本发明公开了无线通信技术领域中的一种提高无线通信网络场强覆盖范围的方法。包括根据障碍物的外形,构造电磁遮罩的内径函数和外径函数;当内径/外径函数的一阶导数不连续时,利用傅里叶最小二乘拟合的方法,将内径/外径函数拟合成一阶导数连续的第一/第二替换函数,利用内径函数/第一替换函数和外径函数/第二替换函数计算电磁遮罩的介电常数;根据电磁遮罩的内径函数、外径函数和介电常数制作电磁遮罩,覆盖障碍物。本发明有效地改善了无线场强的覆盖范围,消除了阴影衰落。
1.一种提高无线通信网络场强覆盖范围的方法,其特征是所述方法包括:步骤1:根据障碍物的外形,构造电磁遮罩的内径函数和外径函数;步骤2:计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数和外径函数的一阶导数连续时,计算电磁遮罩的介电常数具体是:步骤101:将电磁遮罩的笛卡尔坐标转换为极坐标,记为第一极坐标;步骤102:定义第一极坐标经过电磁转换后的极坐标,记为第二极坐标;步骤103:根据第二极坐标、电磁遮罩的内径函数和电磁遮罩的外径函数计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数或者外径函数的一阶导数不连续时,计算电磁遮罩的介电常数具体是:步骤201:将电磁遮罩的笛卡尔坐标转换为极坐标,记为第一极坐标;步骤202:定义第一极坐标经过电磁转换后的极坐标,记为第二极坐标;步骤203:判断电磁遮罩的内径函数的一阶导数是否连续,如果电磁遮罩的内径函数的一阶导数不连续,则执行步骤204;否则,执行步骤205;步骤204:利用傅里叶最小二乘拟合的方法,将电磁遮罩的内径函数拟合成一阶导数连续的第一替换函数;步骤205:判断电磁遮罩的外径函数的一阶导数是否连续,如果电磁遮罩的外径函数的一阶导数不连续,则执行步骤206;否则执行步骤207;步骤206:利用傅里叶最小二乘拟合的方法,将电磁遮罩的外径函数拟合成一阶导数连续的第二替换函数;步骤207:当电磁遮罩的内径函数的一阶导数连续且电磁遮罩的外径函数的一阶导数不连续时,根据第二极坐标、电磁遮罩的内径函数以及第二替换函数,计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数的一阶导数不连续且电磁遮罩的外径函数的一阶导数连续时,根据第二极坐标、第一替换函数以及电磁遮罩的外径函数,计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数和外径函数的一阶导数都不连续时,根据第二极坐标、第一替换函数以及第二替换函数,计算电磁遮罩的介电常数;步骤3:根据电磁遮罩的内径函数、外径函数和介电常数制作电磁遮罩,覆盖障碍物。技术领域
本发明属于无线通信技术领域,尤其涉及一种提高无线通信网络场强覆盖范围的方法。
背景技术
在移动无线通信系统中,发射机发射的电磁波往往由于遮挡物的遮挡造成其与接收机之间没有直射径,从而使接收到的信号强度有所下降,通信质量难以控制。因此,研究提高被遮挡区域也就是阴影区、弱场区的场强的方法,有益于增大场强覆盖强度,使得通信距离得到扩展,改善通信质量。对于小区边缘或者弱场区,通常采用添加微蜂窝结构、中继节点或者调整发射机参数的方法进行补偿。微蜂窝小区的覆盖半径一般在200米左右,天线的高度在15米左右,可用来消除盲区、弱场区的覆盖问题。但是,当微蜂窝小到一定程度时,建站成本就会急剧增加,小区半径的缩小也会带来严重的干扰,而且,盲区有可能仍然存在。随着电磁介质材料技术的不断发展,设计介质电磁参数可以人为地控制电磁波在介质中传播方式。其中转换电磁技术(Transformationxa0electromagneticxa0Techniques)提供了一种介质设计方法,最常见的应用于设计隐身遮罩,对可见光波段电磁波传播进行控制,达到光学隐身的目的。转换电磁技术在无线通信领域中的研究刚刚兴起,利用转换电磁技术设计电磁遮罩,用于提升遮挡物造成的阴影区电波覆盖强度的方法还未见到过相关研究。综上所述,转换电磁技术提供了一种设计介质的方法,通过在遮挡物表面设计一个电磁遮罩,控制障碍物周围电磁场强分布,使遮挡区域场强得到提升,并改进通信系统性能。关键的问题就是利用转换电磁技术来改善无线通信系统的电波覆盖范围。对于这方面内容,现有的研究多仅局限于天线设计的情况,而对于使用电磁遮罩覆盖小区的问题,却少有考虑。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种提高无线通信网络场强覆盖范围的方法,利用转换电磁技术,控制造成通信盲区的障碍物周围电磁场强分布,使障碍物周围的场强得到提升,从而改进通信系统性能。为了实现上述目的,本发明提出的技术方案是,一种提高无线通信网络场强覆盖范围的方法,其特征是所述方法包括:步骤1:根据障碍物的外形,构造电磁遮罩的内径函数和外径函数;步骤2:计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数和外径函数的一阶导数连续时,所述计算电磁遮罩的介电常数具体是:步骤101:将电磁遮罩的笛卡尔坐标转换为极坐标,记为第一极坐标;步骤102:定义第一极坐标经过电磁转换后的极坐标,记为第二极坐标;步骤103:根据第二极坐标、电磁遮罩的内径函数和电磁遮罩的外径函数计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数或者外径函数的一阶导数不连续时,所述计算电磁遮罩的介电常数具体是:步骤201:将电磁遮罩的笛卡尔坐标转换为极坐标,记为第一极坐标;步骤202:定义第一极坐标经过电磁转换后的极坐标,记为第二极坐标;步骤203:判断电磁遮罩的内径函数的一阶导数是否连续,如果电磁遮罩的内径函数的一阶导数不连续,则执行步骤204;否则,执行步骤205;步骤204:利用傅里叶最小二乘拟合的方法,将电磁遮罩的内径函数拟合成一阶导数连续的第一替换函数;步骤205:判断电磁遮罩的外径函数的一阶导数是否连续,如果电磁遮罩的外径函数的一阶导数不连续,则执行步骤206;否则执行步骤207;步骤206:利用傅里叶最小二乘拟合的方法,将电磁遮罩的外径函数拟合成一阶导数连续的第二替换函数;步骤207:当电磁遮罩的内径函数的一阶导数连续且电磁遮罩的外径函数的一阶导数不连续时,根据第二极坐标、电磁遮罩的内径函数以及第二替换函数,计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数的一阶导数不连续且电磁遮罩的外径函数的一阶导数连续时,根据第二极坐标、第一替换函数以及电磁遮罩的外径函数,计算电磁遮罩的介电常数;当电磁遮罩的内径函数和外径函数的一阶导数都不连续时,根据第二极坐标、第一替换函数以及第二替换函数,计算电磁遮罩的介电常数;步骤3:根据电磁遮罩的内径函数、外径函数和介电常数制作电磁遮罩,覆盖障碍物。本发明利用转换电磁技术设计电磁遮罩来改善障碍物周围电磁场分布,有效地改善了无线场强的覆盖范围,消除了阴影衰落。
附图说明
图1是障碍物遮挡电磁波形成阴影区示意图;图2是安装电磁遮罩使电磁波通过阴影区域示意图;图3是提高无线通信网络场强覆盖范围的方法流程图;图4是球形电磁遮罩内径和外径示意图;图5是电磁遮罩的内径函数和外径函数的一阶导数连续时计算电磁遮罩的介电常数的流程图;图6是电磁遮罩的内径函数或外径函数的一阶导数不连续时计算电磁遮罩的介电常数的流程图;图7是电磁遮罩矩形内径/外径示意图;图8是沿电磁遮罩矩形内径/外径边缘取出若干特征点拟合示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对优选实施例作详细说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。电磁波传播过程中,由于障碍物遮挡,会形成阴影区,如图1所示。无线系统网络由基站等网络基础设施,发射电磁波信号,对某一区域进行覆盖。通信环境中,通常存在遮挡无线电波传播路径的障碍物。在本发明中,假设在电波传播路径上只有一个障碍物遮挡的情况,但实际应用中并不只限于此,将是涵盖众多障碍物的问题的解决方案。本发明假设在基站天线覆盖范围内,通信质量只与该观测点的场强覆盖有关,覆盖范围指的是所有在该范围内的节点都能正常的进行双向无线通信。通过扩展覆盖范围到阴影区,就可以得到区域内更好的电波覆盖效果。同时,本发明假设信道在每个传输时隙内是稳定的。转换电磁技术(Transformationxa0Electromagneticxa0Techniques)在电磁材料设计中已经得到了广泛认可,该方法是根据电磁波传播的基本方程组,即Maxwell(麦克斯韦)方程组变换后得到。利用转换电磁技术设计障碍物电磁遮罩,经过电磁材料的作用,使原本障碍物形成的阴影区中的电磁波场得到增强,进而改善无线网络覆盖范围,其传播模型如图2所示。在笛卡尔坐标系下,假设物体的笛卡尔坐标为(x,y,z),基于Maxwell方程组的转换电磁技术如下: ▿ × E → = - jωμ H → , ▿ × H → = jωϵ E → - - - ( 1 ) ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="81"/>是微分算子,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="56"/>是电场强度, ▿ × E → = | i x i y i z ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z E x E y E z | , ]]>i_x、i_y和i_z分别是笛卡尔坐标系中相互垂直的三条坐标轴的单位向量,E_x、E_y和E_z分别是笛卡尔坐标系中三条坐标轴x、y和z方向上的电场强度,并且有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="462"/>上述公式(1)是均匀平面电磁波的频域解的形式,j是复矢量的符号;ω=2πf,f是电磁波频率;μ是磁导率,是用于表征磁介质磁性的物理量;ε是介电常数(又称电容率);ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="57"/>是磁场强度;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="48"/>是磁感应强度;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="54"/>是电位移矢量。而由于磁导率等于磁感应强度和磁场强度的比值,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="207"/>电位移矢量等于介电常数与电场强度的乘积,于是有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="199"/>考虑物体电磁转换后的笛卡尔坐标从(x,y,z)转换到(x′,y′,z′),则x′=x′(x,y,z),y′=y′(x,y,z),z′=z′(x,y,z)xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(2)重新构造Maxwell方程组: ▿ " × E → " = - jω μ " H → " , ▿ " × H → " = jω ϵ " E → " - - - ( 3 ) ]]>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="561"/>detA是A的行列式形式;A为转换矩阵: A = ∂ x " / ∂ x ∂ x " / ∂ y ∂ x " / ∂ z ∂ y " / ∂ x ∂ y " / ∂ y ∂ y " / ∂ z ∂ z " / ∂ x ∂ z " / ∂ y ∂ z " / ∂ z - - - ( 4 ) ]]>根据上述重新构造的Maxwell方程组,即可计算出介电常数ε′。本发明以笛卡尔坐标系下的Maxwell方程组为理论依据,将覆盖障碍物的电磁遮罩的笛卡尔坐标转换为极坐标(圆柱坐标),实现极坐标下电磁遮罩的介电常数的计算,进而根据介电常数选择适合的材料制作电磁遮罩覆盖障碍物,进而增强无线场强覆盖范围。实施例1图3是提高无线通信网络场强覆盖范围的方法流程图,图3中,本发明提高无线通信网络场强覆盖范围的方法包括:步骤1:根据障碍物的外形,构造电磁遮罩的内径函数和外径函数。在本实施例中,为便于计算,将电磁遮罩构造成为球形,其内径函数和外径函数分别为R₁(θ)和R₂(θ)。图4是球形电磁遮罩内径和外径示意图。步骤2:计算电磁遮罩的介电常数。由于步骤1中的电磁遮罩采用了球形,则电磁遮罩的内径函数R₁(θ)和外径函数R₂(θ)的一阶导数必然连续,因此计算电磁遮罩的介电常数具体过程如图5所示,其步骤具体为:步骤101:将电磁遮罩的笛卡尔坐标转换为极坐标,记为第一极坐标。设电磁遮罩的第一极坐标为(r,θ,z),由笛卡尔系和极坐标系之间的转换关系,可以知道电磁遮罩的第一极坐标为(r,θ,z)和其笛卡尔坐标(x,y,z)之间存在如下公式:x=rcosθ,y=rsinθxa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(5) θ = tan - 1 y x - - - ( 6 ) ]]>步骤102:定义第一极坐标(r,θ,z)经过电磁转换后的极坐标,记为第二极坐标。根据转换电磁技术理论,设电磁遮罩经过电磁转换后的极坐标为(r′,θ′,z′),即为第二极坐标。那么转换前后的极坐标之间存在如下关系:r′=r′(r,θ,z),θ′=θ′(r,θ,z),z′=z′(r,θ,z)xa0xa0xa0xa0xa0xa0(7)定义变换后的r′、θ′和z′分别为: r " = R 1 ( θ ) + R 2 ( θ ) - R 1 ( θ ) R 2 ( θ ) r , θ " = θ , z " = z - - - ( 8 ) ]]>步骤103:根据第二极坐标(r′,θ′,z′)、电磁遮罩的内径函数R₁(θ)和电磁遮罩的外径函数R₂(θ)计算电磁遮罩的介电常数。根据下述公式,计算转换后的介电常数: ϵ x " x " " = { [ r " - R 1 ( θ " ) ] 2 + U 2 } cos 2 θ " - 2 U r " sin θ " cos θ " + r " 2 sin 2 θ " r " [ r " - R 1 ( θ " ) ] - - - ( 9 ) ]]> ϵ x " y " " = ϵ y ′ x " " = { U 2 - R 1 ( θ " ) [ 2 r " - R 1 ( θ " ) ] } sin θ " cos θ " + U r " ( cos 2 θ " + sin 2 θ " ) r " [ r " - R 1 ( θ " ) ] - - - ( 10 ) ]]> ϵ y " y " " = { [ r " - R 1 ( θ " ) ] 2 + U 2 } sin 2 θ " + 2 U r " sin θ " cos θ " + r " 2 cos 2 θ " r " [ r " - R 1 ( θ " ) ] - - - ( 11 ) ]]> ϵ z " z " " = r " - R 1 ( θ " ) r " [ R 2 ( θ " ) R 2 ( θ " ) - R 1 ( θ " ) ] 2 - - - ( 12 ) ]]>其中,U为过程变量, U = [ r " - R 1 ( θ " ) ] R 1 ( θ " ) d R 2 ( θ " ) d θ " - [ r " - R 2 ( θ " ) ] d R 1 ( θ " ) d θ " R 2 ( θ " ) R 2 ( θ " ) [ R 2 ( θ " ) - R 1 ( θ " ) ] - - - ( 13 ) ]]>ε′_x′x′、ε′_x′y′、ε′_y′x′、ε′_y′y′和ε′_z′z′分别是各向异性介电常数沿不同方向上的分量。各向异性介电常数是指从不同方向测量材料的电磁参数,所得到的介电常数。一般非各向异性材料,从不同方向其介电常数不会发生变化。步骤3:根据电磁遮罩的内径函数R₁(θ)、外径函数R₂(θ)和介电常数ε′_x′x′、ε′_x′y′、ε′_y′x′、ε′_y′y′以及ε′_z′z′制作电磁遮罩,覆盖障碍物。这样即可实现提高无线通信网络场强的覆盖范围。实施例2根据公式(9)-(13)可以看出,当电磁遮罩的内径函数和电磁遮罩的外径函数的一阶导数连续时,比如电磁遮罩采用球形结构时,能够计算出电磁遮罩的各向异性介电常数。当电磁遮罩的内径函数或者电磁遮罩的外径函数的一阶导数不连续时,可采用下述方式计算电磁遮罩的介电常数。假设根据障碍物的外形,构造的电磁遮罩为矩形,其基于极坐标的内径函数和外径函数分别为: R 1 ( θ ) = a 2 cos θ , θ ∈ ( - π 4 , π 4 ) a 2 sin θ , θ ∈ ( π 4 , 3 π 4 ) - a 2 cos θ , θ ∈ ( 3 π 4 , 5 π 4 ) - a 2 sin θ , θ ∈ ( 5 π 4 , 7 π 4 ) - - - ( 14 ) ]]>和 R 2 ( θ ) = b 2 cos θ , θ ∈ ( - π 4 , π 4 ) b 2 sin θ , θ ∈ ( π 4 , 3 π 4 ) - b 2 cos θ , θ ∈ ( 3 π 4 , 5 π 4 ) - b 2 sin θ , θ ∈ ( 5 π 4 , 7 π 4 ) - - - ( 15 ) ]]>其中,a和b分别为电磁遮罩的内径和外径的边长。则计算电磁遮罩的介电常数的具体步骤如下:步骤201:将电磁遮罩的笛卡尔坐标转换为极坐标,记为第一极坐标。第一坐标的形式如公式(14)和(15)。步骤202:定义第一极坐标经过电磁转换后的极坐标,记为第二极坐标。同样定义变换后的r′、θ′和z′分别为: r " = R 1 ( θ ) + R 2 ( θ ) - R 1 ( θ ) R 2 ( θ ) r , θ " = θ , z " = z ]]>步骤203:判断电磁遮罩的内径函数的一阶导数是否连续,如果电磁遮罩的内径函数的一阶导数不连续,则执行步骤204;否则,执行步骤205。显然,本实施例中的内径函数R₁(θ)的一阶导数不连续,因此执行步骤204。步骤204:利用傅里叶最小二乘拟合的方法,将电磁遮罩的内径函数拟合成一阶导数连续的第一替换函数。图7是电磁遮罩矩形内径/外径示意图,图8是沿电磁遮罩矩形内径/外径边缘取出若干特征点拟合示意图。傅里叶最小二乘拟合的方法,就是从内径函数取出若干点,如图8中黑点所示,然后进行拟合,将内径函数拟合成一阶导数连续的第一替换函数,记为f₁(θ)。步骤205:判断电磁遮罩的外径函数的一阶导数是否连续,如果电磁遮罩的外径函数的一阶导数不连续,则执行步骤206;否则执行步骤207。显然,本实施例中的内径函数R₂(θ)的一阶导数不连续,因此执行步骤206。步骤206:利用傅里叶最小二乘拟合的方法,将电磁遮罩的外径函数拟合成一阶导数连续的第二替换函数。外径函数的拟合过程与内径函数的拟合过程一样,参考图7和图8,拟合后得到一阶导数连续的第二替换函数,记为f₂(θ)。步骤207:根据第二极坐标、电磁遮罩的内径函数/第一替换函数以及电磁遮罩的外径函数/第二替换函数,计算电磁遮罩的介电常数。经过上述拟合,变换后的r′、θ′和z′分别为: r " = f 1 ( θ ) + f 2 ( θ ) - f 1 ( θ ) f 2 ( θ ) r , θ " = θ , z " = z ]]>各向异性介电常数的计算公式分别为: ϵ x " x " " = { [ r " - f 1 ( θ " ) ] 2 + U 2 } cos 2 θ " - 2 U r " sin θ " cos θ " + r " 2 sin 2 θ " r " [ r " - f 1 ( θ " ) ] ]]> ϵ x " y " " = ϵ y " x " " = { U 2 - f 1 ( θ " ) [ 2 r " - f 1 ( θ " ) ] } sin θ " cos θ " + U r " ( cos 2 θ " θ - sin 2 θ " ) r " [ r " - f 1 ( θ " ) ] ]]> ϵ y " y " " = { [ r " - f 1 ( θ " ) ] 2 + U 2 } sin 2 θ " + 2 U r " sin θ " cos θ " + r " 2 cos 2 θ " r " [ r " - f 1 ( θ " ) ] ]]> ϵ z " z " " = r " - f 1 ( θ " ) r " [ R ( θ " ) f 2 ( θ " ) - f 1 ( θ " ) ] 2 ]]>其中,U为过程变量, U = [ r " - f 1 ( θ " ) ] f 1 ( θ " ) d f 2 ( θ " ) d θ " - [ r " - f 2 ( θ " ) ] d f 1 ( θ " ) d θ " f 2 ( θ " ) f 2 ( θ " ) [ f 2 ( θ " ) - f 1 ( θ " ) ] ]]>最后,根据电磁遮罩的内径函数R₁(θ)、外径函数R₂(θ)和介电常数ε′_x′x′、ε′_x′y′、ε′_y′x′、ε′_y′y′以及ε′_z′z′制作电磁遮罩,覆盖障碍物。本发明针对无线通信系统中无线场强覆盖问题,从目前研究较为完善的转换电磁技术入手,提出利用转换电磁技术解决无线通信系统覆盖问题的解决方案。以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。