复杂室内场景下基于反向射线跟踪算法的无线信道预测与特性研究

In recent years, mobile communication services for complex indoor environments have become a hot topic of research, leading to the adoption of accurate propagation model to know comprehensively the radio channel characteristics. It is a precondition for implementing the deployment of mobile radio communication systems. Since the design of indoor wireless network is the urgent demands for investigation on radio channel prediction and characterization in indoor environments, this project aims to propose a radio channel prediction model based on inverse ray tracing algorithm and study radio channel characteristics for different complex indoor environments. The geometrical information of the complex indoor environment is classified into different types and modeled respectively. Then, the operations of preprocessing for both space division and blocking test are also carried out. Based on a study of propagation patterns of different propagation mechanism in complex indoor scenarios, the radio channel prediction model based on inverse ray tracing algorithm is developed and modified for its prediction accuracy by comparing with the measurements. Furthermore, the three-dimensional channel prediction model is optimized and accelerated parallelly, avoiding repeated blocking tests and electromagnetic calculations in the process of employing the ray tracing method. Finally, the radio channel characteristics for complex indoor environments is investigated and, meanwhile, the sensitivity analysis of radio channel parameters on the precision of environment information is also revealed, providing the reliable theory basis for radio wave propagation prediction and network planning in complex indoor environments.

复杂室内场景下移动通信服务近年来已成为研究的热点，需要精确的传播模型来全面地了解室内无线信道特性，这是实现室内场景下无线移动通信系统部署的前提。鉴于室内无线网络设计对室内无线信道预测与特性研究的迫切需求，本项目拟建立复杂室内场景下基于反向射线跟踪算法的无线信道预测模型，开展不同室内场景下的信道特性研究。具体内容包括对复杂室内场景下的几何信息进行分类建模，实现环境的空间分区和遮挡判断预处理；以研究复杂室内场景下不同电波传播机制的传播规律为基础，建立基于反向射线跟踪算法的无线信道预测模型，利用实测结果对预测模型的预测精度进行修正；从避免在运行射线跟踪算法过程中的重复遮挡判断与电磁计算的思路出发，优化三维信道预测模型，并实现模型的并行加速；进而开展复杂室内场景下无线信道特性研究，探索无线信道参数对环境信息精确度的敏感性问题，旨在为复杂室内场景下的无线电波传播预测和网络规划提供可靠的理论依据。

复杂室内场景下移动通信服务近年来已成为研究的热点，需要精确的传播模型来全面地了解室内无线信道特性，这是实现室内场景下无线移动通信系统部署的前提。鉴于室内无线网络设计对室内无线信道预测与特性研究的迫切需求，本项目建立了复杂室内场景下基于反向射线跟踪算法的无线信道预测模型，开展了不同室内场景下的信道特性研究。具体研究工作如下：. 1、针对室内复杂场景下物体的分布规律，采用“面与体结合”的方式对环境进行了分类建模，并设计了对应的存储格式。考虑了环境中每个物体及其每个表面的电属性，建立了电磁参数与室内物体间的一一映射关系。. 2、将室内多楼层场景下不同类几何信息以房间为基本单元进行空间分区存储，预先存储了所有物体竖直边缘上最高点的可见面、可见边缘以及可见接收点，建立了环境中所有反射墙面的朝向面集合，避免了同一面上产生不同反射过程中重复的几何判断计算。. 3、以研究复杂室内场景下不同电波传播机制的传播规律为基础，建立基于反向射线跟踪算法的无线信道预测模型，利用实测结果对预测模型的预测精度进行修正。. 4、从避免在运行射线跟踪算法过程中的重复遮挡判断与电磁计算的思路出发，优化三维信道预测模型，并实现模型的并行加速，实现复杂环境下模型的实时仿真。. 5、考虑环境几何参数（物体的尺寸和朝向）和电参数(相对介电常数和电导率)的误差对基于射线跟踪的无线信道预测结果的影响，分析了无线信道受复杂室内环境影响的敏感程度。. 6、分析了室内视距和非视距情况下天线极化方式对预测功率和均方根时延扩展的影响，开展了不同复杂室内多楼层场景下无线信道特性的研究。.该工作为选择合适精度的室内数据库并达到数据库详尽程度与预测精度间的良好折中，并为复杂室内场景下的无线电波传播预测和网络规划提供了可靠的理论依据。