基于射線跟蹤的城市環境電波傳播預測仿真及實測

楊文麗，李章義

（國家無線電監測中心陜西監測站，西安 710200）

電波衛士

基于射線跟蹤的城市環境電波傳播預測仿真及實測

楊文麗，李章義

（國家無線電監測中心陜西監測站，西安 710200）

本文介紹了射線跟蹤法的基本原理，并使用Wireless Insite軟件對位于西安市區的某集群系統進行電波傳播預測仿真；給出了移動場強測量方法并依據該方法對仿真結果進行實測驗證；對比結果顯示仿真結果與實測吻合度高。

傳播預測；射線跟蹤；Wireless Insite；場強測量

1 引言

電波在對流層中傳播時會表現出反射、折射、繞射、透射和散射等不同的傳播機理，且具有很大的隨機性，因此要預測復雜環境下的電波傳播特性是非常困難的。但是出于工程需要，人們還是建立了很多電波傳播預測模型。這些模型主要可分為兩類：經驗模型、確定性模型[1]。

經驗模型是由大量測量數據經統計分析后擬合出的公式，應用方便快捷，在早期大區制環境下取得了良好的效果,這類模型中比較典型的有Okumura-Hata模型[2]、Cost 231-Hata模型[3]、Egli模型[4]等。但隨著移動通信技術的發展，城市小區劃分朝著微小區、微微小區方向發展，而經驗模型無法做到對某一特定傳播環境的準確預測，尤其是不能體現傳播路徑上特定地形和建筑物的影響，其應用受到局限。

根據電磁理論進行計算的確定性模型對具體環境中的電波傳播特性有很高的預測精度，是當前電波傳播領域主要的研究方向。該類模型中目前應用最多的是射線跟蹤法。

2 射線跟蹤法簡介

射線跟蹤法基于幾何光學（GO）和幾何一致性繞射理論（UTD），是預測高頻電磁波傳播特性十分常用的理論方法[5]，尤其在針對室內或城市小區等小尺度路徑上的電波傳播預測問題時適用性強。該方法可識別出收發天線之間的多徑信道中所有可能的射線路徑，根據電波傳播理論來計算每條射線的幅度、相位、延遲和極化，然后結合天線方向圖和系統帶寬得到接收點的所有射線的相干合成結果。

3 基于射線跟蹤的電波傳播預測仿真

3.1 Wireless InSite軟件簡介

Wireless InSite（下文簡稱WI）軟件能夠實現復雜城區環境、室內環境以及其它多徑傳播環境中精確有效的無線傳播預測及信道特性預測。該軟件基于GTD/UTD理論，采用射線跟蹤方法建立傳播模型，根據無線電波繞射特性以及跟物體相關的反射、透射系數來評估電場、磁場，并通過將電場與具體的天線模式相結合來計算路徑損耗、到達時間以及到達角度等參數。該軟件可以在50MHz到100GHz頻段內提供精確的計算結果[6]。

3.2 城市環境下電波傳播預測仿真

使用WI軟件對位于西安市的某醫療救治應急指揮集群系統傳播覆蓋預測進行仿真。發射臺特性參數如表1所示。

表1 發射臺特性參數表

根據表1給出的發射臺特性參數表設置軟件仿真參數，導入CAD格式的三維建筑模型，由于仿真區域較小，不考慮地形影響，創建一個平面表示地面。合理設置地面及建筑物的材料屬性，完成創建發射源、接收路徑等仿真必須步驟，采用X3D傳播模型進行仿真，得到距離發射源1km范圍內離地面2米高度處的非視距條件下的街道1的功率覆蓋結果，如圖1所示，街道1發射源到部分接收點的射線路徑如圖2所示。視距條件下街道2的功率覆蓋結果如圖3所示。某區域的覆蓋仿真如圖4所示。

圖1 街道1覆蓋仿真結果

圖2 街道1發射源到部分接收點的射線路徑

圖3 街道2覆蓋仿真結果

圖4 區域覆蓋仿真結果

為了更清晰的看覆蓋熱力圖，圖1、圖3、圖4均采用二維顯示，圖2為三維顯示。對比街道1和街道2的覆蓋仿真結果可看出：街道2的多數接收點處于視距條件下，總體接收功率較高，而街道1由于建筑物的遮擋效應，部分接收點的接收功率明顯偏低。

4 實測

為檢驗仿真結果正確與否，采用移動場強測量方法沿著街道開展路徑接收功率測試。

4.1 測試方法

測量系統由全向接收天線、頻譜儀、控制數據采集的電腦組成。

測量步驟如下：

（1）將全向接收天線架設在車頂，連接測量系統。

（2）根據測量頻點設置掃描頻段范圍，設置頻譜儀的RBW略大于信號帶寬。

（3）監測車沿著街道1自西向東勻速前行，車速需滿足式（1）要求[7]：

式中，v為監測車車速km/h；f為被測信號頻率MHz；tr為接收機重新訪問某一頻率的最短時間，s。

（4）使用軟件控制數據采集，保證采樣數據的間隔均勻。

4.2 仿真與實測對比

使用WI軟件沿著測試街道設置接收路徑，接收點間隔與實測保持一致，街道1仿真與實測結果對比如圖5所示：街道1實測與仿真結果吻合良好。

圖5 街道1實測與仿真結果對比

5 結束語

本文使用基于射線跟蹤法的仿真軟件WI對位于西安市區的某集群通信系統覆蓋情況進行仿真，并進行了實測驗證，對比結果顯示仿真結果與實測吻合度高。本文通過仿真與實測相結合的方法證明了射線跟蹤法在城市小區等特定環境下的傳播預測具有很高的精度。

[1] 胡繪斌．預測復雜環境下電波傳播特性的算法研究[D]．國防科學技術大學博士學位論文，2006

[2] Y. Okumura, E. Ohmori and T. Kawano, etc. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service[J]. Rev. Elec.Commun. Lab, 1969, 16: 825-873.

[3] 吳志忠．移動通信無線電波傳播[M]．北京：人民郵電出版社，2002

[4] J. J. Egli. Radio propagation above 40 MC over irregular terrain. Proc. IRE,1957, 45(10): 1383-1391.

[5] 賈明華，鄭國莘，張欣．電波傳播預測仿真方法[J]．計算機仿真，2010,11：91-94

[6] 陳濤，王軍．利用射線跟蹤仿真軟件分析無線電監測站的監測覆蓋范圍[J]．中國無線電，2013,11:47-50

[7] ITU建議書．有地理坐標登記的路徑的場強測量[R]．ITU-R SM.1708.

無線電管理局圓滿完成金磚會晤無線電管控工作

9月5日下午，金磚國家領導人第九次會晤（以下簡稱“金磚會晤”）在廈門勝利落下帷幕。為確保此次金磚會晤無線電用頻安全，部無線電管理局周密部署，扎實工作，統籌協調各方用頻，規范無線設備使用，有效凈化電磁環境，圓滿完成了金磚會晤無線電安全保障任務。

本次金磚會晤是2017年我國繼“一帶一路”國際合作高峰論壇之后舉辦的又一場重要的主場外交活動，國內國際都十分關注。部領導高度重視金磚會晤無線電安全保障工作并多次作出批示，要求全力以赴做好保障工作。陳肇雄副部長、劉利華副部長分別到廈門無線電管理指揮中心檢查指導工作，看望慰問一線保障人員。部無線電管理局統籌協調16個部門和單位組建無線電安全保障團隊，強化福建省無線電管理機構屬地責任，以元首政要、會議活動、安保、民航等的用頻安全為保障重點，全國共投入無線電管控力量740人，啟動固定監測站500多座，動用移動監測車輛100多輛，累計監測評估9.4萬余小時，查處違規用頻405起，指配頻率479個（對），發放無線電設備核驗標簽1.1萬余個。金磚會晤期間，所有無線電設備正常工作，未發生任何有害無線電干擾，空中電波秩序和電磁環境良好。

The Simulation and Measurement of Radio Propagation Prediction in Urban Area Based on Ray Tracing Method

Yang Wenli, Li Zhangyi
(State Radio Monitoring Center Shaanxi Monitoring Station, X i’an, 710200)

The basic principle of ray tracing method is introduced. And Wireless InSite is used to simulate the radio frequency propagation of a trunked system in the urban area. The simulation results are verified by measurements according to the method of mobile field-strength measurement given in this paper. It is shown that the simulation results are in good agreement with the measurements.

propagation prediction; ray tracing; Wireless InSite; field- strength measurement

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.026

TN98文獻標示碼：A

1672-7274（2017）10-0066-03

楊文麗，國家無線電監測中心陜西監測站，工程師。

李章義，國家無線電監測中心陜西監測站，助理工程師。