反向射線跟蹤的三維路徑搜索方法

摘要：移動通信基站電磁波傳播預(yù)測在移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和電磁輻射環(huán)境影響評價中起著關(guān)鍵性作用。反向射線跟蹤方法是解決這一問題的有效方法。介紹了反向射線跟蹤的三維路徑搜索方法，這種搜索方法建立在三維模型數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)之上，方便，快捷。首先，建立環(huán)境小區(qū)的三維建筑物模型；其次，運用本文所介紹的三維路徑搜索方法，找出電波精確的傳播路徑，對每一條路徑計算接收點場強，疊加得出總場強；最后用軟件實現(xiàn)場強預(yù)測系統(tǒng)，并用實驗驗證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：反向射線跟蹤；路徑搜索；場強預(yù)測系統(tǒng)；三維建模

隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，在目前的城市環(huán)境中，移動通信基站數(shù)目在不斷地增長，并且大量采用了微蜂窩及微微蜂窩移動通信系統(tǒng)。在這些通信系統(tǒng)中建筑物的反射、衍射等會造成電波傳播的多徑效應(yīng)。蜂窩面積越小，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、場強預(yù)測、干擾分析時就越要更多地考慮基站周邊建筑物的影響。由于城市中基站周邊環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，傳統(tǒng)的統(tǒng)計模型已經(jīng)基本失效，而以射線跟蹤為代表的確一定模型正是處理這一問題的有效方法。
射線跟蹤有正向算法和反向算法兩種，正向算法簡單，效率高，但誤差較大。反向算法比正向算法效率低，復(fù)雜度大，但其精度高。本文是基于反向射線跟蹤算法進行三維路徑搜索的研究，進而建立起精確的城市小區(qū)電磁環(huán)境預(yù)測系統(tǒng)。
在建立城市小區(qū)電磁環(huán)境精確預(yù)測系統(tǒng)中，關(guān)鍵技術(shù)有3個方面，三維建筑物數(shù)據(jù)模型的建立，到達接收點的所有確定路徑的搜索和場強的計算。本文主要從這3個方面分別作以介紹。

1 三維建模
本文所研究的三維路徑搜索方法是建立在確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的三維建筑物模型的基礎(chǔ)上，考慮到普通計算機計算能力及該預(yù)測系統(tǒng)計算成本，我們將建筑物的外表面都考慮成平面。假定所建的三維建筑物模型能夠動態(tài)地存儲不包括底面的其他所有的面結(jié)構(gòu)及不包含在底面內(nèi)的所有的棱結(jié)構(gòu)，并將其存儲(而這些在三維建模時是能夠做到的)。面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括4個頂點信息及其法向量，棱的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括2個端點及其所在的2個面。由于要考慮地面反射影響，需另外存儲一個有限大的平面，假定1 000 m(長)x1 000 m(寬)作為小區(qū)地面信息。每建立一個建筑物模型，都依次存儲以上信息，則小區(qū)內(nèi)建筑物模型的所有面結(jié)構(gòu)和棱結(jié)構(gòu)都被存儲。

2 路徑搜索
反向射線追蹤算法中，考慮到電波的衰減特性，本論文只考慮二次以下的反射及繞射的路徑搜索，而忽略三次及以上的反射及繞射路徑。二次以下的反射及繞射路徑主要有以下幾種情形：一次反射，一次繞射，一次反射加一次繞射，一次繞射加一次反射，二次反射，二次繞射。
下面分別對以上6種路徑的搜索方法加以介紹。所有的搜索都是基于三維空間的。
2．1 一次反射
如圖1所示，已知源點Tx，場點Rx，搜索一次反射路徑的步驟為：

1)Tx的鏡像點為Tx’，連接Tx’與Rx交平面S于R點，即R點為反射點。Tx-R-Rx即為一條一次反射路徑；
2)判斷該路徑有效性(兩條件必須同時具備)：
①Tx-R之間，R-Rx之間沒有建筑物遮擋；
②反射點在平面S內(nèi)。
3)如果該路徑有效，將其存儲在一次反射路徑子目錄rpaths>中，即找到一條反射路徑；
4)從發(fā)射源點對三維建筑物模型中存儲的所有面作鏡像點，進而找到關(guān)于所有面的反射點，再判斷其有效性，將所有的有效路徑存儲在rpaths>中。
2．2 一次繞射
由Keller的繞射場概念得出，尖劈的繞射線與尖劈直邊緣線的夾角等于入射線與直邊緣線的夾角。如圖2所示，已知源點Tx，場點Rx，搜索一次繞射的路徑的步驟為：