像以前章节中强调的那样，射线模型的一般特点是在城市环境宏蜂窝下的长计算时间，特别是在需要输入大型数据库时。此外，众所周知，传统的射线模型不能完全重现正确的空间和角度分布，结果产生宽带和多维预测性能的损害。除了以前章节的研究，例如数据库简化研究，快速BL法模型等，COST 273具体研究了旨在减少计算时间和提高射线模型性能或容量的技术。

图4.13 墙壁的墙瓦及墙段

1.提速技术

在参考文献［HoWW03］中提出了加速三维射线模型的新方法。由于数据库所考虑的城市在一个或更多的“运行”中始终是相同的拓扑结构，只有TX和RX的位置发生变化，大部分的光线保持不变:只有连接终端的射线才会发生改变。因此，可以执行一种“数据库预处理”方法，它只能依靠特殊的拓扑结构。在第一步中，建筑物墙壁被分为墙瓦及横向和垂直的边（见图4.13）。之后，确定这些不同元素（可能射线）之间的能见度并存储在一个文件中。数据库中所有墙瓦和墙段之间能见关系在预处理阶段计算，因为它们相对于终端的位置独立。出于这个目的，它们的中心代表所有的元素，这导致了路径发现的离散问题，如图4.13所示。基于这种路径寻找的处理可以像射线发射算法一样通过预处理所有可见元素并检测特殊情况下反射和衍射是否满足情况来获得。如果达到一个接收点或给定的相互影响的最大数量，那么停止射线搜索。如果在同一拓扑下必须进行连续运行，那么大部分的计算已经获得并存储在一个文件中。该模型显示在慕尼黑市3个不同的路由下性能良好，这是在COST231盲测试考虑下:平均误差是小部分分贝，标准偏差约是7dB。

室内环境有类似的情况。在参考文献［WZWH03］中，室外的预测用了上述的同一种方法，然后对一个封闭的空间用另一个BL模式，用两个模型之间的适当接口实现从一个城市到一个室内场景的过渡计算，反之亦然，从而得到车辆或建筑内的接收功率或场强的精确计算。作为一个接口边界，包括整个室内数据库的一个多边形柱面是自动确定的。使用平均功率延迟曲线（Average Power Delay Profile，APDP）作为处理两个传播模型接口的适当的途径。它包括场强值、延迟和对车辆或建筑物的外墙电磁波的入射角。这两个传播模型之间之所以需要一个过渡是因为在室内或车辆内比市区的情况需要较小的离散。比较电场强度的预测结果和测量结果:和参考文献［HoWW03］得到的结果相比一致性良好。图4.14是一个室外基站对室内覆盖的预测示例。很明显场主要是通过车窗渗透进车内，因此在客运车厢它提供了一个比较好的覆盖。

2.漫散射研究

常规射线模型只考虑经过镜面反射或衍射的射线，但忽视了漫散射现象，这可能对传播产生重大影响。像这里的意图一样，漫散射是指一个统一的平层上的信号散射而不是镜面方向作为建筑物墙体的偏差（表面或体积不规则）。建筑物的漫墙壁散射建模是一个相当困难的问题，因为在大多数的假设理论研究中建筑墙的不规则通常不能用高斯表面粗糙度来建模。此外，建筑墙面旁边的物体（而不是其上的物体），如路牌、交通灯、广告牌和树木等，都有助于在市区环境下构建非GO散射。最近的研究一直集中于开发漫散射现象的某种射线理论（或现象）。在参考文献［Bert02］中有一个有趣的研究，它使用一种电磁场的方法来确定典型建筑物的漫散射特性。这项研究表明，漫散射集中在Keller衍射锥对应的外部装饰的水平和垂直边缘，如缩进结构和窗等。

但是，最近的一项实验研究（见参考文献［DEFVG05］）显示，单叶连续散射模式较好地体现了从远处观察典型的建筑墙体的平均散射能力。这可能是由于这一事实，即一个相当大百分比功率渗透进大楼，与家具和内部结构相互作用，然后再以一个明显不按衍射/反射规则的混乱方式重新穿出大楼。

在参考文献［BHHT04a］中，作者采用了先进的“合成阵”方法来确定一个带窗砖建筑墙体散射波的强度，角度和到达时间。墙壁被微带天线照亮，那么用RX天线（以及微带天线）对墙壁前的矩形空间扫描以配置一个10×10元素合成的均匀矩形阵列。该虚拟阵列的输出用ESPRIT的超分辨技术存储和处理，以确定每个单散射波并提取相应参数。结果表明，除了会反射的性能，墙壁产生大量的散射波:许多薄弱波归因于“砖的粗糙度”，强波是来自窗体的金属框架。

图4.14 一个GSM基站对一个停车场的渗透

参考文献［GhTI04］给出了一个相似的调查，以期查明在典型的城市微孔环境中主导散射的元素。在日本横滨市像这种人口稠密的城市地区进行了一连串的测试。发射（TX）和接收（RX）天线同时安装在LoS街头3m的高度上。街道宽26m，TX和RX天线都位于距同一侧街道5.5m地位置。周围大厦平均20m高。测量是在车流量很小的午夜完成的。在RX天线用一个旋转定向天线和一个滑动相关器，作者可以获得每一个DoA的电源延迟图。PDP的分析显示，大部分的贡献是时间集群。通过比较精确的地图包括与接收功率的空间分布相关的所有现存物体，可以明显地观察到，对像招牌、交通标志、路灯、交通灯和环境中几乎任何金属物体所收到集群大多是分散波。功率因素表明，在一个人口稠密的城市地区这些物体的散射之和约占非视距接收功率的20％。

最近的研究表明，漫散射是在城市环境中确定无线电信号的时间和角度分布的基础（见参考文献［DeBe99］［LKTH02］）。有几位作者因此试图把漫散射性能扩展到射线模型中已达到改善多维宽带预测性能的目的。COST 273关于这项研究的最初成果在参考文献［DDGW03］中，它提出了把表面粗糙度纳入确定BL模型的漫反射模型。据了解，散射是一些撞击在建筑物的墙壁上的能量而不是由于表面粗糙度造成的反射。散射能源一般分为所谓的相干和非相干部分（见参考文献［UlMF96］）。相干部分随着表面粗糙度的减小而增加，而非相关（或扩散）组件会变得更加显著。由于粗糙表面散射通常是一个随机过程（与一个确定的例外（因此称为）表面结构），一般来说，只有其平均部分可以被包含在确定性射线传播模型中。这意味着组件可以由与标量和固定相位近似的基尔霍夫或更复杂的积分方程方法决定。该技术在参考文献［DDGW03］中提出，它用一个“随机”元素扩展了确定性模型，该随机元素能对不只包含平均值的散射过程瞬间实现。与基尔霍夫方法类似，该方法基于切平面近似，也就是说，它是适用于轻轻起伏的表面，与附带波长相比，其平面的水平维度较大。然而，与基尔霍夫模型相比，它只对稍微粗糙或非常粗糙的表面有效，提出随机散射方法包括同一时间的相干和非相干部分。利用射线发射，每个局部平面波前实际上是由多个离散射线，而不是一个离散射线组成。不是在相同的边界平面所有离散光线被折射，而是这个平面的方向（即其正常的方向向量）及其位置（即其高度）随着每个离散射线和每个反射统计的变化而变化。在这个意义上，每一个离散的射线代表一个局部平面波前的基本波。该局部切面直接关系到相应表面的粗糙度统计。这些切面都是局部的，在这个意义上讲，对每个离散射线产生一个不同的切平面。

图4.15比较了这项新技术和基尔霍夫模型。例子中考虑:相对粗糙表面的表面高度标准差σ_h=0.710，相关长度L=4λ₀，相对介电常数∈_r=（10-j3）和相对渗透率μ_r=1，大小L_x=L_y=8λ₀。对于光线随机散射方法，各向同性源位于θ_i=60°，ϕ_i=0°的位置，距离平面r_i=2000λ₀。在平面表面，该射线冲击被分隔成x和y方向各λ₀/10，每次实现产生N=81×81=6561条射线。在距离平面中心r_s=2000λ₀的上半球上确定其产生的场，这个距离相当于约8倍的远场的距离，一个Δθ=Δϕ=1°。这个集合平均一共采用了M=10⁵次实现。

图4.15描绘每单位面积的雷达截面（Radar Cross Section，RCS）矩阵的组成部分，单位面积是对固定相位近似的基尔霍夫散射模型的弥漫性（或不连贯）组成部分来说的，如图4.15a所示，图4.15b是用随机散射的方法。图4.15a中的折线表示基尔霍夫模型的有效性的区域限制。图4.15b中底层缺失的颜色标明用随机散射的方法射线无法到达的区域。反射方向的绝对值，例如σ^oϕϕ在两种情况下都是6.3dB。在这种表面类型中（低于不相关分量不少于50dB）相干散射分量可以忽略不计。这两种方法都显示相同的平均散射能力:共极ϕϕ组件比θθ组件有更明显的主瓣，在这个区域中散射能量的最大值在接近反射方向的区域，共极部分的最小值在反射F方向上。在不太粗糙的表面上的相干散射显示了基尔霍夫模型和随机散射方法的较好的一致性。应用此随机散射方法，随机（但直接）表面散射结合光传输模型成为可能。用一个“随机”的组成部分扩展了纯粹确定性GO模型，从而产生不同的预测结果，因此首次在光波传播非确定性散射模型中允许使用。

参考文献［DGMA04］和［DSGK02］提出了地表和体积不均匀下的RT模型的漫反射集成方法。参考文献［DeBe99］和［Degl01］提出了所谓的有效粗糙度（EffectiveRoughness，ER）方法，这种方法首先被用在三维RT模型并对测量结果进行了比较。根据ER方法，漫散射虽然主要是由于表面和体积不规则（如窗口、阳台、压痕、装饰(www.daowen.com)

图415 正方形粗糙表面每单位面积σ^o_θθ，σ^o_θϕ，σ^oϕθ，σ^oϕϕ的RCS矩阵元素

（源方向:θ_i=60°，ϕ_i=0°）

元素、雨水管、内部加强、电源线、暖气管等），但是我们假设是由表面粗糙度引起的散射。为了考虑不只是真实的表面粗糙度，还有上面提到要素的平均的影响，每面墙壁的有效粗糙度都将被联系。兰伯特散射模式归因于每面墙壁（如果墙面距离TX和RX足够远）或每个表面元素（如果墙面封闭）。每个墙壁的散射可以从墙与TX、RX的距离以及方向用功率平衡的简单分析公式直接计算，这只取决于一个参数，散射参数S.S定义为散射场的幅度比入射场表面附近的幅度。在墙体较远的情况下，总散射场振幅二次方是

式中，G_t和P_t分别是发射天线的增益和输入功率;A是墙体的面积。

式（4.2）的角度和距离如图4.16所示。为了满足整体的功率平衡，镜面反射和衍射也相应地减弱，这种减弱是根据瑞利因子R进行的。典型建筑物的实际S和R值为S=0.4及R=0.6（见参考文献［DeBe99］）。为简单起见，只考虑一阶散射。参考文献［DEGDA04］结果报告了在斯德哥尔摩城市的微单元环境功率延迟剖面测量和模拟的对比。漫射部分被证明是十分重要的，特别是在宏蜂窝宽带评估中。例如在图4.17中，在S=0.4与S=0.6情况下均匹配良好。相反，在普通的二维RT模型得不到散射的结果是不可接受的。请注意，二维射线跟踪结果不包括第一个高峰，这当然必须使用ORT计算模型。因此，利用传统的二维RT+ORT模型预测的整体接收功率确实具有良好的准确性，同时，由于对功率延迟剖面尾部的严重低估，如DS之类宽带参数将被严重低估。类似的结果，参考文献［DSGK02］报告了在赫尔辛基市多径信道时延扩展和角度的更完整的描述（见4.5节）。

参考文献［DeFG03］报告了在ORT传播散射作用下的一个有趣的研究。在密集城市环境，那里的建筑平均高度相差无几，甚至比街道更宽，多屏衍射只占整体ORT传播机制的一部分。特别是，ORT的路径的最后一部分，所谓的屋顶到街（RtS）的一部分，是一个复杂的现象，它涉及多个反射和MT周围建筑物的散射。一些作者提出垂直平面的二维RT法，它用多个反射/衍射来对RtS建模。不过单独的反射和衍射，对于密集城市环境的RtS传播是没什么效果的，因为前者需要大量的反弹，后者大量涉及深阴影衍射，这是非常薄弱的。据参考文献［DeFG03］初步研究报告，在典型环境中用RT法对RtS进行了模拟，包括垂直平面的ER散射，建筑物的顶部和上部的漫散射，这往往是由基站直接说明，在RtS贡献中起决定性作用。

3.超宽带（UWB）传输由模拟射线追踪

UWB是一项非常有前景的技术，适合于高数据传输速率、短距离传输，允许非常低的功耗（因此便携式终端有非常长的电池持续时间）情况。参考文献［LoGC05］在室内环境把三维RT模型应用于超宽带传输模型。该模型应用到超宽带光传输的预测是相当简单的。由于多径几何模式不取决于频率，RT算法产生光线的方式和窄带情况类似。相反，每条射线的振幅和相位/延迟时间取决于频率，这是因为上述元素取决于频率反射和衍射系数和对天线接收/发射特性。TX发送的超宽带时域脉冲不只是由于多径复制也由于上述特点而扭曲。本论文中还说明了电介质板在墙壁内传播UWB脉冲的多跳影响。由于必须考虑天线模式与频率的相关性，RT模拟器必须加入一个时域天线图。图4.18显示了传输脉冲对整体室内传播的影响。

图4.16 通用表面的入射角度（θ_i）和散射角度（θ_s）示意图

图4.17 功率延迟剖面有散射和没有散射情况下的测量和模拟

图4.18 在同一层楼办公环境下简单的NLoS TX和RX的超宽带脉冲