基于射线跟踪的城市环境电波传播预测仿真及实测

杨文丽，李章义

（国家无线电监测中心陕西监测站，西安 710200）

电波卫士

基于射线跟踪的城市环境电波传播预测仿真及实测

杨文丽，李章义

（国家无线电监测中心陕西监测站，西安 710200）

本文介绍了射线跟踪法的基本原理，并使用Wireless Insite软件对位于西安市区的某集群系统进行电波传播预测仿真；给出了移动场强测量方法并依据该方法对仿真结果进行实测验证；对比结果显示仿真结果与实测吻合度高。

传播预测；射线跟踪；Wireless Insite；场强测量

1 引言

电波在对流层中传播时会表现出反射、折射、绕射、透射和散射等不同的传播机理，且具有很大的随机性，因此要预测复杂环境下的电波传播特性是非常困难的。但是出于工程需要，人们还是建立了很多电波传播预测模型。这些模型主要可分为两类：经验模型、确定性模型[1]。

经验模型是由大量测量数据经统计分析后拟合出的公式，应用方便快捷，在早期大区制环境下取得了良好的效果,这类模型中比较典型的有Okumura-Hata模型[2]、Cost 231-Hata模型[3]、Egli模型[4]等。但随着移动通信技术的发展，城市小区划分朝着微小区、微微小区方向发展，而经验模型无法做到对某一特定传播环境的准确预测，尤其是不能体现传播路径上特定地形和建筑物的影响，其应用受到局限。

根据电磁理论进行计算的确定性模型对具体环境中的电波传播特性有很高的预测精度，是当前电波传播领域主要的研究方向。该类模型中目前应用最多的是射线跟踪法。

2 射线跟踪法简介

射线跟踪法基于几何光学（GO）和几何一致性绕射理论（UTD），是预测高频电磁波传播特性十分常用的理论方法[5]，尤其在针对室内或城市小区等小尺度路径上的电波传播预测问题时适用性强。该方法可识别出收发天线之间的多径信道中所有可能的射线路径，根据电波传播理论来计算每条射线的幅度、相位、延迟和极化，然后结合天线方向图和系统带宽得到接收点的所有射线的相干合成结果。

3 基于射线跟踪的电波传播预测仿真

3.1 Wireless InSite软件简介

Wireless InSite（下文简称WI）软件能够实现复杂城区环境、室内环境以及其它多径传播环境中精确有效的无线传播预测及信道特性预测。该软件基于GTD/UTD理论，采用射线跟踪方法建立传播模型，根据无线电波绕射特性以及跟物体相关的反射、透射系数来评估电场、磁场，并通过将电场与具体的天线模式相结合来计算路径损耗、到达时间以及到达角度等参数。该软件可以在50MHz到100GHz频段内提供精确的计算结果[6]。

3.2 城市环境下电波传播预测仿真

使用WI软件对位于西安市的某医疗救治应急指挥集群系统传播覆盖预测进行仿真。发射台特性参数如表1所示。

表1 发射台特性参数表

根据表1给出的发射台特性参数表设置软件仿真参数，导入CAD格式的三维建筑模型，由于仿真区域较小，不考虑地形影响，创建一个平面表示地面。合理设置地面及建筑物的材料属性，完成创建发射源、接收路径等仿真必须步骤，采用X3D传播模型进行仿真，得到距离发射源1km范围内离地面2米高度处的非视距条件下的街道1的功率覆盖结果，如图1所示，街道1发射源到部分接收点的射线路径如图2所示。视距条件下街道2的功率覆盖结果如图3所示。某区域的覆盖仿真如图4所示。

图1 街道1覆盖仿真结果

图2 街道1发射源到部分接收点的射线路径

图3 街道2覆盖仿真结果

图4 区域覆盖仿真结果

为了更清晰的看覆盖热力图，图1、图3、图4均采用二维显示，图2为三维显示。对比街道1和街道2的覆盖仿真结果可看出：街道2的多数接收点处于视距条件下，总体接收功率较高，而街道1由于建筑物的遮挡效应，部分接收点的接收功率明显偏低。

4 实测

为检验仿真结果正确与否，采用移动场强测量方法沿着街道开展路径接收功率测试。

4.1 测试方法

测量系统由全向接收天线、频谱仪、控制数据采集的电脑组成。

测量步骤如下：

（1）将全向接收天线架设在车顶，连接测量系统。

（2）根据测量频点设置扫描频段范围，设置频谱仪的RBW略大于信号带宽。

（3）监测车沿着街道1自西向东匀速前行，车速需满足式（1）要求[7]：

式中，v为监测车车速km/h；f为被测信号频率MHz；tr为接收机重新访问某一频率的最短时间，s。

（4）使用软件控制数据采集，保证采样数据的间隔均匀。

4.2 仿真与实测对比

使用WI软件沿着测试街道设置接收路径，接收点间隔与实测保持一致，街道1仿真与实测结果对比如图5所示：街道1实测与仿真结果吻合良好。

图5 街道1实测与仿真结果对比

5 结束语

本文使用基于射线跟踪法的仿真软件WI对位于西安市区的某集群通信系统覆盖情况进行仿真，并进行了实测验证，对比结果显示仿真结果与实测吻合度高。本文通过仿真与实测相结合的方法证明了射线跟踪法在城市小区等特定环境下的传播预测具有很高的精度。

[1] 胡绘斌．预测复杂环境下电波传播特性的算法研究[D]．国防科学技术大学博士学位论文，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] 吴志忠．移动通信无线电波传播[M]．北京：人民邮电出版社，2002

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

[5] 贾明华，郑国莘，张欣．电波传播预测仿真方法[J]．计算机仿真，2010,11：91-94

[6] 陈涛，王军．利用射线跟踪仿真软件分析无线电监测站的监测覆盖范围[J]．中国无线电，2013,11:47-50

[7] ITU建议书．有地理坐标登记的路径的场强测量[R]．ITU-R SM.1708.

无线电管理局圆满完成金砖会晤无线电管控工作

9月5日下午，金砖国家领导人第九次会晤（以下简称“金砖会晤”）在厦门胜利落下帷幕。为确保此次金砖会晤无线电用频安全，部无线电管理局周密部署，扎实工作，统筹协调各方用频，规范无线设备使用，有效净化电磁环境，圆满完成了金砖会晤无线电安全保障任务。

本次金砖会晤是2017年我国继“一带一路”国际合作高峰论坛之后举办的又一场重要的主场外交活动，国内国际都十分关注。部领导高度重视金砖会晤无线电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。陈肇雄副部长、刘利华副部长分别到厦门无线电管理指挥中心检查指导工作，看望慰问一线保障人员。部无线电管理局统筹协调16个部门和单位组建无线电安全保障团队，强化福建省无线电管理机构属地责任，以元首政要、会议活动、安保、民航等的用频安全为保障重点，全国共投入无线电管控力量740人，启动固定监测站500多座，动用移动监测车辆100多辆，累计监测评估9.4万余小时，查处违规用频405起，指配频率479个（对），发放无线电设备核验标签1.1万余个。金砖会晤期间，所有无线电设备正常工作，未发生任何有害无线电干扰，空中电波秩序和电磁环境良好。

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文献标示码：A

1672-7274（2017）10-0066-03

杨文丽，国家无线电监测中心陕西监测站，工程师。

李章义，国家无线电监测中心陕西监测站，助理工程师。