射线跟踪模型及其在3G网络规划中的应用

韩国舞族

    经验模型对具有均匀特性的宏蜂窝环境下的电波传播特性预测是合适的，但对于微蜂窝环境下的电波传播特性就显得不够精细。基于CDMA技术的3G网络，由于系统的自干扰特性，网络规划需要更精确的传播模型。本文首先对射线跟踪模型进行介绍，并与传统经验模型进行了对比，然后对其在网络规划中的实际应用进行了探讨，通过微蜂窝环境下的测试结果，说明射线跟踪模型可以很好地模拟密集市区环境下无线信号的传播。

    一、射线跟踪模型

    射线跟踪是一种被广泛用于移动通信和个人通信环境中的预测无线电波传播特性的技术，可以用来辨认出多径信道中收发之间所有可能的射线路径。一旦所有可能的射线被辨认出后，就可根据电波传播理论来计算每条射线的幅度、相位、延迟和极化，然后结合天线方向图和系统带宽就可得到接收点的所有射线的相干合成结果。

    射线跟踪方法最早出现在20世纪80年代初，基于几何光学（GO）原理，通过模拟射线的传播路径来确定反射、折射和阴影等。对于障碍物的绕射，通过引入绕射射线来补充GO理论，即GTD（Geometric Theoryof Diffraction，几何绕射理论）和UTD（Uniform Theory of Diffraction，一致性绕射理论）。

    射线跟踪模型可以分为双射线模型和多射线模型。

    双射线传播模型只考虑直达射线和地面反射射线的贡献，如图1所示。该模式对于平坦地面的农村环境是可以适用的，而且它也适合于具有低基站天线的微蜂窝小区，在那里收发天线之间有LOS路径。

    双射线模型给出的路径损耗是收发之间距离的函数，可用两个不同斜率（和）的直线段近似，如下式所示

    突变点（Breakpoint）出现在离发射端距离为处，把双射线模式的传播路径分成两个本质截然不同的区域（）。当离基站较近时，即在突变点之前的近区，由于地面反射波的影响，接收信号电平按较缓慢的斜率衰减，但变化剧烈，发生交替出现最小值和最大值的振荡。在突变点后的远区，无线电信号以陡得多的斜率衰减。

    多射线模型是在双射线模型的基础上产生的，如四射线模型的传播路径除了视距传播和地面反射路径外，还包括两条建筑物反射路径，六射线模型则包括了四条建筑物反射路径。显然，模型包括的反射路径越多，该模型就越精细，但计算量也随之增加。

    智能射线跟踪（Intelligent Ray Tracing,IRT）模型是一种加速的3D射线跟踪模型，通过对数据库进行预处理而减少运算时间，同时可以达到很高的精度。IRT基于下面的假设：

    *只有小部分射线携带了大部分的能量；

    *墙和边之间的可见关系与发射天线的位置无关；

    *大多数情况下相邻接收点由路径相近的射线到达。

    基于这些假设，对建筑物数据库进行一次预处理，得到基于建筑物信息的可见关系树（数据库）。首先根据建筑物地图将每一建筑物进行分解，将建筑物墙面分为一定大小的瓦片，将建筑物墙边分为一定长度的段，如图2所示。瓦片和段均用其中心点来描述，从而简化了射线路径的查找。

    在预处理阶段，计算每个瓦片（段）和其他瓦片（段）之间的可见关系，其标准为视距（LOS，LineofSight）准则。预处理的结果是包含瓦片、段、预测区域的接收点的可见关系树，如图3所示。

    当进行射线追踪时，实际就是对若干个可见关系树进行逐级查找的过程。在确定了发射机的位置后，进行射线追踪就是从发射机所在位置开始，沿着该点可见关系树的第一级找到第一次作用的位置，然后计算这些位置与发射点之间的距离、方向、角度，结合天线波瓣图，就可以得到射线从发射机出来到达第一次作用点时的入射方向及强度，然后在这些作用点上利用UTD算法计算以该点为发射点向外发射信号时的强度，然后重复前面的过程，从这一棵可见关系树开始查找下一次作用的位置。不断重复这个过程，直至将从发射点到接收点之间可能有的所有路径都找到，最后将这些路径上的信号进行迭加，得到的就是每个接收点的信号强度。

    射线追踪就是在从发射点开始的一棵巨大的树里深度查找到达一个接收点的所有可能路径，并将这些路径过来的信号迭加起来。这是个深度搜索遍历的过程，将耗费大量的计算时间。为了节省计算时间，在搜索可见关系树时，进行一定的深度限制，即信号传播过程中发生的反射或衍射的次数总和的限制，只考虑主要的信号分量，这样就能控制计算时间不致太长而计算效果又比较好。