三维单纯形射线追踪法通用算法的研究与实现

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射线追踪是一种被广泛应用于移动通信和个人通信环境中的预测无线电波传播的技术。在规划移动通信网时,利用射线追踪可以精确预测无线电波路径损耗特性,从而得到系统在实际传播环境中的性能,为合理地规划和设计无线通信网提供了必要条件,同时也是研究无线移动通信系统性能的前提。   本文所研究的主要内容如下:   首先,在前人的基础上发展了单纯形射线追踪方法,并对三维情况下的追踪算法进行了研究。在这种方法中,三维环境被剖分成若干个无缝且互不重叠的四面体单元,射线在四面体单元间穿行。经过研究射线和四面体的空间矢量关系得出了射线穿入和穿出四面体单元的三维矢量代数模型,利用此模型可以判定出射线穿过四面体时的穿入面和穿出面,也可以求出穿入点和穿出点的位置矢量,进而可以得到射线在四面体单元间穿行的轨迹。另外,传统的射线跟踪方法需要花费超过90%的CPU时间进行射线-多面体面相交测试,而利用单纯形法的矢量代数模型时,射线和反射面的相交过程简单直接,并且这种相交也不需要通过几何测试的方法来判定,进而算法的效率得到了很大的提高。   其次,实现了可用于对任意环境的射线追踪程序,并针对有多个散射体的房间作了计算,以散射体为中心,先把存在散射体的空间剖分成多个长方体,再把每个长方体(不包括散射体)剖分成五个四面体,按照单纯形的射线追踪方法,进而可以得到射线在四面体单元间穿行的轨迹。实现了算法上的通用性,大大增强了适用的范围。   在MATLAB平台实现了上述算法,并结合相关文献对特定的室内视距环境进行仿真及数据分析。在仿真中利用单纯形射线追踪的基本思想,同时结合了几何光学理论和一致性绕射理论等,得到了所有直射、反射和绕射射线的轨迹,计算出了接收点的场强。计算结果与文献结果吻合性良好,进而验证了本文所提方法的有效性。
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