線通信系統(tǒng)中電波傳播路徑損耗模型研究

1、 無線通信系統(tǒng)中電波傳播路徑損耗模型研究作者:吳彥鴻, 王聰, 徐燦, Wu Yanhong, Wang Cong, Xu Can作者單位:吳彥鴻,Wu Yanhong(裝備指揮技術(shù)學(xué)院光電裝備系,北京,101416, 王聰,徐燦,WangCong,Xu Can(裝備指揮技術(shù)學(xué)院研究生管理大隊,北京,101416刊名:國外電子測量技術(shù)英文刊名:FOREIGN ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY年,卷(期:2009,28(8被引用次數(shù):1次參考文獻(xiàn)(7條1.MOLISH A F;Molish;田斌無線通信 20082.WALFISCH J;BERTONI H A

2、theorical model of UHF propagation in urban environments3.CAVDAR I H A statistical approach to Bertoni-Walfisch propagation model for mobile radio design in urban areas 20014.MARK J;ZHUANG W無線通信與網(wǎng)絡(luò) 20045.HAYKIN S;MOHER M現(xiàn)代無線通信 20066.李焜;王喆無線通信電波傳播模型的研究期刊論文-無線通信技術(shù) 2008(017.郭梯云移動通信 2005相似文獻(xiàn)(10條1.學(xué)位論文劉海

3、濤無線通信中電波傳播和場強(qiáng)預(yù)測的研究2005無線通信中電波傳播和場強(qiáng)預(yù)測問題是整個無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)性問題,隨著移動通信用戶數(shù)量的增多,原先的蜂窩大區(qū)制逐漸被微蜂窩甚至微微蜂窩小區(qū)制所取代,在這些無線環(huán)境中,建筑物的數(shù)量增多,地形的幾何尺寸各異,建筑物的平均高度往往高于基站天線的高度,傳統(tǒng)的適用于大區(qū)制的電波預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ碗y以得到足夠精度的預(yù)測結(jié)果,給無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的場強(qiáng)預(yù)測帶來困難。因此,以射線跟蹤算法為基礎(chǔ)的新型的、基于特定環(huán)境的電波預(yù)測模型正逐漸顯示出優(yōu)勢。射線跟蹤模型是以幾何光學(xué)理論和幾何繞射理論為基礎(chǔ),通過電磁波的高頻射線近似特性來實現(xiàn)電波傳播路徑跟蹤的數(shù)值計算方法,具有很高的精度

4、。但是長期以來,技術(shù)發(fā)展存在兩方面的問題:第一,難以工程實用化。作為特定環(huán)境的預(yù)測模型,射線跟蹤算法的高預(yù)測精度,需要準(zhǔn)確的建筑物幾何信息,而傳統(tǒng)的射線跟蹤算法是建立在理想化的地形數(shù)據(jù)庫模型基礎(chǔ)上。在實際預(yù)測環(huán)境中,建筑物數(shù)量眾多,幾何形狀復(fù)雜,因此,按照傳統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)庫模型來錄入地形信息,往往成為繁重而贅余的工作,這嚴(yán)重影響算法的工程應(yīng)用。第二,計算速度太慢。作為一種數(shù)值計算手段,射線跟蹤算法的計算量太大,難以適應(yīng)實際應(yīng)用的需求。本文的研發(fā)目標(biāo)就是要在上述兩個方面取得突破,力求建立一個快速精確的、準(zhǔn)自動的、適用于真實環(huán)境的城市電波傳播預(yù)測模型,編制高效的應(yīng)用軟件。并且在加速算法方面取得較大的

5、突破。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),本文的工作和創(chuàng)新點主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:第二章全面詳細(xì)地闡述了射線跟蹤算法的原理,幾何繞射理論的原理,和本文采用的射線跟蹤算法中計算場強(qiáng)的理論。第三章是地形數(shù)據(jù)庫模型的描述。首次細(xì)致分析了現(xiàn)今國家標(biāo)準(zhǔn)GIS地圖的特點,傳統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)庫模型的局限,并提出一種新型的、可實現(xiàn)數(shù)字地圖信息自動入庫的地形數(shù)據(jù)庫模型。第四章針對新型的地形數(shù)據(jù)庫模型,提出了一種新型的射線跟蹤算法,該算法包括新型的左兒子右兄弟二叉樹存儲結(jié)構(gòu),區(qū)域劃分算法和繞射線減少算法等。新算法大大提高了計算效率,通過對上海浦東地區(qū)的實際仿真和測量,新算法的有效性得到了證實。第五章集中研究了并行射線跟蹤算法原理

6、,首次提出了適用于城市電波預(yù)測的、基于SBR算法的并行算法模型,并且通過大量的仿真實例,計算了模型的并行加速增益,從而證明并行加速算法和傳統(tǒng)加速算法相比具有更高的加速效果。由于本文的并行射線跟蹤算法是在普通的實驗室計算機(jī)簇中驗證實現(xiàn)的,因此,它是一種低成本、高效率的并行加速模型。第六章從軟件工程的角度分析了電波預(yù)測軟件的結(jié)構(gòu),該軟件分dos和windows兩個版本,其中dos版本便于集成,而windows版本采用MFC的編程結(jié)構(gòu),易于使用。第七章對論文成果做了總結(jié),并對以后的工作進(jìn)行了展望。2.會議論文楊怡懷.曹紅亮.申東婭.仇凱彥射線跟蹤法在WLAN環(huán)境中對電波傳播的預(yù)測與研究2005本文根

7、據(jù)無線通信室內(nèi)信道特性的有關(guān)知識和射線跟蹤技術(shù),在室內(nèi)3D環(huán)境中提出了基于分塊模型和鏡像原理的射線跟蹤算法,大大提高了跟蹤效率.編寫了基于該模型的2D/3D預(yù)測軟件.并通過對2D預(yù)測值、3D預(yù)測值和經(jīng)驗公式值的比較,進(jìn)一步說明了算法的可行性。3.學(xué)位論文周健時域有限差分法(FDTD在室內(nèi)電波傳播預(yù)測中的應(yīng)用2003該文在回顧了已有的研究成果的基礎(chǔ)上,考慮建立使用FDTD方法解決實際的室內(nèi)電波傳播預(yù)測問題的模型,并對該模型進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析,完成了對于一個室內(nèi)空間的電波傳播的數(shù)值模擬.根據(jù)已經(jīng)測量的實際數(shù)據(jù),對比兩組數(shù)據(jù),并分析了誤差產(chǎn)生的原因.因為使用FDTD方法求解空間中的各場分量的方式比

8、較固定,因此求解類似的問題有共性,所以程序設(shè)計也注意了獨立于特定的模型建立起一個比較通用的FDTD的算法.比如空間數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)入和自動建立可以被估值程序利用的數(shù)據(jù)文件.該文還仔細(xì)的分析了FDTD的幾個需要注意的問題,尤其是吸收邊界條件,對于處理室內(nèi)電波預(yù)測問題,吸收邊界條件不可缺少.該文在最后總結(jié)了解決室內(nèi)電波預(yù)測時FDTD方法的應(yīng)用.并對未來FDTD方法應(yīng)用于室內(nèi)電波預(yù)測提出自己的觀點和建議.4.會議論文王宜穎.李春龍.張義忠室內(nèi)電波傳播測量實驗設(shè)計2009由于國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的市場將會有巨大的增長,但室內(nèi)環(huán)境有其復(fù)雜性和特殊性,不能將室外電波傳播的模型和規(guī)律性照搬到

9、室內(nèi)的情形,為了更好地研究電波在室內(nèi)的傳播規(guī)律必須在實際環(huán)境中進(jìn)行測量。本文介紹了室內(nèi)電波傳播測量實驗的具體設(shè)計。電波傳播預(yù)測在現(xiàn)代無線通信及廣播電視系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色，準(zhǔn)確的電波強(qiáng)度預(yù)測對于城市小區(qū)的建立與維護(hù)有著重要的意義。傳統(tǒng)的 預(yù)測方法是基于測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法，這要求不同小區(qū)之間具有統(tǒng)計相似性。隨著系統(tǒng)容量的要求不斷提高，使得小區(qū)的劃分越來越小，甚至出現(xiàn)了更 小的微小區(qū)。這直接導(dǎo)致了這種統(tǒng)計相似關(guān)系的丟失，從而使傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法失效?，F(xiàn)在需要一種確定的方法來進(jìn)行電波覆蓋范圍預(yù)測及傳播特性分析 。本文主要是研究了基于GIS用射線跟蹤技術(shù)結(jié)合幾何繞射的信號預(yù)測算法。 本文首先闡述了城

10、市小區(qū)概念及傳播預(yù)測的必要性、傳播預(yù)測的各種算法及最新進(jìn)展，并簡要概述了本文研究的主要內(nèi)容。 隨后，對多種模型進(jìn)行了研究和分析。由于城市電波傳播環(huán)境的復(fù)雜性，在對電波傳播預(yù)測的長期研究發(fā)展中產(chǎn)生了適應(yīng)不同環(huán)境不同區(qū)制的預(yù)測 模型。本文對構(gòu)建方式不同的DPM和SPM模型進(jìn)行了研究和分析。 此后著重研究了射線跟蹤模型。目前大多數(shù)模型是適用于大區(qū)制的電波傳播預(yù)測，而現(xiàn)代無線通信的趨勢是小區(qū)制，本文對適于小區(qū)制的射線跟蹤 模型進(jìn)行了深入的研究。通常意義上的射線跟蹤計算量極大，因此需要建立合適的射線跟蹤模型。在參照了鏡像法、射線管法等射線跟蹤思想的基礎(chǔ)上 ，改進(jìn)了準(zhǔn)三維射線跟蹤模型。該模型基于虛擬源方法

11、，通過確定反射源、繞射源的有效區(qū)域，依次找出有效區(qū)域內(nèi)對射線傳播可能有貢獻(xiàn)的反射面和 繞射點，并以此建立數(shù)據(jù)源樹結(jié)構(gòu)。本文所采用的方法借鑒并延伸了輻射源樹的概念，將接收點也加入到由發(fā)射源、反射源和繞射源組成的樹結(jié)構(gòu)中 ，這樣的樹結(jié)構(gòu)己經(jīng)代表了整個傳播路徑，運算快捷且效率高。 在本文的最后，針對如何解決GIS電子地圖與電波傳播模型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲格式兼容等問題進(jìn)行了研究。 6.學(xué)位論文 羅飛 無線空時信道模型及其在多入多出（MIMO）系統(tǒng)中應(yīng)用的研究 2007 無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，其本質(zhì)目的是為了在日益惡化的無線通信環(huán)境中為用戶提供越來越高的信道容量。然而無線信道中以多徑衰落為代表的 各種傳

12、輸缺陷一直嚴(yán)重阻礙著信道容量的進(jìn)一步提高。分集技術(shù)是一種對抗多徑衰落，提高無線通信系統(tǒng)性能的有效方法，在這其中基于空時分集的多 入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO系統(tǒng)是最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。 無線空時信道模型能在避免繁重的實地測量情況下提供無線信號在空間和時間域上的各種分布特性，因而成為了研究以MIMO系統(tǒng)為代表的各種分集 技術(shù)的基礎(chǔ)。本文圍繞如何提高現(xiàn)有無線空時信道模型的性能，以及模型在MIMO系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用等方面展開研究，做了以下工作： 1指出目前空時信道建模工作中存在的問題是算法的準(zhǔn)確性和通用性與算法本身要求的計算量和對具體傳播環(huán)境地理信息

13、的依賴程度之間矛盾未得 到很好的協(xié)調(diào)。其中比較突出的是基于散射體分布的統(tǒng)計模型對電波傳播現(xiàn)象過于簡化，導(dǎo)致了模型準(zhǔn)確性和通用性的下降。因此，這類模型具有較大 的改進(jìn)空間，改進(jìn)的思路是：有意識地在模型中多考慮一些電波在物理上的傳播機(jī)制，以取得模型各項性能與復(fù)雜度之間的平衡。 2詳細(xì)分析了應(yīng)用廣泛的幾何單反射橢圓模型(Geometrically Based Single BounceElliptical Model，GBSBEM。從數(shù)學(xué)上證明了該模型不適合 描述模型所宣稱的微小區(qū)環(huán)境以及其他常見環(huán)境下的波達(dá)時間(17ime Of Artival，TOA統(tǒng)計特性。并考慮到在基站天線較低的情況下，各種

14、環(huán)境和規(guī)模 下蜂窩中的電波傳播并無本質(zhì)上的區(qū)別，都嚴(yán)格的遵循橢圓模型的建模假設(shè)，由此認(rèn)為橢圓模型在原理上并不局限于GBSBEM模型所宣稱的微小區(qū)。 3為消除GBSBEM模型在對電波傳播機(jī)制的描述上存在的物理上的明顯漏洞，在其基礎(chǔ)上增加了“有效散射體”和“反射概率”兩個物理概念，提出 了一種改進(jìn)的橢圓散射模型(Enhanced Elliptical Scattering Model，EESM，推導(dǎo)出了各種信道特性的表達(dá)式并給出了模型的數(shù)值仿真方法。理論分 析和與實測數(shù)據(jù)的比較表明了EESM模型在完全兼容GBSBEM模型的基礎(chǔ)上有效提高了后者的建模準(zhǔn)確性和通用性。 4在宏小區(qū)高基站天線模型中，指出

15、幾何單反射圓模型(Geometrically Based SingleBounce Circular Model，GBSBCM最大缺陷是仿真結(jié)果不準(zhǔn) 確，而高斯散射體密度模型(Gaussion Scatterer Density Model，GSDM的模型假設(shè)僅僅來源于對測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，因此缺乏必要的物理解釋。將同樣 的改進(jìn)思路運用于GBSBCM模型，提出了一種改進(jìn)的圓散射模型(Enhanced Circular Scattering Model，ECSM，推導(dǎo)出了各種信道特性的表達(dá)式。較 GSDM模型而言，整個模型的假設(shè)都基于合理的物理事實。數(shù)值仿真結(jié)果與實測結(jié)果的比較證明了ECSM模型在空

16、時到達(dá)概率和來波功率譜分布的估計準(zhǔn)確 性都較GBSBCM模型有明顯提高。 5將改進(jìn)模型用于MIMO系統(tǒng)性能的仿真工作中。首先給出了MIMO系統(tǒng)容量與信道相關(guān)性之間的關(guān)系，接著推導(dǎo)了MIMO系統(tǒng)信道窄帶和寬帶兩種情況 下空、時、頻各域的相關(guān)系數(shù)，最后用EESM模型對幾種典型小區(qū)規(guī)模和環(huán)境下的MIMO系統(tǒng)各域相關(guān)系數(shù)進(jìn)行估計。數(shù)值仿真結(jié)果表明了改進(jìn)模型在 MIMO系統(tǒng)性能的仿真工作中可以良好的反映出多種規(guī)模和環(huán)境中蜂窩小區(qū)的各域相關(guān)系數(shù)的特性。 7.學(xué)位論文 陳娜 三維環(huán)境任意極化波射線追蹤法的研究與實現(xiàn) 2009 射線追蹤是一種被廣泛應(yīng)用于移動通信和個人通信環(huán)境中的預(yù)測無線電波傳播的技術(shù)。在規(guī)劃

17、移動通信網(wǎng)時，利用射線追蹤可以精確預(yù)測無線電波 傳播路徑損耗特性，從而得到系統(tǒng)在實際傳播環(huán)境中的性能，為合理地規(guī)劃和設(shè)計無線通信網(wǎng)提供了必要條件，同時也是研究無線移動通信系統(tǒng)性能的 前提。 本文所研究的主要內(nèi)容如下: 首先，通過理論分析任意極化電波在不同介質(zhì)分界面處的反射，然后推導(dǎo)出了通用的計算公式，最后特定為鉛垂極化波和水平極化波在鉛垂平面反射的 特殊情況。 其次，由推導(dǎo)出的公式得出結(jié)論:水平極化波經(jīng)鉛垂平面反射，只有在入射面垂直于水平面和平行于水平面兩種情況下，反射后的波仍是水平極化波 ，且與入射角和媒質(zhì)參數(shù)無關(guān)；入射面既不垂直也不平行于水平面時，只有在媒質(zhì)參數(shù)滿足特殊條件時，才能使反射波

18、為水平極化波，否則會出現(xiàn)鉛垂 極化分量。鉛垂極化波斜入射到鉛垂平面時出現(xiàn)水平極化波與此類似。結(jié)論說明了:使用射線追蹤技術(shù)進(jìn)行電波預(yù)測時，極化方式對結(jié)果的精確度會有較 大的影響，在有些文獻(xiàn)資料對極化采取簡化甚至忽略的做法是不可取的。 最后，在以上理論的基礎(chǔ)上通過MATLAB軟件進(jìn)行仿真實現(xiàn)，在不同參數(shù)時的預(yù)測結(jié)果，并進(jìn)行分析比較:認(rèn)為增加反射次數(shù)和增加發(fā)射射線數(shù)目都可以 增加準(zhǔn)確性但同時會使運算時間顯著增加，因而要在準(zhǔn)確性和運算時間進(jìn)行折衷；然后在相同環(huán)境相同條件下但是考慮電波極化和不考慮極化的情況下 計算電場分布，并與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較，說明電波極化在電波預(yù)測中的重要性；最后給出算例，說明此方法的可靠性。 8.會議論文 宋笑亭 現(xiàn)代無線通信中的電波傳播問題 1995 9.期刊論文 耿友林.倪軍林.錢志華.GENG You-lin.NI Jun-lin.QIAN Zhi-hua 3DPE模型在山區(qū)無線通信中的應(yīng)用 -杭州電子科技大學(xué)學(xué)報2011,31(1 該文利用三維拋物線方程理論研究了山區(qū)無線通信中對講機(jī)