.6488e-07 PropagationDistance: 199.3261 AngleOfDeparture: [2×1 double] AngleOfArrival: [2×1 double] NumInteractions: 1

获得单反射路径的出发角，并应用此角度将天线转向最佳方向，以获得更高的接收功率。偏离角方位角被物理天线角方位角偏移，转换为相控阵天线局部坐标系中定义的方向矢量方位角。

aod = ray{1}.AngleOfDeparture;steeringaz = wrapTo180(aod(1)-tx.AntennaAngle(1));steeringVector =相控。SteeringVector (“SensorArray”, tx.Antenna);sv = steeringVector(tx. transmitfrequency，[steeringaz;aod(2)]);tx. antenna .锥度= conj(sv);

绘制辐射图以显示沿传播路径定向的天线能量。新增接收功率增加20db以上。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 (波束转向接收功率:+ 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光线跟踪进行链路和覆盖分析。分析表明:

如何使用光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
使用实际材料进行分析对计算的路径损耗和接收功率有重大影响
具有较高反射数的分析导致计算时间增加，但揭示了额外的信号传播区域
使用带有波束转向的定向天线可以显著提高接收机的接收功率，即使它们位于非视距位置

该示例分析了链路和覆盖的接收功率和路径损耗。要了解如何使用光线跟踪来配置链路级模拟的通道模型，请参阅使用光线追踪的室内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