1、西安電子科技大學(xué)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書項(xiàng)目名稱: 微小區(qū)場(chǎng)景下基于射線跟蹤算法 的電波傳播預(yù)測(cè)研究及其可視化項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 李昌龍 指導(dǎo)老師： 郭立新 教授 所在院系： 理學(xué)院 研究起止時(shí)間： 2011 年 6 月 至 2012年 5月 西安電子科技大學(xué)教務(wù)處二一年三月制 填表說(shuō)明一、項(xiàng)目申請(qǐng)書要按順序逐項(xiàng)填寫，空缺項(xiàng)要填“無(wú)”。要求一律用A4紙打印，于左側(cè)裝訂成冊(cè)。二、項(xiàng)目申請(qǐng)書中欄目“一至九”由學(xué)生填寫，欄目“十至十二”由教師填寫，欄目“十三”由學(xué)院負(fù)責(zé)人填寫。三、項(xiàng)目申請(qǐng)書由所在學(xué)院審查、簽署意見后，一式五份（均為原件），報(bào)送教務(wù)處教學(xué)研究科。項(xiàng)目名稱微小區(qū)場(chǎng)景下基于射線跟蹤算

2、法的電波傳播預(yù)測(cè)研究及其可視化項(xiàng)目來(lái)源教師的科研項(xiàng)目 學(xué)生自選題目申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)20000元項(xiàng)目完成時(shí)間2012年5月申請(qǐng)人(團(tuán)隊(duì))姓名學(xué)號(hào)性別身份證號(hào)碼專業(yè)班級(jí)聯(lián)系電話手機(jī)E-mail李昌龍07084113男41152119881203305507084029-8189424615091637236984786453黃杰07084155男64032119890531005907084029-8189424615102965502504938698張劭東07084056男14052219900403351007084029-8189423915002976592allan0403一、項(xiàng)目組成員情況介

3、紹（包括自身具備的知識(shí)條件，有何特長(zhǎng)、興趣，參加哪些科技事件創(chuàng)新活動(dòng)等）李昌龍: 具有較強(qiáng)的數(shù)理分析和電磁場(chǎng)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，善于思考，具備較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力和研究能力。英語(yǔ)水平較高，具有較強(qiáng)的英文文獻(xiàn)閱讀能力與寫作能力，同時(shí)有較強(qiáng)的科技文獻(xiàn)檢索能力。愛好計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫，擅長(zhǎng)C語(yǔ)言和Fortran語(yǔ)言編程，具有較好的語(yǔ)言組織和寫作能力。黃杰: 數(shù)學(xué)建模分析能力強(qiáng)，曾參加數(shù)學(xué)建模培訓(xùn)，數(shù)理建模能力較強(qiáng)，積極參加科研項(xiàng)目訓(xùn)練，有較強(qiáng)的科技文獻(xiàn)檢索能力，具備做研究工作的經(jīng)驗(yàn)和條件，善于團(tuán)隊(duì)合作。熟練掌握Fortran和C等編程語(yǔ)言，熟悉多種開發(fā)環(huán)境和工具。張劭東: C語(yǔ)言編程能力較強(qiáng)，熟悉Visual編

4、程環(huán)境，對(duì)于VC+和Fortran的混合編程有深入的了解，有較強(qiáng)的科技文獻(xiàn)檢索能力，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力較高，熟悉Fortran語(yǔ)言，擅長(zhǎng)數(shù)值計(jì)算編程。二、項(xiàng)目研究背景通信行業(yè)已成為帶動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)高速增長(zhǎng)的重要引擎，其發(fā)展令人矚目。從上個(gè)世紀(jì)八十年代初第一代模擬移動(dòng)通信開始，到九十年代中期的第二代數(shù)字移動(dòng)通信的大規(guī)模普及，再到本世紀(jì)初第三代移動(dòng)通信技術(shù)的投入運(yùn)營(yíng)，以及正在進(jìn)行中的第四代移動(dòng)通信，移動(dòng)通信經(jīng)歷了短短20幾年的發(fā)展歷程。特別是2003年以后，我國(guó)移動(dòng)用戶迅猛增長(zhǎng)，工業(yè)和信息化部2010年11月24日發(fā)布的通信業(yè)運(yùn)行狀況顯示，截止2010年10月，移動(dòng)電話用戶突破8億戶，達(dá)到8.42億戶。無(wú)

5、線通信技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛使用，帶動(dòng)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大支柱。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是國(guó)際電信聯(lián)盟于1985年提出的，當(dāng)時(shí)被稱為未來(lái)公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)。1996年又被正式更名為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，其工作頻段在2000MHz左右，最高業(yè)務(wù)速率為2000 kbit。國(guó)際電信聯(lián)盟針對(duì)3G規(guī)定了五種陸地?zé)o線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，其中WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA是三大主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中，WCDMA標(biāo)準(zhǔn)主要由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）提出，支持者是以GSM系統(tǒng)為主的歐洲廠商，這套系統(tǒng)可以由現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)較輕易地過(guò)渡到3G。在商用化方面，WCDMA算是3G領(lǐng)軍技術(shù)

6、，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)的電信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）提出的，是IS-95標(biāo)準(zhǔn)向第三代演進(jìn)的技術(shù)體制，目前使用CDMA2000的地區(qū)只有日、韓和北美。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院根據(jù)多年的研究而提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌。它具備TDD（Time Division Duplex）的一切特征，可以方便地進(jìn)行上/下行鏈路間的靈活切換，實(shí)現(xiàn)所有3G對(duì)稱和非對(duì)稱業(yè)務(wù)，提供室內(nèi)、室外環(huán)境下的語(yǔ)音、傳真及各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外，在頻譜利用率、對(duì)業(yè)務(wù)支持、頻率靈活性及成本等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)無(wú)線通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)通信質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，這就對(duì)通信軟、硬件設(shè)施的改

7、善和改進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境規(guī)劃實(shí)施的好壞提出了更高的要求。3G網(wǎng)絡(luò)由于其自干擾的特點(diǎn)，使得精確、高效的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃變得越來(lái)越重要。假如不經(jīng)過(guò)良好的前期規(guī)劃和測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)投入運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生許多通話質(zhì)量上的問(wèn)題，因此，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。由于第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)含量高，設(shè)計(jì)難度大，用戶的需求更加個(gè)性化、智能化，網(wǎng)絡(luò)需要為混合的多種業(yè)務(wù)提供承載平臺(tái)，所以，同主要承載語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，3G的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃更加具有復(fù)雜性。精確預(yù)測(cè)電波傳播路徑損耗為合理的微蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供了必要條件，從而決定了電波傳播預(yù)測(cè)在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色。選擇基站的位置

8、和高度以實(shí)現(xiàn)良好的電波覆蓋和減少對(duì)頻率復(fù)用區(qū)的干擾是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)一項(xiàng)重要的工作。若沒(méi)有良好的傳播預(yù)測(cè)模型,確定最優(yōu)化的基站位置和高度的惟一方法就是通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)反復(fù)比較。顯然這會(huì)浪費(fèi)大量的人力、財(cái)力。通常，無(wú)線傳播模型是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)，電波傳播模型的研究就是為了給運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的初期階段提供一個(gè)較為準(zhǔn)確的理論依據(jù)，以便于指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃。傳播模型的準(zhǔn)確與否將影響到鏈路預(yù)算小區(qū)半徑，影響電波傳播及干擾的計(jì)算，從而影響規(guī)劃仿真的效果。而對(duì)于具有多業(yè)務(wù)特點(diǎn)的3G網(wǎng)絡(luò)而言，傳播模型的準(zhǔn)確與否更直接關(guān)系到系統(tǒng)性能仿真的準(zhǔn)確性。我們知道，通常的無(wú)線傳播預(yù)測(cè)和覆蓋預(yù)測(cè)都是基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行的，它建立在統(tǒng)計(jì)分

9、析的基礎(chǔ)上，具有一定的普遍性，但任何一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的傳播模型都是根據(jù)其特定的預(yù)設(shè)環(huán)境給出的，有其獨(dú)特的地形、地貌和地物特征。因此有必要對(duì)特定環(huán)境進(jìn)行無(wú)線傳播測(cè)量，來(lái)確定該環(huán)境的無(wú)線傳播模型，確保覆蓋預(yù)測(cè)和系統(tǒng)性能仿真的準(zhǔn)確性。目前，從對(duì)于傳播模型應(yīng)用的研究來(lái)看，現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)性預(yù)測(cè)模型已不適合復(fù)雜多樣的城市微蜂窩環(huán)境，而剛剛發(fā)展的確定性預(yù)測(cè)模型，即射線跟蹤模型，時(shí)效性較差，而且對(duì)小區(qū)的地理環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)要求很高。本研究計(jì)劃旨在原有的射線跟蹤模型的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)型的優(yōu)化算法，快速、高效地仿真建立該地區(qū)較為準(zhǔn)確的傳播模型，對(duì)第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及傳播模型適應(yīng)性評(píng)估，特別是微小區(qū)電波模型預(yù)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

10、都具有十分重要的意義。三、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究意義目前，通信業(yè)界對(duì)電波傳播模型大致可分為兩類，一類是對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，得到電波傳播的統(tǒng)計(jì)特性，這類傳播模型稱為統(tǒng)計(jì)模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ａ硪活愂菑碾姶爬碚摮霭l(fā)，得出電波傳播模型，這類被稱為理論性模型（確定性模型）。通常后者是通過(guò)對(duì)具體的環(huán)境直接應(yīng)用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行計(jì)算，這樣建立起來(lái)的模型適合室內(nèi)、微小區(qū)和大城市中心區(qū)的傳播模型預(yù)測(cè)，比較有代表性的就是射線跟蹤模型。目前，國(guó)內(nèi)外最常用的傳播模型有Okumura模型、Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、CCIR模型、Keenan-Motley模型和SPM模型等，其適用范圍如下

11、：(1) Okumura-Hata模型，適用于頻率在150-1500MHz之間，小區(qū)半徑大于1km的宏蜂窩系統(tǒng)的路徑損耗預(yù)測(cè)。Okumura-Hata模型適用于大區(qū)制移動(dòng)系統(tǒng)，不適合覆蓋距離小于1km的無(wú)線個(gè)人通信。(2) COST231-Hata模型，該模型是Okumura-Hata模型在2GHz頻段的有效擴(kuò)展，除工作頻率外，其他適用條件與Okumura-Hata模型基本相同。此外，由于該模型增加了一個(gè)大城市校正因子，應(yīng)用到不同類型的城市中均能夠達(dá)到預(yù)期的效果，因此，一般認(rèn)為該模型適用于城市地貌及郊區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。(3) CCIR模型，是Okumura-Hata模型在城市傳播環(huán)境下的應(yīng)用，

12、和Okumura-Hata城市模型相比，該模型粗略地考慮了建筑物密度對(duì)路徑損耗的影響，適用的基站天線高度和終端高度適合小型城市的地物情況。因此，一般認(rèn)為該模型適合小型城市1.5GHz以下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。(4) COST231-WIM模型，它對(duì)不同類型的傳播損耗進(jìn)行了較為細(xì)致的分類，能夠?qū)Σ煌愋统鞘协h(huán)境下的電波傳播進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，適用于頻率在800-2000MHz之間，小區(qū)半徑小于5km的微蜂窩系統(tǒng)的路徑損耗預(yù)測(cè)。(5) SPM模型，它是建立在COST231-Hata模型基礎(chǔ)上的通用模型，可以用于GSM、WCDMA、CDMA2000等移動(dòng)通信系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。該模型通過(guò)軟件仿真與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)相結(jié)合

13、的方法校正參數(shù)取值，能夠適用在所有地物、地貌情況下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃中。上述幾種模型通常都是通過(guò)對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均、擬合而得到的圖表或公式。具有以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn)：(1) 由于模型是基于特定環(huán)境的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以一個(gè)傳播模型只對(duì)應(yīng)一個(gè)特定環(huán)境，而無(wú)法應(yīng)用于其他環(huán)境。比如：一個(gè)由東京的測(cè)量數(shù)據(jù)得出的計(jì)算模型（Okumura模型），我們不能保證它在其它城市一樣有效。(2) 這種模型是基于統(tǒng)計(jì)的、大量群體的共同特征，對(duì)特定環(huán)境不可能做出更為精確地計(jì)算。(3) 這種模型也只能用來(lái)計(jì)算傳播特性中的某一種特性。例如，由區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量數(shù)據(jù)建立的計(jì)算模型就只能對(duì)區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，而無(wú)法對(duì)其多徑效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算

14、。且隨著區(qū)域劃分的越來(lái)越小，小區(qū)間的統(tǒng)計(jì)相似性丟失，這種純經(jīng)驗(yàn)的方法更不實(shí)用了。因此，在確定了無(wú)線電波的實(shí)際傳播距離、覆蓋范圍和干擾影響之后，計(jì)算電波傳播損耗還需要充分考慮地形、地物等因素。同時(shí)，作為商用網(wǎng)絡(luò)，為了確保用戶的通信質(zhì)量，確保無(wú)線電波發(fā)射的業(yè)務(wù)覆蓋服務(wù)區(qū)和數(shù)據(jù)傳播的可靠程度，就必須仔細(xì)地計(jì)算從發(fā)射天線到接收天線之間的路徑損耗。基于3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的特點(diǎn)，綜合幾何光學(xué)和繞射理論并采用有效的射線跟蹤算法，來(lái)確定特定環(huán)境下更為精確的傳播模型是第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)迫切需要解決的技術(shù)環(huán)節(jié)。射線跟蹤技術(shù)是基于電磁波的高頻假設(shè)，將幾何光學(xué)中的射線概念在計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域得以充分體現(xiàn)，能夠較準(zhǔn)確地考

15、慮電磁波的各種傳播效應(yīng)（如直射、反射、繞射等），并能夠考慮到影響電波傳播的各種因素，從而對(duì)具體場(chǎng)景做準(zhǔn)確的傳播模型預(yù)測(cè)。射線跟蹤技術(shù)采用特定的算法計(jì)算射線的傳播軌跡，常用的兩類算法是鏡像法和發(fā)射射線法。鏡像法是利用幾何光學(xué)的鏡像原理求解真實(shí)源的多級(jí)鏡像點(diǎn)，得到鏡像樹，然后根據(jù)鏡像樹中的像點(diǎn)得到射線的軌跡。發(fā)射射線法則是把發(fā)射場(chǎng)簡(jiǎn)化為離散的射線，然后計(jì)算每一條射線的軌跡。通常鏡像法具有較高的計(jì)算精度，但發(fā)射射線法則具有較快的計(jì)算速度。但是通常由于計(jì)算高階射線需要耗費(fèi)更多的時(shí)間和內(nèi)存資源，因此射線跟蹤算法模型需要在計(jì)算精度和時(shí)間消耗上做合理的選擇，一般取適當(dāng)?shù)慕財(cái)啻螖?shù)來(lái)提高運(yùn)算的效率。目前幾種商用

16、的射線跟蹤模型都是由單獨(dú)的軟件開發(fā)商開發(fā)的，可以集成在多種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件中。如Volcano是由法國(guó)Siradel公司開發(fā)的包含了射線跟蹤技術(shù)的傳播模型，這種模型在華為公司的多個(gè)規(guī)劃項(xiàng)目中得到了應(yīng)用；再如WinProp是德國(guó)AWE公司開發(fā)的傳播模型軟件，其中包含了可以應(yīng)用于城區(qū)、室內(nèi)和坑道場(chǎng)景的射線跟蹤算法；而WaveSight則是由瑞士Wavecall公司開發(fā)的三維射線跟蹤模型，該模型采用結(jié)合垂直面和水平面的射線跟蹤算法，采用一致性繞射理論算法計(jì)算繞射。概括起來(lái)，Volcano模型由于對(duì)地圖的支持，對(duì)模型校正、穿透損耗等方面處理都比較合理，其商用化程度最高。從經(jīng)濟(jì)和人力代價(jià)考慮，射線跟蹤模型并

17、非適用于所有的場(chǎng)景，而較適合于在復(fù)雜的密集城區(qū)或室內(nèi)場(chǎng)景中使用。通常大中型城市的中心區(qū)人口密集、高樓林立、障礙物很多、小區(qū)半徑通常在幾百米以下，在這種情形下，使用射線跟蹤模型是合適也是必要的。3G網(wǎng)絡(luò)由于其自干擾的特點(diǎn)，使得精確、高效的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃變得越來(lái)越重要。在傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，一般都以修正的Hata模型為原型，再利用規(guī)劃軟件導(dǎo)入針對(duì)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際無(wú)線環(huán)境所得的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)原模型公式中的系數(shù)進(jìn)行修正便得到實(shí)際預(yù)測(cè)的傳播模型，一般使用的數(shù)字地圖也僅包括地物信息和高度信息，因此建筑物對(duì)無(wú)線傳播的影響無(wú)法充分考慮，只能從統(tǒng)計(jì)意義上對(duì)建筑物的影響進(jìn)行粗略的估計(jì)。同時(shí)，由于GSM網(wǎng)絡(luò)采用異頻系統(tǒng)，不存

18、在同頻干擾，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中主要考慮的是網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及頻率復(fù)用問(wèn)題，因此利用上述方法所得的修正后的模型以及2D數(shù)字地圖基本上可以滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的需要。然而，3G網(wǎng)絡(luò)是共享帶寬的，是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋，還要考慮干擾控制，因此相對(duì)于GSM網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要更加精確的傳播模型；同時(shí)，由于其對(duì)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持使得3G網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的覆蓋范圍更小，對(duì)于密集城區(qū)環(huán)境中這樣小的半徑內(nèi)，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的主要電波傳播路徑包括直射波、反射波和建筑物棱上的衍射波等。可見，建筑物的特征和分布對(duì)信號(hào)傳播起著關(guān)鍵作用。因此修正后的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约?D數(shù)字地圖由于無(wú)法充分考慮建筑物的影響，精確性相對(duì)較低，不再能夠滿足3

19、G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的需要。而射線跟蹤模型能基于3D數(shù)字地圖，充分考慮建筑物的特征和分布對(duì)信號(hào)傳播的影響，通過(guò)理論計(jì)算分別得出每一點(diǎn)上的接收信號(hào)強(qiáng)度，因此若利用射線跟蹤模型預(yù)測(cè)結(jié)果，就可以更精確地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并有效地控制干擾。目前，從對(duì)傳播模型應(yīng)用的研究來(lái)看，建立快速、準(zhǔn)確、高效的三維射線跟蹤模型對(duì)第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳播的預(yù)測(cè)和基站的優(yōu)化都具有十分重要的意義四、項(xiàng)目研究的目標(biāo)及主要內(nèi)容研究目標(biāo)：通過(guò)對(duì)室外微小區(qū)場(chǎng)景下地、物信息的處理入庫(kù)、大量環(huán)境信息存取方式的設(shè)計(jì)、虛擬源樹的建立，完成射線跟蹤算法的初步實(shí)現(xiàn)。利用相關(guān)算法加速技術(shù)和實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)射線跟蹤算法計(jì)算精度和運(yùn)行效率進(jìn)行改進(jìn)和完善，并結(jié)合VC+編譯

20、平臺(tái)，開發(fā)能用于室外微小區(qū)基站無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)研究的可視化仿真軟件，使之為室外的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供重要依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容：1、環(huán)境地物數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)室外微小區(qū)場(chǎng)景下的環(huán)境幾何信息，對(duì)其進(jìn)行幾何分類、區(qū)域劃分和電磁參數(shù)分析。顧及環(huán)境信息詳盡程度帶來(lái)的計(jì)算量，建立與之對(duì)應(yīng)的高效的帶有幾何信息及電磁信息的具有標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出格式的環(huán)境地物數(shù)據(jù)庫(kù)格式，為下一步射線跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)服務(wù)。2、大量信息的存取研究。熟悉計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)機(jī)理，理解和分析有關(guān)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)方法，并結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論，對(duì)存儲(chǔ)地、物等環(huán)境信息的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，建立一種基于二叉樹的合理的、高效的存儲(chǔ)方式，從而解決射線跟蹤算法在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)的存取

21、問(wèn)題。3、射線跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)幾何光學(xué)和統(tǒng)一繞射理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，鑒于室外微小區(qū)環(huán)境地物信息數(shù)據(jù)庫(kù)的格式特點(diǎn)，就基于虛擬源樹的射線跟蹤模型算法進(jìn)行分析、改進(jìn)，突出其算法的優(yōu)點(diǎn)，并就反向算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。4、射線跟蹤算法計(jì)算精度和運(yùn)行效率的提高。一方面，加快基本求交，利用二叉樹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，提出射線跟蹤加速技術(shù)，合理運(yùn)用射線跟蹤加速技術(shù)，如對(duì)環(huán)境地物信息的空間分區(qū)，加快對(duì)反、繞射點(diǎn)位置確定及反射射線求跡速度，降低射線被遮擋的檢驗(yàn)次數(shù)，以提高射線跟蹤效率；另一方面，基于準(zhǔn)確的確定基站與移動(dòng)終端間的電波傳播路徑，針對(duì)以反射、繞射為主的室外微小區(qū)傳播情形，改進(jìn)射線跟蹤程序中有關(guān)電場(chǎng)計(jì)算的子模塊，

22、來(lái)滿足射線跟蹤對(duì)精度的需求。5、射線跟蹤算法的評(píng)估與完善。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與射線跟蹤模型預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，在一定的誤差范圍內(nèi)評(píng)估射線跟蹤算法的適用性和準(zhǔn)確性，并將比較分析結(jié)果反饋到算法的具體實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，對(duì)算法中信號(hào)傳播路徑的確定和相關(guān)的電磁計(jì)算兩個(gè)主要方面做進(jìn)一步的修正和完善。6、軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用可視化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)室外微小區(qū)基站無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)的人機(jī)交互界面和窗口，開發(fā)基于數(shù)字地圖的特定基站無(wú)線覆蓋情況的可視化軟件。該軟件能給出較為直觀的路徑損耗、功率延遲和沖激響應(yīng)的可視化分布圖樣，能為室外微小區(qū)電波模型預(yù)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)。五、項(xiàng)目創(chuàng)新特色概述（50字以內(nèi)）本項(xiàng)目研究幾何基本求交和加速

23、遮擋判斷問(wèn)題，利用改進(jìn)的射線跟蹤算法對(duì)無(wú)線覆蓋相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并開發(fā)可視化軟件直觀地顯示信號(hào)預(yù)測(cè)結(jié)果。六、項(xiàng)目實(shí)施方案及實(shí)施計(jì)劃1、實(shí)施方案1) 結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，建立小區(qū)內(nèi)的環(huán)境建筑物數(shù)據(jù)庫(kù)。在該數(shù)據(jù)庫(kù)中，小區(qū)內(nèi)的建筑物將被簡(jiǎn)化為一些面片的組合，并提取其中的面、劈和頂點(diǎn)的信息用于計(jì)算。這樣，小區(qū)內(nèi)的電波傳播路徑便簡(jiǎn)化為一些直射、反射及繞射的組合。2) 對(duì)于城市密集區(qū)的二維模型，建筑群可被劃分為一定的“塊”，建筑物則被定義為“多邊形”，多邊形的“邊”代表建筑物的表面，多邊形的“角”則代表了建筑物的拐角。這種簡(jiǎn)化了的市區(qū)平面圖大致可反映出城市的主體結(jié)構(gòu)，利用它進(jìn)行射線跟蹤，可以得到基站與移動(dòng)終

24、端間的二維傳播路徑，然后，依據(jù)基站和移動(dòng)終端的高度，可以得到對(duì)應(yīng)的三維傳播路徑，從而計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的路徑損耗。3) 本項(xiàng)目應(yīng)用一種能有效解決室外電波傳播預(yù)測(cè)模型的新方法“基于虛擬源樹的電波傳播射線跟蹤模型”。該方法克服了強(qiáng)力射線跟蹤法與鏡像理論的缺點(diǎn)，而保留了這兩種方法的優(yōu)點(diǎn),使每條射線都嚴(yán)格精確。具體而言包括以下幾個(gè)部分，首先，對(duì)有效虛擬源樹算法的改進(jìn)及實(shí)現(xiàn),如(a)定義發(fā)射源、鏡像源、繞射源。(b) 由發(fā)射源出發(fā)，構(gòu)造一個(gè)由這三源所組成的虛擬源樹，該樹以二叉樹的形式進(jìn)行建立。(c) 虛擬源樹層數(shù)N(即散射次數(shù))的選擇等。其次，結(jié)合建筑物自身尺寸及其相互間的相對(duì)位置信息，改進(jìn)射線跟蹤程序中

25、有關(guān)電場(chǎng)計(jì)算的反射、繞射和透射子模塊，通過(guò)設(shè)置合理的反射、折射和繞射的次數(shù)，減少射線跟蹤的總時(shí)間；再次，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里的分區(qū)算法，如二元空間分區(qū)算法，空間體積分區(qū)算法，角度的z緩存區(qū)等算法，減少射線相交測(cè)試所用的時(shí)間；最后，利用二叉樹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和獨(dú)立的指針數(shù)組，避免了同一繞射源的重復(fù)處。同時(shí)利用不同源的極軸掃描方法，加快對(duì)反、繞射點(diǎn)位置確定及反射射線求跡，降低射線被遮擋的檢驗(yàn)次數(shù)。4) 基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中單鏈表的低占用空間性和雙向鏈表的雙向性，實(shí)現(xiàn)虛“左孩子右兄弟”關(guān)系的二叉樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速建立，并避免了因遍歷虛擬源樹來(lái)確定收發(fā)天線間的無(wú)線電波傳播路徑所帶來(lái)的額外時(shí)間。5) 用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)基于

26、虛擬源樹的射線跟蹤算法和相關(guān)的加速技術(shù)，利用VC編譯平臺(tái)，開發(fā)相應(yīng)的室外微小區(qū)基站無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)仿真軟件。圖1 本項(xiàng)目的實(shí)施方案流程2、實(shí)施計(jì)劃1) 收集資料，查閱有關(guān)射線跟蹤在室外微小區(qū)環(huán)境下電波預(yù)測(cè)應(yīng)用方面的文獻(xiàn)和書籍，了解射線跟蹤算法的國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)，理解射線跟蹤的理論基礎(chǔ)：幾何光學(xué)理論和幾何繞射理論；認(rèn)真學(xué)習(xí)開發(fā)軟件所需的編程語(yǔ)言知識(shí)。2) 學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)機(jī)理方面的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)環(huán)境地物信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并確定合理的、高效的虛擬源樹存儲(chǔ)方式及樹中各節(jié)點(diǎn)的相互關(guān)系。3) 對(duì)射線跟蹤算法進(jìn)行模塊分解，確定算法實(shí)現(xiàn)的流程圖，編寫算法步驟，實(shí)現(xiàn)射線跟蹤的第一步。并學(xué)習(xí)計(jì)

27、算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)知識(shí)，明確算法的加速計(jì)算，實(shí)現(xiàn)射線跟蹤算法對(duì)室外微小區(qū)預(yù)測(cè)中的實(shí)時(shí)性。4) 獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將射線跟蹤算法的小區(qū)覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，修正并完善射線跟蹤算法的精度。5) 分解射線跟蹤模型成具有獨(dú)立功能的模塊，明確各模塊對(duì)輸入信息內(nèi)容和輸入信息方式的要求，分析并設(shè)計(jì)與路徑損耗、功率延遲和沖激響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的最佳可視化呈現(xiàn)方式。綜合各功能模塊及相關(guān)結(jié)果展示設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用 VC編譯平臺(tái)，宏觀的擬定軟件界面設(shè)計(jì)目標(biāo)和總體構(gòu)造，編程實(shí)現(xiàn)、調(diào)試并美化室外微小區(qū)基站無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)仿真軟件。七、成員分工情況李昌龍：對(duì)室外微小區(qū)場(chǎng)景下的環(huán)境幾何信息進(jìn)行幾何分類、區(qū)域劃分和電磁參數(shù)分析。建立與環(huán)境

28、吻合的詳細(xì)數(shù)據(jù)庫(kù)，為下一步射線跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)服務(wù)。在算法改進(jìn)完成后，針對(duì)某一小區(qū)（或室內(nèi)）環(huán)境，進(jìn)行電波傳播模型預(yù)測(cè)，并就預(yù)測(cè)結(jié)果同實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，分析算法改進(jìn)的合理性和準(zhǔn)確性，并將比較分析結(jié)果反饋到算法的具體實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，對(duì)算法中信號(hào)傳播路徑的確定和相關(guān)的電磁計(jì)算兩個(gè)主要方面做進(jìn)一步的修正和完善。張劭東：為解決大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)的存取問(wèn)題，運(yùn)用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)機(jī)理與存儲(chǔ)方法，并結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論，對(duì)存儲(chǔ)地、物等環(huán)境信息的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，建立一種基于二叉樹的合理的、高效的存儲(chǔ)方式。就基于虛擬源樹的射線跟蹤模型算法進(jìn)行分析、改進(jìn)，突出其算法的優(yōu)點(diǎn)，并就反向算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。黃 杰 ：為突出算法的計(jì)算精度

29、與運(yùn)行效率，就提高反射和繞射射線路徑的求解速度、環(huán)境地物信息的空間分區(qū)、觀測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算精度以及者遮蔽判斷的檢驗(yàn)次數(shù)等進(jìn)行改進(jìn)研究。利用可視化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)室外微小區(qū)基站無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)的人機(jī)交互界面和窗口，開發(fā)基于數(shù)字地圖的特定基站無(wú)線覆蓋情況的可視化軟件。八、預(yù)期成果及成果形式預(yù)期研究成果主要包括技術(shù)報(bào)告、科技論文、算法軟件以及可視化仿真軟件。通過(guò)本項(xiàng)目研究將取得如下研究成果：1、 完成對(duì)環(huán)境地、物信息數(shù)據(jù)庫(kù)格式的設(shè)計(jì)，分析環(huán)境中幾何信息和電參數(shù)信息的詳細(xì)程度對(duì)射線跟蹤算法帶來(lái)的影響。2、 完成對(duì)虛擬源樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，分析在處理地物環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其不同組合對(duì)占用系統(tǒng)內(nèi)存和處理數(shù)據(jù)效率的影響。3、 完成基于虛擬源樹的射線跟蹤算法程序，分析不同極化方式下基站天線的高度、移動(dòng)終端在不同城市街道網(wǎng)格上的位置、建筑物的分布規(guī)律和走向以及建筑物和街道上電參數(shù)的設(shè)定對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響程度。在視距街道（基站所在街道）以及與視距街道平行和成任意角度的街道上，研究特定基站位置時(shí)路徑損耗、功率延遲和沖激響應(yīng)的分布規(guī)律。4、 完成設(shè)計(jì)開發(fā)一款用于室外微小區(qū)基站無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)研究的可視化仿真