一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，包括：根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线集；对总射线集中每条射线逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线；计算总射线集每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，对射线进行回溯；排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径，重新记录路径信息，得到信道特性。本发明专利技术无线信道多径仿真精度优化方法解决正向射线追踪方法精度较低的问题。较低的问题。较低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体地涉及一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法。

技术介绍

[0002]射线追踪技术（Ray
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Tracing, RT）作为一种确定性的无线信道建模方法，能够通过模拟每条射线的传播过程，从而准确预测无线信号的传播结果。除了预测接收信号的功率外，RT还可以提供射线传播的时延信息。通过计算每条多径信号分量的幅度、时延、离开角和到达角，还可以得到信道在时间、频率和空间上的特征。与统计信道模型相比，射线追踪模型能够准确反映不同场景的信道特征，在预测精度上具有很大优势，为无线通信系统的设计提供了更好的支持。
[0003]RT技术分为两类，正向RT（以射线弹跳法为代表）和反向RT（以镜像法为代表）。射线弹跳法的耗时小但精度低；而镜像法精度高但速度慢。镜像法的时间复杂度为，其中k是面和劈的总数，n是反射和绕射阶数之和。因此，在复杂的城市场景和高阶反射绕射的情况下，镜像法需要极长时间才能获得仿真结果。在这种情况下，只有正向RT射线弹跳法可以实现初步的信道仿真工作。
[0004]射线弹跳法在发射端以球面形式在三维空间均匀发射射线，每条射线在场景中传播时都会被追踪，直到到达接收端并形成路径，根据所有路径的能量、时延和角度可以计算信道特征。目前对射线弹跳法的研究大多都是扩展其应用场景，很少对其精度进行提升。有学者针对射线发射与接收判定，提出一种改进发射与接收球的方法，该方法能在简单场景仅考虑反射的情况下提高射线弹跳法精度，但对于复杂场景和考虑绕射的情况，仅仅优化发射和接收模块是不够的。
[0005]对于射线弹跳法来说，提高精度的方法是：减小发射射线的相邻角度，增加发射射线数量，提高发射射线密度，使路径更加准确。由于是对球面进行插入射线点，增加射线数量带来的时间损耗是不和误差缩减成正比的，对精度的提升的时间代价极大，复杂度很高，所以这种方法很不实用。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，以解决目前射线弹跳法精度低的问题。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，具体包括以下步骤：步骤S1、确定无线信道的环境以及发射端、接收端位置，设定发射射线划分数、反射阶数和绕射阶数；步骤S2、根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线
集；步骤S3、进行射线追踪，对总射线集逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线；步骤S4、对总射线集计算每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，若误差角小于发射射线锥角，对该射线进行回溯，得到路径并记录路径信息；步骤S5、根据记录路径信息中每条路径的路径节点，排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；步骤S6、将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；步骤S7、对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径；步骤S8、重新记录路径信息，得到信道特性。
[0008]进一步地，所述发射射线划分数满足：其中，N表示发射端发射的射线的数量，n表示发射射线划分数。
[0009]进一步地，步骤S2包括如下子步骤：步骤S2.1、建立球坐标系，在建立的球坐标系中构造标准正二十面体，且所述标准正二十面体的中心位于坐标系的坐标原点，所述标准正二十面体的各个顶点位于半径为1的单位球面上；步骤S2.2、根据发射射线划分数，对标准正二十面体的每个三角形面进行等角划分，得到所有射线方向；步骤S2.3、将所有射线的方向进行归一化，使模等于1，并将所有射线的发射点移动至发射端。
[0010]进一步地，步骤S2.2包括如下子步骤：步骤S2.2.1、将标准正二十面体的每一个三角形面，以所述三角形面为第0层，在三角形面的边上增加个新射线点，各射线点按照顺时针排序，均满足：记录发射射线发射锥角其中，为发射射线划分数，为第k层第i个射线点，为第0层第i个射线点，O为坐标原点，为第0层第i+1个射线点，为第0层三角形面的三个顶点；步骤S2.2.2、每向内一层的射线点数量为上一层射线点数量减9，通过第k
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1层顶点构造第k层射线顶点：
通过第层射线顶点构建第k层三角形面，顺时针在第k层三角形面的边上生成个射线点，满足：步骤S2.2.3、重复执行步骤S2.2.2，直到，最后一层的划分数为中的一种，当最后一层的划分数为1时，最内层的射线点为3个由上层生成的三角形顶点；当最后一层的划分数为0时，最内层的射线点为1个位于面心的射线点；当最后一层的划分数为
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1时，最内层的射线点为0；步骤S2.2.4、将原点与每一层三角形面上所得射线点连接，得到射线方向。
[0011]进一步地，步骤S3包括如下子步骤：步骤S3.1、建立初始总射线集矩阵，所述初始总射线集矩阵中的每一行数组储存了步骤S2中的从发射端发射的射线，并在初始总射线集矩阵的第一行设置头坐标位，在初始总射线集矩阵的最后一行设置尾坐标位；步骤S3.2、每次使头坐标位向下移动一位，取对应头坐标位的射线进行反射和绕射的综合判定，若产生新射线，则尾坐标位向下移动产生新射线的位数，将初始总射线集矩阵进行更新，记录对应头坐标位的射线发生的作用类型与作用面或劈的编号；步骤S3.3、重复执行步骤S3.2，直至头坐标位位于尾坐标位之后。
[0012]进一步地，所述反射和绕射的综合判定包含反射判定、绕射判定以及阶数判定，所述反射判定的过程具体为：（a）对于无线信道的环境中的每一个墙面，取总射线集头坐标位置的一条射线，计算墙面与所述射线的传播距离，其中，为墙面的法向量，且满足，为墙面位置，墙面所在平面方程为，为墙面上的任意一点；，为所述射线的发射点，为所述射线的方向，且；（b）计算所述射线与墙面的交点坐标，若交点位于墙面内，则所述射线与墙面发生反射；
（c）保留传播距离最短的墙面为反射墙面，并记录此最短反射传播距离；所述绕射判定的过程具体为：（d）对于无线信道的环境中的每一个劈，计算劈与所述射线的最短距离，其中，为所述射线的位置，为劈的位置；（e）计算所述射线传播距离 ，若满足，则所述射线与劈发生绕射，其中，为所述射线与劈的交点，为发射射线发射锥角；（f）保留传播距离最短的劈为绕射劈，并记录此最短绕射传播距离；当所述射线既通过反射判定又通过绕射判定时，若反射传播距离比绕射传播距离短，将所述射线判定为反射，否则判定为绕射；所述阶数判定并产生新射线的过程具体为：对于反射射线，若其所记录总反射次数小于设定的反射阶数，则通过阶数判定，根据反射定律发射新射线；对于绕射射线，若其所记录总绕射次数小于设定的绕射阶数，则通过阶数判定，根据绕射定律发射新射线。
[0013]进一步地，步骤S4包括如下子步骤：步骤S4.1、通过总射线集每一条射线与接收端的最小距离和射线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1、确定无线信道的环境以及发射端、接收端位置，设定发射射线划分数、反射阶数和绕射阶数；步骤S2、根据设定的发射射线划分数在发射端向空间均匀发射射线，得到总射线集；步骤S3、进行射线追踪，对总射线集逐一进行反射和绕射的综合判定，并根据判定结果决定是否产生新射线；步骤S4、对总射线集计算每条射线的误差角，将每条射线的误差角与发射射线锥角进行比较，若误差角小于发射射线锥角，对该射线进行回溯，得到路径并记录路径信息；步骤S5、根据记录路径信息中每条路径的路径节点，排除经过完全相同墙面或劈的路径，得到新的路径集；步骤S6、将得到的新的路径集基于误差角对路径进行精确化处理，得到误差角最小的子路径集；步骤S7、对误差角最小的子路径集进行合理性判定，排除不合理子路径；步骤S8、重新记录路径信息，得到信道特性。2.根据权利要求1所述基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，其特征在于，所述发射射线划分数满足：其中，N表示发射端发射的射线的数量，n表示发射射线划分数。3.根据权利要求1所述基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，其特征在于，步骤S2包括如下子步骤：步骤S2.1、建立球坐标系，在建立的球坐标系中构造标准正二十面体，且所述标准正二十面体的中心位于坐标系的坐标原点，所述标准正二十面体的各个顶点位于半径为1的单位球面上；步骤S2.2、根据发射射线划分数，对标准正二十面体的每个三角形面进行等角划分，得到所有射线方向；步骤S2.3、将所有射线的方向进行归一化，使模等于1，并将所有射线的发射点移动至发射端。4.根据权利要求2所述基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，其特征在于，步骤S2.2包括如下子步骤：步骤S2.2.1、将标准正二十面体的每一个三角形面，以所述三角形面为第0层，在三角形面的边上增加个新射线点，各射线点按照顺时针排序，均满足：记录发射射线发射锥角
其中，为发射射线划分数，为第k层第i个射线点，为第0层第i个射线点，O为坐标原点，为第0层第i+1个射线点，为第0层三角形面的三个顶点；步骤S2.2.2、每向内一层的射线点数量为上一层射线点数量减9，通过第k
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1层顶点构造第k层射线顶点：通过第层射线顶点构建第k层三角形面，顺时针在第k层三角形面的边上生成个射线点，满足：步骤S2.2.3、重复执行步骤S2.2.2，直到，最后一层的划分数为中的一种，当最后一层的划分数为1时，最内层的射线点为3个由上层生成的三角形顶点；当最后一层的划分数为0时，最内层的射线点为1个位于面心的射线点；当最后一层的划分数为
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1时，最内层的射线点为0；步骤S2.2.4、将原点与每一层三角形面上所得射线点连接，得到射线方向。5.根据权利要求1所述基于正向射线追踪的无线信道多径仿真精度优化方法，其特征在于，步骤S3包括如下子步骤：步骤S3.1、建立初始总射线集矩阵，所述初始总射线集矩阵中的每一行数组储存了步骤S2中的从发射端发射的射线，并在初始总射线集矩阵的第一行设置头坐标位，在初始总射线集矩阵的最后一行设置尾坐标位；步骤S3.2、每次使头坐标位向下移动一位，取对应头坐标位的射线进行反射和绕射的综合判定，若产生新射线，则尾坐标位向下移动产生新射线的位数，将初始总射线集矩阵进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王承祥，周宇阳，黄杰，王樱华，曹宝华，王小聪，
申请(专利权)人：南京捷希科技有限公司，
类型：发明
国别省市：