基于單純形射線追蹤法的研究

王文華

【摘要】 單純形射線追蹤相比傳統(tǒng)的射線追蹤不需要對(duì)射線和多面體面做相交測(cè)試，從而算法的效率得到了提高，本文改進(jìn)了射線接受方法，并對(duì)一個(gè)室內(nèi)超寬帶的信道模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】 通信技術(shù) 傳播模型 射線追蹤 超寬帶

射線追蹤是一種被廣泛用于移動(dòng)通信和個(gè)人通信環(huán)境中的預(yù)測(cè)無線電波特性的技術(shù)，可以用來辨認(rèn)出多徑信道中收發(fā)之間所有可能的射線路徑。一旦所有可能的射線被辨認(rèn)出后，就可根據(jù)電波傳播理論來計(jì)算每條射線的幅度、相位、延遲和極化，從而有效的預(yù)測(cè)電波的傳播特性[1]。

基于單純形的射線追蹤方法是一種新提出的射線追蹤方法，該方法的核心是將三維空間剖分成多個(gè)無縫且互不重疊的四面體單元，將發(fā)射源等效為若干根從源點(diǎn)發(fā)出的射線，通過在三維空間建立矢量模型，利用射線和單純形單元之間的空間矢量關(guān)系求得所有射線的軌跡，再利用新提出的接受方法辨認(rèn)出所有對(duì)接受點(diǎn)有貢獻(xiàn)的射線，最終可求得到達(dá)接受點(diǎn)的所有射線的相干合成結(jié)果。這種方法不需要對(duì)反射面做相交測(cè)試，從而提高了程序運(yùn)行的效率。文獻(xiàn)[2]分別給出了二維和三維環(huán)境射線追蹤的矢量代數(shù)模型。

一、方法和原理

一個(gè)理想的波前是單位球的表面。為了增加射線的分辨力，波前必須再分，并且為了保持所有射線操作的程序化，再分后的每個(gè)波前在離發(fā)射機(jī)距離r處應(yīng)有相同的形狀和大小。在球坐標(biāo)系中，我們可以均分θ/φ對(duì)整個(gè)波前不斷再分、在靠近球的兩極方向上的射線之間角度間隔則會(huì)減小。解決方法可以通過Gmsh對(duì)球進(jìn)行剖分，剖分效果如圖1。

3-D情況下傳統(tǒng)的接受球會(huì)引入雙計(jì)誤差，雙計(jì)誤差可以用一種算法來解決。該算法檢驗(yàn)每一條接受的射線是否有任何其他先前已接受的，如果有的話，新射線是多條的，必須不予考慮。判定條件如下：

首先求得所有射線反射的數(shù)據(jù)，包括射線反射次數(shù)、射線發(fā)射的俯仰角和方位角、反射面的信息、總路徑的長(zhǎng)度。

根據(jù)以下四點(diǎn)判斷接受射線是否為多余射線：1、判斷射線反射次數(shù)是否為同一次。2、判斷射線每次反射的反射面是否為同一個(gè)反射面。3、Gmsh剖分后計(jì)算出相鄰射線之間的角度lk。4、判斷射線的總路徑d是否在可控制范圍。如果同時(shí)滿足上述條件，則判定此射線是多余射線，必須不予考慮。

二、仿真結(jié)果與分析

仿真所采用的時(shí)域入射波形為高斯脈沖的二階導(dǎo)數(shù)波形。

脈沖寬度τ=0.11ns，波形延遲Tc=0.5ns。仿真環(huán)境如文獻(xiàn)[4]，發(fā)射天線高1.6m坐標(biāo)[1.5，4，1.6]，接受天線高1.0坐標(biāo)[1.5，1，1] [3]。

圖2為垂直極化3次反射仿真結(jié)果。將它與參考文獻(xiàn)[4]中的Figure14（a）、（b）的接受波形和功率延遲做比較，結(jié)果與文獻(xiàn)吻合非常好，從而證明了此方法的有效性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 吳志忠. 移動(dòng)通信無線電波傳播[M]. 北京：人民郵電出版社，2002：258-261

[2] 楊大成. 移動(dòng)傳播環(huán)境[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：121-122

[3] YUN ZQ. A Ray-Tracing Method Based on the Triangular Grid Approach and Application to Propagation Prediction in Urban Environments.IEEE Transactions on Antennas and Propagation [J]，Vol.50，NO.5，May 2002：750-758.

[4] Richard Yao，“An efficient time-domain ray model for UWB indoor multipath propagation channel ”，IEEE Global Telecommunications Conference.

[5] YAO R，GAO G，CHEN Z. UWB multipath channel model based on time-domain UTD technique. IEEE Global Telecommunications Conference[C]，San Francisco，2003：1205-1210