[发明专利]一种基于多波模场区划分的隧道环境用无线设备覆盖优化方法

说明书

本发明涉及一种基于多波模场区划分的隧道环境用无线设备覆盖优化方法，属于无线通信领域。首先无线基础设备获取隧道内终端设备的位置参数；利用多波模理论估计并比较水平极化和垂直极化电磁波的近场区边界；估计无线基础设备在整个覆盖范围通信的最佳天线极化，并对电磁波传播的近场区和远场区进行划分；然后若电磁波的传播场区不需要被划分，终端与无线基础设备均采用水平极化天线进行通信；反之，判断终端处于近场区还是远场区，当判断为近场区时，终端与无线基础设备均采用垂直极化天线进行通信；当判断得出终端位于远场区时，终端与无线基础设备均采用水平极化天线进行通信或者采用垂直极化天线通信，其步骤简单，使用效果好。

技术领域

本发明涉及一种无线设备覆盖优化方法，尤其适用于井下隧道中使用的一种基于多波 模场区划分的隧道环境用无线设备覆盖优化方法，属于无线通信中的电磁信号覆盖和能效 管理技术领域。

背景技术

随着智慧城市、智慧矿山等技术的发展，利用电磁信号通信的无线设备被广泛应用于 铁路和公路隧道、地铁、矿井等环境中，为人员定位、环境监测、自动化生产、智能化管理等提供服务。无线设备主要由电池供电，因而能量有限。通过提高电磁信号的传输能效来优化设备的无线覆盖具有诸多好处，例如，减少通信设备的能耗、延长设备的使用时间；减少无线接入节点、中继节点等的部署密度、降低无线通信设备的部署成本；延长无线网络寿命、增强无线网络的连通性。

目前隧道、地铁、矿井等环境中的无线覆盖优化方案有，改进无线设备的部署位置、 减小收发天线的波束宽度。上述覆盖方案在整个覆盖场区只采用一种天线极化进行通信。 然而，根据隧道中天线极化对电磁波信号传播的影响机理(Y.Huo,L.Zhao,Q.S.Hu,E.J.Ding, X.H.Zhao,and Z.Sun.“Optimal deployment of antenna for fieldcoverage in coal mine tunnels”, IEEE Access,vol.8,no.1,pp.2169-3536,2020.)，同一种极化在天线的近场区和远场区可能产 生不同的覆盖性能。当电磁信号在发射天线的近场区域传播时，垂直极化天线可以获得高 于水平极化天线的路径损耗；而当电磁信号在发射天线的远场区传播时，只有水平极化天 线才能实现较低的路径损耗。为了进一步提高无线信号的传输能效，有必要对无线通信的 最佳极化进行估计、对无线通信设备的近场区和远场区进行合理划分，根据电磁波信号的 实际传播区域配置相应的最优天线极化。

现有无线设备的近场区、远场区划分方法包括第一菲涅尔间隙划分法和系统识别法。 这两种方法均不能用于比较不同极化电磁信号的路径损耗，故而无法估计具有较高传输能 效的最佳天线极化。基于现有场区划分的覆盖优化会导致不合理的天线极化配置，造成较 高的信号传输损耗。

现有的无线传感器网络技术能够提供海量有用的信息，如用户的定位信息、惯导信息、 速度信息等，通过合理利用这些信息并结合天线极化对信号传播的影响机理，可以在不增 加算法复杂度的基础上，大大优化无线设备的覆盖功率，提高信号的传输能效。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种应用难度小，方法简单，能有效提高 无线信号传输能效的基于多波模场区划分的隧道环境用无线设备覆盖优化方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的基于多波模场区划分的隧道环境用无线设 备覆盖优化方法，适用于隧道内组网覆盖无线网络的一个无线基础设备：如基站、微基站、 无线接入节点、中继节点，以及存储数据用的服务器，无线网络区域内设有移动终端设备；

其步骤为：

a首先在隧道中设置一个笛卡尔坐标系，坐标系的原点位于隧道的中心，利用x、y、z轴分别沿隧道的宽度、高度和长度方向，无线基础设备的天线坐标已知记为(x₀,y₀,z₀)；