авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Методы моделирования процессов распространения радиоволн в урбанизированной среде

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Дудов Руслан Александрович

Методы моделирования процессов распространения радиоволн в урбанизированной среде

Специальность: 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

“Можно печатать”

Научный руководитель_______________________________Королев А.Ф.

“В печать”

Заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики______________Гольцман Г.Н.

Председатель диссертационного совета_____________________________________Мансуров А.Н.

Предполагаемая дата защиты « » октября 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета________________Ильин В.А.

Москва – 2010

На правах рукописи

Дудов Руслан Александрович

МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЕ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова на кафедре фотоники и физики микроволн физического факультета

и в Московском педагогическом государственном университете

на кафедре общей и экспериментальной физики факультета физики

и информационных технологий

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Королев Анатолий Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шорин Олег Александрович

доктор физико-математических наук, профессор

Хотунцев Юрий Леонтьевич

Ведущая организация: Московский государственный

институт электронной техники

(технический университет)

Защита диссертации состоится «18» октября 2010 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.154.22 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, Москва, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119992, Москва, Малая Пироговская ул., д. 1.

Автореферат разослан « » сентября 2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ильин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 1 Гбит/с) и качеству 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—10], 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 интегралов, 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 интегралов;

— исследование влияния конструкционных материалов и отдельных конструкционных элементов здания на характер распространения радиоволн с помощью метода конечных интегралов;

— 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 интегралов 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 метода параболического волнового уравнения и метода конечных интегралов.

3. Проведено исследование влияния конструкционных материалов и отдельных конструкционных элементов здания на характер распространения радиоволн в зданиях 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 [11—15]. 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.

Положения, выносимые на защиту

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 100 м до 10 км и различных условиях распространения радиоволн.

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.

Определены требования к радиотехнической модели здания, необходимой для решения задач с помощью метода конечного интегрирования. 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.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы сообщались на Международной научной конференции «Ломоносов-2004» (г. Москва, 2004 г.), XII Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн «Волны—2009»» (Моск. обл., 2009 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (г. Москва, 2009), Лофборской конференции по антеннам и распространению LAPC'2009 (г. Лофборо, Великобритания, 2009 г.). Материалы диссертации многократно докладывались и обсуждались на семинарах кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ и на семинарах УНРЦ МПГУ.

Публикации. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 7 печатных работах: 3 статьи в периодических научных изданиях, два из которых включены в перечень ВАК, и 4 публикации в форме тезисов докладов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Основная часть работы состоит из 189 страниц. Список литературы содержит 37 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работы, определены ее новизна и практическая ценность.

Глава 1 «Современные методы решения задач распространения радиоволн УКВ-диапазона над поверхностью Земли и в зданиях» посвящена описанию и теоретическому обоснованию приближений, используемых в квазиоптических методах, и обзору современных методов решения задач распространения радиоволн в урбанизированных средах. Производится сравнение методов, описываются их особенности и границы применимости. Даются рекомендации по выбору метода моделирования в зависимости от характера решаемой задачи. Уделяется внимание такому существенному фактору в решении задач распространения радиоволн в урбанизированных средах как построение модели среды распространения.

В качестве урбанизированных сред в настоящей работе рассматриваются:

— пригородные зоны с нерегулярным рельефом земной поверхности, растительностью и редкой застройкой;

— городские зоны с частой застройкой;





— зоны, находящиеся внутри зданий, а также граничные зоны между внутренними частями здания окружающей средой.

В Главе 1 также приводится краткое описание геоинформационных технологий, с помощью которых можно создавать модели урбанизированных сред для их дальнейшего использования в алгоритмах моделирования. Геоинформационные системы (ГИС) представляют собой мощные средства подготовки, преобразования и отображения пространственных данных, а также предоставляют возможность проведения пространственного анализа (например, взаимного расположения объектов местности, распределения интенсивности электромагнитного поля по территории и т.д.). Примером многопланового ГИС пакета может служить программный продукт ArcGIS 9.x.

Глава 2 «Использование параболического волнового уравнения для моделирования распространения радиоволн над поверхностью Земли» посвящена детальному рассмотрению метода параболического волнового уравнения (ПВУ), применимого для моделирования процессов распространения радиоволн в пригородных и городских зонах. Производится анализ особенностей численной реализации алгоритма на основе данного метода. Проводится исследование влияния точности модели среды распространения на результат расчета.

Для моделирования распространения радиоволн над нерегулярным рельефом и в городской среде применяется метод ПВУ в широкоугольном приближении с кусочно-линейными граничными условиями:

. (1)

где — горизонтальная, — вертикальная координаты, — волновое число, — угол наклона линейного сегмента поверхности для текущего шага по оси . Для численного решения уравнения (1) использовался пошаговый метод Фурье, суть которого состоит в получении вертикального профиля напряженности поля на расстоянии от источника, на основе заданного профиля на расстоянии с помощью полного цикла прямого и обратного преобразования Фурье:

(2)

где и соответствуют прямому и обратному преобразованию Фурье, — показатель преломления, который может быть комплексным и зависеть от координат, — пространственная частота волны.

В целях исследования влияния точности модели среды распространения на результат расчета, при фиксированной высоте препятствия определялось, насколько изменятся значение поля за препятствием в зависимости от ошибки задания высоты и расстояния до препятствия. Показано, что ошибка определения высоты препятствия является более критичной, чем неточное задание расстояния между препятствиями. Так, при ошибке определения высоты более 20% среднеквадратичное отклонение в зоне за препятствием превышает 5 дБ.

Полученные критические значения неточности модели были сопоставлены с точностью карт, которые можно использовать для получения информации о рельефе (масштабы 1:200 000 и 1:25 000). Для случая распространения в городской среде проанализирована точность определения высоты зданий, исходя из этажности, указываемой на картах масштаба 1:25 000. Полученные в результаты позволяют говорить об эффективности использования метода ПВУ для моделирования распространения электромагнитных волн над нерегулярным рельефом в диапазоне длин волн (0,1—1) м, при пространственных масштабах рассматриваемых участков от 100 м до 10 км и различных условиях распространения радиоволн.

Глава 3 «Особенности распространения радиоволн в зданиях и возможность прогнозирования мелкомасштабных вариаций поля» посвящена анализу методов описания процессов распространения радиоволн внутри зданий. Определяются особенности и границы применимости методов, производится сравнение результатов расчета и с результатами измерений.

Для компьютерного моделирования использовалась программа CST Microwave Studio. Данная программа производит расчеты с помощью метода конечного интегрирования (МКИ).

В отличие от большинства численных методов, метод конечного интегрирования рассматривает уравнения Максвелла не в дифференциальной, а в интегральной форме. Рассмотрим способ дискретизации каждого из уравнений Максвелла в интегральной форме. Для этого сначала определим дискретную сетку G:

(3)

Запишем закон Фарадея в интегральной форме:

(4)

Для произвольной грани ячейки определенной выше сетки данное уравнение можно записать в виде простого дифференциального уравнения:

(5)

Здесь скалярная величина является напряженностью электрического поля вдоль ребра грани . Скалярная величина является магнитным потоком через грань .

Уравнения (5) для всех граней сетки могут быть записаны в матричном виде:

(6)

Аналогичным образом преобразуется второе уравнение Максвелла, описывающее отсутствие магнитных зарядов:

(7)

Заменив интеграл по поверхности ячейки на сумму магнитных потоков через ячейки получаем следующее уравнение:

(8)

Систему уравнений для всех ячеек сетки можно записать в матричном виде аналогично (6):

(9)


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.