CN112566140A - 面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法及*** - Google Patents

面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法及***。该方法用于判断圆形障碍物是否对通信节点之间的通视路径产生遮挡，包括如下步骤：步骤1：获取通信节点O的坐标、通信节点X的坐标、圆形障碍物B的直径和圆形障碍物圆心的坐标；步骤2：建立圆形障碍物遮挡区域模型，圆形障碍物遮挡区域模型包括矩形区域和两个半圆区域；步骤3：根据所提出的距离判定准则来判断圆形障碍物的圆心是否在圆形障碍物遮挡区域模型内，若圆形障碍物的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则通信节点O到通信节点X之间的链路OX为非通视路径；否则，链路OX为通视路径。本发明可用于毫米波移动通信网络覆盖规划和优化中。

Description

面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法及***
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法及***。
背景技术
随机几何由积分几何与点过程的结合而诞生，重点研究空间随机过程，如空间点过程等。随着随机几何理论在空间统计学与立体测量学等领域中的深入运用，其理论发展日益完善壮大，能够准确建模网络中节点的随机位置和分析网络中干扰的影响。目前，随机几何已成功提供了一个统一的数学范式来建模和分析大规模无线通信网络，是通信网络建模的新方法，可以真实的还原节点分布的随机性，并对大规模网络覆盖特性进行分析，尤其对于5G等需要大规模部署无线接入节点的网络建模具有重要意义。
在毫米波无线通信中，由于毫米波通信具有波长短、方向性强等特点，其容易受到环境障碍物的影响。实验结果表明：毫米波视距传播与非视距传播的路径损耗有很大的差别，所以对障碍物遮挡效应的合理建模对研究毫米波通信和覆盖性能具有重要意义。在这方面，目前国际上主流的方法是利用随机形状理论对障碍物遮挡效应进行建模，并搭建数学框架建立随机阻塞模型。以往在判断节点间遮挡情况时，通常采用Matlab内置的inplogyon函数和for循环，通过串行方式对每一个节点的遮挡效应进行判断，导致程序复杂度高、运行效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法及***，用以解决毫米波无线通信网络中快速判断圆形障碍物对通信节点间通视路径遮挡影响的问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法，该方法用于判断圆形障碍物是否对通信节点之间的通视路径产生遮挡，包括如下步骤：
步骤1：获取通信节点O的坐标、通信节点X的坐标、圆形障碍物B的直径和圆形障碍物圆心的坐标；
步骤2：根据通信节点O的坐标、通信节点X的坐标和圆形障碍物的直径建立圆形障碍物遮挡区域模型，所述的圆形障碍物遮挡区域模型包括矩形区域和两个半圆区域，所述矩形区域的长为通信节点O到通信节点X的距离，所述矩形区域的宽等于半圆区域的直径，所述半圆区域的直径为圆形障碍物的直径，所述两个半圆区域分别位于矩形区域的两侧，所述通信节点O和通信节点X分别位于两个半圆区域的圆心；
步骤3：判断圆形障碍物的圆心是否在圆形障碍物遮挡区域模型内，若圆形障碍物的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则通信节点O到通信节点X之间的链路OX为非通视路径；否则，链路OX为通视路径。
进一步的，所述圆形障碍物遮挡区域模型的面积
Figure BDA0002806998230000021
其中，β为圆形障碍物B的直径，R为通信节点O到通信节点X的距离；
若圆形障碍物B的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则所述圆形障碍物B满足
Figure BDA0002806998230000022
或满足
Figure BDA0002806998230000023
其中，d1为圆形障碍物B的圆心到通信节点X的距离，d2为圆形障碍物B的圆心到通信节点O的距离，
Figure BDA0002806998230000031
面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断***，包括采集单元、建模单元和判断单元；
所述采集单元用于采集通信节点O的坐标、通信节点X的坐标、圆形障碍物的直径和圆形障碍物圆心的坐标；
所述建模单元用于根据通信节点O的坐标、通信节点X的坐标和圆形障碍物的直径建立圆形障碍物遮挡区域模型，所述的圆形障碍物遮挡区域模型包括矩形区域和两个半圆区域，所述矩形区域的长为通信节点O到通信节点X的距离，所述矩形区域的宽等于半圆区域的直径，所述半圆区域的直径为圆形障碍物的直径，所述两个半圆区域分别位于矩形区域的两侧，所述通信节点O和通信节点X分别位于两个半圆区域的圆心；
所述的判断单元用于判断圆形障碍物是否在圆形障碍物遮挡区域模型内，若圆形障碍物在圆形障碍物遮挡区域模型内，则通信节点O到通信节点X之间的链路OX为非通视路径；否则，链路OX为通视路径。
进一步的，所述圆形障碍物遮挡区域模型的面积
Figure BDA0002806998230000032
其中，β为圆形障碍物B的直径，R为通信节点O到通信节点X的距离；
若圆形障碍物B的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则所述圆形障碍物B满足
Figure BDA0002806998230000033
或满足
Figure BDA0002806998230000034
其中，d1为圆形障碍物B的圆心到通信节点X的距离，d2为圆形障碍物B的圆心到通信节点O的距离，
Figure BDA0002806998230000035
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
(1)本发明可用于毫米波移动通信网络覆盖规划和优化中。通过对毫米波波束成形链路遮挡效应的快速判断，并利用在障碍物节点上预先布设的中继转发设备，实现被遮挡信号的拾起和转发，由此充分发挥毫米波频带资源丰富、链路指向性强的优势，同时克服毫米波通信路径损耗大、易受遮挡的缺陷，提升网络覆盖的效果。
(2)本发明能降低算法的复杂度，现有的算法首先需要描绘出图1中的遮挡区域，过程较为复杂。之后调用Matlab内置的inplogyon函数判断收发通信节点之间的链路是否为通视链路。数值实验表明inplogyon函数运行效率较低，而本发明不需要描绘出遮挡区域且不再使用inplogyon函数，因此显著降低了程序运算复杂度。
(3)本发明能提高算法运行的效率，基于Matlab的inplogyon函数算法不能实现对多个障碍物节点遮挡效应的并行判断，只能使用for循环对每个障碍物节点的遮挡效应分别进行判断，程序运行效率较低，运行时间较长。而本发明通过高效的距离判断就可以等价地实现inplogyon函数相同的效果，且支持多障碍物节点并行判断，从而提高了程序的运行效率。仿真结果表明：使用本算法相较于现有算法的运算时间至少缩短了约47％。
附图说明
图1为本发明的障碍物遮挡区域示意图；
图2为本发明遮挡模型优化方案示意图；
图3为本发明判断一对收发节点间是否存在LOS链路与使用现有算法判断所用时间的对比图。
具体实施方式
首先对发明中出现的技术词汇进行解释：
通视路径：是指发射和接收节点间的直传路径没有障碍物遮挡，收发节点间能通视。
非通视路径：是指发射和接收节点间的直传路径存在障碍物遮挡，收发节点间不能通视。
圆形障碍物：是指横截面为圆形的障碍物。
在本实施例中公开了一种面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法，该方法用于判断圆形障碍物是否对通信节点之间的通视路径产生遮挡，包括如下步骤：
步骤1：获取通信节点O的坐标、通信节点X的坐标、圆形障碍物B的直径和圆形障碍物圆心的坐标；
步骤2：根据通信节点O的坐标、通信节点X的坐标和圆形障碍物的直径建立圆形障碍物遮挡区域模型，所述的圆形障碍物遮挡区域模型包括矩形区域和两个半圆区域，所述矩形区域的长为通信节点O到通信节点X的距离，所述矩形区域的宽等于半圆区域的直径，所述半圆区域的直径为圆形障碍物的直径，所述两个半圆区域分别位于矩形区域的两侧，所述通信节点O和通信节点X分别位于两个半圆区域的圆心；
步骤3：判断圆形障碍物的圆心是否在圆形障碍物遮挡区域模型内，若圆形障碍物的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则通信节点O到通信节点X之间的链路OX为非通视路径；否则，链路OX为通视路径。
具体的，所述圆形障碍物遮挡区域模型的面积
Figure BDA0002806998230000051
其中，β为圆形障碍物B的直径，R为通信节点O到通信节点X的距离；
若圆形障碍物B的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则所述圆形障碍物B满足
Figure BDA0002806998230000052
或满足
Figure BDA0002806998230000053
其中，d1为圆形障碍物B的圆心到通信节点X的距离，d2为圆形障碍物B的圆心到通信节点O的距离，
Figure BDA0002806998230000061
在本发明中，如果存在通视路径，节点O和节点X可进行通视直传通信，链路传输损耗小；如果不存在通视路径，节点O和节点X不能直传通信，此时可借助安装在障碍物节点B上的中继收发信机进行中继转发通信。
本实施例还公开了一种面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断***，包括采集单元、建模单元和判断单元；
所述采集单元用于采集通信节点O的坐标、通信节点X的坐标、圆形障碍物的直径和圆形障碍物圆心的坐标；
所述建模单元用于根据通信节点O的坐标、通信节点X的坐标和圆形障碍物的直径建立圆形障碍物遮挡区域模型，所述的圆形障碍物遮挡区域模型包括矩形区域和两个半圆区域，所述矩形区域的长为通信节点O到通信节点X的距离，所述矩形区域的宽等于半圆区域的直径，所述半圆区域的直径为圆形障碍物的直径，所述两个半圆区域分别位于矩形区域的两侧，所述通信节点O和通信节点X分别位于两个半圆区域的圆心；
所述的判断单元用于判断圆形障碍物是否在圆形障碍物遮挡区域模型内，若圆形障碍物在圆形障碍物遮挡区域模型内，则通信节点O到通信节点X之间的链路OX为非通视路径；否则，链路OX为通视路径。
具体的，所述圆形障碍物遮挡区域模型的面积
Figure BDA0002806998230000062
其中，β为圆形障碍物B的直径，R为通信节点O到通信节点X的距离；
若圆形障碍物B的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则所述圆形障碍物B满足
Figure BDA0002806998230000071
或满足
Figure BDA0002806998230000072
其中，d1为圆形障碍物B的圆心到通信节点X的距离，d2为圆形障碍物B的圆心到通信节点O的距离，
Figure BDA0002806998230000073
具体的，圆形障碍物节点的中心点集合服从泊松点分布，密度为λ。
具体的，所述的发射节点O和接收节点X需要安装毫米波发射和接收设备，遮挡节点B需要安装毫米波收发信机设备，且其具有探测来波方向的能力，可根据来波方向确定中继转发的发射波束方向。
实施例1
本实施例中公开了一种实验环境如下：考虑毫米波收发通信节点间距为20m，在收发节点间随机均匀散布圆形障碍物节点，随机散布的圆形障碍物节点密度变化范围为10-6～10-3个/平方米，仿真次数：103次。实验结果表明：仿真时间至少缩短约47％。
在此条件下可采用本专利提出的方法来高效计算收发节点间通视路径上是否存在圆形障碍物节点。若不存在圆形障碍物节点，则可以通过发射节点指向接收节点的毫米波波束实现通视路径通信。若存在圆形障碍物节点，则可以利用在障碍物节点上部署的毫米波收发信设备实现被遮挡信号的中继转发。
如图1所示，当圆形障碍物节点的中心(即图2中B点)位于图1中所示区域内时，将对OX链路产生遮挡。本专利所提出的通视路径判断方法与现有算法在判别是否存在通视路径时所需的时间如图3所示。

Claims (4)

1.面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法，其特征在于，该方法用于判断圆形障碍物是否对通信节点之间的通视路径产生遮挡，包括如下步骤：
步骤1：获取通信节点O的坐标、通信节点X的坐标、圆形障碍物B的直径和圆形障碍物圆心的坐标；
步骤2：根据通信节点O的坐标、通信节点X的坐标和圆形障碍物的直径建立圆形障碍物遮挡区域模型，所述的圆形障碍物遮挡区域模型包括矩形区域和两个半圆区域，所述矩形区域的长为通信节点O到通信节点X的距离，所述矩形区域的宽等于半圆区域的直径，所述半圆区域的直径为圆形障碍物的直径，所述两个半圆区域分别位于矩形区域的两侧，所述通信节点O和通信节点X分别位于两个半圆区域的圆心；
步骤3：判断圆形障碍物的圆心是否在圆形障碍物遮挡区域模型内，若圆形障碍物的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则通信节点O到通信节点X之间的链路OX为非通视路径；否则，链路OX为通视路径。
2.如权利要求1所述的面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断方法，其特征在于，所述圆形障碍物遮挡区域模型的面积
Figure FDA0002806998220000011
其中，β为圆形障碍物B的直径，R为通信节点O到通信节点X的距离；
若圆形障碍物B的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则所述圆形障碍物B满足
Figure FDA0002806998220000012
或满足
Figure FDA0002806998220000013
其中，d1为圆形障碍物B的圆心到通信节点X的距离，d2为圆形障碍物B的圆心到通信节点O的距离，
Figure FDA0002806998220000021
3.面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断***，其特征在于，包括采集单元、建模单元和判断单元；
所述采集单元用于采集通信节点O的坐标、通信节点X的坐标、圆形障碍物的直径和圆形障碍物圆心的坐标；
所述建模单元用于根据通信节点O的坐标、通信节点X的坐标和圆形障碍物的直径建立圆形障碍物遮挡区域模型，所述的圆形障碍物遮挡区域模型包括矩形区域和两个半圆区域，所述矩形区域的长为通信节点O到通信节点X的距离，所述矩形区域的宽等于半圆区域的直径，所述半圆区域的直径为圆形障碍物的直径，所述两个半圆区域分别位于矩形区域的两侧，所述通信节点O和通信节点X分别位于两个半圆区域的圆心；
所述的判断单元用于判断圆形障碍物是否在圆形障碍物遮挡区域模型内，若圆形障碍物在圆形障碍物遮挡区域模型内，则通信节点O到通信节点X之间的链路OX为非通视路径；否则，链路OX为通视路径。
4.如权利要求3所述的面向圆形障碍物的通信节点间通视路径判断***，其特征在于，所述圆形障碍物遮挡区域模型的面积
Figure FDA0002806998220000022
其中，β为圆形障碍物B的直径，R为通信节点O到通信节点X的距离；
若圆形障碍物B的圆心在圆形障碍物遮挡区域模型内，则所述圆形障碍物B满足
Figure FDA0002806998220000023
或满足
Figure FDA0002806998220000024
其中，d1为圆形障碍物B的圆心到通信节点X的距离，d2为圆形障碍物B的圆心到通信节点O的距离，
Figure FDA0002806998220000025
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