并行射线跟踪算法及其在城市电波预测的应用

快速射线追踪算法
赵改善
【期刊名称】《石油地球物理勘探》
【年(卷),期】1991(000)002
【摘要】本文提出了一种快速射线追踪算法,该算法主要以模型划分和射线路径简单搜索为基础。

模型划分是用一系列的垂直平行线划分所研究的模型,平行线与各层界面相交构成对模型的一种特殊剖分,一系列的交点则为近似表示模型界面的节点。

假定射线通过这些节点,则根据Fermat原理,用简单的三点比较法迭代求得射线路径,进而计算旅行时、生成合成地震记录。

该算法原理简单、计算速度快、使用灵活,它可以适用于多种复杂的地质构造、适用于多种采集排列,可以广泛地运用于合成记录计算、旅行时反演中的旅行时计算以及偏移处理中的成像时间计算。

文中给出了一些计算结果,说明了本算法的有效性及模型划分的精度。

【总页数】8页(P145-151,266)
【作者】赵改善
【作者单位】地矿部石油物探研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TE13
【相关文献】
1.一种新的基于多模板快速推进算法和最速下降法的射线追踪方法 [J], 王飞;曲昕馨;刘四新;李彦鹏;吴俊军
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5.一种最短路径射线追踪的快速算法 [J], 张美根;程冰洁;李小凡;王妙月
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射线跟踪在城市电波传播预测中的应用研究的开题报告题目：射线跟踪在城市电波传播预测中的应用研究一、研究背景：城市电波传播预测是无线通信中至关重要的一环，但由于城市环境的复杂性和不确定性，预测结果通常会出现偏差。

因此，如何准确预测城市电波传播并优化无线网络的布置成为一个迫切需要解决的问题。

目前，射线跟踪技术在城市电波传播预测中得到了广泛的应用，该技术能够模拟电波在城市环境中的传播路径，提供高精度的预测结果，并有望成为未来城市无线通信网络设计的重要工具。

二、研究意义：本研究旨在探究射线跟踪技术在城市电波传播预测中的应用，研究成果将有助于：1、提高城市无线通信网络设计的精度和效率；2、优化城市无线网络的布置和覆盖范围，提高无线网络的质量和稳定性；3、为未来城市无线通信技术的发展提供技术支持和参考。

三、研究内容：本研究将探究射线跟踪技术在城市电波传播预测中的应用，具体研究内容包括：1、建立城市电波传播模型，分析城市环境对电波传播的影响；2、研究射线跟踪技术的基本原理和算法；3、利用射线跟踪技术模拟电波在城市环境中的传播路径，获得高精度的预测结果；4、对比射线跟踪技术和其他电波传播预测方法的优缺点，分析射线跟踪技术在城市环境下的适用性和局限性；5、探究射线跟踪技术在无线网络设计中的应用前景，为城市无线通信网络的优化提供参考。

四、研究方法：本研究将采用文献研究法、实验研究法和数学建模法等多种研究方法。

具体研究步骤包括：1、深入了解城市环境对电波传播的影响，建立城市电波传播模型；2、研究射线跟踪技术的基本原理和算法，掌握射线跟踪软件的使用；3、对比射线跟踪技术和其他电波传播预测方法的优缺点，分析射线跟踪技术在城市环境下的适用性和局限性；4、利用射线跟踪技术模拟电波在城市环境中的传播路径，获得高精度的预测结果；5、通过实验验证模拟结果的准确性和有效性，探究射线跟踪技术在无线网络设计中的应用前景。

五、预期成果：通过本研究，预期可以获得以下成果：1、建立适合城市环境的电波传播模型；2、深入了解射线跟踪技术的基本原理和算法，并具备射线跟踪技术的应用能力；3、模拟并获得高精度的城市电波传播预测结果；4、对比射线跟踪技术和其他电波传播预测方法的优缺点，分析射线跟踪技术在城市环境下的适用性和局限性；5、探究射线跟踪技术在无线网络设计中的应用前景，并为城市无线通信网络的优化提供参考。

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
【期刊名称】《数字通信世界》
【年(卷),期】2017(0)10
【摘要】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.
【总页数】2页(P38-39)
【作者】杨文丽;李章义
【作者单位】国家无线电监测中心陕西监测站,西安 710200;国家无线电监测中心陕西监测站,西安 710200
【正文语种】中文
【中图分类】TN98
【相关文献】
1.基于三维的射线跟踪八叉树算法的城市微区电波传播预测算法模型 [J], 周力;柴舜连;毛钧杰
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3.基于三维反向射线跟踪的电波传播预测 [J], 唐亚平;徐大专;朱秋明;任佳敏;周生奎;黄攀
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5.基于射线跟踪的不规则地形场景下电波传播预测加速方法 [J], 杨博
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射线跟踪技术中场强计算的改进算法周晓平;谭凤杰;柳朝阳;邹澎【摘要】为减小通信基站附近场强的预测分布与运营后实际分布之间的误差,利用角度缓存区改进算法跟踪射线,提出场强精确算法.通过建立三套坐标系,并考虑通信基站天线下倾角、±45°极化、三瓣花布局等实际因素,推导场强之间的关系.结合天线方向图及波极化面的旋转,计算每条路径场强幅度及相位.对不同路径场强矢量合成,求出精确解.用该算法对两个实例进行计算,结果与实测值误差小于4dB.该算法及程序可用于电磁环境影响评价及场强预测.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)004【总页数】8页(P669-675,691)【关键词】射线跟踪;一致性绕射;通信基站;射线基坐标系;传播预测【作者】周晓平;谭凤杰;柳朝阳;邹澎【作者单位】郑州大学信息工程学院,河南郑州450052;郑州大学信息工程学院,河南郑州450052;郑州大学数学系,河南郑州450052;郑州大学信息工程学院,河南郑州450052【正文语种】中文【中图分类】TN011引言随着移动通信业务的迅猛发展对系统容量提出的要求越来越高，使得移动通信基站迅速遍布整个城区.位置和高度设计合理的移动通信基站，具有良好的电波覆盖和减少对频率复用区的干扰，同时对环境的污染也最小.对移动通信基站的位置和高度进行优化的方法主要有两种：一是实地测量，二是建立在电波传播理论基础上的仿真技术.实地测量是最可靠、精确的方法，但需要耗费大量的人力、物力和财力，而且必须在基站建成后才能测量，测量结果也只适用于与被测区域结构相似的地区，实用范围受限.计算机仿真技术具有适用性强、速度快、成本低、精度高等特点，可以在建站前对电波传播进行预测，指导基站选址.射线跟踪技术是常用的计算机仿真技术之一.这些年来，国内外学者提出了很多快速的、高效的算法，如并行射线跟踪算法[1-2]、改进镜像方法[3-4]、分区算法[5-6]，等等.文献[1-3，6] 对射线跟踪过程进行了改进；文献[5，8-10]分别以偶极子天线、全向天线、垂直极化天线作为发射天线，并进一步给出了计算场强的公式.随着移动通信技术的发展，当前移动通信基站的架设采用了更复杂的形式，以适应更高的通信技术要求.如实际中多采用三幅板状±45°极化的定向天线，每幅天线覆盖120°区域，并且因为带有电的或机械的下倾角使每幅天线的主辐射平面向地面方向倾斜，使基站天线的方向图呈“三瓣花”状.如果对这些实际因素都采用简化或忽略的方法，把三副天线看作架设于中心桅杆处的一副水平面均匀辐射的天线，就会忽略天线极化角、下倾角及传播过程中场强极化方向的改变.忽略不同路径传来的电波极化的不同进行场强叠加势必会带来很大的误差.本文考虑所有这些实际因素，首先采用角度缓存区改进算法[11]，跟踪到所有射线之后，通过三套坐标系来体现任意次反射、绕射、反射-绕射、绕射-反射等极化问题，并提出了具体算法，且根据该算法对不同路径传来的电波场强进行矢量合成，得到精确场解.1 射线跟踪算法射线跟踪法的基本思想是寻找发射天线发出的波传播到接收点的每条路径.本文采用改进的角度缓存区算法进行射线跟踪[11].基本思路是：对于某条传播路径，设定反射和绕射总次数为M，则第m(m=1，2，…，M)次反射点或绕射点可以看成是第m+1次反射或绕射的辐射源(即第m个辐射源)，第m-1次反射或绕射的接收点.发射天线(m=0)是第1次反射或绕射的辐射源，第M 次反射或绕射的接收点是接收天线(m=M+1).将辐射源、接收点及空间中的多面体都投影在地平面上.1) 以第m个辐射源的投影Om为坐标原点，x、y坐标轴位于地平面上，以多面体的高度方向为z轴，建立直角坐标系Om(x，y，z)，计算出辐射源辐射空间内由坐标原点指向多面体底面顶点的连线(简称为顶点斜率线)斜率角及方向向量. 2) 在xoy平面内进行遮挡判断. ①根据顶点斜率线的斜率角大小，将xoy平面分成若干个角扇区，尽量使角扇区的边界不穿过多面体，以保证角扇区内的多面体的完整性；②比较某角扇区的边界斜率角与顶点斜率线的斜率角，可以找出包含在该角扇区内的多面体；③对于某个角扇区内的某多面体，如果其斜率角最大(或最小)的顶点斜率线的方向向量与多面体底面某条边的外法线的标量积小于零，则该边所在的面及其上的棱不能被辐射源照射到，它们就是被多面体自身遮挡的面、棱，抛弃这样的面和棱，以减少相交测试次数，达到减小计算量的目的.能被照射到的面或棱成为第m+1个辐射源.3) 如果m<M，则令m=m+1，继续进行1)、2)运算，….4) 当m=M时，比较接收天线与坐标原点之间连线的斜率角与第M个辐射源辐射区域边界斜率角，判断接收点是否在此辐射空间.如果在，则运用反射定律、几何绕射定律求出该条混合路径的各次反射点或绕射点，也就是M个(等效)辐射源.5) 求出M个反射点、绕射点后，对多面体进行前后排序.对于第m与m+1次反射点或绕射点之间的射线所在的角扇区，根据区内若干个多面体顶点斜率线的斜率角之间的大小关系，及相应顶点到原点的距离，对区内多面体进行前后排序.6) 对于排列在第m与m+1次反射点或绕射点之间的多面体，按照从前往后的顺序，依次根据多面体顶点斜率线的斜率角与射线投影斜率角的大小关系，可以在xoy平面内判断不可能遮挡射线的面.然后再进行垂直面内的遮挡测试，如果垂直面内也不遮挡射线，则该射线有效.如果该路径中所有的射线均未被遮挡，则该路径有效.根据上述算法思路，可以跟踪到直射、一次反射、一次绕射，及被多个面、棱多次反射、绕射后形成的混合路径.2 场强的精确算法追踪到所有的电波传播路径之后，就可以对各路径场强进行相干合成.通常通信基站天线的三副天线呈“三瓣花”状排列，并且具有机械或电子下倾角及±45°极化角.这些实际因素会影响天线的主辐射平面.另外，波在传播过程中会产生相位滞后，场强极化方向也在不断的改变，所以要精确预测场强，必须考虑上述种种实际因素.因此需要采用三套坐标系，即建筑物坐标系、发射天线坐标系及射线基坐标系.由于三副天线架设位置、方位角、最大辐射平面、极化均不同，三副发射天线坐标系互不相同.射线基坐标系也须区分为入射线、反射线、绕射线基坐标系.三套坐标系之间具有转换关系.2.1 坐标系的建立2.1.1 建筑物坐标系第一套坐标系为建筑物坐标系.以基站天线的中心桅杆在地面上的投影为坐标原点，以建筑物的长、宽、高方向分别为x、y、z坐标轴，单位方向向量为ex、ey、ez，建立直角坐标系O(x，y，z)，如图1所示.图1 三套坐标系2.1.2 发射天线坐标系第二套坐标系为发射天线坐标系，包括两种：三副发射天线的三个直角坐标系Oj(xj，yj，zj)(j=1，2，3)和三个与其对应的球坐标系Oj(rj，θj，φj). 图1示出第j副发射天线坐标系，以该副发射天线的中心点为坐标原点，以+45°极化天线的轴为zj轴，以发射天线最大辐射方向为xj轴，方向向量分别为ezj、exj，eyj=ezj×exj，沿eyj方向为yj轴.2.1.3 射线基坐标系第三套坐标系为射线基坐标系，包括反射、绕射基坐标系.1) 第n次反射基坐标系：如图1所示，反射面的法向为以入射波传播方向为轴，以入射面法线方向为轴，即入射面内满足为轴，建立三维入射射线基坐标系以反射波传播方向为轴，轴满足关系轴满足关系建立三维反射射线基坐标系2) 第m次绕射基坐标系：如图1所示，绕射棱方向为以入射波传播方向为轴，以入射面法线方向为轴，即入射面内满足为轴，建立三维入射射线基坐标系以绕射波传播方向为轴，以绕射面法线方向为轴，即绕射面内满足为轴，建立三维绕射射线基坐标系由于电磁波经过建筑物外表面或地面反射、建筑物棱绕射后传播方向及极化方向都会发生改变，所以射线基坐标系有很多，但是，都是在射线跟踪中确定的向量，故均为已知向量，都可以被统一到发射天线直角坐标系中.2.2 不同坐标系里电场之间的变换2.2.1 发射天线直角坐标系与球坐标中场强之间的转换发射天线一般为振子型，辐射球面波，辐射场一般可以表示在球坐标系内，根据直角坐标系Oj(xj，yj，zj)与球坐标系Oj(rj，θj，φj)的变换关系，可以将观察点Q处的辐射电场表示在发射天线直角坐标系里.2.2.2 发射天线直角坐标系与射线基坐标系中场强之间的变换当电波传播遇到地面、建筑物墙面时，会发生反射，遇到两个墙面交界形成的棱时，会发生绕射，波的传播方向发生了改变，此时采用射线基坐标系研究问题比较方便.在射线基坐标系(es，eα，eβ)里，场强可以表示为E=Eαeα+Eβeβ.(1)在发射天线直角坐标系中，场强可以表示为E=Exjexj+Eyjeyj+Ezjezj.(2)令式(1)与式(2)相等，然后等式两边分别做×eβ·es、×eα·es运算，得(3)根据式(3)，可以实现发射天线直角坐标系到射线基坐标系里场之间的变换.根据2.1，在发射天线直角坐标系里,有(4)将式(4)代入式(1)求得E= (Eααx+Eββx)exj+(Eααy+Eββy)eyj+(Eααz+Eββz)ezj.(5)根据式(5)，可以实现射线基坐标系到发射天线直角坐标系里场之间的变换.2.3.3 发射天线直角坐标系与建筑物坐标系中的场强转换根据发射天线的极化方向角θ1、下倾角θ2、架设方位角θ3，可推导出建筑物坐标系与发射天线直角坐标系之间的关系矩阵为(6)则建筑物坐标系中的场(Ex，Ey，Ez)与发射天线直角坐标系中的场[ExjEyjEzj]的关系为[Ex Ey Ez]=[Exj Eyj Ezj]·A-1.(7)2.3 射线基坐标系中的场强2.3.1 射线基坐标系中的反射场强如图1所示，设第n次是反射，在反射的入射射线基坐标系里，假设反射点Qn 处入射波末场为则在反射射线基坐标系里Q点反射波末场为exp(jks2) .(8)式中:s1表示点Qn-1(发射点或上次反射点、绕射点)到点Qn的距离; s2表示Qn 到Q的距离; Rαα和Rββ分别为第n次反射的垂直极化波和平行极化波的反射系数，参阅文献[12].2.3.2 射线基坐标系中的绕射场强如图1所示，设第m次是绕射，在绕射的入射射线基坐标系里绕射点Qm处的入射波末场为在绕射射线基坐标系里Q点绕射波末场为.(9)式中: s1表示Qm-1到点Qm的距离; s2表示Qm到Q的距离；Dαα表示极化方向与入射面正交的电场分量的绕射系数；Dββ表示极化方向与入射面平行的电场分量的绕射系数，参阅文献[13-14].3 单条传播路径场强算法3.1 发射天线辐射场强在发射天线的球面坐标系中，可以推出振子型发射天线在远区某观察点Q(r，θ，φ)处产生的电场E(Q)为(10)式中:Pin为发射天线输入功率,W; G为发射天线增益系数dBi; F(θ，φ)为发射天线方向函数，由生产厂家提供实测数据；s1为发射天线到观察点Q之间的距离.利用坐标变换将E(Q)变换到发射天线直角坐标系中，用Ei(Q)表示.3.2 第一次反射或绕射时入射末场强此时3.1中的观察点Q就是反射点或绕射点Q1. 把Ei(Q)代入式(3)中，将其表示在反射的入射线基坐标系或绕射的入射线基坐标系里，成为一次反射的入射末场或一次绕射的入射末场，用表示.3.3 接收场强算法假设一条传播路径L经过M次反射、绕射，最终传播到达接收天线.Q0代表发射天线T，Qm(m=1，…,M)是反射点或绕射点，QM+1代表接收天线R.则计算场强时,第一步：辐射源Qm-1(可以是反射点、绕射点或发射天线T)在发射天线直角坐标系中产生的场强为Em-1(Qm)，Qm可以是反射点或绕射点.第二步：1) 如果第m次是反射，Qm是反射点，则将Em-1(Qm)代入式(3)将其变换到第m次反射的入射线基坐标系中，成为第m次反射的入射末场将代入式(8)求出第m次反射线基坐标系中反射末场，并根据式(5)将它变换到发射天线直角坐标系中，用表示.2) 如果第m次是绕射，则根据式(3)将Em-1(Qm)变换到第m次绕射的入射线基坐标系中，就是第m次绕射的入射末场将代入式(9)求出第m次绕射线基坐标系中绕射末场，并根据式(5)将它变换到发射天线直角坐标系中，用表示.第三步：如果m≤M-1，将用Em(Qm+1)表示，Qm+1是反射点或绕射点，则令m=m+1，继续进行第一步、第二步运算，….第四步：如果m=M，则QM+1是接收天线R，根据式(7)将或变换到建筑物直角坐标系中，就是接收场强4 接收场强合成基站周围的很多建筑物都会对电波产生反射、绕射，所以到达接收天线R处的电波路径有若干条，接收场强是所有这些路径传播的电波场强的矢量叠加.4.1 直达波场强从发射天线直接传播到达接收天线的波为直达波.此时观察点Q为接收天线R，将Ei(Q)代入式(7)变换为建筑物直角坐标系中的直达波场强Ei(R).4.2 一次反射或一次绕射场强假设有若干条一次反射路径、一次绕射路径，对于每一条传播路径L，M=1，按照3.3算法，求出其接收场强然后对所有一次反射、绕射路径场强进行矢量叠加，求出合场强，用E1(R)表示.4.3 两次反射、绕射传播路径场强计算假设有若干条反射-反射、绕射-绕射、反射-绕射、绕射-反射传播路径.对于每一条传播路径L，M=2，按照3.3算法求出接收场强然后对这些路径接收场强进行矢量叠加，求出合场强，用E2(R)表示.4.4 三次以上反射、绕射传播路径场强计算M≥3，包括若干条多次反射、多次绕射、多次反射绕射混合的传播路径，用与4.2类似的算法，求出它们的合场强.4.5 总场强将所有路径的场强在建筑物直角坐标系里进行矢量叠加，求出总场强，即E= 20lgEi(R)+E1(R)+.(11)5 计算实例及结果分析为了验证算法的正确性，以两个移动通信基站为例，采用matlab编制程序，对其周围的小区场强分布进行计算.本文假设传播环境为平坦地，地面的等效电参数为εr=5，σ=0.002 S/m，建筑物的表面是光滑平面，等效电参数为εr=4.5，σ=0.025 S/m.测量仪器选为SRM3000.5.1 算例1——郑州大学南校区19号楼顶移动通信基站(GSM1800)小区环境、基站天线示意图如图2所示.该图根据真实尺寸由matlab绘制.建筑物1、4为12面体，2、3、5为6面体.图2 算例1——小区环境、基站天线示意图该基站的三副发射天线为±45°极化，架高28 m，下倾角为8°，增益为18 dB，发射功率为20 W，第一副正西，第二副东偏北60°，第三副东偏南60°，三副天线到中心桅杆的距离均为35 cm，接收点高1.63 m，测试频率为1 835 MHz.中心桅杆在地面上的投影为坐标原点.在建筑物1和建筑物4之间的广场选若干个测试点，进行测量与计算.选4个测试点的计算值与测量值进行比较，如表1所示.表1 计算值与测量值的比较 dB测试点位置/m直射波计算值直射波+一次反射、绕射计算值直射波+一、二次反射、绕射计算值真实架设方式下测量值(24.37,-85.25)96.2007111.7301112.0978115.9315(15.37,-85.25)100.4597106.4079109.6668113.4383(6.37,-85.25)94.8116111.6263111.8401114.5052(-1.63,-85.25)96.3009110.1280112.9315115.93565.2 算例2——郑州大学新校区22号楼顶移动通信基站(GSM1800)该基站的三副发射天线为±45°极化，架高35.1 m，下倾角为6°，增益为18 dB，发射功率为20 W，第一副北偏东58°，到中心桅杆的距离为140 cm，第二副北偏西58°，到中心桅杆的距离为145 cm，第三副南偏东71°，到中心桅杆的距离为148 cm，接收点高1.6 m，测试频率为1 839 MHz.小区环境、基站天线示意图如图3所示.该图根据真实尺寸由matlab绘制.建筑物均为长方体.在建筑物1和建筑物3之间的道路上选若干个测试点，在建筑物1和建筑物5之间的道路上选若干个测试点，进行测量与计算.选其中的3个测试点的计算值与测量值进行比较，如表2所示.图3 算例2——小区环境、基站天线示意图表2 计算值与测量值的比较 (dB)测试点位置/m0°极化,0°下倾计算值0°极化,6°下倾计算值45°极化,0°下倾计算值45°极化,6°下倾计算值真实架设方式下测量值(-40.07,-18.74)95.726898.9879121.8416116.4725115.0256(-45.97,-18.74)96.998499.9936115.5849111.2886109.5424(-55.87,-18.74)98.3459104.7033106.6132110.6727113.69695.3 结果分析从表1可以看出：如果只考虑直射波，计算值与测量值之间的误差超过13 dB；只考虑直射波、一次反射(包括地面反射)和绕射时误差在2.8～8 dB；考虑直射波、一次反射(包括地面反射)和绕射、二次反射和绕射后误差在2～3.8 dB以内，满足工程上的精度要求.由表2可以看出：当既不考虑天线的下倾角也不考虑天线的±45°极化时，计算值与测量值误差超过12 dB；仅仅不考虑±45°极化时误差超过8.5 dB；当仅不考虑基站天线的下倾角时，误差超过了6 dB；同时考虑天线的下倾角和±45°极化时，误差低于4 dB.由此可见，是否计及基站天线的实际架设方式对预测模型的预测精度有很大的影响.6 结论本文对射线跟踪法的角度缓存区算法提出了一些改进，并对两个正在运营中的移动通信基站环境进行了场强预测.通过与实测结果进行比较，结果比较吻合.由此表明: 考虑移动通信基站天线具有三副天线呈三瓣花状的架设方式、每副天线带有下倾角、±45°极化角、波在传播过程中极化面的旋转等实际因素进行射线跟踪，可以准确地找到从基站天线到接收机之间所有的传播路径；考虑这些实际因素进行场强合成所得到的场强精度很高.如果将基站天线等效成一副发射天线，那么计算场强时，将无法计及下倾角、±45°极化角等实际因素，势必给场强预测带来较大误差.本文的改进算法，减少了相交测试次数，提高了路径寻找的效率，并且除了要求是非圆形、平顶建筑物之外，没有特别假定，所以通用性较好，能用于计算各种形状的建筑物和街道所组成的复杂传播环境.基于该算法所编制的程序可用于电磁环境影响评价及场强预测.参考文献[1] 王利东，李朝奎，陶建军，等.基于.NET Remoting的射线跟踪并行计算模型[J].计算机应用，2011，31(10)：2603-2605．WANG Lidong，LI Chaokui，TAO Jianjun，et al. Parallel ray tracing model based Remoting[J].Journal of Computer Application，2011，31(10):2603-2605.(in Chinese)[2] 刘海涛，黎滨洪，谢勇，等.并行射线跟踪算法及其在城市电波预测的应用[J].电波科学学报，2004，19(5)：581-585．LIU Haitao LI Binhong, XIE Yong，et al. Parallel ray-tracing algorithm andits application for propagation prediction in urban microceilular environments[J].Chinese Journal of Radio Science，2004，19(5)：581-585.(in Chinese)[3] 李朝奎，王利东，李拥，等.一种利用镜像理论的射线跟踪改进算法[J].武汉大学学报:信息科学版，2012，37(7)：784-788．LI Chaokui，WANG Lidong，LI Yong，et al. Improvement of the ray-tracing algorithm based on image theory[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University，2012，37(7):784-788.[4] TAN S Y, TAN H S.A microcellular communications propagation model based on the uniform theory of diffraction and multiple imagetheory[J].IEEE Trans on Antenn Propaga，1996，44(2)：1317-1325．[5] 程勇，吴剑锋，曹伟.一种用于移动系统场强预测的准三维射线跟踪模型[J].电波科学学报，2002，17(2)：15l-159．CHENG Yong，WU Jianfeng，CAO Wei. A quasi 3-D ray-tracingmodel for field prediction in mobile systems[J].Chinese Journal of Radio Science，2002，17(2)：151-159.(in Chinese)[6] 袁正午，黎意超，李林，等.基于动态分区的射线跟踪加速方法[J].计算机工程与应用，2010，46(27)：77-79．YUAN Zhengwu，LI Yichao，LI Lin，et al. Acceleration method of ray tracing based on dynamic zoning[J].Computer Engineering and Applications，2010，46(27)：77-79.(in Chinese)[7] 袁正午.移动通信系统终端射线跟踪定位理论与方法[M].北京:电子工业出版社，2007：155-196．[8] 贾明华，郑国莘，赵幸，等.矩形隧道中电波传播特性预测[J].上海大学学报:自然科学版，2011，17(1)：68-73．JIA Minghua，ZHENG Guoxin，ZHAO Xing, et al. Predicting radio wave propagation characteristics in rectangular tunnels[J].Journal of Shanghai University:Natural Science，2011，17(1)：68-73.(in Chinese)[9] 王志彬，李国辉，张娟，等.3.5 GHz频段城市环境路径损耗特性研究[J].重庆邮电大学学报:自然科学版，2010，22(4)：440-444．WANG Zhibin，LI Guohui，ZHANG Juan et al. Research on path loss at 3.5 GHz in urban environments[J].Journal of Chongqing University of Postsand Telecommunications:Natural Science Edition，2010，22(4)：440-444.(in Chinese)[10] 张会清，于洪珍，王普，等.矩形隧道中电波多径传播模型的建立及仿真[J].电波科学学报，2008，23(1):195-200．ZHANG Huiqing，YU Hongzhen，WANG Pu, et al. Multipath transmission modeling and simulating of electromagnetic wave in rectangletunnel[J].Chinese Journal of Radio Science，2008，23(1)：195-200.(in Chinese)[11] 周晓平，谭凤杰，柳朝阳，等.射线跟踪技术的一种加速算法[J].电波科学学报，2013，28(3):491-497．ZHOU Xiaoping，TAN Fengjie，LIU Chaoyang，et al. An Accelerated Algorithm of Ray-tracing Technology[J].Chinese Journal of Radio Science，2013，28(3)：491-497.(in Chinese)[12] 张克潜，李德杰.微波与光电子学中的电磁理论[M].第2版，北京：电子工业出版社，2001：65-99．[13] HOLM P D.A new heurishc UTD diffraction coefficient for nonperfectlyconducting wedges[J].IEEE Trans Antenna Propagation 2000，48(8)：1211-1219．[14] REMLEY KA, ANDERSON H R, WEISSHAR A. Improving the accuracy of ray-tracingtechniques for indoor propagation modeling[J].IEEE Trans Vehicular Technology 2000，49(6)：2350-2357．。

城市环境下射线追踪加速算法在三维城市建设的过程中，为了使得城市环境更具有真实感，往往需要为城市环境模拟一太阳光源，实现因为光照而引起的三维场景下的各种表现特征。

研究在三维场景下的光线（射线）传播路径具有重要的应用价值，在广播数字电视、城市移动多媒体、移动通讯等领域，信号的传播都是利用电磁波实行的，而光本身也是一种电磁波，它们传播的方式一致。

所以研究射线追踪技术，便能够将其引入到上述领域中展开应用。

首先通过射线追踪技术找到发出的信号到达信号接收端的路径，然后结合信号在发射、路径传播过程中的电波传播特征，从而得到信号最终到达信号接收端的信号强度，实现基于射线追踪技术的电波传播预测，为广播数字电视、城市移动多媒体、移动通讯等领域的覆盖规划提供决策支持。

本文在三维城区环境下，研究射线追踪技术的理论方法，即，某一光源（信号发射源）发出一条光线（射线）后，通过直射、反射、绕射等最终到达地面的光线（射线）传播路径。

1射线追踪介绍射线跟踪方法的理论基础是几何光学（GeometricalOptics，GO）理论，即，光在空间中以射线的方式实行传播，在遇到障碍物时，遵循光的反射定律会产生反射现象，射线追踪即模拟光在空间中的反射路径。

对于空间障碍物边缘发射的绕射，则引入几何绕射理论和一致性绕射理论，模拟信号在遇到障碍物时发生的绕射情况。

图1为信号经过直射、反射、衍射（绕射）后到达信号接收端的示意图。

因为从一个信号发射端会发出无数条射线，而且当遇到障碍物时，每条射线又会在障碍物表面发生反射、绕射等显现，所以在三维空间中找到所有射线的计算量巨大，甚至是计算机不可承受的。

本文在充分研究传统射线追踪算法的基础上，提出基于城市布局分区、降维、加速多镜法的射线追踪技术，提升射线追踪算法的计算效率。

2.1分区加速算法2.1.1城市布局分区城市的布局特征与自然环境密切联系，例如武汉市城市总体布局以长江的走势为基础向东西两侧实行延伸。

基于OpenMP的射线追踪并行计算方法
孙立鹏;方宁;渠慎丰
【期刊名称】《电子测量技术》
【年(卷),期】2012(35)1
【摘要】射线追踪法是计算有等离子体包覆的飞行器电磁散射特性的经典方法,计算效率较低是制约该方法应用的主要因素,如何高效的利用现代计算机技术和射线追踪计算模型已经成为电磁散射计算的一个重要发展方向。

拥有多内核CPU的计算机的出现和流行为提高射线追踪法计算在等离子体包覆下的飞行器电磁散射特性的效率提供了一个有效地途径。

在共享存储(OpenMP)模型的基础上,对射线追踪法进行分析,实现了对射线追踪法并行计算的编程,并有效地提高了射线追踪法的计算效率。

【总页数】5页(P50-54)
【关键词】并行计算;共享存储;射线追踪
【作者】孙立鹏;方宁;渠慎丰
【作者单位】北京航空航天大学电子信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM15
【相关文献】
1.基于OpenMP并行计算的匹配追踪时频分析方法 [J], 邓世广;王淑艳;赵文津;刘志伟;何润
2.基于OpenMP的短波射线追踪并行计算 [J], 王俊江;许利军;柳文;焦培南
3.基于 MPI＋OpenMP 混合编程的水声探测系统效能并行计算方法 [J], 范培勤;笪良龙;李玉阳;周艳霞
4.基于OpenMP的多地电模型的并行计算方法——以一维大地电磁测深法为例[J], 杨泽宇; 佟铁钢
5.基于OpenMP的抛物方程(PE)声场并行计算方法 [J], 王鲁军;彭朝晖
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提高射线跟踪法运算效率的一种方法
季忠;陈光义
【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】1999(014)004
【摘要】分析了影响射线跟踪法运算效率主要因素，提出了一种提高室内二维射线跟踪运算效率的方法。

该方法将室内电波传播区域内物体进行适当的分区和分组从而减少射线与物体示谘运算的次数。

模拟计算结果证明了该方法的有效性。

【总页数】5页(P457-461)
【作者】季忠;陈光义
【作者单位】上海交通大学;上海交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN011
【相关文献】
1.一种提高GPS模拟器运算效率的方法 [J], 张惠军;程翥;王朝军;皇甫堪
2.一种提高RSA解密运算效率的方案 [J], 蔡红;王春华;印润远
3.一种提高DTW算法运算效率的改进算法 [J], 谢扬扬;娄渊胜;商国中
4.一种提高DTW运算效率的地磁匹配组合导航算法 [J], 张东丽;尚俊娜;保金宏
5.改进射线跟踪法效率的新方法 [J], 董金梁;金荣洪;耿军平;王伟
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复杂城市环境三维高斯波束跟踪预测模型唐亚平;徐大专;朱秋明;任佳敏;鲍军委【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2014(29)1【摘要】针对现有高斯波束跟踪预测方法认为绕射效应由波束扩展叠加体现而忽略绕射波束的问题,提出一种基于三维高斯波束的复杂城市环境电波传播损耗预测模型,该模型通过几何光学和几何绕射理论实现绕射波束的跟踪,并应用复射线理论和启发式有限导电率介质劈一致性绕射系数公式实现绕射场强计算.文中还分析了传播距离、反射次数等因素对电波传播预测精度和复杂度的影响.数值仿真结果表明:渥太华城市传播环境下考虑绕射预测精度比传统高斯波束跟踪模型高0.02～2.2 dB,计算效率下降8％～10％;由于反射损耗、传播距离及波束扩展等因素,预测精度在反射次数取12时较高.【总页数】7页(P86-91,121)【作者】唐亚平;徐大专;朱秋明;任佳敏;鲍军委【作者单位】南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京210016;南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京210016;南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京210016;南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京210016;南京航空航天大学理学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN011.91【相关文献】1.三维高斯波束跟踪传播损耗预测改进模型 [J], 徐大专;任佳敏;朱秋明;唐亚平;周剑2.三维射线跟踪预测模型在5.8GHz的实验验证 [J], 李超峰;焦培南3.基于空间四叉树分区的高斯波束跟踪预测模型 [J], 任佳敏;徐大专;朱秋明;唐亚平;周生奎4.适于复杂地质模型的三维射线跟踪方法 [J], 杨长春;冷传波;李幼铭5.增强现实环境下复杂板材的三维位姿跟踪方法 [J], 舒彬;胡兆勇;朱腾;陈和恩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

射线跟踪算法应用综述黎讴1，李晖晖2(1 中科院广州电子技术有限公司，广州 510070; 2 中国移动通信集团广东有限公司，广州 510623)摘　要　随着5G网络的商用，运营商越来越关注5G网络部署的投资成本。

在5G建网初期，运营商会通过网络规划工具对指定区域进行仿真，最后根据仿真结果制定有效的组网建设方案。

由于射线跟踪算法能很好地对信号的直射、反射、衍射、透射等路径建模，它经常被用来作为精细化仿真的方法。

本文介绍了射线跟踪相关研究进展及算法应用场景，通过实际案例，对两种射线跟踪算法进行研究，分析对比两种射线跟踪算法在5G规划仿真中的应用区别，验证两种算法的可靠性，为未来5G规划组网建设工作提供多种支撑方案。

关键词　5G；射线跟踪；模型校正中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2021）04-0027-07收稿日期：2021-02-081 射线跟踪算法简介5G 网络部署场景包括三维楼宇、城区、郊区、山区、高速公路、高铁沿线和工业物联网等，这对5G 技术的网络规划的精度和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。

射线跟踪用于无线通信研究发轫于20世纪90年代，是光学的射线技术在电磁计算领域中的应用，能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径，包括直射、反射、绕射和透射等，并考虑到影响电波传播的各种因素，从而针对不同的具体场景做准确的预测。

但它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。

1.1 国内外研究现状射线追踪技术之所以可以服务于大规模真实复杂场景的无线网络规划与优化工作，主要原因在于其具备“准确性”和“高效性”两个特点。

在提升“准确性”方面，射线追踪算法依赖正确的电波传播机理模型，同时还考虑了准确的场景几何参数、材质参数、天线模型以及多种传播机理。