Методы моделирования процессов распространения радиоволн в урбанизированной среде

• Автор: Дудов, Руслан Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 189 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН УКВ-ДИАПАЗОНА НАД
ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ И В ЗДАНИЯХ
§1.1. Обзор методов решения задач распространения радиоволн.
§1.2. Выводы к главе
ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО
УРАВНЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
РАДИОВОЛН НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ
§2.1. Параболическое волновое уравнения и метод его решения.
§2.2. Особенности численной реализации алгоритма
§2.3. Влияние точности радиотехнической модели среды
распространения на результат моделирования
§2.4. Выводы к главе
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В ЗДАНИЯХ И ВОЗМОЖНОСТЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
МЕЛКОМАСШТАБНЫХ ВАРИАЦИЙ ПОЛЯ
§3.1. Способы описания распространения радиоволн в зданиях..
§3.2. Описание возможностей программы CST Microwave Studio в задачах
моделирования распространения радиоволн внутри зданий..
§3.3. Сравнение результатов расчета в Microwave Studio с результатами расчета в Ansoflt HFSS и с результатами экспериментов, исследование влияния частоты, структуры и материала стен на
примере коридора
§3.4. Экспериментальная проверка корректности результатов
моделирования распространения радиоволн в зданиях с помощью CST Microwave Studio в условиях непрямой видимости
§3.5. Оценка влияния конструкционных элементов и материалов здания на процесс распространения радиоволн в помещениях с помощью
Microwave Studio
§3.6. Влияние оконных и дверных проемов на распространение
радиоволн в зданиях
§3.7. Выводы к главе
ГЛАВА 4. ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЗДАНИЯХ
§4.1. Обзор методов решения обратных задач распространения волн.... 141 §4.2. Особенности численной реализации методов решения обратных
задач распространения электромагнитных волн в зданиях
§4.3. Выводы к главе
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТАННЫЕ АЛГОРИТМЫ
§5.1. Алгоритм параболического волнового уравнения (ПВУ) в
широкоугольной форме для кусочно-линейного представления
поверхности (MathCAD)
§5.2. Алгоритмы для обработки результатов расчета с помощью ПВУ и их сравнения между собой и с результатами, полученными другими
методами
§5.3. Алгоритмы для обработки результатов, полученных с помощью CST
Microvawe Studio (MATLAB)
§5.4. Алгоритмы определения координат источников излучения
(MATLAB)
§5.5. Алгоритмы для исследования зависимости ошибки определения координат источников излучения от отношения сигнал/шум
(MATLAB)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
Введение.
Актуальность темы и состояние вопроса. Вопросы прогнозирования распространения радиоволн над поверхностью Земли интересовали исследователей со дня изобретения способа передачи информации по радиоканалу в 1895 г. В 1928 Б.А. Введенским была предложена «квадратичная формула» для описания распространения УКВ над земной поверхностью в пределах прямой видимости, которая и сейчас широко используется на практике. В 1946—1950 гг. М.А. Леонтовичем и В.А. Фоком были опубликованы работы по решению задач распространения радиоволн над поверхностью Земли с учетом дифракции и рефракции [1—3].
С развитием вычислительной техники и методов математического моделирования стали появляться новые методы моделирования распространения радиоволн, позволяющие учитывать локальные особенности среды распространения [4, 5]. Использование данных методов позволило решать задачи распространения радиоволн в таких существенно неоднородных средах как участки городской застройки и области внутри зданий.
В настоящее время имеет место активное развитие и внедрение беспроводных технологий передачи информации. На смену голосовой мобильной связи 2G1 (GSM, CDMA2), предъявляющей довольно низкие требования к пропускной способности канала (до 384 Кбит/с), приходят технологии 3G и 4G (UMTS3, HSDPA4, Wi-Fi5, WiMAX6), требования которых к пропускной способности канала (до 54 Мбит/с) и качеству
1 1G — аналоговая сотовая связь, 2G — цифровая сотовая связь, 3G — широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет, к 4G принято относить стандарты Wi-Fi и WiMAX.
2 Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением.
3 Universal Mobile Telecommunications System — Универсальная система мобильной связи.
4 High-Speed Downlink Packet Access.
5 Wireless Fidelity стандарт 802.11.
6 Worldwide Interoperability for Microwave Access стандарт 802.16.

§1.2. Выводы к главе 1.
По результатам анализа наиболее популярных и удобных в использовании методов расчета уровня электромагнитного поля внутри помещений можно сделать следующие выводы.
Метод трассировки лучей занимает среднее место с точки зрения эффективности и точности расчета. Особенно стоит отметить варианты реализации данного метода в комбинации с методами БОТО и БЕМ, которые позволяют значительно повысить точность, практически не увеличивая время расчета. С помощью данного метода можно получить детальную картину распределения напряженности поля в пространстве, однако для этого необходимо проводить расчет для каждой точки пространства, в которой необходимо получить уровень поля. В зависимости от реализации, метод трассировки лучей может определять задержки сигнала, присущие каждому приходящему в точку наблюдения лучу. Очень важным преимуществом метода является независимость времени расчета от длины волны.
К недостаткам метода стоит отнести приближенный характер рассмотрения взаимодействия излучения с препятствиями: отражения и дифракции лучей. Данная проблема отчасти решается в комбинированных методах, но для их применения необходимо предварительно вручную или автоматически по заранее созданному алгоритму определить области, в которых расчет должен проводиться с помощью методов БОТЕ) или БЕМ. Помимо этого метод трассировки лучей чувствителен к ошибкам моделирования среды распространения радиоволн. При неточности задания электромагнитных или геометрических параметров здания возможна большая погрешность расчета уровня поля.
В качестве рекомендации к использованию данного метода можно сказать следующее. Применение метода целесообразно на относительно небольших масштабах, например для нескольких расположенных рядом комнат, для коридора с прилегающими комнатами и т.д. Чем меньше в