一种室内物体的分块模型

一种室内物体的分块模型

随着信息时代的到来，无线通信的应用逐渐从外部环境扩展到内部环境。室内无线通信系统，如个人移动通信和广播管理局网络，正呈快速发展。这迫切需要有效的评估室内无线通信性质的有效手段。研究室内无线通信的多径现象，建立实用的室内无线通信模型，是室内无线通信系统设计的最佳基础。这可以节省大量的现场测量成本，显著降低成本。室内的电波传播不受气候因素(如雨、雪和云等)的影响,但要受建筑物的大小、形态、结构、房间布局及室内陈设的影响,最重要的是建筑材料的影响.室内障碍物不仅有砖墙,而且有木材、金属、玻璃及其他材料(如地毯、墙纸等).这些材料对电波传播的影响是不同的.近年来,由于计算水平的提高,对室内电波的传播预测常采用射线跟踪法.本文用射线跟踪法对室内电波传播的路径损耗进行预测,提出了一种室内物体的分块处理方法,预测结果和实地的测量结果符合较好.1基本理论1.1射线跟踪法原理室内大多数物体尺寸与波长相比要大得多,使得边界条件变得复杂,采用麦克斯韦方程组进行精确求解,从实用的角度来看是不可能的,而且即使用当今速度最快的计算机,采用数值解方法,其计算时间也会很长,因而是不经济和不实用的.由于室内无线通信所用频率一般较高(如1.8GHz或更高),因而波长与室内大部分物体尺寸之比足够小,电磁波可视为局部平面波,其传播可以用几何光学来近似,即认为电磁波沿直线传播,使射线跟踪法成为可能.射线跟踪法的基本思想是:将发射点视为点源,其发射的电磁波作为向各个方向传输且有一定电场强度的射线,对每根射线进行跟踪,在遇到障碍物时按光传输理论进行计算,在接收点将到达该点的各条射线合并,计算接收点的场强或接收功率,从而实现电波传播的预测.这一方法已在室外和室内的电波传播预测中得到广泛的应用.1.2密度对磁导率的影响原理,其主要分为3个反射系数和1.电波在室内的传播具有多径现象.在室内电波传播中除直射外,反射也是一种极为重要的传播途径.如图1所示,假设发射点T和接收点R在同一个房间内,则反射波除四面墙的反射外,还应包括地板和天花板的反射.室内环境中的物体通常都具有一定的厚度,有时表面还可能覆盖有其他材料,当平面波遇到障碍物时将产生反射和透射,反射系数和透射系数通常是以多层有耗介质的情形计算的.假设共有n层各向同性非磁性介质,顶层和底层都为半空间区域(空气).第i层的厚度为di,复介电常数为εi,磁导率为μi=μ0(μ0为真空中的磁导率),复传播常数ki=ω√εiμi=ω√εiμ0ki=ωεiμi−−−√=ωεiμ0−−−−√.其中ω为入射波的角频率.电波以θ角入射,则第一层的反射系数R和第n层的透射系数T有如下关系:[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垂直极化1-εik(i+1)x/(εi+1kix)1+εik(i+1)x/(εi+1kix)水平极化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垂直极化1−εik(i+1)x/(εi+1kix)1+εik(i+1)x/(εi+1kix)水平极化k2ix=k2i-(k1sinθ)2i=1,2,…,n-1图2所示为几种室内常见材料在频率为1.8GHz时反射率r和入射角θ的关系.它们分别为砖墙(厚度d=20cm,相对介电常数εr=3.25,损耗角正切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).由图2可见,由于材料的厚度和相对介电常数不同,对电磁波的反射有较大差别.2分散模型2.1物块的几何形状.根据党建分在用射线跟踪法进行室内电波的传播预测时必须对室内障碍物有详细的了解,即建立一个存储障碍物数据的数据库,数据库的数据以物体块为单位存储,记录包括该物体块的位置、尺寸大小、复介电常数等参数.由于室内物体表面大都是平面的,而且表面通常为矩形,因此每一物体块的几何形状都可用平面矩形来表示.在室内由于不同介电特性的材料通常是交叉共存的,例如开有窗户的水泥墙.由图2可知,墙壁和玻璃对电磁波的反射是不同的,因而物体块的划分必须符合实际情况.图3所示为房间中某一墙面的示意图,墙上有窗,矩形的窗户可作为一个物体块来处理.为便于射线与物体块求交运算,必须将墙面也划分为矩形物体块.图3中虚线所示为一种划分方法,这样墙共有5个物体块.在数据库中每一个物体块都有一个编号,处在同一平面的物体块编号仅个位数不同.包含有多个物体块的平面也可以作为一个物体块来处理,其编号的个位数为0,高位数与所包含的物体块相同.2.2ad1、bc2、cd3:0在室内射线的跟踪算法中,主要的运算是求交运算,即判断射线是否与物体块相交而发生反射和透射,实际上是求射线和平面矩形相交.设物体块所在平面的方程为ax+by+cz+d=0射线起点为(x0,y0,z0),方向为(d1,d2,d3),则射线的参数方程为x=d1t+x0y=d2t+y0t≥0z=d3t+z0}(2)x=d1t+x0y=d2t+y0t≥0z=d3t+z0⎫⎭⎬⎪⎪(2)显然,当ad1+bd2+cd3=0时,射线和平面平行;当ax0+by0+cz0+d=0时,射线在平面上.除上述情况外,射线(或其反向延长线)和平面相交于一点,交点参数为ti=-ax0+by0+cz0+dad1+bd2+cd3ti=−ax0+by0+cz0+dad1+bd2+cd3当ti≥0时,交点在射线上,连接原点到该交点的线段用矢量s表示.物体块为一矩形,用一个顶点和连接顶点的两条相互垂直的边u和v来表示,连接原点到该顶点的线段用矢量x表示.若满足:0<u⋅(s-x)|u|<|u|0<v⋅(s-x)|v|<|v|}(3)则交点在矩形内,即射线与该矩形所表示的物体块相交,发生反射和透射.3辐射跟踪算法3.1计算机数值的表示用射线跟踪法进行室内传播预测所涉及到的几何元素(点、有向线段、方向、面)可定义如下:(1)点.表达诸如源点、场点、反射点和透射点的几何特征,其数值表达用直角坐标系中x,y,z表示,数值计算时用3个实数表示.(2)有向线段.连接起始点和终止点的一段有向线段,用于表示入射线、反射线和透射线,计算时用一个起始点、一个方向和一个表示长度的实数表达.(3)方向.为一个单位矢量,表达诸如有向线段的方向、平面的法线、射线基坐标系中的坐标轴方向等.其数值表达由该单位矢量末端处的3个直角坐标表示.(4)面.主要为矩形区域平面.用于表示物体块和确定反射点、透射点.在计算机中用一个点和以该点为起始点的两个有向线段以及该矩形所在平面的法线方向来表示.为不引起混乱,规定两个边缘的方向与平面的法线方向成右手螺旋关系.3.2跟踪过程的操作射线的跟踪过程实际就是射线与物体块求交的判断运算过程,由于从发射天线出发的射线在遇到物体块时又会产生反射射线、透射射线,所以整个跟踪过程是一个递归过程.递归的深度取决于所预先规定的射线被丢弃的衰减系数,例如可将反射的衰减系数定为2,透射的衰减系数定为3,如被丢弃的衰减系数为10,意味着一根射线在经过5次反射或2次反射或2次透射后将停止跟踪,此时认为该射线的场强已衰减到很小.显然,预定的衰减系数越大,到达接收点的射线越多,但计算量将大大增加.在跟踪过程中,若射线被接收和跑出室内环境,则停止跟踪.整个跟踪过程如图4所示.对从发射天线以一定的张角出发的每一射线进行图示的操作.射线的初始化包括确定射线的方向、起始点和电场强度.4路径损耗估计一般实际测量的是功率,接收点平均接收功率可表示为〈Ρr〉=∑iΡi(4)式中:Ρi=ΡtGtGrli(si)∏jrji∏ktkiPt为发射功率;Gt、Gr分别为发射和接收天线的增益;li(si)为第i条射线经过实际路程si到达接收点的功率损耗因子;rji、tki分别为第i条射线第j次反射的反射率、第k次透射的透射率.则路径损耗ΡL=10lg(Ρr/Ρt)为验证上述分块模型,对一个房间进行实测和预测.整个房间被分为20多个物体块,房间大小为5m×7.45m×2.7m,发射和接收天线都是半波振子,距地板的高度均为1.5m,频率为1.7GHz.发射和接收天线都沿垂直地板方向放置.由于发射和接收天线都有方向性,在计算时已加以考虑.图5所示为发射