一種室內(nèi)物體的分塊模型

一種室內(nèi)物體的分塊模型

隨著信息時(shí)代的到來，無線通信的應(yīng)用逐漸從外部環(huán)境擴(kuò)展到內(nèi)部環(huán)境。室內(nèi)無線通信系統(tǒng)，如個(gè)人移動(dòng)通信和廣播管理局網(wǎng)絡(luò)，正呈快速發(fā)展。這迫切需要有效的評(píng)估室內(nèi)無線通信性質(zhì)的有效手段。研究室內(nèi)無線通信的多徑現(xiàn)象，建立實(shí)用的室內(nèi)無線通信模型，是室內(nèi)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳基礎(chǔ)。這可以節(jié)省大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成本，顯著降低成本。室內(nèi)的電波傳播不受氣候因素(如雨、雪和云等)的影響,但要受建筑物的大小、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、房間布局及室內(nèi)陳設(shè)的影響,最重要的是建筑材料的影響.室內(nèi)障礙物不僅有磚墻,而且有木材、金屬、玻璃及其他材料(如地毯、墻紙等).這些材料對(duì)電波傳播的影響是不同的.近年來,由于計(jì)算水平的提高,對(duì)室內(nèi)電波的傳播預(yù)測(cè)常采用射線跟蹤法.本文用射線跟蹤法對(duì)室內(nèi)電波傳播的路徑損耗進(jìn)行預(yù)測(cè),提出了一種室內(nèi)物體的分塊處理方法,預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)地的測(cè)量結(jié)果符合較好.1基本理論1.1射線跟蹤法原理室內(nèi)大多數(shù)物體尺寸與波長(zhǎng)相比要大得多,使得邊界條件變得復(fù)雜,采用麥克斯韋方程組進(jìn)行精確求解,從實(shí)用的角度來看是不可能的,而且即使用當(dāng)今速度最快的計(jì)算機(jī),采用數(shù)值解方法,其計(jì)算時(shí)間也會(huì)很長(zhǎng),因而是不經(jīng)濟(jì)和不實(shí)用的.由于室內(nèi)無線通信所用頻率一般較高(如1.8GHz或更高),因而波長(zhǎng)與室內(nèi)大部分物體尺寸之比足夠小,電磁波可視為局部平面波,其傳播可以用幾何光學(xué)來近似,即認(rèn)為電磁波沿直線傳播,使射線跟蹤法成為可能.射線跟蹤法的基本思想是:將發(fā)射點(diǎn)視為點(diǎn)源,其發(fā)射的電磁波作為向各個(gè)方向傳輸且有一定電場(chǎng)強(qiáng)度的射線,對(duì)每根射線進(jìn)行跟蹤,在遇到障礙物時(shí)按光傳輸理論進(jìn)行計(jì)算,在接收點(diǎn)將到達(dá)該點(diǎn)的各條射線合并,計(jì)算接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)或接收功率,從而實(shí)現(xiàn)電波傳播的預(yù)測(cè).這一方法已在室外和室內(nèi)的電波傳播預(yù)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用.1.2密度對(duì)磁導(dǎo)率的影響原理,其主要分為3個(gè)反射系數(shù)和1.電波在室內(nèi)的傳播具有多徑現(xiàn)象.在室內(nèi)電波傳播中除直射外,反射也是一種極為重要的傳播途徑.如圖1所示,假設(shè)發(fā)射點(diǎn)T和接收點(diǎn)R在同一個(gè)房間內(nèi),則反射波除四面墻的反射外,還應(yīng)包括地板和天花板的反射.室內(nèi)環(huán)境中的物體通常都具有一定的厚度,有時(shí)表面還可能覆蓋有其他材料,當(dāng)平面波遇到障礙物時(shí)將產(chǎn)生反射和透射,反射系數(shù)和透射系數(shù)通常是以多層有耗介質(zhì)的情形計(jì)算的.假設(shè)共有n層各向同性非磁性介質(zhì),頂層和底層都為半空間區(qū)域(空氣).第i層的厚度為di,復(fù)介電常數(shù)為εi,磁導(dǎo)率為μi=μ0(μ0為真空中的磁導(dǎo)率),復(fù)傳播常數(shù)ki=ω√εiμi=ω√εiμ0ki=ωεiμi???√=ωεiμ0????√.其中ω為入射波的角頻率.電波以θ角入射,則第一層的反射系數(shù)R和第n層的透射系數(shù)T有如下關(guān)系:[1R]=U1n[Τ0](1)[1R]=U1n[T0](1)式中:U1n=U12U23…U(n-1)nUi(i+1)=12(1+k(i+1)xkix)[ejk(i+1)xdiRi(i+1)e-jk(i+1)xdiRi(i+1)ejk(i+1)xdie-jk(i+1)xdi]Ri(i+1)={1-k(i+1)x/kix1+k(i+1)x/kix垂直極化1-εik(i+1)x/(εi+1kix)1+εik(i+1)x/(εi+1kix)水平極化Ui(i+1)=12(1+k(i+1)xkix)[ejk(i+1)xdiRi(i+1)ejk(i+1)xdiRi(i+1)e?jk(i+1)xdie?jk(i+1)xdi]Ri(i+1)=???????1?k(i+1)x/kix1+k(i+1)x/kix垂直極化1?εik(i+1)x/(εi+1kix)1+εik(i+1)x/(εi+1kix)水平極化k2ix=k2i-(k1sinθ)2i=1,2,…,n-1圖2所示為幾種室內(nèi)常見材料在頻率為1.8GHz時(shí)反射率r和入射角θ的關(guān)系.它們分別為磚墻(厚度d=20cm,相對(duì)介電常數(shù)εr=3.25,損耗角正切σ=1.15×10-3)、玻璃(d=0.20cm,εr=3.95,σ=4.8×10-3),木材(d=5cm,εr=1.94,σ=2.6×10-3).由圖2可見,由于材料的厚度和相對(duì)介電常數(shù)不同,對(duì)電磁波的反射有較大差別.2分散模型2.1物塊的幾何形狀.根據(jù)黨建分在用射線跟蹤法進(jìn)行室內(nèi)電波的傳播預(yù)測(cè)時(shí)必須對(duì)室內(nèi)障礙物有詳細(xì)的了解,即建立一個(gè)存儲(chǔ)障礙物數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)以物體塊為單位存儲(chǔ),記錄包括該物體塊的位置、尺寸大小、復(fù)介電常數(shù)等參數(shù).由于室內(nèi)物體表面大都是平面的,而且表面通常為矩形,因此每一物體塊的幾何形狀都可用平面矩形來表示.在室內(nèi)由于不同介電特性的材料通常是交叉共存的,例如開有窗戶的水泥墻.由圖2可知,墻壁和玻璃對(duì)電磁波的反射是不同的,因而物體塊的劃分必須符合實(shí)際情況.圖3所示為房間中某一墻面的示意圖,墻上有窗,矩形的窗戶可作為一個(gè)物體塊來處理.為便于射線與物體塊求交運(yùn)算,必須將墻面也劃分為矩形物體塊.圖3中虛線所示為一種劃分方法,這樣墻共有5個(gè)物體塊.在數(shù)據(jù)庫(kù)中每一個(gè)物體塊都有一個(gè)編號(hào),處在同一平面的物體塊編號(hào)僅個(gè)位數(shù)不同.包含有多個(gè)物體塊的平面也可以作為一個(gè)物體塊來處理,其編號(hào)的個(gè)位數(shù)為0,高位數(shù)與所包含的物體塊相同.2.2ad1、bc2、cd3:0在室內(nèi)射線的跟蹤算法中,主要的運(yùn)算是求交運(yùn)算,即判斷射線是否與物體塊相交而發(fā)生反射和透射,實(shí)際上是求射線和平面矩形相交.設(shè)物體塊所在平面的方程為ax+by+cz+d=0射線起點(diǎn)為(x0,y0,z0),方向?yàn)?d1,d2,d3),則射線的參數(shù)方程為x=d1t+x0y=d2t+y0t≥0z=d3t+z0}(2)x=d1t+x0y=d2t+y0t≥0z=d3t+z0?????(2)顯然,當(dāng)ad1+bd2+cd3=0時(shí),射線和平面平行;當(dāng)ax0+by0+cz0+d=0時(shí),射線在平面上.除上述情況外,射線(或其反向延長(zhǎng)線)和平面相交于一點(diǎn),交點(diǎn)參數(shù)為ti=-ax0+by0+cz0+dad1+bd2+cd3ti=?ax0+by0+cz0+dad1+bd2+cd3當(dāng)ti≥0時(shí),交點(diǎn)在射線上,連接原點(diǎn)到該交點(diǎn)的線段用矢量s表示.物體塊為一矩形,用一個(gè)頂點(diǎn)和連接頂點(diǎn)的兩條相互垂直的邊u和v來表示,連接原點(diǎn)到該頂點(diǎn)的線段用矢量x表示.若滿足:0<u?(s-x)|u|<|u|0<v?(s-x)|v|<|v|}(3)則交點(diǎn)在矩形內(nèi),即射線與該矩形所表示的物體塊相交,發(fā)生反射和透射.3輻射跟蹤算法3.1計(jì)算機(jī)數(shù)值的表示用射線跟蹤法進(jìn)行室內(nèi)傳播預(yù)測(cè)所涉及到的幾何元素(點(diǎn)、有向線段、方向、面)可定義如下:(1)點(diǎn).表達(dá)諸如源點(diǎn)、場(chǎng)點(diǎn)、反射點(diǎn)和透射點(diǎn)的幾何特征,其數(shù)值表達(dá)用直角坐標(biāo)系中x,y,z表示,數(shù)值計(jì)算時(shí)用3個(gè)實(shí)數(shù)表示.(2)有向線段.連接起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的一段有向線段,用于表示入射線、反射線和透射線,計(jì)算時(shí)用一個(gè)起始點(diǎn)、一個(gè)方向和一個(gè)表示長(zhǎng)度的實(shí)數(shù)表達(dá).(3)方向.為一個(gè)單位矢量,表達(dá)諸如有向線段的方向、平面的法線、射線基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸方向等.其數(shù)值表達(dá)由該單位矢量末端處的3個(gè)直角坐標(biāo)表示.(4)面.主要為矩形區(qū)域平面.用于表示物體塊和確定反射點(diǎn)、透射點(diǎn).在計(jì)算機(jī)中用一個(gè)點(diǎn)和以該點(diǎn)為起始點(diǎn)的兩個(gè)有向線段以及該矩形所在平面的法線方向來表示.為不引起混亂,規(guī)定兩個(gè)邊緣的方向與平面的法線方向成右手螺旋關(guān)系.3.2跟蹤過程的操作射線的跟蹤過程實(shí)際就是射線與物體塊求交的判斷運(yùn)算過程,由于從發(fā)射天線出發(fā)的射線在遇到物體塊時(shí)又會(huì)產(chǎn)生反射射線、透射射線,所以整個(gè)跟蹤過程是一個(gè)遞歸過程.遞歸的深度取決于所預(yù)先規(guī)定的射線被丟棄的衰減系數(shù),例如可將反射的衰減系數(shù)定為2,透射的衰減系數(shù)定為3,如被丟棄的衰減系數(shù)為10,意味著一根射線在經(jīng)過5次反射或2次反射或2次透射后將停止跟蹤,此時(shí)認(rèn)為該射線的場(chǎng)強(qiáng)已衰減到很小.顯然,預(yù)定的衰減系數(shù)越大,到達(dá)接收點(diǎn)的射線越多,但計(jì)算量將大大增加.在跟蹤過程中,若射線被接收和跑出室內(nèi)環(huán)境,則停止跟蹤.整個(gè)跟蹤過程如圖4所示.對(duì)從發(fā)射天線以一定的張角出發(fā)的每一射線進(jìn)行圖示的操作.射線的初始化包括確定射線的方向、起始點(diǎn)和電場(chǎng)強(qiáng)度.4路徑損耗估計(jì)一般實(shí)際測(cè)量的是功率,接收點(diǎn)平均接收功率可表示為?Ρr?=∑iΡi(4)式中:Ρi=ΡtGtGrli(si)∏jrji∏ktkiPt為發(fā)射功率;Gt、Gr分別為發(fā)射和接收天線的增益;li(si)為第i條射線經(jīng)過實(shí)際路程si到達(dá)接收點(diǎn)的功率損耗因子;rji、tki分別為第i條射線第j次反射的反射率、第k次透射的透射率.則路徑損耗ΡL=10lg(Ρr/Ρt)為驗(yàn)證上述分塊模型,對(duì)一個(gè)房間進(jìn)行實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè).整個(gè)房間被分為20多個(gè)物體塊,房間大小為5m×7.45m×2.7m,發(fā)射和接收天線都是半波振子,距地板的高度均為1.5m,頻率為1.7GHz.發(fā)射和接收天線都沿垂直地板方向放置.由于發(fā)射和接收天線都有方向性,在計(jì)算時(shí)已加以考慮.圖5所示為發(fā)射