主要内容

使用光线追踪的城市连接和覆盖分析

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

  • 导入并可视化三维建筑数据到网站查看器

  • 定义对应于5G城市场景的发射场和射线追踪传播模型

  • 分析在非视线条件下的一个环节

  • 使用不同数量的反射和发射射线的射击和弹跳射线(SBR)射线追踪方法可视化覆盖

  • 使用波束控制和相控阵系统工具箱优化非视线链接

导入和可视化建筑数据

导入一个OpenStreetMap (.osm)文件，对应于英国伦敦的Canary Wharf。文件被下载https://www.openstreetmap.org该网站提供了世界各地的众包地图数据。数据是在开放数据共享开放数据库许可证(ODbL)下许可的，https://opendatacommons.org/licenses/odbl/．OpenStreetMap文件中包含的建筑信息将在Site Viewer中导入并可视化。

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来模拟一个密集城市环境中的小小区场景。发射台代表一个基站，该基站位于服务于周边地区(包括邻近的公园)的杆子上。发射机采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)

视线传播的视图覆盖图

使用射击和弹跳射线(SBR)方法创建一个射线追踪传播模型。SBR传播模型使用射线追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得到。

设置最大反射数为0，以限制最初的分析仅为视线传播路径。设置建筑和地形材质类型，使模型完美反射。

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

查看基站最大距离250米的相应覆盖地图。覆盖图显示了接收机在每个地面位置的接收功率，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器位置

视线传播覆盖图显示了由于障碍物造成的阴影。定义接收器位置以模拟在阻塞位置中的移动接收器。绘制视线路径，以显示从发射机到接收机的受阻路径。

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)

使用射线追踪绘制传播路径

调整光线追踪传播模型以包含单反射路径，并绘制光线。结果表明，信号沿单反射路径传播。由于SBR射线追踪方法计算的是近似路径，因此路径并不会精确地在接收点结束。选择绘制的路径，可以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

使用先前配置为模拟完美反射的传播模型计算接收功率。然后分配一个更真实的材料类型，并重新计算接收到的能量。更新站点查看器中显示的射线。与完美的反射相比，使用真实的材料反射会导致大约8db的功率损耗。

党卫军= sigstrength (rx, tx rtpm);disp (“使用完美反射接收能量:”+ ss +“dBm”）
接收功率使用完美反射:-70.3924 dBm
rtpm。BuildingsMaterial =“具体”；rtpm。TerrainMaterial =“具体”；ss = sigstrength(rx,tx,rtpm);disp (“使用混凝土材料接收功率:”+ ss +“dBm”）
接收功率使用混凝土材料:-78.9591 dBm

包括天气损失

在传播模型中加入天气影响，并重新计算接收功率，又会产生1.5 dB的损耗。

rtPlusWeather = rtpm + propagationModel(“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:-80.4766 dBm

使用单反射路径查看覆盖图

使用配置的传播模型并重新生成覆盖图，其中包括单反射路径和天气损害。包含了重新生成覆盖率结果的代码，但是注释掉了。在示例演示中，通过运行代码生成的结果从文件加载，以节省几分钟的计算时间。所得到的覆盖图显示了上述分析的非场址线接收器周围区域的接收功率。

clearMap(观众)%负荷覆盖结果和图。覆盖率结果是使用% comments coverage call下面，需要几分钟来完成。show(tx) coveragerresults = 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);

Plot传播路径包括两个反射

扩展点对点分析，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。可视化显示了两个集群的传播路径，与单反射路径相比，总接收功率增加了约3 dB。

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:-77.1445 dBm
clearMap(观众)光线跟踪(tx, rx rtPlusWeather)

使用双反射路径查看覆盖图

可视化预先计算的覆盖图，其中包括上述组合传播模型定义的双反射路径和天气损害。得到的覆盖图显示的接收功率比上面单反射路径的覆盖图更大。注意，有些区域仍然没有信号到达。

clearMap(观众)%使用预加载的覆盖结果进行绘图。生成覆盖率结果%使用注释覆盖率调用下面，这可能需要半个小时左右%的完成取决于计算机硬件。显示(tx)轮廓(coverageResults.propDataDoubleRef,．..“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);

使用四反射路径查看覆盖图

通过将射线追踪分析的最大反射数增加到4，可以考虑更多的传播路径并生成更精确的覆盖图。再次可视化预先计算的覆盖图，其中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)%使用预加载的覆盖结果进行绘图。覆盖率结果是使用%注释覆盖率呼叫下面，这可能需要一个小时左右%的完成取决于计算机硬件。显示(tx)轮廓(coverageResults.propDataFourRef,．..“类型”，“权力”，．..“透明”, 0.6)%覆盖率(tx, rtPlusWeather,…%”SignalStrengths ", -120: 5,……% "MaxRange"， 250，…%“决议”,2,……%“透明度”,0.6);

使用波束控制增强接收功率

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，以最大限度地提高非视线链路的接收功率。

定义自定义天线从报告ITU-R M.2412［１］评估5G无线技术。根据报告第8.5节中定义的元素模式创建一个8 × 8的统一矩形阵列，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)

调用光线跟踪通过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性。

rtPlusWeather.PropagationModels(1)。MaxNumReflections = 1;雷=光线跟踪(tx, rx rtPlusWeather);disp (ray {1})
射线属性:PathSpecification: 'Locations' CoordinateSystem: 'Geographic' TransmitterLocation: [3×1 double] ReceiverLocation: [3×1 double] LineOfSight: 0 ReflectionLocations: [3×1 double] Frequency: 2.8000e+10 pathlossource: 'Custom' PathLoss: 117.4546 phasesshift: 3.8184 Read-only properties: PropagationDelay:6.6489e-07传播距离:199.3293出发角度:[2×1 double]到达角度:[2×1 double] NumReflections: 1

得到单反射路径的出发角，并利用这个角度来引导天线朝着最佳方向，以获得更高的接收功率。偏离角方位角被天线物理角方位角偏移，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。新的接收功率增加了约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);隐藏(tx) ss = sigstrength(rx, tx, rtPlusWeather);disp (接收功率与波束控制:+ ss +“dBm”）
接收波束转向功率:-57.5126 dBm

结论

这个例子在城市环境中使用了光线追踪来进行链路和覆盖分析。分析显示:

  • 对于存在反射传播路径的非视距链路，如何使用光线追踪分析来预测信号强度

  • 用实际材料进行分析对计算的路径损耗和接收功率有重要影响

  • 分析较高的反射次数会增加计算时间，但揭示了额外的信号传播区域

  • 使用带有波束控制的定向天线可以显著增加接收机的接收功率，即使它们处于非视线位置

本例分析了链路和覆盖的接收功率和路径损耗。要了解如何使用光线追踪来配置链路级模拟的信道模型，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

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

另请参阅

天线工具箱文档

金宝app

大规模MIMO相控阵系统的混合波束形成

大规模MIMO相控阵系统的混合波束形成

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