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射线追踪是一种分析大尺度或大范围无线电波传播特性的方法,可应用于建立移动通信的电波传播模型。随着话务量的日益增长,小区半径逐渐缩小,发射天线处于周围建筑物的“低谷”中,这时统计方法从根本上失去了应用的前提。另外,城市高速数字通信系统和室内宽带通信系统正迅速发展,在预测上述环境的传播特性方面,射线追踪法已体现出了它的优势。本研究主要内容如下:
(1)在前人的基础上发展了单纯形射线追踪方法,并对三维情况下的追踪算法进行了研究。在这种方法中,三维环境被剖分成若干个无缝且互不重叠的四面体单元,射线在四面体单元间穿行。经过研究射线和四面体的空间矢量关系得出了射线穿入和穿出四面体单元的三维矢量代数模型,利用此模型可以判定出射线穿过四面体时的穿入面和穿出面,也可以求出穿入点和穿出点的位置矢量,进而可以得到射线在四面体单元间穿行的轨迹。另外,传统的射线跟踪方法需要花费超过90%的CPU时间进行射线—多面体面相交测试,而利用单纯形法的矢量代数模型时,射线和反射面的相交过程简单直接,并且这种相交也不需要通过几何测试的方法来判定,进而算法的效率得到了提高。
(2)提出了新的射线接收判据。传统的基于接收球的接收方法是在接收处设置一个以接收点为圆心,具有一定缓冲半径的球。如果某一条射线与接收球相交,则该射线对接收点场强的贡献就要被考虑进来。但在接收球法中,射线在三维环境中的作用范围是一个圆锥体,无论缓冲半径如何选取,在空间中都会出现射线作用范围的重叠区域或阴影区域,即使选择了相对而言比较恰当的缓冲半径,也会导致接收机平均接收功率至少增加1.26dB左右。单纯形射线跟踪法通过提出接收区域而非接收球的概念提高了算法的精确性,接收区域是一个由几何条件加以限定的区域。在得到所有射线的轨迹后,利用射线和接收区域的关系,能精确地判定出对接收点有效的射线。
(3)在MATLAB平台实现了上述算法,并结合相关文献对特定的室内视距环境进行仿真及数据分析。在仿真中利用单纯形射线追踪的基本思想,同时结合了几何光学理论和一致性绕射理论等,得到了所有直射、反射和绕射射线的轨迹,结合新的接收方法计算出了接收点的场强。计算结果与文献结果吻合性良好,进而验证了本文所提方法的有效性。