本發明涉及交通干線的通信覆蓋技術領域，尤其是涉及一種基于天線與交通干線垂直距離、天線掛高、不同入射角對應車體穿透損耗的基于功率波瓣旋轉的交通干線覆蓋最優掠射角獲取方法。
背景技術：
隨著高速鐵路、高速公路等交通干線建設的飛速發展，交通干線的通信覆蓋問題也成為了業界研究的熱點問題，但目前沒有一種有效的計算最佳掠射角的方法，為解決這個難點，從而提出了一種基于功率波瓣旋轉的交通干線覆蓋最優掠射角獲取方法。由于天線發射的功率波瓣近似橢圓形，導致主瓣功率最大值方向與交通干線交叉附近覆蓋較好，但不能有效保證主瓣功率大角度點對應的覆蓋區域的信號覆蓋，尤其是掠射角大的情況下，天線垂直交通干線周邊的信號覆蓋反而難以保證，造成燈下黑現象。同時不同掠射角對應車體損耗也不同，如何有效的保證不同掠射角造成不同傳播損耗和穿透損耗對應的主瓣不同角度功率點對應的覆蓋是否滿足需求也成為規劃掠射角的難點。
技術實現要素：
本發明的發明目的是為了克服現有技術中主瓣功率大角度點對應的覆蓋區域的信號覆蓋差，尤其是掠射角大的情況下，天線垂直交通干線周邊的信號覆蓋反而難以保證的不足，提供了一種基于天線與交通干線垂直距離、天線掛高、不同入射角對應車體穿透損耗的基于功率波瓣旋轉的交通干線覆蓋最優掠射角獲取方法。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種基于功率波瓣旋轉的交通干線覆蓋最優掠射角獲取方法，包括如下步驟：
(1-1)測量天線與交通干線的垂直距離lv，測量交通干線與經線夾角θ1；
(1-2)測算垂直距離空間傳播損耗及車體穿透損耗；
(1-3)計算垂直距離覆蓋主瓣功率角θmax、功率波瓣旋轉函數f(θ+△θ)和臨界掠射角θga；
(1-4)計算主瓣滿足覆蓋指標最小功率角θmin和最優掠射角θga_opt。
本發明通過建立數學模型，從天線與交通干線垂直距離、天線掛高、不同入射角的車體穿透損耗等因素出發，能夠使同一扇區覆蓋信號滿足指標的連續性，從而保證用戶感知的同時，得到最優掠射角θga_opt。
本發明所得的基于功率波瓣旋轉的交通干線覆蓋最優掠射角獲取方法，從功率角波瓣強度納入考慮，提出全新的最優掠射角確定方法。
本發明所得的基于功率波瓣旋轉的交通干線覆蓋最優掠射角獲取方法，綜合考慮了功率角波瓣強度和不同掠射角的對應不同的車體損耗，滿足覆蓋電平指標的同時，保證單扇區最大有效覆蓋距離，從而最大可能地提升客戶滿意度，相同建設方式減少建設站點數，最大限度提升投資回報率。
作為優選，步驟(1-2)包括如下步驟：
(1-2-1)計算天線至車體外表面的路徑損耗l
l＝46.3+33.9log10f-13.82log10hs+(44.9-6.55log10hs)log10l+m；
其中：f為信號頻率，hs為天線掛高，m為修正因子，l為天線與車體入射點距離；
(1-2-2)計算電磁波信號垂直車體穿透損耗sp1
其中：ω為角頻率，μ為磁導率，σ為電導率，ρ1、ρ2分別為空氣和車體材料密度，ν1、ν2分別為電磁波在空氣和車體材料中的傳播速率，d為電磁波信號穿透車體經過距離。
作為優選，步驟(1-3)包括如下步驟：
(1-3-1)計算垂直距離覆蓋主瓣功率角
根據覆蓋電平指標要求建立如下方程，利用方程計算θmax，
△θ＝θmax-θ1-π/2；
其中：e基站機頂輻射功率，g天線峰值增益，cl為線纜和接頭損耗，f(θ)歸一化波瓣功率系數，θ波瓣功率角，
(1-3-2)獲得功率波瓣旋轉函數
利用△θ獲取功率波瓣旋轉函數f(θ+△θ)；
(1-3-3)計算垂直距離覆蓋臨界掠射角θga
θga＝π/2-(θmax-θ0)，其中，θ0為主瓣輻射角。
作為優選，，步驟(1-4)包括如下步驟：
利用公式
其中：sp2為信號斜射入車體穿透損耗，
令θ0’＝θ0-△θ，利用θ0’與θmin比較，當θ0’≥θmin時，最優掠射角θga_opt＝π/2-(θmax-θ0)；當θ0’＜θmin時，根據波瓣功率角的對稱性，最優掠射角在θga基礎上須旋轉角度為2(θmin-θ0’)，即θga_opt＝θga+2(θmin-θ0’)，獲得最優掠射角θga_opt(如下式)
作為優選，利用如下公式計算sp1：
其中，n1、n2分別為電磁波在空氣和車體材料中的折射率。
作為優選，利用如下公式計算sp2：
因此，本發明具有如下有益效果：滿足覆蓋電平指標的同時，保證單扇區最大覆蓋距離，從而最大可能地提升客戶滿意度，相同建設方式減少建設站點數，最大限度提升投資回報率。
附圖說明
圖1是本發明的交通干線與天線掠射角的一種結構示意圖。
圖中：天線1、車體2。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的描述。
如圖1所示的實施例是一種基于功率波瓣旋轉的交通干線覆蓋最優掠射角獲取方法，包括如下步驟：
(1-1)測量天線與交通干線的垂直距離lv，測量交通干線與經線夾角θ1；
(1-2)測算垂直距離空間傳播損耗及車體穿透損耗；
(1-2-1)計算天線至車體外表面的路徑損耗l
l＝46.3+33.9log10f-13.82log10hs+(44.9-6.55log10hs)log10l+m；
其中：f為信號頻率，hs為天線掛高，m為修正因子，l為天線與車體入射點距離；
(1-2-2)計算電磁波信號垂直車體穿透損耗sp1
其中：ω為角頻率，μ為磁導率，σ為電導率，ρ1、ρ2分別為空氣和車體材料密度，ν1、ν2分別為電磁波在空氣和車體材料中的傳播速率，d為電磁波信號穿透車體經過距離。
(1-3)計算垂直距離覆蓋主瓣功率角θmax、功率波瓣旋轉函數f(θ+△θ)和臨界掠射角θga；
(1-3-1)計算垂直距離覆蓋主瓣功率角
根據覆蓋電平指標要求建立如下方程，利用方程計算θmax，
△θ＝θmax-θ1-π/2；
其中：e基站機頂輻射功率，g天線峰值增益，cl為線纜和接頭損耗，f(θ)歸一化波瓣功率系數，θ波瓣功率角，
(1-3-2)獲得功率波瓣旋轉函數
利用△θ獲取功率波瓣旋轉函數f(θ+△θ)；
(1-3-3)計算垂直距離覆蓋臨界掠射角θga
θga＝π/2-(θmax-θ0)，其中，θ0為主瓣輻射角。
(1-4)計算主瓣滿足覆蓋指標最小功率角θmin和最優掠射角θga_opt。利用公式
其中：sp2為信號斜射入車體穿透損耗，
令θ0’＝θ0-△θ，利用θ0′與θmin比較，當θ0’≥θmin時，最優掠射角θga_opt＝π/2-(θmax-θ0)；當θ0’＜θmin時，根據波瓣功率角的對稱性，最優掠射角在θga基礎上須旋轉角度為2(θmin-θ0’)，即θga_opt＝θga+2(θmin-θ0’)，獲得最優掠射角θga_opt(如下式)
具體實例：
本實例包括直距離和夾角測量、垂直距離空間傳播損耗及車體穿透損耗、垂直距離覆蓋主瓣功率角確定、功率波瓣旋轉函數及最優掠射角、主瓣滿足覆蓋指標最小功率角、單扇區有效覆蓋長度等步驟。
下面以交通干線(如圖1所示)為例進行具體說明。圖1中包括天線1和車體2。
步驟1：天線與交通干線垂直距離和交通干線與經線夾角測量
步驟1-1：測量天線與交通干線的垂直距離lv＝0.2km；
步驟1-2：測量交通干線與經線的夾角θ1＝π/6；
步驟2：垂直距離空間傳播損耗及車體穿透損耗
步驟2-1：根據傳播模型測算天線至車體外表面路徑損耗
l＝46.3+33.9log10f-13.82log10hs+(44.9-6.55log10hs)log10l+m；
其中：f為信號頻率，f＝1920mhz；
hs為天線掛高，hs＝35m；
m為模型校正后的修正因子，m＝5db；
l為天線與車體入射點距離l＝lv＝0.2km；
步驟2-2：電磁波垂直車體穿透損耗
電磁波經過車體后會產生吸收和反射損耗，其損耗為sp1
其中：ω為角頻率，ω＝2π×1920；
μ為磁導率，μ＝4π×10-7(h/m)；
σ為電導率，σ＝57.2(sm/mm)；
ρ1、ρ2分別取為空氣和車體玻璃材料密度，ρ1＝1.293kg/m3、ρ2＝2500kg/m3；
n1、n2分別取電磁波在空氣和車體玻璃材料中的折射率，n1＝1.0003，n2＝1.46；
d為電磁波信號穿透車體經過距離，d＝0.015m；
步驟3：垂直距離覆蓋主瓣功率角、功率波瓣旋轉函數及臨界掠射角確定
步驟3-1：垂直距離覆蓋主瓣功率角確定
根據覆蓋電平指標要求建立方程，根據方程(如下式所示)求解得到θmax，
其中：e基站機頂輻射功率，e＝43dbm；
g天線峰值增益，g＝20db；
cl為線纜和接頭損耗，cl＝12db；
f(θ)歸一化波瓣功率系數；
θ0為主瓣輻射角，θ0＝π/2；
sp1為垂直車體損耗，
s為切換帶電平余量，s＝3db；
k為覆蓋要求電平值指標，k＝-100dbm；
數值代入公式得θmax＝0.818412684π
步驟3-2：功率波瓣旋轉函數
計算△θ＝θmax-θ1-π/2＝0.818412684π-π/6-π/2＝0.151746017π
根據△θ獲取功率波瓣函數f(θ+△θ)，
步驟3-3：垂直距離覆蓋臨界掠射角θga如下
θga＝π/2-(θmax-θ0)＝π/2-(0.818412684π-π/2)＝0.181587316π
步驟4：主瓣滿足覆蓋指標最小功率角θmin及最優掠射角θga_opt確定
θ取值區間(0，π)，步長為s＝0.001
若|e+g+10log10f(θ+δθ)-(sp2+l+cl)-k|＜eps對應
其中：sp2為信號斜射入車體穿透損耗；
取eps＝0.002
θ＝0.40794556π時，
e+g+10log10f(θ+δθ)-(sp2+l+cl)-k＝0.001665127＜0.002
取θmin＝0.40794556π
令θ0’＝θ0-△θ，利用θ0’與θmin比較，當θ0’≥θmin時，最優掠射角θga_opt＝π/2-(θmax-θ0)；當θ0’＜θmin時，根據波瓣功率角的對稱性，最優掠射角在θga基礎上須旋轉角度為2(θmin-θ0’)，即θga_opt＝θga+2(θmin-θ0’)，獲得最優掠射角θga_opt(如下式)
θ0’＝π/2-0.151746017π＝0.348253983π
θmin＝0.40794556π
θ0’＝0.348253983π＜θmin＝0.40794556π
θga_opt＝θga+2(θmin-θ0’)
＝0.181587316π+2×(0.40794556π-0.348253983π)
＝0.241278894π
本發明從不同功率波瓣角強度變化納入考慮，提出全新的交通干線覆蓋最優掠射角確定方法。
本發明綜合考慮了功率波瓣強度和不同掠射角的對應不同的車體損耗，滿足覆蓋電平指標的同時，保證單扇區最大覆蓋距離，從而最大可能地提升客戶滿意度，相同建設方式減少建設站點數，最大限度提升投資回報率。
應理解，本實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。