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raypl

RF 伝播光線のパス損失と位相変化

説明

[pl,phase] = raypl(ray) は、ray で指定されたプロパティに基づいて、dB 単位のパス損失とラジアン単位の位相シフトを返します。パス損失と位相シフトの計算では、伝播パス、反射材料および偏波から導出される自由空間による損失と反射損失が考慮されます。この関数では、水平偏波と垂直偏波の間の幾何学的結合は、送信アンテナと受信アンテナの両方が偏波アンテナである場合にのみ考慮されます。詳細については、パス損失の計算を参照してください。

[pl,phase] = raypl(ray,Name,Value) は、1 つ以上の名前と値のペアの引数で指定された追加オプションを使用して、パス損失と位相シフトを計算します。

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光線の反射材料と周波数を変更して、パス損失と位相シフトを再評価します。

香港の建物を指定してサイト ビューアーを起動します。osm ファイルの詳細については、[1] を参照してください。送信機サイトと受信機サイトを指定します。

viewer = siteviewer("Buildings","hongkong.osm");

tx = txsite("Latitude",22.2789,"Longitude",114.1625, ...
    "AntennaHeight",10,"TransmitterPower",5, ...
    "TransmitterFrequency",28e9);
rx = rxsite("Latitude",22.2799,"Longitude",114.1617, ...
    "AntennaHeight",1);

サイト間でレイトレーシングを実行します。

pm = propagationModel("raytracing", ...
    "Method","image", ...
    "MaxNumReflections",2);
rays = raytrace(tx,rx,pm);

結果から 2 次反射を含む最初の光線を検出します。光線の特性を表示します。光線をプロットして、光線が 2 つの建物に反射することを確認します。

ray = rays{1}(find([rays{1}.NumInteractions] == 2,1))
ray = 
  Ray with properties:

      PathSpecification: 'Locations'
       CoordinateSystem: 'Geographic'
    TransmitterLocation: [3×1 double]
       ReceiverLocation: [3×1 double]
            LineOfSight: 0
           Interactions: [1×2 struct]
              Frequency: 2.8000e+10
         PathLossSource: 'Custom'
               PathLoss: 122.1824
             PhaseShift: 4.5669

   Read-only properties:
       PropagationDelay: 8.3060e-07
    PropagationDistance: 249.0068
       AngleOfDeparture: [2×1 double]
         AngleOfArrival: [2×1 double]
        NumInteractions: 2

plot(ray);

既定では、すべての建物がコンクリートの建物材料の電気特性をもちます。2 番目の反射の材料を金属に変更して、パス損失を再評価します。関数 raypl を使用して光線のパス損失を再評価します。光線のパスを表示して、パス損失の変化を比較します。再プロットすると、光線のパス損失の変化によって色がわずかに変化します。

[ray.PathLoss,ray.PhaseShift] = raypl(ray, ...
    "ReflectionMaterials",["concrete","metal"])
ray = 
  Ray with properties:

      PathSpecification: 'Locations'
       CoordinateSystem: 'Geographic'
    TransmitterLocation: [3×1 double]
       ReceiverLocation: [3×1 double]
            LineOfSight: 0
           Interactions: [1×2 struct]
              Frequency: 2.8000e+10
         PathLossSource: 'Custom'
               PathLoss: 117.4814
             PhaseShift: 4.5669

   Read-only properties:
       PropagationDelay: 8.3060e-07
    PropagationDistance: 249.0068
       AngleOfDeparture: [2×1 double]
         AngleOfArrival: [2×1 double]
        NumInteractions: 2

ray = 
  Ray with properties:

      PathSpecification: 'Locations'
       CoordinateSystem: 'Geographic'
    TransmitterLocation: [3×1 double]
       ReceiverLocation: [3×1 double]
            LineOfSight: 0
           Interactions: [1×2 struct]
              Frequency: 2.8000e+10
         PathLossSource: 'Custom'
               PathLoss: 117.4814
             PhaseShift: 4.5669

   Read-only properties:
       PropagationDelay: 8.3060e-07
    PropagationDistance: 249.0068
       AngleOfDeparture: [2×1 double]
         AngleOfArrival: [2×1 double]
        NumInteractions: 2

plot(ray);

周波数を変更して、パス損失と位相シフトを再評価します。光線を再度プロットして、色が明らかに変化することを確認します。

ray.Frequency = 2e9;
[ray.PathLoss,ray.PhaseShift] = raypl(ray, ...
    "ReflectionMaterials",["concrete","metal"]);
plot(ray);

付録

[1] osm ファイルは、クラウドソーシングによる世界中の地図データへのアクセスを提供する https://www.openstreetmap.org からダウンロードされたものです。このデータは Open Data Commons Open Database License (ODbL) https://opendatacommons.org/licenses/odbl/ によりライセンスされています。

入力引数

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光線の構成。1 つの comm.Ray オブジェクトとして指定します。このオブジェクトでは、PathSpecification プロパティを "Locations" に設定しなければなりません。

データ型: comm.Ray

名前と値の引数

オプションの引数のペアを Name1=Value1,...,NameN=ValueN として指定します。ここで、Name は引数名で、Value は対応する値です。名前と値の引数は他の引数の後に指定しなければなりませんが、ペアの順序は重要ではありません。

R2021a より前では、コンマを使用して名前と値の各ペアを区切り、Name を引用符で囲みます。

例: raypl(ray,'TransmitterPolarization','H','ReceiverPolarization','H') は、ray の送信アンテナと受信アンテナの水平偏波を指定します。

見通し外 (NLOS) 光線の反射材料。string スカラー、1 行 NR 列の string ベクトル、文字ベクトル、文字ベクトルの 1 行 NR 列の cell 配列、2 行 1 列の数値ベクトル、または 2 行 NR 列の数値行列として指定します。NR は、comm.Ray.NumReflections プロパティで指定された反射数を表します。

  • ReflectionMaterials を string スカラー、string ベクトル、同等の文字ベクトルまたは文字ベクトルの cell 配列として指定する場合、反射材料は "concrete""brick""wood""glass""plasterboard""ceiling-board""chipboard""floorboard""metal""water""vegetation""loam""perfect-reflector" のいずれかでなければなりません。string スカラーまたは文字ベクトルとして指定する場合は、設定がすべての反射に適用されます。

  • ReflectionMaterials を 2 行 1 列の数値ベクトルとして指定する場合は、[relative permittivity; conductivity] の値のペアがすべての反射に適用されます。

  • ReflectionMaterials を 2 行 NR 列の数値行列として指定する場合は、各列の [relative permittivity; conductivity] の値のペアがそれぞれ各 NR 反射点に適用されます。

詳細については、一般的な材料に対する ITU 比誘電率と伝導率の値を参照してください。

例: "ReflectionMaterials",["concrete","water"] は、2 つの反射を含む光線で、最初の反射点ではコンクリートの電気特性を使用し、2 番目の反射点では水の電気特性を使用するように指定します。

データ型: string | char | double

送信アンテナの偏波タイプ。"none""H""V""RHCP""LHCP"、または正規化された [H; V] ジョーンズ ベクトルとして指定します。詳細については、ジョーンズ ベクトル表記法を参照してください。

例: 'TransmitterPolarization','RHCP' は、送信アンテナに対して右旋円偏波を指定します。

データ型: double | char | string

受信アンテナの偏波タイプ。"none""H""V""RHCP""LHCP"、または正規化された [H; V] ジョーンズ ベクトルとして指定します。詳細については、ジョーンズ ベクトル表記法 を参照してください。

例: 'ReceiverPolarization',[1;0] は、ジョーンズ ベクトル表記法を使用して、受信アンテナに対して水平偏波を指定します。

データ型: double | char | string

送信アンテナ座標軸の方向。送信機のローカル座標系 (LCS) からグローバル座標系 (GCS) への回転を示す 3 行 3 列のユニタリ行列として指定します。comm.RayCoordinateSystem プロパティが "Geographic" に設定されている場合、GCS の方向は送信機のローカル East-North-Up (ENU) 座標系です。詳細については、座標系の方向を参照してください。

例: 'TransmitterAxes',eye(3) は、送信機座標軸のローカル座標系がグローバル座標系と一致するように指定します。これは既定の方向です。

データ型: double

受信アンテナ座標軸の方向。受信機のローカル座標系 (LCS) からグローバル座標系 (GCS) への回転を示す 3 行 3 列のユニタリ行列として指定します。comm.RayCoordinateSystem プロパティが "Geographic" に設定されている場合、GCS の方向は受信機のローカル East-North-Up (ENU) 座標系です。詳細については、座標系の方向を参照してください。

例: 'ReceiverAxes',[0 -1 0; 1 0 0; 0 0 1] は、グローバル座標系を基準にしたローカル受信機座標系の z 軸を軸とする 90° の回転を指定します。

データ型: double

出力引数

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パス損失 (dB 単位)。Name,Value ペアで指定された変更を考慮して入力光線オブジェクトに対して計算されたパス損失を返します。

位相シフト (ラジアン単位)。Name,Value ペアで指定された変更を考慮して入力光線オブジェクトに対して計算された位相シフトを返します。

詳細

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一般的な材料に対する ITU 比誘電率と伝導率の値

ITU-R P.2040-1[2]と ITU-R P.527-5[3]には、一般的な材料の実数の比誘電率、伝導率、および複素比誘電率を計算するために使用されるメソッド、方程式、および値が記載されています。

  • ITU-R P.2040-1 で指定される建物の材料に対して計算される値の詳細については、buildingMaterialPermittivity を参照してください。

  • ITU-R P.527-5 で指定される地形材料に対して計算される値の詳細については、earthSurfacePermittivity を参照してください。

座標系の方向

次の図は、送信機および受信機のグローバル座標系 (GCS) とローカル座標系における電磁界の方向を示しています。

comm.RayCoordinateSystem プロパティが "Geographic" に設定されている場合、GCS の方向はオブザーバーのローカル East-North-Up (ENU) 座標系です。パス損失の計算では、送信機と受信機の ENU 座標間での地球の曲率による誤差が考慮されます。

パス損失の計算

raypl でのパス損失の計算は、IEEE ドキュメント 802.11-09/0334r8[1]に記載のあるパス損失および反射行列の計算に従います。この関数では、水平偏波と垂直偏波の間の幾何学的結合は、送信アンテナと受信アンテナの両方が偏波アンテナである場合にのみ考慮されます。

1 次信号反射では、反射行列 Href1 は次のように計算されます。

Href1=[cos(ψrx)sin(ψrx)sin(ψrx)cos(ψrx)]×[R(αinc)00R(αinc)]×[cos(ψtx)sin(ψtx)sin(ψtx)cos(ψtx)]

チャネル伝播行列の計算の項は以下を表します。

  • RX 幾何学的結合行列 — 入射面の基底から RX 座標への偏波ベクトルの再計算。

  • 偏波行列 — 行列には、電界 E ⟂ および E ∥ それぞれの垂直成分と平行成分の反射係数 R⟂ および R∥ が含まれます。

  • TX 幾何学的結合行列 — TX 座標の基底から入射面への偏波ベクトルの再計算。

次の図は、1 次反射信号パスを示しています。

ここで

  • 反射面は、グローバル座標系原点からのオフセットです。

  • k は、波形伝播ベクトルを表します。

  • n は、入射平面に対する法線ベクトルを表します。

  • Eθ および Eφ は、垂直方向と水平方向の電磁界ベクトルを表します。

  • αinc は、k の入射角を表します。

  • ψtx は、Eθ と入射平面に対する法線の間の角度を表します。

  • TX は、送信アンテナを表します。

  • RX は、受信アンテナを表します。

2 次信号反射の反射行列の計算は、1 次信号反射の計算から拡張します。詳細については、IEEE ドキュメント 802.11-09/0334r8[1]を参照してください。

ジョーンズ ベクトル表記法

ジョーンズ ベクトル表記法では、関数 raypl は "ジョーンズ微積分" を使用して信号の偏波を記述します。

ジョーンズ ベクトルの直交成分は、Eθ および Eφ に対して定義されます。次の表に、さまざまなアンテナの偏波に対応するジョーンズ ベクトルを示します。

アンテナの偏波タイプ対応するジョーンズ ベクトル

θ 方向の直線偏波

(HV)=(01)

φ 方向の直線偏波

(HV)=(10)

左旋円偏波 (LHCP)

(HV)=12(j1)

右旋円偏波 (RHCP)

(HV)=12(j1)

参照

[1] Maltsev, A., et al. "Channel models for 60 GHz WLAN systems." IEEE Document 802.11-09/0334r8, May 2010.

[2] International Telecommunications Union Radiocommunication Sector. Effects of building materials and structures on radiowave propagation above about 100MHz. Recommendation P.2040-1. ITU-R, approved July 29, 2015. https://www.itu.int/rec/R-REC-P.2040-1-201507-I/en.

[3] International Telecommunications Union Radiocommunication Sector. Attenuation by atmospheric gases. Recommendation P.676-11. ITU-R, approved September 30, 2016. https://www.itu.int/rec/R-REC-P.676-11-201609-S/en.

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R2020a で導入