Методы моделирования процессов распространения радиоволн в урбанизированной среде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Дудов, Руслан Александрович

• Дудов, Руслан Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Дудов, Руслан Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН УКВ - ДИАПАЗ ОНА НАД

ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ И В ЗДАНИЯХ.

§1.1. Обзор методов решения задач распространения радиоволн.

§1.2. Выводы к главе 1.

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 2.

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 Ansoft 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 3.

ГЛАВА 4. ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЗДАНИЯХ.

§4.1. Обзор методов решения обратных задач распространения волн.

§4.2. Особенности численной реализации методов решения обратных задач распространения электромагнитных волн в зданиях.

§4.3. Выводы к главе 4.

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).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы моделирования процессов распространения радиоволн в урбанизированной среде»

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

1 2 мобильной связи 2G (GSM, CDMA ), 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. покрытия существенно выше. В связи с этим острее встает проблема повышения качества проектирования беспроводных сетей.

В задачи проектирования может входить не только обеспечение максимальной зоны покрытия, но также намеренное ограничение уровня сигнала за пределами данной зоны, вызванное вопросами электромагнитной совместимости близкорасположенных сетей, экологическими вопросами, а также вопросами информационной безопасности.

В настоящее время для проектирования беспроводных сетей в основном используются приближенные методы расчета [6—16], не учитывающие мелкие неоднородности среды распространения, либо проводятся трудоемкие натурные измерения. Существенным препятствием для использования детерминированных методов моделирования распространения радиоволн является слабое развитие технологий создания моделей сред распространения, применимых для использования в алгоритмах моделирования.

Все вышесказанное подтверждает актуальность темы рассматриваемой в настоящей диссертационной работе.

Цель работы. Целью работы является разработка методики решения задач, связанных с распространением радиоволн УКВ-диапазона в урбанизированной среде. К таким задачам относятся как прямые задачи получения характеристик электромагнитного поля в заданной области пространства при известном положении передатчика и характеристиках передаваемого сигнала, так и обратные задачи определения местоположения передатчика по характеристикам электромагнитного поля в нескольких заданных точках.

Задачи работы: разработка численного алгоритма для моделирования распространения радиоволн над нерегулярной поверхностью Земли на основе решения параболического волнового уравнения в широкоугольной форме для кусочно-линейного представления поверхности; разработка методики моделирования распространения радиоволн в зданиях с использованием геоинформационных технологий и метода конечных интегралов; разработка алгоритмов для обработки и визуализации результатов, полученных с помощью методов параболического волнового уравнения и метода конечных элементов, а также их сравнения с результатами других методов; исследование влияния точности радиотехнической модели среды распространения на результат моделирования с помощью методов параболического волнового уравнения и конечных элементов; исследование влияния конструкционных материалов и отдельных конструкционных элементов здания на характер распространения радиоволн с помощью метода конечных элементов; разработка численного алгоритма для решения обратных задач распространения радиоволн в урбанизированных средах.

Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной электродинамики и вычислительной математики.

Численные расчеты производились в средах MathCAD и MATLAB. Для расчета с помощью метода конечных элементов использовался программный продукт CST Microwave Studio. В качестве геоинформационной системы использовался пакет ArcGIS 9.x.

Научная новизна диссертации:

1. Разработана методика моделирования распространения радиоволн в зданиях с использованием программного продукта CST Microwave Studio. Разработана методика интеграции CST Microwave Studio с геоинформационной системой ArcGIS 9.x. Программный продукт CST Microwave Studio был впервые использован для моделирования распространения радиоволн внутри зданий.

2. Проведено исследование влияния точности радиотехнической модели среды распространения на результат моделирования с помощью методов параболического волнового уравнения и конечных элементов.

3. Проведено исследование влияния конструкционных материалов и отдельных конструкционных элементов здания на характер распространения радиоволн с помощью метода конечных интегралов

Обоснованность и достоверность результатов работы. Результаты исследований получены на основе строгих электродинамических и математических моделей. Использованный метод решения параболического волнового уравнения получен на основе описанных в литературе методов [17]. Контроль результатов осуществлялся сравнением с классическими методами. Корректность результатов программы CST Microwave Studio тестировалась сравнением с результатами измерений.

Практическая ценность работы. Результаты, полученные в диссертации, имеют большое практическое значение применительно к вопросам проектирования и использования беспроводных сетей передачи информации. Разработанные алгоритмы могут быть использованы: для определения зоны покрытия сетей, исходя из заданных положений базовых станций; для определения оптимального расположения базовых станций, обеспечивающего заданные характеристики зоны покрытия: для решения задач электромагнитной совместимости близкорасположенных сетей и т.д.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Дудов, Руслан Александрович

Заключение. Основные результаты, выводы.

1. Проведен анализ современных методов моделирования распространения радиоволн в урбанизированной среде и внутри зданий. Определены области применения следующих методов: метод трассировки лучей, FDTD, комбинации метода трассировки лучей с методами FDTD и FEM, метод векторного параболического волнового уравнения, волноводно-резонансная модель, методы на основе интегральных уравнений.

2. Разработан численный алгоритм для моделирования распространения радиоволн над нерегулярной поверхностью Земли на основе решения параболического волнового уравнения в широкоугольной форме для кусочно-линейного представления поверхности.

3. Исследовано влияние точности, радиотехнической модели среды распространения на результат моделирования с помощью метода параболического волнового уравнения. Показано, что метод решения параболического волнового уравнения в широкоугольной форме применим для численного расчета распределения напряженности электромагнитного поля над нерегулярной поверхностью Земли, заданной в кусочно-линейной форме, для диапазона длин волн 0,1—1 м, при пространственных масштабах рассматриваемых участков от 100м до 10км и различных условиях распространения радиоволн.

4. Разработана методика моделирования распространения радиоволн в зданиях с использованием геоинформационных технологий и метода конечных интегралов. Экспериментальным путем установлено, что метод конечного интегрирования при моделировании распространения радиоволн УКВ-диапазона в зданиях позволяет получить пространственное распределение напряженности электромагнитного поля с точностью до 5 дБ на масштабах, сравнимых с длиной волны. Высокая точность метода позволяет использовать его для проектирования беспроводных сетей передачи информации внутри зданий.

5. Исследовано влияние конструкционных материалов и отдельных конструкционных элементов здания на характер распространения радиоволн с помощью метода конечных интегралов. Исследовано влияние точности радиотехнической модели среды распространения на результат моделирования с помощью метода и конечных интегралов. Показано, что точность модели существенно влияет на корректность получаемых результатов. Показано влияние изменений отдельных электрофизических и геометрических характеристик элементов здания на пространственное распределение электромагнитного поля. Определены требования к радиотехнической модели здания, необходимой для решения задач с помощью метода конечного интегрирования.

6. Разработаны алгоритмы для обработки и визуализации результатов, полученных с помощью методов параболического волнового уравнения и метода конечных интегралов, а также их сравнения с результатами других методов.

7. Разработан численный алгоритм определения координаты источников электромагнитных волн в открытом пространстве с помощью методов численного решения некорректных задач.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Дудов, Руслан Александрович, 2010 год

1. М.А. Леонтович, В.А. Фок. Решение задачи о распространении электромагнитных волн вдоль поверхности Земли по методу параболического уравнения. //ЖЭТФ, 16, 1946, №7, стр. 557.

2. В.А. Фок. Распространение прямой волны вокруг поверхности Земли при учете дифракции и рефракции. // Исследования по распространению радиоволн, сб.11, Москва, 1948, стр.40.

3. В.А. Фок. Теория распространения радиоволн в неоднородной атмосфере для приподнятого источника. // Изв. АН СССР, серия физ., 14, 1950, стр. 70.

4. К. Yee, Numerical solutions of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-14, pp. 302-307, 1966.

5. Weiland, Т., A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields. // Electronics and Communications AEU, Vol. 31, No. 3,116-120, 1977.

6. W.R. Young, "Comparison of mobile radio transmission at 150, 450, 900 and 3700 MHz", Bell Syst. Tech. J., Vol. 31, 1952, No. 6, pp. 1068—1085.

7. K. Allsebrook, J.D. Parsons, Mobile radio propagation in British cities at frequencies in the VHF and UHF bands, IEEE Proc., Vol. 124, No. 1, 1977, pp. 95—102.

8. Y. Okumura, Field strength and its variability in the VHF and UHF land mobile radio service, Review Elec. Commun. Lab., Vol. 16, 1968, pp. 825—843.

9. M. Hata, Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services, IEEE Trans. Vehicular Tachnology, Vol. 29, No. 3, 1980, pp. 317— 325.

10. M.F. Ibrahim, J.D. Parsons, Signal strength prediction in build-up areas. Part 1: median signal strength, IEE Proc., Vol. 130, Part F, 1983, pp. 377—384.

11. D. Parsons, The mobile radio propagation channel, Chapter 3, London: Pentech Publishers, 1992.

12. Damosso E. ed., Digital Mobile Radio: COST 231 View on the Evolution towards 3rd Generation Systems. // Bruxelles: Final Report of the COST 231 Project, published by the European Comission, 1998.

13. Gahleitner R. Radio Wave Propagation in and into Urban Buildings. // Phd thesis, Technical University of Vienna,

14. Motley A. J. and Keenan J. M. Radio coverage in buildings. // Bell System Technical Journal (BTSJ), vol. 8, pp. 19 24, Jan. 1990.

15. Wolfle G. and F. Landstorfer M., Dominant Paths for the Field Strength Prediction. // 48th IEEE International Conference on Vehicular Technology (VTC), (Ottawa), pp. 552-556, May 1998.

16. M. Levy. Parabolic Equation Methods for Electromagnetic Wave Propagation. // IEE Press, 2000.

17. Сухоруков А.П., Дудов P.A., Королев А.Ф., Потапов А.А., Турчанинов А.В. Квазиоптические методы в задачах моделирования распространения радиоволн вдоль поверхности Земли. // Нелинейный мир. 2005. № 1—2. Т. 3. С. 107—115.

18. D.J. Donohue. Propagation modeling over terrain using the parabolic wave equation.— IEEE Transactions on antennas and propagation, 2000, vol. 48, №2, p. 260—277.

19. А.Е. Barrios. A terrain parabolic equation model for propagation in troposphere.— ШЕЕ Transactions on Antennas and Propagation, 1994, vol. 42, №1, p. 90—98.

20. G.D. Dockery, J.R. Kuttler. An improved impedance-boundary algorithm for Fourier split-step solution of the parabolic wave equation.— ШЕЕ Transactions on Antennas and Propagation, 1996, vol. 44, №12, p. 1592—1599.

21. J.R. Kuttler, G.D. Dockery. Theoretical description of the parabolic approach / Fourier split-step method of representing electromagnetic propagation in the troposphere.— Radio Science, 1991, vol. 26, №2, p. 381—393.

22. М.Б. Виноградова, O.B. Руденко, А.П. Сухоруков. Теория волн.— М.: Наука, 1979.

23. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. // М.: Горячая линия-Телеком, Радио и связь, 2004.

24. J. Ziemelis. Some problems of ray tracing. // 42nd Riga Technical University Conference. Riga, Latvia, October 12, 2001.

25. Ying Wang, Safieddin Safavi-Naeini, Chaudhuri S.K. A hybrid technique based on combining ray tracing and FDTD methods for site-specific modeling of indoor radio wave propagation. // ШЕЕ Transactions on antennas and propagation, vol.48, №5, 2000.

26. Zaporozhets A.A. Application of vector parabolic equation method to urban radiowave propagation problems. // ШЕ Proc.-Microw. Antennas Propag., vol. 146, №6, 1999.

27. Blaunstein N. «Average Field Attenuation in the Nonregular Impedance Street Waveguide». IEEE Transactions on antennas and propagations №12, Dec. 1998.

28. Гуреев A.B., Кустов B.A. Волноводная модель беспроводных каналов связи внутри зданий. // Электронный журнал Исследовано в России. 2002 г.

29. F.K. Akorli, E. Costa. An efficient solution of an integral equation applicable to simulation of propagation along irregular terrain. // IEEE Transactions on antennas and propagation, 2001, №7, p. 1033—1036.

30. B.A. Дандаров. Численное решение двумерного интегрального уравнения Фредгольма в задаче о распространении радиоволн над нерегулярной земной поверхностью. // Радиотехника и электроника, 2002, №11, с. 1329—1334.

31. M.Clemens, T.Weiland. Discrete electromagnetism with the finite integration technique. // Progress In Elecromagnetics Research, PIER 32, 65— 87, 2001.

32. Тихонов A.H., Гончарский A.B., Степанов B.B., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. // М.: Наука, 1990.

33. Darren В. Ward, Eric A. Lehmann, Robert С. Williamson. Particle Filtering Algorithms for Acoustic Source Localization. // IEEE Transactions on speech and audio processing.

34. William H. Press et al.. Numerical Recipes in Fortran 77. The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge University Press, 2001.