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射线跟踪的无线通信

介绍

无线通信系统使用无线电波传输信号。传播模型可以估计信号的强度基于系统参数如频率、天线高度、地形属性,和建筑的属性。

理论和实证模型估计基于范围路径损耗,并是有效的只有那些类似于建模环境的环境。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、射线跟踪模型是特定于3 d环境,因此适合城市环境等场景。

传播建模的雷是一个单独的无线电信号[1]:

通过均匀介质沿一条直线。
遵守反射定律、折射和衍射。
携带的能量。传播模型治疗射线像管子,截面上的能量密度变小了,小如光线与环境进行交互。

对于一个给定的三维环境中,射线跟踪模型利用数值模拟:

预测光线的路径从发射机到接收机。模型可以找到许多射线从发射机到接收机。模型推导的角度出发,到达角、到达时间的路径。
估计每个射线路径损耗和相位变化。总路径损耗是互动的和损失,自由空间损失,可选地,大气的损失。

一线在几个方面与环境交互[1]。

交互	描述
视线(LOS)	光线传播直接从发射机到接收机。
反射	光线反射表面反射定律。
折射(传播)	光线折射进入新媒体,根据折射定律。
衍射	依法雷期刊表面的衍射。一个射线可以产生许多绕射射线。
漫散射	光线与粗糙表面,如海洋或建筑立面。

使用这些函数来创建射线跟踪模型,预测传播路径,并计算路径损失和相移。

propagationModel——创建一个射线跟踪模型射线追踪对象。指定选项,如射线追踪方法,反射和衍射的最大数量,材料的交互。您可以使用射线跟踪模型作为输入进行射频分析时,例如当生成覆盖地图使用报道函数或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comm.Ray对象。每个对象代表的完整路径从发射机到接收机,并包含信息如路径损耗、相移和类型的表面的相互作用。
raypl——计算路径损耗和相移的传播路径基于表面材料和天线极化类型。

为例,展示了在城市环境中光线追迹,明白了使用射线追踪城市链接和覆盖率分析。

射线追踪方法

的propagationModel和光线跟踪函数使用一个射线跟踪模型,发现洛和视线范围(仿真结果路径。

模型发现洛路径通过拍摄光线从发射机到接收机。如果射线不接触表面在到达接收方之前,洛路径。
模型仿真结果发现路径通过拍摄和弹跳射线法(SBR)[2]或图像的方法。您可以指定使用的方法propagationModel函数。

选择一个方法基于你想要的类型的交互模型,计算速度和精度。

方法	交互类型	计算速度	计算的准确性
SBR(默认)	包括影响反射和绕射边缘。不包括从角落衍射效应,折射、漫射。对于每个路径,支持多达十路径反金宝app射和两个边缘衍射。	计算复杂度增加线性的反射和衍射的数量成倍增长。SBR法通常是速度比图像的方法。	计算近似的传播路径与精确的几何精度。
图像	包括来自反射的影响。不包括从衍射效应,折射、漫射。对于每一个路径,支持两路反射。金宝app	计算复杂度指数反映的数量增加。	计算一个准确的传播路径与精确的几何精度。

方法

交互类型

计算速度

计算的准确性

SBR(默认)

包括影响反射和绕射边缘。不包括从角落衍射效应,折射、漫射。

对于每个路径,支持多达十路径反金宝app射和两个边缘衍射。

计算复杂度增加线性的反射和衍射的数量成倍增长。SBR法通常是速度比图像的方法。

计算近似的传播路径与精确的几何精度。

图像

包括来自反射的影响。不包括从衍射效应,折射、漫射。

对于每一个路径,支持两路反射。金宝app

计算复杂度指数反映的数量增加。

计算一个准确的传播路径与精确的几何精度。

当图像和SBR方法找到相同的路径,路径上的点是相同的机器精度的公差内单精度浮点值。

SBR法

这个数字说明了SBR法计算传播路径从发射机,Tx接收器,处方。

使用SBR法射线追踪反射和衍射

SBR法推出许多射线为中心的球面测地线Tx。测地线领域使模型推出大约间隔均匀的光线。

然后,每射线跟踪方法Tx,可以模拟不同类型的光线和周围物体之间的相互作用,如反射、绕射、折射和散射。注意,当前实现SBR法只考虑反射和绕射边缘。

当射线击中一个平面上时,显示为R雷反映了基于反射的规律。
当射线击中一个边缘,显示为D射线产生许多基于绕射射线衍射的法则[3][4]。每个衍射线的边缘与衍射角入射光线。衍射点就变成了一个新的发射点和SBR法痕迹一样的绕射射线射线发射Tx。连续的绕射射线衍射周围形成一个锥形边缘,这是通常被称为一个凯勒锥[4]。

对于每个发射光线,SBR方法围绕处方一个球体,称为接待范围,半径射线传播的距离成正比,发射射线之间的度的平均数量。如果射线球面相交,那么该模型考虑了雷一个有效的路径Tx来处方。SBR法纠正有效路径的路径有精确的几何精度。

当你增加射线的数量减少的数量度之间的射线,接待的范围变得越来越小。因此,在某些情况下,推出更多的射线导致更少的或不同的路径。这种情况更可能发生在自定义三维场景创建的STL文件或三角物体,而不是场景从OpenStreetMap是自动生成的^®建筑物和地形数据。

SBR法发现路径使用双精度浮点计算。

图像的方法

这个数字说明了图像计算方法单一反射光线的传播路径的发射机和接收机SBR方法。图像方法定位的形象Tx对平面反射表面,Tx”。然后,连接的方法Tx”和处方一条线段。如果线段相交平面反射表面,显示为R在图中,一个有效的路径Tx来处方的存在。与多次反射法确定路径通过递归扩展这些步骤。图像方法发现路径使用单精度浮点计算。

射线跟踪使用图像的方法

传播损耗

射线追踪对象计算反射和衍射损失通过跟踪水平和垂直偏振的信号传播路径。总功率损失是自由空间损耗的总和,反射损失和衍射损耗。

表面材料的影响

当射线与表面,表面材料影响反射损失。

射线跟踪模型包含建筑和表面材料的传播损耗计算通过使用复杂表面的相对介电常数,ε_r。的ITU-R P.2040-1[5]和ITU-R P.527[6]建议包括方法、方程和值用于计算ε_r的频率范围。

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”是真正的相对介电常数。
σ电导率的S / m。
ε₀是自由空间的介电常数(电常数)。
f在赫兹的频率。

建筑材料,计算射线跟踪模型ε_r”和σ为:

$ε_{r}^{'} = 一个 f^{b}$

$σ = c f^{d}$ ,

在哪里一个,b,c,d是常数决定的表面材料。为了可读性,该表显示GHz的频率范围。

材料类	相对介电常数的实部		电导率(S / m)		频率(赫兹)
材料类	一个	b	c	d	频率(赫兹)
空气真空(~)	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只^(一)
介质干地	15	- 0.1	0.035	1.63	1,10只^(一)
潮湿的地面	30.	- 0.4	0.15	1.30	1,10只^(一)
备注(a):三个地面类型(非常干燥,介质干燥和潮湿),指出频率不能超过限制。

等地球表面水、海水、干或湿冰,干燥或潮湿土壤,植被,射线跟踪模型计算ε_r使用方法和方程提出了ITU-R P.527[6]。

反射损失

这张图片显示了一个反射路径从发射机的网站tx接收器的网站处方。

反射路径从一个发射器接收器的网站

该模型使用这些步骤决定极化和反射损失。

追踪光线的传播在三维空间中通过计算传播矩阵P。矩阵是一个重复的产品,我是反射点的数量。

$P = \prod_{我} P_{我}$

对于每一个反射,计算P_我通过将入射电磁场的全局坐标转换为本地反射平面上的坐标,结果乘以一个反射系数矩阵,和坐标转换回原来的全球坐标系统[7]。的方程P_我和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入射面形成一个基础(飞机由入射光线和反射的表面正常的飞机)。年代和p分别是垂直的、平行的入射面。
- k_在和k_出在全局坐标方向()退出和入射光的射线,分别。
- 年代_在和年代_出在全局坐标方向()水平偏振的事件和退出射线,分别。
- p_在和p_出的方向(在全局坐标)事件和退出射线垂直偏振,分别。
- R_H和R_V菲涅耳反射系数的水平和垂直的偏振光,分别。α是光线的入射角和ε_r是复杂的相对介电常数的材料。
  $R_{H} (α) = \frac{因为 (α) - \sqrt{(ε_{r} - 罪^{2} (α)) / ε_{r}^{2}}}{因为 (α) + \sqrt{(ε_{r} - 罪^{2} (α)) / ε_{r}^{2}}}$
  $R_{V} (α) = \frac{因为 (α) - \sqrt{ε_{r} - 罪^{2} (α)}}{因为 (α) + \sqrt{ε_{r} - 罪^{2} (α)}}$
项目传播矩阵P成一个2×2极化矩阵R。模型旋转坐标系统的发射机和接收机在全局坐标。

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

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

$V_{我 n} = P V_{t x}$

地点:
- H_处方和V_处方在全局坐标方向()的水平(E_θ)和纵向(E_ϕ)偏振分别为接收器。
- H_在和V_在在全局坐标方向()的传播水平和垂直的偏振光,分别。
- V_tx方向(在全球坐标)的名义垂直极化射线离开发射机。
- k_tx的方向(在全局坐标)射线离开发射机。
指定规范化水平和垂直偏振电场的发射机和接收机采用2×1琼斯极化向量J_tx和J_处方,分别。如果未极化的发射器或接收器,然后模型假定 $J_{t x} = J_{r x} = \frac{\sqrt{2}}{2} (\begin{matrix} 1 \\ 1 \end{matrix}]$ 。
计算极化和反射损失伊尔通过结合R,J_tx,J_处方。

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

衍射损失

模型计算衍射损失通过计算基于衍射(UTD)的统一理论[8]。

一阶信号衍射,路径损耗的方程,PL_D是:

$P l_{D} = J V_{r x}^{'} H_{d 我 f f 1} J V_{t x}$ ,

地点:

合资企业_处方和合资企业_tx接收机和发射机是极化向量,分别指定为琼斯矢量。
H_diff1是衍射矩阵。

衍射的方程矩阵包含三个方面。

第一项是一个旋转的几何耦合矩阵极化向量的基础从雷edge-fixed发病率的基础平面坐标。edge-fixed入射平面包含雷和优势。
第二项是一个偏振矩阵包含衍射系数为当地的水平和垂直的偏振光,D_⟂和D_∥和一个振幅比例因子。更多信息关于衍射系数和振幅比例因子,明白了[3]和[8]。
第三项是一个旋转的几何耦合矩阵的偏振矢量edge-fixed发病率的基础平面edge-fixed衍射平面的基础。edge-fixed衍射平面包含衍射线和边缘。

引用

[1]Yun, Zhengqing Magdy f·伊斯坎德尔。“无线电传播建模:射线追踪原理及应用”。IEEE访问3 (2015):1089 - 1100。https://doi.org/10.1109/ACCESS.2015.2453991。

[2]Schaubach,投资者,N.J. Davis, and T.S. Rappaport. “A Ray Tracing Method for Predicting Path Loss and Delay Spread in Microcellular Environments.” In[1992程序]车辆技术协会第42 VTS会议——前沿技术932 - 35。美国科罗拉多州丹佛市:IEEE 1992。https://doi.org/10.1109/VETEC.1992.245274。

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

[4]凯勒,约瑟夫·b·“几何绕射理论”。美国光学学会杂志》上52岁的没有。2(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。建筑材料和结构对无线电波传播的影响大约100 mhz以上。推荐P.2040-1。ITU-R,批准2015年7月29日。https://www.itu.int/rec/R-REC-P.2040/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,批准2019年8月14日。https://www.itu.int/rec/R-REC-P.527/en。

[7]Chipman,罗素。,Garam Young, and Wai Sze Tiffany Lam. "Fresnel Equations." In偏振光和光学系统。光的光学科学和应用程序。波卡拉顿:泰勒和弗朗西斯,CRC出版社,2019年。

[8]麦克纳马拉,d . A。,C. W. I. Pistorius, and J. A. G. Malherbe.介绍了统一的几何绕射理论。波士顿:Artech房子,1990。

另请参阅

功能

propagationModel|光线跟踪|raypl|buildingMaterialPermittivity|earthSurfacePermittivity

对象

射线追踪|comm.Ray