基于射線跟蹤的小區(qū)信號強度估計*

張 喆，張杰斌，周欣欣，高 強

（1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京　100191；2.浙江電信金華分公司，浙江金華　321000）

基于射線跟蹤的小區(qū)信號強度估計*

張 喆**1，張杰斌1，周欣欣2，高 強1

（1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191；2.浙江電信金華分公司，浙江金華321000）

基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷臒o線信號強度估計方法無法針對具體物理場景，估計結(jié)果精度低，無法滿足移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的需要。射線跟蹤技術(shù)能依據(jù)場景信息跟蹤電波傳播路徑，但現(xiàn)有的反向跟蹤方法在進行室外成片區(qū)域信號強度估計時復(fù)雜度高，無法實用。為提高估計結(jié)果的精度，降低估計方法的復(fù)雜度，提出了一種正向跟蹤信號強度估計方法，將基站天線處發(fā)射的電磁波模擬成離散的射線，在考慮建筑物形狀、分布信息的基礎(chǔ)上采用基于網(wǎng)格的搜索算法跟蹤射線路徑，在接收點處對反射、繞射射線接收合并，最終得到基站覆蓋區(qū)域的信號強度分布。仿真結(jié)果表明該方法的場強估計結(jié)果和實測數(shù)據(jù)吻合程度遠大于經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸烙嫹椒?，并?0%左右的估計結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的誤差在12 dBm以內(nèi)，可應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化。

移動通信；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；信號強度估計；射線跟蹤；射線接收

1　引　言

在移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化中，基站信號強度的估計結(jié)果將影響小區(qū)半徑、容量、干擾等指標(biāo)的估計，對規(guī)劃結(jié)果的合理性有決定性的影響［1-2］；同時，準(zhǔn)確的信號強度估計結(jié)果可以幫助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，提升服務(wù)質(zhì)量［3-4］。因此，設(shè)計準(zhǔn)確的小區(qū)信號強度估計方法是移動通信網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)有的小區(qū)信號強度估計方法主要有兩類∶一類是基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷男盘枏姸裙烙?，如采用COST231模型，通過路徑損耗公式得到接收點的信號強度，該方法只是統(tǒng)計地考慮各類環(huán)境的影響，對于特定物理場景其估計結(jié)果和實測數(shù)據(jù)誤差較大［5］；另一類是基于射線跟蹤技術(shù)的信號強度估計，結(jié)合具體物理場景追蹤電波的傳播路徑，得到場強分布［6-7］。隨著數(shù)字地圖技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，可以較容易獲得室外建筑物的分布信息，因此將射線跟蹤技術(shù)應(yīng)用于室外小區(qū)信號強度估計成為可能。文獻［6-7］中的鏡像法和虛擬源法是反向射線跟蹤方法，根據(jù)接收點和發(fā)射點的位置計算兩者之間的所有可能路徑。該方法每計算一個接收點的信號強度需要對整片區(qū)域上的所有建筑物進行求交判斷，若將其應(yīng)用于室外進行基站覆蓋區(qū)域信號強度估計，計算量將極大增加［8］。為提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作的效率，需要設(shè)計一種能針對具體物理場景且具有高準(zhǔn)確度和低復(fù)雜度的室外小區(qū)信號強度估計方法。

本文提出了一種正向射線跟蹤方法，將從基站天線處發(fā)射的電磁波模擬成離散射線，根據(jù)建筑物的形狀和分布信息采用基于網(wǎng)格的搜索算法對射線進行路徑跟蹤，在接收點完成對射線接收與合并后就可得到基站信號強度在一片區(qū)域的分布情況。該方法可以獲得比經(jīng)驗?zāi)Ｐ透鼫?zhǔn)確的信號強度分布，而且在跟蹤射線時能夠根據(jù)射線方向從所有建筑物中篩選出可能與射線相交的建筑物進行求交判斷，同反向跟蹤方法相比減少了計算量，為移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化提供了有力的支撐。

2　總體設(shè)計思路

根據(jù)射線跟蹤技術(shù)原理，設(shè)計了基于正向射線跟蹤的信號強度估計方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于正向跟蹤的信號強度估計方案結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Design architecture of signal strength estimation based on forward tracing

2.1數(shù)據(jù)讀取

首先，從基站數(shù)據(jù)中讀取基站的位置、高度、基站天線的型號、方位角和下傾角等參數(shù)；其次，從地圖數(shù)據(jù)中讀取信號強度估計區(qū)域邊界點的經(jīng)緯度；最后，從建筑物數(shù)據(jù)中讀取估計區(qū)域內(nèi)建筑物的高度和頂面頂點的經(jīng)緯度。

2.2數(shù)據(jù)處理

首先，根據(jù)天線型號，找到對應(yīng)的天線波瓣圖，結(jié)合方位角和下傾角計算天線不同方向的輻射強度；其次，進行區(qū)域網(wǎng)格化處理，將估計區(qū)域劃分成5 m×5 m的網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格編號，計算出網(wǎng)格中心點的經(jīng)緯度；接著計算建筑物頂面的頂點坐標(biāo)，將估計區(qū)域左下角的邊界點作為坐標(biāo)原點，建立平面直角坐標(biāo)系，根據(jù)建筑物頂面頂點和坐標(biāo)原點的經(jīng)緯度，求出估計區(qū)域內(nèi)所有建筑物的頂面頂點在平面直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；最后，進行網(wǎng)格與建筑物相交性判斷，即判斷每個網(wǎng)格上是否有建筑物覆蓋，如果有，將網(wǎng)格編號和該網(wǎng)格上覆蓋的建筑物編號記錄下來。

2.3信號強度估計

本部分采用基于正向跟蹤的信號強度估計方法。首先，在基站天線處產(chǎn)生射線；其次，根據(jù)射線方向、區(qū)域網(wǎng)格信息、建筑物頂面的頂點坐標(biāo)和網(wǎng)格與建筑物相交性判斷結(jié)果跟蹤每根射線；接著，判斷每根射線被哪些網(wǎng)格接收點接收，然后合并每個網(wǎng)格接收點接收到的射線，計算出接收點的信號強度值；最后，將估計結(jié)果平滑化處理。平滑化處理完成后，用每個網(wǎng)格接收點的信號強度值代表網(wǎng)格的信號強度，得到基站覆蓋區(qū)域信號強度的分布情況。

3　基于正向跟蹤的信號強度估計方法

現(xiàn)有的基于射線跟蹤的信號強度估計方法主要是反向跟蹤估計方法，從接收點出發(fā)計算接收點到發(fā)射點的所有可能路徑。該方法跟蹤射線時需要對區(qū)域內(nèi)的所有建筑物求交判斷，計算量與估計區(qū)域的面積和建筑物的數(shù)量成正比。本文設(shè)計了一種從發(fā)射點出發(fā)的正向跟蹤方法，只需跟蹤發(fā)射點產(chǎn)生的射線并計算射線對網(wǎng)格接收點的貢獻，就可得到信號強度分布。該方法在跟蹤射線時能夠根據(jù)射線方向從所有建筑物中篩選出可能與射線相交的建筑物進行求交判斷，減少了計算量。

3.1射線發(fā)射

如圖2所示，根據(jù)天線波瓣圖，首先在水平方向構(gòu)造垂直面，然后在垂直面上產(chǎn)生射線。具體方法如下∶

（1）在水平方向，依據(jù)天線水平面波瓣圖，以最大輻射方向為中心，兩邊各取一定角度作為水平輻射范圍，若射線間隔設(shè)置為α，則在水平輻射范圍內(nèi)每隔α構(gòu)造一個垂直面（用虛線表示）；

（2）在構(gòu)造的每個垂直面內(nèi)，依據(jù)垂直面波瓣圖，以最大輻射方向為中心，上下各取一定角度作為垂直輻射范圍，在垂直輻射范圍內(nèi)每隔α生成一條射線（用虛線表示）。

射線的傳播方向在空間直角坐標(biāo)系中可以用坐標(biāo)（Rx，Ry，Rz）來表示∶

式中∶θ為射線與Z軸正方向的夾角；σ為射線與X軸正方向的夾角。射線的輻射強度根據(jù)天線不同方向的輻射強度信息計算得到。

圖2　射線發(fā)射示意圖Fig.2 Schematic diagram of ray emission

3.2射線路徑跟蹤

產(chǎn)生射線后，需要跟蹤每根射線的傳播路徑。射線路徑跟蹤的流程如圖3所示。

圖3　射線路徑跟蹤流程圖Fig.3 Flow chart of ray path tracking

首先判斷射線是否與建筑物或者地面有交點。判斷射線是否與估計區(qū)域內(nèi)的建筑物有交點的方法選用基于網(wǎng)格的搜索算法，步驟如下∶

（1）根據(jù)射線的起點坐標(biāo)、傳播方向和最大路徑跟蹤長度（為設(shè)定的閾值，當(dāng)射線的路徑跟蹤長度大于此閾值時停止跟蹤射線），求出射線在水平面的投影依次經(jīng)過的網(wǎng)格編號列表；

（2）從網(wǎng)格與建筑物相交性判斷結(jié)果中讀取網(wǎng)格列表中第一個網(wǎng)格上覆蓋的建筑物信息，如果第一個網(wǎng)格上沒有建筑物覆蓋，讀取下一個網(wǎng)格上覆蓋的建筑物信息；如果第一個網(wǎng)格上有建筑物覆蓋，依據(jù)該建筑物高度和頂面的頂點坐標(biāo)判斷射線是否與該建筑物相交。對于后者，如果相交，停止讀取網(wǎng)格列表中當(dāng)前網(wǎng)格下面的網(wǎng)格，求出的交點為射線與建筑物的交點；如果不相交，讀取下一個網(wǎng)格覆蓋的建筑物信息，按第一個網(wǎng)格的處理方法判斷。如果讀取完網(wǎng)格列表中的最后一個網(wǎng)格，射線與建筑物仍無交點，判定該射線與估計區(qū)域內(nèi)的建筑物無交點。

如果射線與建筑物或者地面有交點，需要判斷射線在交點處的輻射功率是否小于接收機的靈敏度。射線在交點處的輻射功率表達式為

式中∶Pt為基站天線的發(fā)射功率；d為射線的路徑長度；λ為波長；Gt為射線在基站天線處的輻射強度；Gr為接收天線的增益。

如果射線在交點處的輻射功率大于接收機的靈敏度，需要判斷射線是否發(fā)生繞射。實際場景中電磁波經(jīng)過建筑物的邊緣發(fā)生繞射。由于射線跟蹤技術(shù)將天線發(fā)出的電磁波離散成射線，如果將射線經(jīng)過建筑物邊緣作為射線發(fā)生繞射的條件，一些電磁波發(fā)生繞射的地方將被遺漏。要做到和實際場景吻合，需要引入緩沖角度并分射線落在建筑物頂面和側(cè)面兩種情況判斷射線是否發(fā)生繞射。下面以圖4為例進行介紹。圖中長方體代表一個建筑物，O點為射線的起點，O＇為O點在頂面ABCD上的投影，一條射線OM與建筑物頂面相交于M點，另一條射線ON與建筑物側(cè)面BCGF相交于N點。

圖4　緩沖角度示意圖Fig.4 Schematic diagram of buffer angle

當(dāng)射線OM落到建筑物頂面時，需要判斷射線與頂面的4個棱是否發(fā)生繞射。以棱BC為例，求出O＇M和棱BC的交點P，然后計算射線在棱BC上的緩沖角MOP，若MOP小于射線間隔，判定射線在棱BC上發(fā)生了繞射。射線落到建筑物的側(cè)面時，需要對側(cè)面的棱逐一判斷。以棱BF為例，過點N作NQ垂直于棱BF交棱BF于Q，計算射線在棱BF上的緩沖角QON，若QON小于射線間隔，判定射線在棱BF上發(fā)生繞射。

如果射線發(fā)生繞射，根據(jù)幾何繞射理論產(chǎn)生繞射射線，應(yīng)用文獻［9］中提出的一種改進的繞射系數(shù)公式計算繞射系數(shù)；如果不發(fā)生繞射，根據(jù)反射定律產(chǎn)生反射射線。垂直和平行極化波的反射系數(shù)為

式中∶η1和η2分別為電磁波在媒質(zhì)1和媒質(zhì)2中的波阻抗；θ1和θ2為對應(yīng)的入射角和折射角。

產(chǎn)生了反射或繞射射線后，將求出的交點作為該條射線的新起點，根據(jù)求出的反射或繞射射線的方向，繼續(xù)跟蹤射線，重復(fù)上述過程。通過迭代，獲得射線的空間軌跡。

3.3射線接收

獲得了射線的空間軌跡后，需要判斷射線被哪些網(wǎng)格接收點接收。如果射線被某個接收點接收，計算出射線對網(wǎng)格接收點貢獻的場強。下面以圖5中一根射線為例進行介紹。A為射線的起點，B為射線的第一個反射點，C為第二個反射點，線段ab和bc分別是線段AB和BC在水平面的投影。

圖5　射線接收示意圖Fig.5 Schematic diagram of ray reception

具體方法如下∶

（1）求出射線在水平面的投影線段ab和bc依次經(jīng)過的網(wǎng)格編號列表；

（2）選取網(wǎng)格中心點處高1.5 m的點作為網(wǎng)格的接收點，計算網(wǎng)格列表中所有網(wǎng)格接收點的坐標(biāo)；

（3）求出每個網(wǎng)格接收點到射線對應(yīng)線段的距離D。以網(wǎng)格M的接收點P和網(wǎng)格N的接收點Q為例，P點對應(yīng)線段AB，PN垂直于AB，N為垂足，則PN的長度為P點到射線的距離；Q點對應(yīng)線段BC，QN＇垂直于BC，N＇為垂足，則QN＇的長度為Q點到射線的距離；

（4）依據(jù)接收球原理，計算射線對于每一個網(wǎng)格接收點的接收球半徑R［10］。以P點和Q點為例，P點對應(yīng)的接收球半徑R1=α|AB|，Q點對應(yīng)的接收球半徑R2=α（|AB|+|BN＇|），其中α為射線間隔，用弧度（rad）表示；

（5）對于每個網(wǎng)格接收點，比較D和R的大小。如果D小于R，判定射線被該接收點接收，將射線編號、網(wǎng)格編號和場強值記錄下來。以P點為例，射線對該點的貢獻場強為式中∶Pt為基站天線的發(fā)射功率，η0為電磁波在空氣中的波阻抗；λ為波長；d為線段AN的長度；Gt為射線在基站天線處的輻射強度。

3.4射線合并和平滑化處理

完成射線的接收后，合并接收的射線得到接收點的信號強度。如果一個接收點接收到了多根射線，每根射線在接收點處的貢獻場強為Ei，則接收點的信號強度值為

式中∶Gr為接收天線的增益；η0為電磁波在空氣中的波阻抗；λ為波長；N為接收點接收到的射線數(shù)。

得到所有接收點的信號強度后，需要對結(jié)果進行平滑化處理∶每個網(wǎng)格接收點的信號強度值等于以該網(wǎng)格為中心周圍9個網(wǎng)格接收點（包含自身網(wǎng)格接收點）的信號強度的平均值。

4　仿真結(jié)果與分析

本文實現(xiàn)了基于正向跟蹤的信號強度估計方法，并對北京航空航天大學(xué)校內(nèi)3個基站覆蓋區(qū)域進行了信號強度估計，其中1號基站覆蓋區(qū)域的信號強度分布情況如圖6所示。該基站位于3號樓的藍色圓點處，天線的方位角為260°，下傾角為8°。為了比較，使用常用的COST 231-Walfisch-Ikegami經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯υ摶靖采w區(qū)域進行了信號強度估計，結(jié)果如圖7所示。利用工作于工程模式下的Sony Ericsson測試手機、GPS接收器和TEMS信號強度采集軟件實測的基站信號強度分布如圖8所示。

圖6　基于射線跟蹤的信號強度估計結(jié)果Fig.6 Estimation results based on ray tracing

圖7　基于COST231的信號強度估計結(jié)果Fig.7 Estimation results based on COST231

1號基站覆蓋的主要區(qū)域是圖6～8中用粉色框和紫色框標(biāo)出的建筑物密集區(qū)域和空曠區(qū)域。從圖中可以看出射線跟蹤方法估計的小區(qū)信號強度分布與實測數(shù)據(jù)變化趨勢較好吻合，并能反映出建筑物的陰影效應(yīng)，而經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸烙嫷男盘枏姸确植寂c實測數(shù)據(jù)的變化趨勢差異較大，只是隨接收點到基站距離呈現(xiàn)由強到弱的變化趨勢，與建筑物分布的關(guān)聯(lián)度不大。

為了定量反映估計結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的吻合程度，表1給出了使用射線跟蹤和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷墓烙嫿Y(jié)果與實測數(shù)據(jù)相比誤差在6 dBm、12 dBm和18 dBm以內(nèi)的數(shù)據(jù)點占總數(shù)據(jù)點的百分比。

圖8　實測信號強度分布Fig.8 Measured signal strength distribution

表1　基于射線跟蹤與經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷墓烙嫿Y(jié)果比對表Tab.1 Comparison of estimation result based on ray tracing and empirical model

從表1可以看出在6 dBm、12 dBm和18 dBm 3種誤差范圍內(nèi)，3個基站覆蓋區(qū)域使用射線跟蹤方法得到的估計結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的吻合程度是經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷?倍、3倍和2倍左右，并且射線跟蹤方法中80%左右的估計結(jié)果和實測數(shù)據(jù)誤差在12 dBm以內(nèi)，滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的需求。

為了定量反映本文方法與文獻［6］中的反向跟蹤方法的計算復(fù)雜度，表2統(tǒng)計了在正向跟蹤和反向跟蹤方法中射線與建筑物相交判斷的次數(shù)。

表2　正向跟蹤和反向跟蹤方法計算復(fù)雜度比對表Tab.2 Comparison of computational complexity based on forward and inverse tracing

從表2可以看出本文方法中射線與建筑物相交判斷的次數(shù)比反向跟蹤方法低3個數(shù)量級。

5　結(jié)束語

本文實現(xiàn)了一種基于正向跟蹤的適用于室外場景的小區(qū)信號強度估計方法，并對北航校內(nèi)的3個基站覆蓋區(qū)域進行了信號強度估計，將估計結(jié)果和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷墓烙嫿Y(jié)果進行了比對，同時分析了該方法和反向跟蹤方法的計算復(fù)雜度。一方面，本文方法估計結(jié)果的變化趨勢和實測數(shù)據(jù)的變化趨勢較好吻合，體現(xiàn)了電波傳播過程中產(chǎn)生的多徑衰落和陰影衰落現(xiàn)象；該方法估計結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的吻合程度遠大于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并?0%左右的估計結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的誤差在12 dBm以內(nèi)，滿足網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的需求。另一方面，該方法的計算復(fù)雜度遠小于反向跟蹤方法。本文方法不僅可以估計當(dāng)前基站覆蓋區(qū)域的信號強度分布，而且能夠幫助網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員預(yù)測調(diào)整參數(shù)后的信號覆蓋情況，進而檢驗網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案的可行性。然而該方法還有一些因素尚未考慮，如電磁波的散射、折射，在未來的工作中可針對這些問題完善射線跟蹤算法。

［1］ BI J J，LIU Y M，XIE P H.Accelerating simulation method for specific ray tracing propagation model［C］//Proceedings of 2012 Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics（CEEM）.Shanghai∶CEEM，2012∶262-265.

［2］ HUANG X Y，CHEN B Q，CUI H L，et al.Radio-propagation model based on the combined method of ray tracing and diffraction［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（4）∶1284-1291.

［3］ NG K H，TAMEH E K，NIX A R.New heuristic geometrical approach for finding non-coplanar multiple edge diffraction ray paths［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（9）∶2669-2672.

［4］ RUAN Y C，ZHOU X Y，CUI T J，et al.The UTD analysis to EM scattering by arbitrarily convex objects using ray tracing of creeping waves on numerical meshes［C］//Proceedings of 2008 Antennas and Propagation Society International Symposium.San Diego∶IEEE，2008∶1-4.

［5］ 蔣宇樂，張旭東，熊華剛.基于改進射線跟蹤和三維可視化的UWB信道仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22（10）∶2379-2383.

JIANG Yule，ZHANG Xudong，XIONG Huagang.UWB channel simulation using improved ray-tracing method and 3D visualization technique［J］.Journal of System Simulation，2010，22（10）∶2379-2383.（in Chinese）

［6］ JUNG J H，LEE J，LEE J H，et al.Ray-tracing-aided modeling of user-shadowing effects in indoor wireless channels［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（6）∶3412-3416.

［7］ 張忠波∶基于射線跟蹤技術(shù)的室內(nèi)電波傳播預(yù)測研究［D］.西安∶西安電子科技大學(xué)，2012.

ZHANG Zhongbo.Study on the prediction of indoor radio wave propogation based on ray tracing technique［D］. Xi＇an∶Xidian University，2012.（in Chinese）

［8］ CARLUCCIO G，ALBANI M.An efficient ray tracing algorithm for multiple straight wedge diffraction［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（11）∶3534-3542.

［9］ NICOLáS M L，SMYRNAIOS M，SCH?N S，et al.Investigation of diffraction effects in GNSS using ray tracing channel modelling［C］//Proceedings of 2012 European Conference on Antennas and Propagation（EUCAP）. Prague∶IEEE，2012∶3154-3158.

［10］ 蔣宇樂，熊華剛，查振羽.機艙內(nèi)部超寬帶確定性信道建模［J］.航空學(xué)報，2010，31（1）∶158-164.

JIANG Yule，XIONG Huagang，ZHA Zhenyu.Deterministic modeling method for aircraft inside-cabin UWB Channels［J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2009.（in Chinese）

張 喆（1990—），男，河南濟源人，碩士研究生，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)；

ZHANG Zhe was born in Jiyuan，Henan Province，in 1990.Heisnowagraduate student.His research concerns communication and information system.

Email∶zhangzsy1302@163.com

張杰斌（1986—），男，山東壽光人，碩士，助理實驗師，主要研究方向為通信與測控；

ZHANG Jiebin was born in Shouguang，Shandong Province，in 1986.He is now an assistant experimentalist with the M.S. degree.His research concerns communication and control.

周欣欣（1976—），女，浙江金華人，工程師，主要研究方向為數(shù)據(jù)通信；

ZHOU Xinxin was born in Jinhua，Zhejiang Province，in 1976.She is now an engineer.Her research concerns data communication.

高 強（1971—），男，四川都江堰人，教授，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

GAO Qiang was born in Dujiangyan，Sichuan Province，in 1971.He is now a professor.His research concerns communication and information system.

Cellular Signal Strength Estimation Based on Ray Tracing

ZHANG Zhe1，ZHANG Jiebin1，ZHOU Xinxin2，GAO Qiang1
（1.School of Electronic and Information Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Jinhua Branch of Zhejiang Telecommunication，Jinhua 321000，China）

∶The estimation method based on empirical model which can't be used to estimate in specific scenarios is not accurate and can’t be used in network planning and optimization of mobile communication. Although ray tracing technique can track electromagnetic wave according to the scenario information，common inverse tracing method with high complexity is not suitable for the estimation of outdoor signal strength.To improve the accuracy and reduce the complexity，an estimation method based on forward tracing is achieved.Firstly，the electromagnetic wave from base station antenna is simplified into discrete ray. Secondly，with the information of building’s shape and distribution，each ray is tracked using the search method based on grid.Thirdly，the ray is received and merged at the receiver，after which the signal strength distribution is acquired.The simulation results show that the estimation result of proposed method is more accurate than that of empirical model and the error between eighty percent of estimation result and measured data is within 12 dBm，therefore the proposed method can be used in network planning and optimization.

∶mobile communication；network optimization；signal strength estimation；ray tracing

TN915

A

1001-893X（2016）05-0544-07

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.05.012

張喆，張杰斌，周欣欣，等.基于射線跟蹤的小區(qū)信號強度估計［J］.電訊技術(shù)，2016，56（5）∶544-550.［ZHANG Zhe，ZHANG Jiebin，ZHOU Xinxin，et al.Cellular signal strength estimation based on ray tracing［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（5）∶544-550.］

2015-10-08；

2016-01-25Received date：2015-10-08；Revised date：2016-01-25

**通信作者：zhangzsy1302@163.comCorresponding author：zhangzsy1302@163.com