高性能射线跟踪技术在智能交通领域的应用

随着移动通信技术的快速发展和更新换代,各行各业的信息化、智能化日益依赖于无线通信的强有力保障。因此,准确的信道信息、可靠的无线覆盖至关重要。射线跟踪技术面向不同行业的各类通信场景,通过建立有效的三维场景模型,以材料电磁参数、天线参数为基础,依托高性能计算引擎,将光学的射线技术引入电磁计算领域,能够准确地表征反射、散射、绕射、透射等多种电波传播机理及其对无线系统的影响。本文介绍了作者团队自主研发的高性能射线跟踪仿真平台,围绕高性能射线跟踪技术在智能交通领域的应用案例,阐述了射线跟踪技术在轨道交通、水路交通、公路交通等智能交通领域无线网络规划与优化、无线信道建模及信道特性分析等方面的技术优势,以期以自主可控的高性能射线跟踪仿真技术更好地助力我国交通强国战略的实施。     

一种基于几何统计的卫星移动MIMO信道模型

结合统计模型复杂度低和几何模型精确度高的优点,提出了一种基于几何统计的双极化卫星移动多输入多输出(MIMO)系统的信道建模理论。该模型总体上使用几何模型的建模思路,采用射线追踪方法对信道中传输的射线进行追踪,重点关注各条射线的各种小尺度参数,在实际计算中引入统计学方法对各种小尺度参数进行建模与处理,同时考虑信道环境造成的信号衰减以及信道环境对射线极化的影响,完成了信道模型的建立。根据已完成的建模理论,利用Matlab实现极化卫星移动MIMO信道的建模与仿真。通过与增强型统计模型仿真结果进行比较,得出了此几何统计模型是正确的,并可在一定程度上提高建模准确性的结论。     

射线跟踪算法应用综述

5G网络部署场景对5G技术的网络规划的精度及准确度提出了更高的要求。要实现准确、高效、常态化的无线网络规划与优化,需要依托精准的无线信道模型和高效的仿真方法。受限于计算复杂度和计算能力,应用复杂度较高。近来,射线跟踪技术在愈发精细化、智能化的宽带无线通信时代越来越得到关注和认可     

基于历史信息的软卡尔曼滤波迭代时变信道估计方法

针对高速移动MIMO-OFDM系统,提出了一种基于历史信息的软卡尔曼滤波迭代时变信道估计方法。考虑高速铁路环境中不同列车在相同位置处的信道具有很强的相关性,首先利用历史列车的信道信息获取最优基函数,基于该基函数对信道建模,将对信道的估计转换成基系数的估计,降低了计算复杂度和提高了信道估计精度。其次,在每次迭代中采用了软卡尔曼滤波和数据检测联合的方法估计基系数;为了更好地减少数据检测误差传播的影响,采用软数据检测方法,并且在每次迭代中将软数据检测误差作为噪声进行处理。另外,采用的软卡尔曼滤波器不涉及 AR 模型跟踪因子,避免了估计跟踪因子引入的计算复杂度。仿真结果表明,所提方法具有更好的估计性能,且更适用于实际的高速移动场景的时变信道获取。     

一种无线网络规划中的室外射线跟踪模型

针对射线跟踪技术在无线网络规划中实现的困难,提出了一种基于射线跟踪技术的室外传播模型。模型在地理建模部分吸取了数字图像处理学的方法,并采用了高效的射线发射、加速及跟踪算法,通过合理的结果收集设计,有效地降低了射线跟踪技术的复杂度,提高了计算速度。通过仿真证明了模型的准确性和有效性,为射线跟踪技术在无线网络规划工程中的实际应用提供了借鉴。     

修正Kalman滤波多带UWB信道估计改进方法

针对多带超宽带(UWB)系统中修正Kalman滤波算法复杂度高的缺陷,提出一种低复杂度的修正Kalman滤波改进方法。该方法中UWB信道采用自回归模型(AR)建模,利用导频跟踪时变信道衰减因子,通过Kalman滤波和频域分段最小均方误差(MMSE)算法同时跟踪信道的时域相关性和频域相关性,提高了系统性能,降低了计算复杂度。仿真结果表明,和修正的Kalman滤波方法相比,在估计精度损失很小的情况下,所提方法极大降低了计算复杂度,提高了系统整体的估计性能。     

利用射线跟踪方法进行微蜂窝电波传播预测

由于传播环境有较大差异，微蜂窝电波传播预测无法借用大蜂窝的模型，射线跟踪方法是解决这一问题很有效的途径。本文提出了一种适合微蜂窝的“先平面后空间”的射线跟踪模型，这种模型避免了复杂的三维跟踪，使三维问题得以用两维手段解决，使预测精度和计算复杂性得到合理兼顾，本文还探索了自动建立建筑物数据库的方法，基于几何光学和一致性绕射理论对跟踪射线的场强进行了计算，并在最后用实测验证了预测结果。     

激光点云中三维多目标在线跟踪方法

为降低三维多目标跟踪系统计算复杂度，实现准确高效的多目标在线跟踪，提出一种激光点云中三维多目标在线跟踪方法。在目标检测阶段，通过3D深度相机获取五帧点云序列进行三维背景建模，将实时获取的序列与背景模型进行差分运算检测运动目标。在数据关联阶段，结合运动矢量一致性和最小欧式距离建立预测与检测之间的权值匹配矩阵，使用带权匈牙利算法完成匹配。实验结果表明，对于百万级点数的点云图本算法完成目标跟踪耗时每帧低于0.1 s,跟踪准确度高于95%,跟踪精度低于0.5 mm。能够实现毫米级工业小目标的在线跟踪，兼顾了精确性和实时性。     

基于射线跟踪的车联网毫米波信道准平稳区间研究

针对28 GHz车联网中车对基础设施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）毫米波信道，开展了准平稳区间的研究.首先，分析了信道准平稳区间的理论基础和计算方法.其次，利用功率相关（Correlation of Power，CP）算法和谱散度（Spectral Divergence，SD）算法进行准平稳区间的计算.结果表明，CP算法复杂度低且精度较高，更适合用于计算V2I通信场景下的准平稳区间.最后，利用CP算法计算出的准平稳区间作为新的采样间隔，从而减少了射线跟踪仿真器的采样点数.通过原始采样和减少采样点后的信道特性的比较，在合理的门限值下，利用信道准平稳区间的方法加速了射线跟踪仿真器，并且不会造成信道参数的失真.另外，对于信道特性的分析结果也对车联网在毫米波频段的仿真和设计具有重要意义.     

室内射线跟踪模拟退火参数校正方法

射线跟踪信道模型具有准确度高的特点,且能适用于复杂场景。但预测精度严重依赖于介电常数等预设参数,为此要利用反演方法对模型参数进行校正。文中以一个室内场景为例,采用模拟退火算法作为射线跟踪的参数校正方法,根据少量实测数值反推出某特定场景射线跟踪的最优参数,从而能够进行更精准的场强预测。     

基于改进射线跟踪法和BP神经网络算法的室外微蜂窝毫米波信道特性研究

在28 GHz与39 GHz毫米波频段室外微蜂窝场景下,基于改进射线跟踪法和反向传播(back propagation, BP)神经网络算法对毫米波单发单收信道及单发多收信道进行建模仿真研究. 在得到的无线信道仿真数据基础上,研究分析了毫米波信道的路径损耗、均方根(root-mean-square, RMS)时延扩展(delay spread, DS)、接收功率等传播特性. 通过与现有文献的测量结果对比分析验证了改进射线跟踪法的正确性与有效性. 通过BP神经网络方法拟合得到的路径损耗模型参数结果与改进射线跟踪法仿真得到的路径损耗参数结果对比发现,两者吻合程度很高,验证了BP神经网络算法能很好地对室外微蜂窝毫米波信道大尺度参数进行预测. 同时,文中给出了一种普遍适用的用来表征室外微蜂窝视距(line-of-sight, LoS)与非视距(non-line-of-sight, NLoS)场景下28 GHz与39 GHz毫米波信道的路径损耗模型. 结果表明:LoS场景下的RMS DS和接收功率都小于NLoS场景下得到的结果;LoS场景与NLoS场景下RMS DS、水平方向到达角、多径簇的个数累积分布函数均服从高斯分布;RMS DS在毫米波频段微蜂窝场景下,随着频率的升高而增大,到达接收端的多径成簇呈现稀疏性.     

A new indoor VLC channel model based on reflection

In this paper the indoor visible light communication (VLC) multipath channel model is analyzed. A new reflection model based on the Lambert-Phong pattern is presented by investigation of the reflection characteristics. Through the Monte-Carlo ray tracing simulation based on the Lambert-Phong pattern, the VLC optical channel models are set up, including the single source and multiple-source systems. The simulation results show that using the Lambert-Phong reflection pattern, the calculation becomes linear to the number of reflections and the computation complexity is decreased.     

Deterministic Wideband Modeling of Satellite Propagation Channel With Buildings Blockage

The article presents an example of satellite propagation modeling, applying the radio channel transfer function analysis as described and experimentally verified in scientific literature. The simulation of a satellite radio channel is executed by employing "ray tracing" and the uniform geometric theory of diffraction-based method for an assumed urban and suburban environment and different polarizations. Derived results regarding the channel transfer function are analyzed via a simulation of the wideband propagation measurement system and the Fourier transform procedures. It has been concluded that, contrary to ground cell radio system situations, where two-ray models usually suffice, a more detailed calculation should be considered for wideband satellite radio systems. Moreover, it is shown that the conclusions derived for the path loss and the delay spread depend not only on the specific propagation scenario, but also on the building permittivity.     

基于射线跟踪的小区信号强度估计

基于经验模型的无线信号强度估计方法无法针对具体物理场景,估计结果精度低,无法满足移动通信网络规划和优化的需要。射线跟踪技术能依据场景信息跟踪电波传播路径,但现有的反向跟踪方法在进行室外成片区域信号强度估计时复杂度高,无法实用。为提高估计结果的精度,降低估计方法的复杂度,提出了一种正向跟踪信号强度估计方法,将基站天线处发射的电磁波模拟成离散的射线,在考虑建筑物形状、分布信息的基础上采用基于网格的搜索算法跟踪射线路径,在接收点处对反射、绕射射线接收合并,最终得到基站覆盖区域的信号强度分布。仿真结果表明该方法的场强估计结果和实测数据吻合程度远大于经验模型估计方法,并且80%左右的估计结果和实测数据的误差在12 dBm以内,可应用于移动通信网络规划和优化。     

工业互联网信道特性与建模研究综述

工业互联网(Industrial Internet of Things, IIoT)是5G及后5G(beyond 5G, B5G)赋能工业制造的应用实例,也是“工业4.0”时代工业生产从制造走向智造的关键基础. IIoT场景的多样性与复杂性为该场景中通信系统的部署带来了挑战,准确刻画IIoT场景中的无线信道特性是该场景中通信系统设计和优化的前提.本文首先对IIoT场景特点进行了分析,其次根据现有文献调研总结了IIoT场景的信道特性,接着介绍了第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)标准中IIoT场景的信道特性建模方法,最后对未来IIoT场景的信道研究进行了展望.     

Preconditioned astigmatic beam tracing for urban propagation

In wireless communication network planning, deterministic and statistical propagation tools have been developed. Astigmatic Beam Tracing, a deterministic method based on ray tracing (GO/UTD), can be applied to urban propagation modeling. A numerical code has been applied to a model of urban scenario with increasing complexity. The results of a numerical analysis are discussed to evaluate the relevance of the test case size on the computational charge.     

无人机毫米波信道建模及统计特性研究

针对传统移动信道模型不适用于无人机毫米波通信场景的问题,本文基于射线追踪原理构建了一个无人机毫米波三维几何信道模型,并提出了一种针对该模型的信道参数更新算法,该算法考虑了通信距离、信号角度、路径时延和功率等传播参数的随时间演进过程。在此基础上,针对南京航空航天大学校园传播场景,研究分析了时延分布、时延扩展、角度分布和角度扩展等信道统计特性。数值仿真结果表明,本文模型能够有效复现无人机信道的时变非平稳特性,输出信道统计特性与实测结果吻合,可用于无人机毫米波通信系统的方案设计、性能优化和评估验证等领域。      

高铁站场景2 100 MHz信道仿真与传播特性分析

随着铁路通信系统的发展需要和第五代移动通信技术(5G)的快速推进,5G-Railway (5G-R)有望成为铁路通信系统的下一代标准。2 100 MHz作为5G-R的潜在频段,其在经典铁路场景中的传播特性亟待研究。构建符合场景典型特征的三维模型,基于射线跟踪仿真法研究半封闭式高铁站台场景2 100 MHz无线信道的传播特性。在车站立柱、扶梯旁部署发射机,定义传播模型参数,分别在手持移动设备与车载移动台处进行大量仿真。计算路径损耗、时延扩展、角度扩展等信道特性,为5G-R部署的覆盖功率预测和网络规划与优化提供参考,弥补该频段在铁路应用方面研究的短缺。     

A 3‐D Propagation Model Considering Building Transmission Loss for Indoor Wireless Communications

In the development of a new wireless communications system, a versatile and accurate radio channel for indoor communications is needed. In particular, the investigation of radio transmission into buildings is very important. In this letter, we present an improved three‐dimensional electromagnetic wave propagation prediction model for indoor wireless communications that takes into consideration building penetration loss. A ray tracing technique based on an image method is also employed in this study. Three‐dimensional models can predict any complex indoor environment composed of arbitrarily shaped walls. A speed‐up algorithm, which is a modified deterministic ray tube method, is also introduced for efficient prediction and computation.