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(duì),北京,101416刊名:國(guó)外電子測(cè)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(dòng)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(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的研究2005無線通信中電波傳播和場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)問題是整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)性問題,隨著移動(dòng)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(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以得到足夠精度的預(yù)測(cè)結(jié)果,給無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)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(cè)模型正逐漸顯示出優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)電波傳播路徑跟蹤的數(shù)值計(jì)算方法,具有很高的精度

4、。但是長(zhǎng)期以來,技術(shù)發(fā)展存在兩方面的問題:第一,難以工程實(shí)用化。作為特定環(huán)境的預(yù)測(cè)模型,射線跟蹤算法的高預(yù)測(cè)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(kù)模型基礎(chǔ)上。在實(shí)際預(yù)測(cè)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(kù)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(jì)算速度太慢。作為一種數(shù)值計(jì)算手段,射線跟蹤算法的計(jì)算量太大,難以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需求。本文的研發(fā)目標(biāo)就是要在上述兩個(gè)方面取得突破,力求建立一個(gè)快速精確的、準(zhǔn)自動(dòng)的、適用于真實(shí)環(huán)境的城市電波傳播預(yù)測(cè)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),本文的工作和創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)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(jì)算場(chǎng)強(qiáng)的理論。第三章是地形數(shù)據(jù)庫(kù)模型的描述。首次細(xì)致分析了現(xiàn)今國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GIS地圖的特點(diǎn),傳統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)庫(kù)模型的局限,并提出一種新型的、可實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖信息自動(dòng)入庫(kù)的地形數(shù)據(jù)庫(kù)模型。第四章針對(duì)新型的地形數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)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(jì)算效率,通過對(duì)上海浦東地區(qū)的實(shí)際仿真和測(cè)量,新算法的有效性得到了證實(shí)。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(cè)的、基于SBR算法的并行算法模型,并且通過大量的仿真實(shí)例,計(jì)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(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)簇中驗(yàn)證實(shí)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(cè)軟件的結(jié)構(gòu),該軟件分dos和windows兩個(gè)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(duì)論文成果做了總結(jié),并對(duì)以后的工作進(jìn)行了展望。2.會(huì)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(duì)電波傳播的預(yù)測(cè)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(shí)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(cè)軟件.并通過對(duì)2D預(yù)測(cè)值、3D預(yù)測(cè)值和經(jīng)驗(yàn)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(shí)域有限差分法(FDTD在室內(nèi)電波傳播預(yù)測(cè)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(shí)際的室內(nèi)電波傳播預(yù)測(cè)問題的模型,并對(duì)該模型進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析,完成了對(duì)于一個(gè)室內(nèi)空間的電波傳播的數(shù)值模擬.根據(jù)已經(jīng)測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù),對(duì)比兩組數(shù)據(jù),并分析了誤差產(chǎn)生的原因.因?yàn)槭褂肍DTD方法求解空間中的各場(chǎng)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(jì)也注意了獨(dú)立于特定的模型建立起一個(gè)比較通用的FDTD的算法.比如空間數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)入和自動(dòng)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(gè)需要注意的問題,尤其是吸收邊界條件,對(duì)于處理室內(nèi)電波預(yù)測(cè)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(cè)時(shí)FDTD方法的應(yīng)用.并對(duì)未來FDTD方法應(yīng)用于室內(nèi)電波預(yù)測(cè)提出自己的觀點(diǎn)和建議.4.會(huì)議論文王宜穎.李春龍.張義忠室內(nèi)電波傳播測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2009由于國(guó)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(chǎng)將會(huì)有巨大的增長(zhǎng),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(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。本文介紹了室內(nèi)電波傳播測(cè)量實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)。電波傳播預(yù)測(cè)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(cè)對(duì)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(cè)方法是基于測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法，這要求不同小區(qū)之間具有統(tǒng)計(jì)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(jì)相似關(guān)系的丟失，從而使傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)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(cè)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(hào)預(yù)測(cè)算法。 本文首先闡述了城

10、市小區(qū)概念及傳播預(yù)測(cè)的必要性、傳播預(yù)測(cè)的各種算法及最新進(jìn)展，并簡(jiǎn)要概述了本文研究的主要內(nèi)容。 隨后，對(duì)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(duì)電波傳播預(yù)測(cè)的長(zhǎng)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(cè) 模型。本文對(duì)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(cè)，而現(xiàn)代無線通信的趨勢(shì)是小區(qū)制，本文對(duì)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(jì)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(duì)射線傳播可能有貢獻(xiàn)的反射面和 繞射點(diǎn)，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(diǎn)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(gè)傳播路徑，運(yùn)算快捷且效率高。 在本文的最后，針對(duì)如何解決GIS電子地圖與電波傳播模型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)信道模型能在避免繁重的實(shí)地測(cè)量情況下提供無線信號(hào)在空間和時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算量和對(duì)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(jì)模型對(duì)電波傳播現(xiàn)象過于簡(jiǎn)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(shí)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(xiàng)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(shí)間(17ime Of Artival，TOA統(tǒng)計(jì)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(duì)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(gè)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(shí)測(cè)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(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，因此缺乏必要的物理解釋。將同樣 的改進(jìn)思路運(yùn)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(gè)模型的假設(shè)都基于合理的物理事實(shí)。數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較證明了ECSM模型在空

16、時(shí)到達(dá)概率和來波功率譜分布的估計(jì)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(shí)、頻各域的相關(guān)系數(shù)，最后用EESM模型對(duì)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(jì)。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(shí)現(xiàn) 2009 射線追蹤是一種被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信和個(gè)人通信環(huán)境中的預(yù)測(cè)無線電波傳播的技術(shù)。在規(guī)劃

17、移動(dòng)通信網(wǎng)時(shí)，利用射線追蹤可以精確預(yù)測(cè)無線電波 傳播路徑損耗特性，從而得到系統(tǒng)在實(shí)際傳播環(huán)境中的性能，為合理地規(guī)劃和設(shè)計(jì)無線通信網(wǎng)提供了必要條件，同時(shí)也是研究無線移動(dòng)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(jì)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(shí)，只有在媒質(zhì)參數(shù)滿足特殊條件時(shí)，才能使反射波

18、為水平極化波，否則會(huì)出現(xiàn)鉛垂 極化分量。鉛垂極化波斜入射到鉛垂平面時(shí)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(cè)時(shí)，極化方式對(duì)結(jié)果的精確度會(huì)有較 大的影響，在有些文獻(xiàn)資料對(duì)極化采取簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)，在不同參數(shù)時(shí)的預(yù)測(cè)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(shí)會(huì)使運(yùn)算時(shí)間顯著增加，因而要在準(zhǔn)確性和運(yùn)算時(shí)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(jì)算電場(chǎng)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(cè)中的重要性；最后給出算例，說明此方法的可靠性。 8.會(huì)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(bào)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(duì)講機(jī)