DE19652605C2

DE19652605C2 - Procedure for predicating radio wave propagation

Info

Publication number: DE19652605C2
Application number: DE1996152605
Authority: DE
Inventors: Zhongrong Liu; Dieter W Fellner
Original assignee: Deutsche Telekom AG; DeTeMobil Deutsche Telekom Mobilnet GmbH
Current assignee: Telekom Deutschland GmbH
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: AU5651598A; DE19652605A1; WO1998027770A3; WO1998027770A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützt Prädiktion der Funkwellenausbreitung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for computer-aided prediction of the Radio wave propagation, according to the preamble of claim 1.

State of the art

Die Prädiktion der Funkwellenausbreitung ist ein wichtiger Schritt in der rechnergestützten Planung der Mobilfunknetzen. In diesem Schritt wird die Feldstärkeverteilung der von einer Basisstation ausgesendeten Funkwelle in einem vom Planer festgelegten Gebiet berechnet. Diese Berechnung wird für jede Basisstation des zu planenden Netzes durchgeführt. Die berechneten Feldstärkewerte der Basisstationen steilen die Basis für die weiteren Planungsschritte dar, wie z. B. die Prädiktion der Versorgungssituation des Netzes.The prediction of radio wave propagation is an important one Step in the computer-aided planning of the mobile radio networks. In this step the field strength distribution is that of a Base station transmitted radio wave in one by the planner calculated area. This calculation is for each Base station of the network to be planned carried out. The calculated field strength values of the base stations steep the The basis for the further planning steps, such as B. the Prediction of the supply situation of the network.

Die konventionellen Verfahren zur Prädiktion der Funkwellenausbreitung basieren auf empirische Modelle wie z. B. das Okumura Modell (OKUMURA, Y., OHMORI, E., KAWANO, T., FUKUDA, K., "Field Strenght and Its Variability in VHF and UHF Land-Mobile Radio Service", Rev. Elec. Commun. Lab., Vol. 16, 1968, pp. 825-873), das durch Auswertung von Funkfeldmessungen gewonnen wurde. Die Auflösung der Feldstärkeberechnung mit solchen Verfahren, d. h. die Auflösung eines Flächenelementes, für das ein Feldstärkewert berechnet werden kann, ist größenordnungsmäßig ein Quadrat von einigen hundert Metern.The conventional methods for predicting the Radio wave propagation is based on empirical models such as e.g. B. the Okumura model (OKUMURA, Y., OHMORI, E., KAWANO, T., FUKUDA, K., "Field Strictness and Its Variability in VHF and UHF Land-Mobile Radio Service ", Rev. Elec. Commun. Lab., Vol. 16, 1968, pp. 825-873), which was evaluated by Radio field measurements was obtained. The dissolution of the Field strength calculation with such methods, d. H. the Resolution of a surface element for which a field strength value can be calculated is on the order of a square of a few hundred meters.

Mit der Entwicklung des Mobilfunks nimmt die Anzahl der Mobilfunkteilnehmer vor allem in den städtischen Gebieten stark zu. Um die hohe Verkehrsmenge in städtischen Gebieten zu bewältigen, werden in solchen Gebieten Basisstationen mit niedrigen Antennenhöhen und niedrigen Sendeleistungen dicht zu einander aufgebaut. Das führt zu kleinen Zellengrößen der Basisstationen, wobei die Zellengröße einer Basisstation die Größe der von dieser Basisstation versorgten Fläche bezeichnet. Eine Zelle wird als Mikrozelle bezeichnet, wenn diese einen Radius von einigen hundert Metern bis zu maximal 1 km hat. Im Gegensatz dazu bezeichnet man Zellen mit einem Radius von einigen Kilometern oder mehr als Makrozellen.With the development of mobile radio, the number of Mobile phone subscribers, especially in urban areas strongly too. To the high volume of traffic in urban areas to deal with, base stations are used in such areas low antenna heights and low transmission powers tight built up to each other. This leads to small cell sizes Base stations, the cell size of a base station being the Size of the area served by this base station designated. A cell is called a microcell if these have a radius of a few hundred meters up to a maximum 1 km. In contrast, cells are called with a Radius of a few kilometers or more than macro cells.

Die konventionellen empirischen Verfahren zur Prädiktion der Funkwellenausbreitung sind für die Planung von Makrozellen anwendbar. Sie sind aber für die Planung von Mikrozellen in städtischen Gebieten nicht geeignet, weil die Genauigkeiten nicht ausreichend hoch und ihre Auflösungen zu grob sind.The conventional empirical methods for predicting the Radio wave propagation is for planning macro cells applicable. But they are in for the planning of microcells urban areas not suitable because of the accuracies not high enough and their resolutions are too coarse.

Seit einigen Jahren werden unterschiedliche Modelle und Verfahren für die Berechnung der Funkwellenausbreitung in städtischen Gebieten entwickelt. Darunter auch Verfahren, die auf Strahlverfolgungsmethoden basieren.Different models and Procedure for the calculation of radio wave propagation in urban areas. This includes procedures that based on ray tracing methods.

Der Aufsatz von Rajkumar, A. u. a.: Predicting RF coverage in large environments using ray-beam tracing and partitioning tree represented geometry; in: Wireless Networks, 1. Juni 1996, Band 2, Nr. 2., S. 143-154 offenbart - entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 - ein rechnergestütztes Verfahren zur Prädiktion der Funkwellenausbreitung in einem definierten Planungsgebiet, bei dem von einem vorgegebenen Antennenstandort aus mittels Strahlverfolgung die Mehrwegeausbreitung von ausgeschickten Funkwellen bestimmt wird.Rajkumar, A.'s essay: Predicting RF coverage in large environments using ray-beam tracing and partitioning tree represented geometry; in: Wireless Networks, June 1, 1996, Volume 2 , No. 2, pp. 143-154 discloses - in accordance with the features of the preamble of claim 1 - a computer-aided method for predicting radio wave propagation in a defined planning area, in which a predetermined antenna location is determined from the multipath propagation of transmitted radio waves by means of beam tracking.

Die bisher bekannten Verfahren, die auf Basis der Strahlverfolgungsmethode arbeiten, können schon wesentlich genauere Ergebnisse als die empirischen Verfahren liefern. Auch die Auflösung der Feldstärkeprädiktion dieser Verfahren ist wesentlich feiner als die der empirischen Verfahren. Wesentlicher Nachteil und Hinderungsgrund des breiten Einsatzes dieser Verfahren ist der enorme Rechenaufwand. Die Verfahren können bei Untersuchungen von Funksystemen gerade noch eingesetzt werden, da diese Planungsschritte nicht ganz so zeitkritisch sind. In der Funknetzplanung sind die hohen Rechenzeiten, die weit von interaktiven Reaktionszeiten entfernt sind, für die Planer keinesfalls zumutbar.The previously known methods based on the Beam tracing method can do a lot deliver more accurate results than empirical methods. Also the resolution of the field strength prediction of these methods is much finer than that of empirical methods. Major disadvantage and obstacle to the broad The use of these methods is the enormous computing effort. The Procedures can be used in the investigation of radio systems still be used as these planning steps are not quite are so time critical. In the radio network planning are the high ones Computing times far from interactive response times are not reasonable for the planners.

Für die Planung der Mikrozellen in städtischen Gebieten ist ein verbessertes Verfahren erforderlich.For planning the microcells in urban areas an improved process is required.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Prädiktion der Funkwellenausbreitung vorzuschlagen, das
The invention is therefore based on the object of proposing a method for predicting radio wave propagation which

- a much better accuracy than the empirical Procedure has
- a much better resolution than the empirical Has method, and
- Is so efficient in terms of computing that it in radio network planning can be used.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.The task is determined by the characteristics of the Claim 1 solved.

Das im folgenden vorgestellte Verfahren erfüllt die oben genannten Kriterien für den Einsatz in der Funknetzplanung.The procedure presented below fulfills the above mentioned criteria for use in radio network planning.

Die Funkwellenausbreitung in städtischen Gebieten ist durch die Mehrwegeausbreitung gekennzeichnet. Unterschiedliche Wellenanteile gelangen durch Reflexionen und Beugungen auf unterschiedlichen Ausbreitungswegen und mit unterschiedlichen Laufzeiten an dem Empfänger. Das Verfahren berücksichtigt alle relevante Ausbreitungswege, erstmals auch die Beugungseffekte an Objekten, und ermittelt die Empfangsleistung des Empfängers bzw. die Feldstärke an der Empfangsantenne durch die Summation der unterschiedlichen Wellenanteile.Radio wave propagation in urban areas is through marked the multipath propagation. Different Waves are caused by reflections and diffractions different ways of propagation and with different Transit times at the recipient. The procedure takes into account all relevant distribution channels, for the first time also the Diffraction effects on objects, and determines the Receiving power of the receiver or the field strength at the Receiving antenna by summing the different Wave components.

Das Verfahren verwendet eine Beschreibung der dreidimensionalen Gebäudestruktur des Planungsgebietes. Die relevanten Ausbreitungswege der untersuchten Antennenstrahlen werden strahlenoptisch bestimmt. Dazu wird z. B. ein Strahlverfolgungsalgorithmus verwendet, der auf dem MRT (Minimal Rendering Toolkit) basiert, einem geräte- und plattformunabhängigen Modellierungs- und Visualisierungswerkzeug (vgl. dazu FELLNER D. W.: Extensible image systhesis; In Object-Oriented and Mixed Programming Paradigms, Wisskirchen P., Focus on Computer Graphics, Springer Verlag, Febr. 1996, pp 7-21).The method uses a description of the three-dimensional building structure of the planning area. The relevant propagation paths of the examined antenna beams are determined optically. For this, z. B. a Ray tracing algorithm used on the MRI (Minimal Rendering Toolkit) based, a device and platform independent modeling and Visualization tool (see also FELLNER D. W .: Extensible image system; In Object-Oriented and Mixed Programming Paradigms, Wisskirchen P., Focus on Computer Graphics, Springer Verlag, Feb. 1996, pp 7-21).

Erfindungsgemäß benutzt das Verfahren ein Planungswerkzeug, das eine getrennte und flexible Modellierbarkeit der Antenne, den einzelnen Gebäuden, der Charakteristik von Gebäudeoberflächen (Wänden) und der Prognosefläche erlaubt. According to the invention, the method uses a planning tool, the separate and flexible modeling of the antenna, the individual buildings, the characteristics of Building surfaces (walls) and the forecast area allowed.

Der konsistente Modellierungsansatz für geometrische Objekte aller Art ermöglicht außerdem die Berücksichtigung der Beugung der Antennenstrahlen an Objekten, wie z. B. Zylindern, für die bisher die existierenden Verfahren nicht anwendbar waren.The consistent modeling approach for geometric objects of all kinds also allows for the consideration of Diffraction of the antenna beams on objects such as B. cylinders, for which the existing methods are not applicable were.

Zur Behandlung der Reflexion und Beugung der Funkwelle an Gebäuden und zur Bestimmung der Feldparameter wird die geometrische Beugungstheorie verwendet.To treat the reflection and diffraction of the radio wave Buildings and to determine the field parameters geometric diffraction theory used.

Der Rechenaufwand des Verfahrens wird hauptsächlich durch die Suche der Strahlenwege bestimmt. Vor allem die Suche nach den Beugungskanten verbraucht einen wesentlichen Anteil der Rechenzeit. In diesem Verfahren wird ein Algorithmus verwendet, mit dem die Beugungskanten schnell ermittelt werden und der die Anzahl der Schnittberechnungen zwischen Strahlen und Objekten in der Zelle möglichst gering hält.The computing effort of the method is mainly due to the Search of the ray paths determined. Especially the search for the Diffraction edges consume a substantial portion of the Computing time. In this procedure an algorithm is used used to quickly determine the diffraction edges and the number of cutting calculations between Keeps rays and objects in the cell as low as possible.

Das Verfahren kann in einem Frequenzbereich verwendet werden, in dem die Wellenlänge des Funksignals wesentlich kleiner als die Dimensionen der Gebäude ist.The method can be used in a frequency range in which the wavelength of the radio signal is significantly smaller than the dimensions of the building is.

Description of the building structure

Gebäude und andere im Stadtbereich auftretende Objekte, wie z. B. Bäume, werden als spezielle Varianten eines generischen Objekttyps, repräsentiert durch eine Basisklasse t_Objekt, dargestellt. Die Kernfunktionalität der Basisklasse und somit die Funktionalität aller geometrischen Objekte beinhaltet die folgenden Methoden:
boundingVolume() liefert den Hüllkörper.
intersect() berechnet den ersten Schnittpunkt zwischen dem Objekt und einem Strahl. Das Ergebnis ist True genau dann, wenn dieser innerhalb einer gegebenen Entfernung (meist die zum bisher nächsten gefundenen Objekt) existiert.
checkintersect() führt nur einen einfachen Test auf Existenz des Schnittpunktes durch, der beispielsweise für Beleuchtungsstrahlen genügt und in den meisten Fällen deutlich schneller als seine Berechnung erledigt werden kann. Standardmäßig jedoch basiert diese Methode auf intersect().
checkBoxlntersect() dient zur Initialisierung von räumlichen Datenstrukturen für die Beschleunigung der Schnittpunktberechnungen. Die Methode ermittelt, ob das Objekt einen nichtleeren Schnitt mit einem achsparallelen Quader hat. Standardmäßig wird diese Box mit dem Hüllkörper des Objekts verglichen.
surfaceNormal() berechnet die Normale zur Oberfläche an einem gegebenen Punkt der Objektoberfläche (nach außen zeigend).
triangulate() erhält einen Parameter zur Qualitätskontrolle und erzeugt eine Oberflächen-Approximation, die zur Visualisierung über planare Facetten geeignet ist.Buildings and other objects occurring in the city area, such as. B. Trees are represented as special variants of a generic object type, represented by a base class t_Objekt. The core functionality of the base class and thus the functionality of all geometric objects includes the following methods:
boundingVolume () returns the envelope.
intersect () calculates the first intersection between the object and a ray. The result is true if and only if it exists within a given distance (usually the nearest object found so far).
checkintersect () only carries out a simple test for the existence of the intersection, which is sufficient for lighting beams, for example, and in most cases can be done much faster than its calculation. By default, however, this method is based on intersect ().
checkBoxlntersect () is used to initialize spatial data structures to accelerate the intersection calculations. The method determines whether the object has a non-empty cut with a parallelepiped. By default, this box is compared to the object's envelope.
surfaceNormal () calculates the normal to the surface at a given point on the object surface (pointing outwards).
triangulate () receives a parameter for quality control and generates a surface approximation that is suitable for visualization over planar facets.

Neu ist, daß die gesamte Szene wie auch alle Sub-Szenen konsistent als geometrische Objekte behandelt werden. Eine Subszene, beschrieben durch die Klasse t_Scene, in der eine Menge von geometrischen Objekten enthalten sind, ist ebenfalls von der Basisklasse t_Object abgeleitet und stellt somit auch die obigen Methoden zur Verfügung.What is new is that the entire scene as well as all sub-scenes are treated consistently as geometric objects. A Subscene, described by the class t_Scene, in which one Set of geometric objects are included also derived from the base class t_Object and provides thus the above methods are also available.

Subszenen werden automatisch immer dann erzeugt, wenn eine inkludierte Szenenbeschreibung abgearbeitet wird oder wenn eine Gruppe von n Objekten (n < 1) eingeschlossen ist. Hüllkörper von Subszenen werden automatisch mittels der Methode unify() der Klasse t_BVol berechnet, die zwei Hüllkörper zu einem kombiniert.Subscenes are automatically created whenever a included scene description is processed or if a group of n objects (n <1) is included. Envelopes of subscenes are automatically created using the The unify () method of class t_BVol calculates the two Envelope combined into one.

Das Konzept der Erweiterbarkeit ist auch für Oberflächeneigenschaften von besonderer Bedeutung, da nur so effizient auf die geänderten Anforderungen der Funkwellenberechnung eingegangen werden kann. So kann beispielsweise eine durch elektrostatische Eigenschaften erweiterte Oberfläche als Ableitung der existierenden Klasse realisiert werden - ihre grundsätzliche Funktionalität wie die Zugehörigkeit zu einem Objekt muß nicht erneut modelliert werden. The concept of extensibility is also for Surface properties of particular importance, because only in this way efficiently to the changed requirements of Radio wave calculation can be received. So can for example one by electrostatic properties extended user interface to derive the existing class be realized - their basic functionality like the belonging to an object does not have to be modeled again become.

The ray tracing algorithm

Nicht-triviale Szenen sind meist schon aufgrund ihrer Konstruktionsweise hierarchisch organisiert. Neben offensichtlichen Vorteilen in der Handhabung ergibt sich daraus im konkreten Fall auch eine erhebliche Beschleunigung der Strahlverfolgung.Non-trivial scenes are mostly due to their Structured hierarchically organized. Next there are obvious advantages in handling this also results in considerable acceleration in the specific case the ray tracing.

Verantwortlich ist der im Minimal Rendering Toolkit (MRT) implementierte Algorithmus zur Bestimmung des Schnittpunkts von Strahl und Szene:This is the responsibility of the Minimal Rendering Toolkit (MRT) implemented algorithm for determining the intersection of ray and scene:

Zunächst wird geprüft, ob der untersuchte Antennenstrahl den Hüllkörper der Szene, der bei der Erzeugung der Szene berechnet wurde, schneidet und sendet im Falle ein Schnittpunkt existiert dann die Anfrage intersect() an alle in ihr enthaltenen Objekte, die entweder elementare Objekte oder wiederum Szenen sein können. Da dies auf jeder Hierarchieebene geschieht, liegt die Anzahl solcher Tests in der Größenordnung des Logarithmus der Objektzahl, wenn die Hierarchie die räumliche Struktur hinreichend genau widerspiegelt.First, it is checked whether the antenna beam examined is the Envelope body of the scene that is used to create the scene was calculated, cuts and sends in case Intersection then exists the intersect () request to everyone objects contained in it, either elementary objects or again can be scenes. Since this is on everyone Hierarchy level happens, the number of such tests lies in the order of the logarithm of the object number if the Hierarchy the spatial structure is sufficiently precise reflects.

Den vorliegenden Stadtmodellen fehlt eine solche Hierarchie. Um den Effekt trotzdem nutzbar zu machen, wird sie nachträglich mit einem quadtree-basierten Verfahren erzeugt, weil dieses die vorwiegend zweidimensionale Ausdehnung berücksichtigt. Enthält eine betrachtete Szene zu viele Objekte, wird die Szene - sofern sie mindestens vier Objekte beinhaltet - rekursiv in bis zu vier Subszenen unterteilt. Dies hat den Vorteil, daß nun nicht mehr die Objekte der Gesamtszene auf Schnittpunkte mit den Antennenstrahlen überprüft werden müssen, sondern es wird zunächst für jede Subszene anhand deren Hüllkörper geprüft, ob die Subszene einen Schnittpunkt mit dem Antennenstrahl bildet. Falls für eine oder mehrere Subszenen ein Schnittpunkt existiert, müssen im folgenden nur noch die Objekte dieser Subszenen berücksichtigt werden. Der erforderliche Rechenaufwand wird somit drastisch minimiert.The existing city models lack such a hierarchy. To make the effect usable anyway, it will subsequently created with a quadtree-based process, because this is the predominantly two-dimensional dimension considered. Contains one scene viewed too many Objects, the scene becomes - provided it has at least four objects includes - recursively divided into up to four sub-scenes. This has the advantage that the objects of the Overall scene at intersections with the antenna beams need to be checked, but it will be first for each Subscene checked by their envelopes whether the subscene forms an intersection with the antenna beam. If for one or more sub-scenes an intersection exists, In the following, only the objects of these subscenes have to be taken into account. The computational effort required is therefore drastic minimized.

Zur Festlegung der Zuordnung zu den Subszenen wird für alle Objekte sowie für die gesamte Szene jeweils das Zentrum des Hüllkörpers bestimmt. Durch Koordinatenvergleich folgt die Zugehörigkeit der Objekte zu genau einem der vier Quadranten.For the definition of the assignment to the sub-scenes is for everyone Objects as well as the center of the whole scene Envelope determined. By comparing the coordinates, the The objects belong to exactly one of the four quadrants.

Calculation of the field parameters

Die Modellierung einer Antenne erfolgt über dreidimensionale Position, Sendeleistung, Sendefrequenz und einer optionalen Abstrahlcharakteristik, gegeben durch ein Antennendiagramm. Der Schlüssel zum Einsatz der abstrakten Realisierung einer Antenne ist die Methode strength(). Nach Angabe einer Abstrahlrichtung liefert sie die Feldstärke E in einem Meter Entfernung. Alle dazu notwendigen Berechnungen wie auch die Berücksichtigung der Abstrahlcharakteristik sind in der Klasse gekapselt, so daß eine Umdefinition der Antenne ohne Änderungen in anderen Programmteilen möglich ist.An antenna is modeled using three-dimensional Position, transmission power, transmission frequency and an optional Radiation characteristics, given by an antenna diagram. The key to using the abstract realization of a Antenna is the strength () method. After specifying a The direction of radiation is the field strength E in one meter Distance. All necessary calculations as well as the The radiation characteristics are taken into account in the Class encapsulated, so that a redefinition of the antenna without Changes in other program parts is possible.

Ein wesentliches Problem ist die Wahl der richtigen Antennenstrahlen, um die relevanten Ausbreitungswege zu finden. Bisher orientiert sich die Strahlverteilung an einer gedachten Kugel um die Antenne. Durch Angabe der Bereiche für Azimut- und Elevationswinkel lassen sich Teile der Kugeloberfläche auswählen; die Dichte ist durch entsprechende Schrittweiten beeinflußbar.A major problem is choosing the right one Antenna beams to determine the relevant propagation paths Find. So far, the beam distribution has been based on one imaginary ball around the antenna. By specifying the areas for Azimuth and elevation angles can be parts of the Select spherical surface; the density is through corresponding Step sizes can be influenced.

Im Stadtgebiet ist diese Methode problematisch, da die Prognosefläche im Vergleich zur Antennenhöhe sehr groß ist. Die konstante Schrittweite der sphärischen Koordinaten führt in diesem Fall zu einer Überversorgung der nahen und einer Unterversorgung der entfernten Empfangszellen. Hier greift eine neue Strategie, bei der die Strahlen so ausgesandt werden, daß sie auf freiem Gelände in gleichmäßigen Raster auftreffen würden.This method is problematic in urban areas because the Forecast area is very large compared to the antenna height. The constant increment of the spherical coordinates leads in this case an oversupply of the near and one Undersupply of the remote receiving cells. Here comes into play a new strategy in which the rays are so emitted be that they are in open areas in a uniform grid would hit.

Um unabhängig von den gewählten Antennenstrahlen auf jeden Fall alle Beugungskanten zu finden, die von der Antenne aus sichtbar sind, besteht die Möglichkeit, von dort aus direkt Beugungskegel abzuschicken. Es kommt die sogenannte Edge- Shooting-Methode zum Einsatz, wobei zunächst jede Gebäudekante überprüft wird, ob sie als Beugungskante in Frage kommt, d. h. ob sie konvex ist und auf einer der Antenne zugewandten Gebäudefläche liegt. Sodann wird für mehrere auf dieser Kante liegende Punkte festgestellt, ob sie von der Antenne aus sichtbar sind; von diesen Punkten kann dann direkt ein Beugungskegel generiert werden.To be independent of the chosen antenna beams on everyone Case to find all the diffraction edges from the antenna are visible, it is possible to go directly from there To send diffraction cones. The so-called edge Shooting method used, initially each Edge of the building is checked whether it is in the diffraction edge Question comes d. H. whether it is convex and on one of the antennas facing building area. Then it turns on for several points lying on this edge determined whether they are from the Antenna are visible from; then from these points a diffraction cone can be generated directly.

Da gebeugte Antennenstrahlen an vielen Empfangsorten einen erheblichen Beitrag zur gesamten Feldstärke leisten, ist es sehr wichtig, daß die entsprechenden Beugungskanten gefunden werden. Durch Anwendung der Edge-Shooting-Methode wird dies sichergestellt.There diffracted antenna beams at many receiving locations it makes a significant contribution to the overall field strength very important that the appropriate diffraction edges are found become. By using the edge shooting method, this will ensured.

Während des Strahlverlaufs wird die durch Ausbreitung, Reflexionen und Beugungen reduzierte Strahlleistung mitgeführt. Sie ist ein sinnvolleres Kriterium zum Abbruch der Strahlverfolgung als die bisher eingesetzte maximale Zahl an Reflexionen und Beugungen.During the course of the beam, Reflections and diffractions reduce beam power carried along. It is a more sensible criterion for termination ray tracing as the maximum number used so far of reflections and diffractions.

Die Amplitude eines reflektierten oder gebeugten Strahls wird nach der Geometrischen Beugungstheorie (s. z. B. OKUMURA Y., OHMORI E., KAWANO T., FUKUDA K.: Field Strength and its variability in vhf and uhf land-mobile radio service; Rev. Elec. Communication Lab. 16 (1968), pp. 825-873) aus der Amplitude des einfallendes Strahls durch die Multiplikation mit einem Reflexions- oder Beugungskoeffizienten bestimmt. Die Verwendung der empirischen Reflexions- und Beugungskoeffizienten steht wahlweise zur Verfügung. Die Dämpfung eines Strahls in einem homogenen Medium wird durch die Multiplikation der Amplitude am Anfang des Strahlweges mit einem Divergenzfaktor angegeben.The amplitude of a reflected or diffracted beam is determined according to the geometric diffraction theory (see e.g. OKUMURA Y., OHMORI E., KAWANO T., FUKUDA K .: Field Strength and its variability in vhf and uhf land-mobile radio service; Rev. Elec Communication Lab 16 ( 1968 ), pp. 825-873) determined from the amplitude of the incident beam by multiplication by a reflection or diffraction coefficient. The use of the empirical reflection and diffraction coefficients is optionally available. The attenuation of a beam in a homogeneous medium is given by multiplying the amplitude at the beginning of the beam path by a divergence factor.

Ein wesentliches Konzept im Simulationsmodell ist die Prognosefläche, die bei jedem Schnitt mit dem Strahlweg die Feldstärke registriert. Die Prognosefläche ist nicht unbedingt eine plane Ebene, sondern kann der Geländeoberfläche folgen, wobei die Höhe der Prognosefläche über dem Boden vom Anwender festgelegt werden kann. Normalerweise ist die Höhe der Prognosefläche gleich der Antennenhöhe des Empfängers.An essential concept in the simulation model is the Prediction area that with each cut with the beam path Field strength registered. The forecast area is not necessarily a flat level, but can Terrain surface follow, the height of the forecast area can be set above the floor by the user. Usually the height of the forecast area is the same Antenna height of the receiver.

Als zur zy-Ebene paralleles Rechteck ist die Prognosefläche als spezialisiertes geometrisches Objekt modelliert. Damit ist Erweiterung auf beliebige (z. B. nicht-planare) Prognoseflächen ohne Änderung der restlichen Algorithmen möglich. Durch die Implementation als geometrisches Objekt können Prognoseflächen vollwertige Mitglieder einer Szene sein, und es ergibt sich eine konsistente Behandlung der Schnittpunktsuche und der Visualisierung. Bei der Initialisierung wird eine Rastergröße angegeben, anhand derer die Prognosefläche sich in Empfangsquadrate zur Akkumulation einfallender Strahlen aufteilt. Zum Zugriff auf die sich daraus ergebende Matrix werden geeignete Methoden zur Verfügung gestellt.The forecast area is a rectangle parallel to the zy plane modeled as a specialized geometric object. In order to is extension to any (e.g. non-planar) Forecast areas without changing the remaining algorithms possible. Through the implementation as a geometric object can forecast areas full members of a scene be, and there is a consistent treatment of the Intersection search and visualization. A grid size is specified during initialization, on the basis of which the forecast area is divided into reception squares Splits accumulation of incident rays. To access the resulting matrix becomes suitable methods made available.

Die Verwendung einer rein zweidimensionalen Prognosefläche hat den Nachteil, daß die parallel zum Boden liegenden Empfangsquadrate, von den Strahlen schwer zu treffen sind, wenn sie weiter von der Sendeantenne entfernt liegen oder wenn sie ungefähr in gleicher Höhe der Sendeantenne liegen. Besonders augenfällig wird dieser Umstand, wenn die Empfangsquadrate sich exakt auf Antennenhöhe befinden. Schnittpunkte mit den Antennenstrahlen kommen dann gar nicht vor.The use of a purely two-dimensional forecast area has the disadvantage that those lying parallel to the floor Reception squares, of which the rays are difficult to hit, if they are further away from the transmitting antenna or if they are at approximately the same height as the transmitting antenna. This is particularly evident when the Reception squares are exactly at antenna height. Intersections with the antenna beams do not come at all in front.

Eine Lösung dieses Problems besteht darin, der Prognosefläche eine zusätzliche dritte Dimension, also eine gewisse Höhe, zu geben. Es entsteht eine dreidimensionale Prognosefläche mit einer gewissen Dicke. Die einzelnen Empfangsquadrate werden zu Empfangsquadern, die im allgemeinen dann von den Antennenstrahlen leicht zu treffen sind. Im Gegensatz zu einer zweidimensionalen Prognosefläche kann so auch mit einer geringeren Strahldichte eine flächendeckende Beschickung mit Antennenstrahlen erreicht werden, was zu einer erheblichen Reduzierung der Rechenzeit führt.One solution to this problem is the forecast area an additional third dimension, i.e. a certain height give. A three-dimensional forecast area is created with a certain thickness. The individual reception squares are to receiving cuboids, which are then generally from the Antenna beams are easy to hit. In contrast to a two-dimensional forecast area, it can so also with a lower radiance full coverage with antenna beams reached be, resulting in a significant reduction in computing time leads.

Mit der Nachricht store() wird der Prognosefläche mitgeteilt, daß sie von einem Strahl getroffen wurde. Übergeben wird der Auftreffpunkt, die Feldstärke und die Strahlrichtung. Aus dem Auftreffpunkt ermittelt die Prognosefläche den zugehörigen Empfangsquader und registriert dort den durch Stärke und Richtung charakterisierten Strahl.With the message store () the forecast area is informed that she was hit by a beam. The will be handed over Impact point, field strength and beam direction. From the The point of impact determines the corresponding area Receiving cuboid and registered there by strength and Direction characterized beam.

Bedingt durch das Simulationsmodell ist es notwendig, von mehreren Strahlen, die einen Empfangsquader auf dem gleichen Ausbreitungsweg treffen, jeweils nur einen auszuwerten. Es ist dabei gleichgültig, welcher ausgewählt wird. In der Praxis scheint es zu genügen, in diesem Sinne ähnliche Strahlen anhand ihrer Stärke und Richtung zu vergleichen, wenn damit auch nicht alle theoretisch möglichen Fälle erfaßt werden.Due to the simulation model it is necessary to multiple beams that have a receiving cuboid on the same Propagation route, evaluate only one at a time. It it does not matter which one is selected. In the Practice seems to be enough, in this sense similar Compare rays based on their strength and direction, even if it does not cover all theoretically possible cases become.

Die Elimination ähnlicher Strahlen geschieht intern, indem jedem Empfangsquader eine Strahlliste zugeordnet wird. Jeder mit der Funktion store() gemeldete Strahl wird nur dann gespeichert, wenn nicht schon ein ähnlicher existiert. Als Vergleichskriterien dienen die absolute Differenz der Feldstärken und das Skalarprodukt der Richtungsvektoren, deren Intervallgrenzen vom Benutzer festgelegt werden können.Similar rays are eliminated internally by a beam list is assigned to each receiving cuboid. Everyone the beam reported with the store () function is only then saved if a similar one does not already exist. As Comparison criteria serve the absolute difference of Field strengths and the scalar product of the direction vectors, whose interval limits can be set by the user.

Die Methode calc() schließlich veranlaßt die Prognosefläche, die akkumulierten Strahlen zu Feldstärkewerten zusammenzufassen und diese in der Ergebnismatrix zur Verfügung zu stellen. Finally, the calc () method causes the forecast area to the accumulated rays to field strength values summarize and this in the result matrix for To make available.

Da die Amplitude und die Pfadlänge jedes einzelnen Strahls, der einen Empfangsquader trifft, registriert sind, kann man die Impulsantwort des Funkkanal und die damit verbundenen Parameter wie z. B. das Delay-Spread für den Empfangsquader berechnen.Because the amplitude and path length of each individual beam, who hits a receiving cuboid, are registered, one can the impulse response of the radio channel and the associated Parameters such as B. the delay spread for the receive cuboid to calculate.

Visualization

Das Ergebnis der Feldstärkeverteilung kann z. B. zweidimensional dargestellt werden. Die Feldstärkewerte werden durch Graustufen oder Farbenwerte visualisiert, deren Zuordnung zu den festgelegten Feldstärkeintervallen durch eine Legende angegeben wird.The result of the field strength distribution can e.g. B. be represented in two dimensions. The field strength values are visualized by grayscale or color values whose Assignment to the defined field strength intervals a legend is given.

Da die gesamte Szene durch den speziellen Modellierungsansatz als vollwertiges MRT-Objekt existiert, kann sie ohne Umwege mit den dafür vorgesehenen Methoden dreidimensional angezeigt werden. Zur Kennzeichnung des Antennenstandorts wird dabei ein zusätzliches Objekt erzeugt, das eine abstrakte Antenne modelliert. Die Prognosefläche erhält eine Textur, mit der die Feldstärkeverteilung dargestellt wird. Damit ist eine fotorealistische Visualisierung mittels Ray Tracing oder ein interaktives Durchwandern möglich. Dies ist besonders für den praktischen Einsatz zur einfachen Interpretation der Ergebnisse von großer Bedeutung.Because the entire scene through the special modeling approach as a full MRI object, it can be used without detours displayed three-dimensionally using the methods provided become. This is used to identify the antenna location an additional object that creates an abstract antenna modeled. The forecast area is given a texture with which the field strength distribution is shown. So that's one photo-realistic visualization using ray tracing or a interactive walking possible. This is especially for the practical use for easy interpretation of the Results of great importance.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.In the following the invention will be described in more detail with reference to drawings explained. Here go from the drawings and their Description of further features essential to the invention and Advantages of the invention.

Fig. 1 illustriert mehrere unterschiedliche Ausbreitungswege eines Antennenstrahls von einer Sendeantenne auf einem Gebäudedach zu einem Empfänger in einer Straße; Fig. 1 illustrates a plurality of different propagation paths of an antenna beam of a transmitting antenna on a building roof to a receiver in a road;

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Seitenansicht unterschiedlicher Ausbreitungswege der Antennenstrahlen bis zum Auftreffen auf die Prognosefläche; Fig. 2 shows a side view schematic representation of the different propagation paths of the antenna beams to impinge on the prognosis surface;

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die schematische Darstellung gemäß Fig. 2; Fig. 3 is a plan view of the schematic diagram of FIG. 2;

Fig. 4 ist eine zweidimensionale Visualisierung der simulierten Feldstärkeverteilung. Fig. 4 is a two-dimensional visualization of the simulated field intensity distribution.

Fig. 1 illustriert mehrere unterschiedliche Ausbreitungswege von Antennenstrahlen ausgehend von einer auf einem Gebäudedach 7 angeordneten Sendeantenne 1 zu einem Empfänger 2 in einer Straße. Es sind vier Antennenstrahlen dargestellt, wobei zwei davon, jeweils reflektiert an einem Gebäude 3 bzw. 6, den Empfänger 2 indirekt erreichen. Die anderen zwei untersuchten Antennenstrahlen werden beide am Gebäude 5 gebeugt, wobei einer der Strahlen der nach Beugung am Gebäude 5 den Empfänger 2 erreicht. Der verbleibende Strahl erreicht nach der Beugung am Gebäude 5 mit einem Teil seiner Leistung den Empfänger, wobei der andere Teil am Gebäude 4 reflektiert wird und erst dann den Empfänger 2 erreicht. Fig. 1 illustrates a plurality of different propagation paths of antenna beams from a disposed on a building roof 7 transmit antenna 1 to a receiver 2 in a street. Four antenna beams are shown, two of which, each reflected on a building 3 or 6 , reach the receiver 2 indirectly. The other two antenna beams examined are both diffracted at the building 5 , one of the beams reaching the receiver 2 after the diffraction at the building 5 . After the diffraction at the building 5, the remaining beam reaches the receiver with part of its power, the other part being reflected on the building 4 and only then reaching the receiver 2 .

Am Empfänger 2 treffen also fünf mehr oder weniger starke Antennenstrahlen aus verschiedenen Richtungen und mit verschiedener Laufzeitverzögerung auf. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, wie schematisch dargestellt ist, die Ausbreitungswege jedes Strahls zu verfolgen und Reflexionen und Beugungen zu berücksichtigen und die Leistungsverluste des Strahls während seines Laufes zu ermitteln. Am Ort des Empfängers werden dann die verbleibende Strahlleistung und Laufzeit jedes untersuchten Strahles ermittelt, so daß sich eine resultierende Feldstärke und ein zugeordnetes Impulsdiagramm am Empfangsort 2 ergibt. Five more or less strong antenna beams from different directions and with different propagation time delays strike the receiver 2 . The method according to the invention, as shown schematically, allows the propagation paths of each beam to be tracked and reflections and diffractions to be taken into account and the power losses of the beam to be determined during its run. The remaining beam power and transit time of each beam examined are then determined at the location of the receiver, so that a resulting field strength and an associated pulse diagram at reception location 2 result.

Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt wird im Planungsgebiet, für welches die Funkwellenausbreitung untersucht werden soll, eine Prognosefläche 9 festgelegt, die in einer bestimmten Höhe über dem Boden festgelegt wird. Bevorzugt entspricht die Höhe der Prognosefläche 9 der Höhe, in welcher sich gewöhnlich die Empfänger 2 aufhalten (z. B. 1 bis 2 Meter über dem Boden). Die Prognosefläche 9 ist in einzelne Empfangsquader, z. B. Quader 10, aufgeteilt, wobei die Größe der Quader abhängig ist von der Topographie und der Bebauungsdichte des untersuchten Gebietes. Im Stadtzentrum wird die Größe der Empfangsquader kleiner gewählt werden als in den nur leicht bebauten Randbezirken.As shown in FIGS. 2 and 3, in the planning area for which the radio wave propagation is to be examined, a forecast area 9 is defined, which is set at a certain height above the ground. The height of the forecast area 9 preferably corresponds to the height at which the receivers 2 are usually located (for example 1 to 2 meters above the ground). The forecast area 9 is in individual receiving blocks, z. B. cuboid 10 , divided, the size of the cuboid is dependent on the topography and the density of development of the area under investigation. In the city center, the size of the reception blocks will be smaller than in the only lightly built-up suburbs.

Ausgehend von einem festgelegten Antennenstandort 1 wird nun die in den Empfangsquadern auftreffende Strahlleistung und Empfangsqualität (Impulsantwort) untersucht, wobei die im Planungsgebiet (z. B. Stadtgebiet) vorhandenen Objekte (z. B. Bauwerke, Bäume, Wasserflächen usw.) als dreidimensionale Objekte dargestellt und in die Berechnung mit einbezogen werden.Starting from a fixed antenna location 1 , the beam power and reception quality (impulse response) arriving in the receiving blocks are now examined, with the objects (e.g. buildings, trees, water surfaces, etc.) existing in the planning area (e.g. city area) as three-dimensional objects are shown and included in the calculation.

Von der Antenne 1 wird nun z. B. ein Strahl 12 ausgesandt, der den untersuchten Empfangsquader 10 direkt trifft, wobei dessen Richtungswinkel, Laufzeit und Strahlleistung vom Empfangsquader registriert wird. Dazu wird während des Strahlverlaufs jedes Strahl dessen augenblickliche Feldstärke E und Laufzeit bzw. Lauflänge s mitgeführt.From the antenna 1 z. B. a beam 12 is emitted, which strikes the receiving cuboid 10 examined, its directional angle, transit time and beam power being registered by the receiving cuboid. For this purpose, each beam's instantaneous field strength E and transit time or run length s are carried along during the beam path.

Ein Stahl 11 wird ebenfalls von der Antenne 1 ausgeschickt, trifft jedoch nicht direkt auf den untersuchten Empfangsquader, sondern wird vom Objekt 8 reflektiert und gelangt dann als reflektierter Strahl 11' zum Empfangsquader 10.A steel 11 is also sent out by the antenna 1 , but does not strike the examined receiving cuboid directly, but is reflected by the object 8 and then reaches the receiving cuboid 10 as a reflected beam 11 ′.

Für die beiden im Empfangsquader auftreffenden Strahlen 11' und 12 wird im Empfangsquader deren Leistung und Laufzeit registriert, wobei mit diesen Daten Aussagen über die Empfangsqualität im untersuchten Empfangsquader gemacht werden können.For the two beams 11 'and 12 incident in the receiving cuboid, their power and transit time are registered in the receiving cuboid, it being possible to use these data to make statements about the reception quality in the receiving cuboid being examined.

Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit der Visualisierung der Simulationsergebnisse in Form einer zweidimensionalen Darstellung. Fig. 4 shows a way of visualization of the simulation results in the form of a two-dimensional representation.

Das Planungsgebiet und die darin befindlichen Objekte sind im Grundriss dargestellt. Man erkennt den Standort der Sendeantenne und die resultierenden Feldstärken innerhalb des Planungsgebiets, wobei die Feldstärkewerte E in dBµV/m als Graustufen oder Farbwerte dargestellt sind. Anhand einer derartigen Darstellung lassen sich Bereiche im Funkschatten leicht ausmachen und der Antennenstandort entsprechend optimieren. The planning area and the objects in it are in Floor plan shown. You can see the location of the Transmitting antenna and the resulting field strengths within the Planning area, where the field strength values E in dBµV / m as Grayscale or color values are shown. Using such a representation, areas in the Make out radio shadows easily and the antenna location optimize accordingly.

Drawing legend

11

Antenne
antenna

22nd

Empfänger
receiver

33rd

Gebäude
building

44

Gebäude
building

55

Gebäude
building

66

Gebäude
building

77

Gebäude
building

88th

Objekt
object

99

Prognosefläche
Forecast area

1010th

Empfangsquader
Receiving cuboid

1111

, ,

1111

' Antennenstrahl
'' Antenna beam

1212th

Antennenstrahl
Antenna beam

Claims

1.Procedure for computer-aided prediction of radio wave propagation in a defined planning area, with at least one antenna location and other objects in the planning area, the terrain shape and building geometries being recorded in the planning area, and also the antenna diagram of the transmitting antenna being determined from measured values in order to determine the reception power of the To determine the receiver or the field strength at the receiving antenna by summing different wave components, with the following steps:
Setting a forecast area at a predetermined height above the site;
Determination of diffraction edges of every object located within the planning area,
Emulating the radiation of the antenna by antenna beams from the location of the transmitting antenna,
Determining the multipath propagation of the simulated antenna beams by tracking each individual antenna beam taking into account the reflections and / or diffractions on the objects, the remaining beam power and the path length traveled for each antenna beam being carried along in the beam path and the antenna beams being simulated such that they are in open terrain regardless of the distance to the antenna location, hit the forecast area at approximately equidistant intervals,
characterized by
that a predetermined thickness is defined for the forecast area ( 9 ) and the forecast area is subdivided into a multiplicity of reception blocks ( 10 ), and the beam power and path length of each antenna beam ( 11 , 12 ) which strikes or intersects a reception block ( 10 ), registered there and the associated beam power is accumulated.

2. The method according to claim 1, characterized in that those in the planning area for which Radio wave propagation relevant objects through a planar Approximation of their surface or their enveloping body being represented.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized characterized in that both the three-dimensional location of the Transmitting antenna and its radiation pattern can be specified is.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the surface quality and the electrical properties of the surface of the objects be taken into account.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized that those in the planning area Objects and the received field strength of each one Receiving cuboid graphically in two or three dimensions Representation is visualized.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized characterized in that similar antenna beams that a Hit the reception cuboid on the same propagation path be taken into account and accumulated only once.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the calculation of the further Beam path is interrupted when the with the Antenna beam carried beam power a minimum value falls below.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized that based on the signal amplitude and path length the antenna beams impinging on a receiving block the resulting impulse response is determined.