电波传播预测仿真方法

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基于PE模型的电波传播特性预测技术研究

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基于PE模型的电波传播特性预测技术研究作者：刘勇周新力金慧琴
来源：《现代电子技术》2011年第18期
摘要：PE模型已经被广泛地应用于电波传播特性预测技术的研究,并成为解决电波传播问题的主要工具。

通过对抛物方程推导过程中由于对伪微分算子Q的处理而产生的误差进行分析，表明PE模型在预测小仰角的电波传播时具有很好的计算精度。

对基于PE模型的电波传
输损耗理论模型进行计算机仿真，得到电波传播损耗的理论计算值，通过与实测数据进行对比，验证了PE模型用于电波传播特性预测的正确性，并且对理论模型的计算结果稍微偏小的原因做了分析。

ebg仿真方法

ebg仿真方法EBG (Electromagnetic Band Gap) structures have been widely used in the design of antennas, filters, and other microwave devices. These structures are known for their ability to control electromagnetic wave propagation, leading to improved performance and functionality of various wireless communication systems. EBG仿真方法在天线设计及微波器件中得到了广泛应用。

它的主要作用是控制电磁波传播，可提高无线通信系统的性能和功能。

One of the most common simulation methods for EBG structures is the finite-difference time-domain (FDTD) method. This method involves discretizing the electromagnetic equations into finite differences over both space and time, allowing for the simulation of complex EBG structures and their interactions with electromagnetic waves. 最常见的EBG仿真方法之一是有限差分时域（FDTD）方法。

该方法将电磁方程离散化为有限差分，可模拟复杂的EBG结构及其与电磁波的相互作用。

Another widely used method for EBG simulation is the Method of Moments (MoM), which is based on solving integral equations tocharacterize the electromagnetic behavior of EBG structures. This method is particularly useful for analyzing the RF and microwave performance of EBG structures, providing valuable insights into their design and optimization. Mehtod of Moments(MoM) 是另一种EBG仿真方法，它是基于解决积分方程以表征EBG结构的电磁行为。

无线电波空间传播模型

无线电波空间传播模型一、引言无线电波是一种电磁波，它的传播是通过空间介质进行的。

无线电波的传播模型是对无线电波在空间中传播过程的一种描述和模拟。

了解无线电波空间传播模型对于实现高效的无线通信系统设计和优化至关重要。

本文将介绍几种常见的无线电波空间传播模型，包括自由空间传播模型、二维和三维传播模型以及多径传播模型。

二、自由空间传播模型自由空间传播模型是最简单也是最常用的一种传播模型。

它假设无线电波在真空中传播，没有遇到任何障碍物和干扰。

根据自由空间传播模型，无线电波的传播损耗与距离的平方成反比。

具体而言，传播损耗（L）可以通过以下公式计算：L = 20log(d) + 20log(f) + 20log(4π/c)其中，d是发送端和接收端之间的距离，f是无线电波的频率，c是光速。

自由空间传播模型适用于开阔的空间环境，如农村、海洋等，但在城市和山区等环境中，由于有大量建筑物和地形等障碍物的存在，自由空间传播模型并不适用。

三、二维和三维传播模型二维和三维传播模型考虑了障碍物和地形等因素对无线电波传播的影响。

在二维传播模型中，地面被简化为平面，建筑物和其他障碍物被建模为二维形状。

在三维传播模型中，地面和建筑物等障碍物被建模为三维形状。

为了计算二维和三维传播模型中的传播损耗，常用的方法是射线追踪。

射线追踪将无线电波视为一束射线，通过计算射线与障碍物的相交点，从而确定传播路径和传播损耗。

射线追踪可以基于几何光学原理进行，也可以使用电磁波的波动性质进行更精确的计算。

四、多径传播模型多径传播模型是一种复杂的传播模型，考虑了多个传播路径和多个传播信号的叠加效应。

当无线电波传播过程中遇到建筑物、地形等障碍物时，会发生反射、折射和散射等现象，导致信号在接收端出现多个传播路径。

这些多个传播路径的信号叠加在一起，会引起传播信号的衰减和时延扩展。

多径传播模型通常使用统计方法进行建模和仿真。

常见的多径传播模型包括瑞利衰落模型和莱斯衰落模型。

3_电波传播与传播预测模型

表达式
传播路径损耗和阴影衰落分贝式
10 log l ( r , ζ ) = 10m log r + ζ
l ( r , ζ ) = r m × 10 10
ζ
式中, 式中 r 移动用户和基站之间的距离 ζ 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从均值为0和标准偏差为），服从均值为由于阴影产生的对数损耗（），服从均值为和标准偏差为 σdB的正态分布的正态分布 m 路径损耗指数 16 实验数据表明m＝，标准差σ＝实验数据表明＝4，标准差＝8dB，是合理的，
2
用分贝表示：用分贝表示：[ L]dB = 10lg L = 32.45 + 20lg f + 20lg d
6
接收电平: r 接收电平 P (dBm) = 10lg P (mW) P (dBW ) = 10lg P (W ) r r r
3 电波的三种基本传播机制
阻挡体反射绕射散射比传输波长大得多的物体尖利边缘粗糙表面
d+2λ/2
d+λ/2
θ
13
惠更斯－惠更斯－菲涅尔原理
绕射-（绕射（2）菲涅尔区基尔霍夫公式
菲涅尔区
从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大nλ/2的连续区域的连续区域从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大接收点信号的合成 Pn d+nλ/2 n为奇数时，两信号抵消为奇数时，为奇数时 P3 d+3λ/2 n为偶数时，两信号叠加为偶数时，为偶数时 d+2λ/2 菲涅尔区同心圆半径
衰落的分类根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{ 根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{
大尺度衰落小尺度衰落

基于PETOOL的大气波导环境下舰艇通信电波传播仿真分析

基于PETOOL的大气波导环境下舰艇通信电波传播仿真分析任重;李天伟;张海勇【摘要】针对面向大气波导环境下的舰艇超视距大容量通信以及通信盲区、通信隐蔽性研究需求,在分析大气波导抛物方程模型的基础上,利用首次同时实现单向和双向抛物方程算法的PETOOL仿真工具,对海上大气波导条件下舰艇通信电波传播的天线高度、频率等影响因素进行仿真研究,仿真结果可为设计海上大容量超视距通信系统和科学运用舰艇通信设备提供参考依据.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2019(042)007【总页数】4页(P11-14)【关键词】PETOOL;大气波导;舰艇通信;电波传播;传播仿真;影响分析【作者】任重;李天伟;张海勇【作者单位】海军大连舰艇学院,辽宁大连 116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连 116018【正文语种】中文【中图分类】TN911-340 引言大气波导是由低层大气的折射率指数快速减小造成的，由于快速变化的折射率，传播的信号可能会被折射回表面并且陷获在海面和大气波导层之间。

相比标准大气，大气波导的陷获效果能在很大程度上使接收的功率增强并且使信号实现超视距传播。

因此，大气波导可以作为一种超视距通信的媒介，同时也可以看作是波导信道。

大气波导信道的存在，使得海上舰艇不借助中继节点实现超视距大容量高速信息传输成为可能，也带来了舰艇通信电磁隐蔽性、通信盲区等问题，对其进行研究具有重要的理论和应用价值。

对于大气波导信道的研究主要集中在大气波导电波传播方面[1]。

抛物方程（Parabolic Equation，PE）方法[2]是波导传播模型中主要采用的技术，这主要是因为PE方法能够支持大气中复杂的边界条件和折射率曲线，同时能够估算路径损耗，这是射线跟踪类方法难以做到的，且用抛物方程法得到的结果经过了实验验证[3]，具有较强的可信性和说服力。

基于抛物方程法进行电波传播的预测和计算通常需要借助计算机实现，本文在分析抛物方程模型的基础上，采用首次同时实现单向和双向抛物方程算法的PETOOL 工具，对海上大气波导条件下不同天线高度、不同频率的舰艇通信电波传播情况进行仿真分析，仿真结果可为设计海上大容量超视距通信系统及科学运用舰艇通信系统提供参考依据。

海面电波传播损耗模型研究与仿真

蠢的海上编陵场强预溺蘩ｊ用Ｌｏｎｇｌｅｙ－Ｒｉｃｅ模登更
合适，Ｌｏｎｇｌｅｙ—Ｒｉｃｅ模型考虑了更多的与地形有荧
的因素，包括海面折射率、海霹导电率、介电常数以
及海浪潮灞度等，逐考虑了不同的气候类型和天线
的位置标准等。下面通过对两种模型的仿真分析，
并利用文献提供的特定环境下的实测数据与两种模
型的仿真结果对援：，得出在辩海上编队接收信号场
些参数对待输寝减酶影响。
通信距离／ｋｉｎ
圈ｌＯｋｕｍｕｒａ－Ｈａｔａ预测模型傍囊结果
１．２Ｌｏｎｇｌｅｙ－Ｒｉｃｅ模型衰落预测仿真分析Ｌｏｎｇｌｅｙ－Ｒｉｃｅ模型以传播理论为依据，阕时结
合了数千缰实溯数据，送此称其为半经验预测模型。该模型预测损耗值的计算基于不同传播范围［３］：（１）在襁距内，以发射传援搬铡为主，熙双线模型计算；（２）在超视距，以衍射传播机制为主，但对予不规爱｛ｊ地形，有两种理论用于计算衍射损耗，它们分别适用予毒努球形僵光滑翡地面翻ｊ≥常不规则的地谣，用刀刃横型计算，超视距衍射损耗计算结果是以上两种理论计算结果的加权（３）对于更远距离（大大超出地乎线），以裁囊教射传援撬麓为主。Ｌｏｎｇｌｅｙ－Ｒｉｃｅ摸
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈａｎｇｓｈａＨｕｎａｎ４１００７３，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｖｙＨｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３６，Ｃｈｉｎａ）
ＡｂｓｔｒａｃｔＦｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌ，ａｉｍｐｒｏｖｅｄＬｏｎｇｌｅｙ－Ｒｉｃｅｍｏｄｅｌｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔｅｔｈｅｌｏｓｓｏｆｒａｄｉｏｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎａ— ｌｏｎｇｔｈｅｓｅａｓｕｒｆａｃｅ．ＴｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｔｈｅＯｋｕｍｕｒａ—ＨａｔａｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅＬｏｎｇｌｅｙ－Ｒｉｃｅｍｏｄｅｌｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｄａｔａ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｒａｄｉｏｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；Ｌｏｎｇｌｅｙ—Ｒｉｃｅｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

移动通信电波传播和传播预测模型介绍

2.5.1 多径衰落的基本特性
❖ 时延扩展脉冲宽度扩展 ▪ 时间角度 ▪ 数字系统主要考虑 ▪ 原因信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
2.5.2 多普勒频移
❖ 原因移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移
•基站天线、移动用户天线和两付天线之
•移动通信信道
间的传播路径
•移动信道的 •基本特性 • 衰落特性
•衰落 •复杂的无线的原因电波传播环
境
直射、反射、绕射和散射以及它们的合
成
•无线电波传播
方式
•衰落的表现
传播损耗和弥散
阴影衰落多径衰落多普勒频移
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
•频选衰落
•数字通信系统
•码间干扰
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
频率色散
用多普勒扩展来描述，相关时间是与多普勒扩展相对应的参数
❖ 时变特性 ▪ 原因移动台运动或信道路径中的物体运动 ▪ 用多普勒扩展和相关时间来描述
❖ 多普勒扩展（功率谱） ❖ 相关时间
▪ 信道冲激响应应维持不变的时间间隔的统计平均值 ▪ 表征了时变信道对信号的衰落节拍
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
多普勒扩展
❖ 典型(CLASS)多普勒扩展（适用于室外传播信道）
假设接收信号由N个经过多普勒频移的平面波合成， b为平均功率
表示在角度
内的入射功率，
益，用表示功率谱，则
表示接收天线增
典型的多普勒功率谱
由图可见，由于多普勒效应，
•S ( f )
接收信号的功率谱展宽
到

电波传播损耗预测模型

电波传播损耗预测模型1、电波传播损耗预测目的掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。

2、方法根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确3、确定传播环境的主要因素（1）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）（2）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性（3）该地区的植被特征（4）天气状况（5）自然和人为的电磁噪声状况（6）系统的工作频率和移动台运动等因素4、常用的几种室外电波传播损耗预测模型（1）Hata模型广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗预测的传播模型。

根据应用频率的不同，分为Okumura-Hata 模型和COST 231 Hata模型。

（2）CCIR模型；（3）LEE模型；（4）COST 231 Walfisch-Ikegami 模型。

一、Okumura-Hata模型1、适用范围：频率范围f:150-1500MHz基站天线高度Hb:30-200m移动台高度Hm:1-10m距离d:1-20km2、路径损耗计算的经验公式式中—工作频率（MHz）；—基站天线有效高度（m ），定义为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差；—移动台天线有效高度（m），定义为移动台天线高出地表的高度；d —基站天线和移动台天线之间的水平距离（km）；—有效天线修正因子，是覆盖区大小的函数；—小区类型校正因子—地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响二、COST 231-Hata模型1、适用范围：频率范围f:1500-2000MHz基站天线高度Hb:30-200m移动台高度Hm:1-10m距离d:1-20km2、路径损耗计算的经验公式式中—大城市中心校正因子（1）COST-231Hata模型适用于1500－2000MHz，在1km以内预测不准。

Okumura-Hata适用于1500MHz以下的大于1公里范围的宏小区。

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ｈｒｄｃｉｎｏａｉｗｖｒｐｇｔｎｃａａｔｒｔａｒｖｄｈｏｅｉａｇｉｅｆｒｄｓｎｎＴｅｐｅｉｔｆｒｄｏａｅｐｏａａｉｈｒｃｅｓｉｃｎｐｏｉｅｔｅｒｔｌｕｄｏｅｉｉｇａｏｏｉｃｃｇ
中图分类号：９１３文献标识码：Ａ
ＡｉｕａｉｅｈｄｆｒＰｒｄｃｉｄｉａｅＰｒｐａａｉｎＳｍｌｔｎｇＭｔｏｏｅｉｔｎｇＲａｏＷｖｏｇｔｏ
ＪＡｎＩＭｉｇ—ｈａ，ＨＥｏ—ｘｎ，ＨＡＮＧＸｉｕＺＮＧＧｕｉＺｎ
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Ｓａｇａ２０７，Ｃｉａｈｎｈｉ００２ｈｎ）
ｗｉｅｅｓｃｍｍｕｉａｉｎｓｓｅ．Ｉｓｎｃｓａｏｃｎｓｄｅｖｒａｍｉｅｒｍａｉｅｏｒｅｗｈｎｔｅｒｙ — ｒｃｒｌｓｏｎｃｔｏｙｔｍｔｉｅｅｓｒｔｏｉｒｅｅｒｙｅｔｄｆｏｒｄｏｒｓｕｃｅｈａ－ｔａ — ｙｙｔｉｇｍｅｈｄｉｐｐｉｄｔｒｄｉｔｎｈｅｐｔｆｒｄｏｗａｅｂｔｅｎｔａｓｔｅｎｄｒｃｅｖｒＳｎｔｏｓａｌｅｏｐｅｃｉｇｔａｈｏａｉｖｅｗｅｒｎｍｉｔｒａｅｉｅ．ｏ，ｔｅｔｅｏｉａｉｎｈｉｆｓｍｕｌｔｏｍ
ｉｒｌｔｅｙｌｎｓｅａｉｌｏｇ，ａｄｔｅｏｃｐｔｎｏｍｏｙｉｇｅｔｎｈｙａｅｐｏｏｔｎｏｔｅｄｓｎｅｂｔｅａｓｔｒｖｎｃｕａｉｆｈｏｍｅｒｓｒａ，ａｄｔｅｒｒｐｒｉａｔｈｉｔｃｅｗｅｎｔｎｍｉｅｏｌａｒｔａｄｒｃｉｅ．Ｈｏｅｅ，ｔｅｐｔｓｂｔｅｎｔｎｍｉｅｎｅｅｖｒｃｎｂｅｅｍｉｅｎｙｉａｌａｅｎｇｏｔｃｎｅｅｖｒｗｖｒｈａｈｅｗｅａｓｔｒａｄｒｃｉｅａｅｄｔｒｎｄａａｔｌｂｓｄｏｅｍｅｒｒｔｌｃｙｉｏｔｓｉｔｉｈｅｔｎｌｒｔｎｅｓｗｔｏｔｔｅｓｅｆａｐｉｎｓｒｇｔｃａｇａｕｎｌｉｕｈｔｐｏｙ—ｔａｉｇＮｘ，ｔｅｌｖｌｏｅｅｖｄｓｇａｓｃｃｌｔｄｃａｒｕｈｒｒｃｎ．ｅｔｈｅｅｆｒｃｉｅｉｎｌｉａｕａｅｌｂａｉｌｃｒｍａｎｔｈｏ．ＴｉｔｅｔｄｌｓａｃｍｐｉｈｄｂｙｂｓｃｅｅｔｏｇｅｉｔｅｒｃｙｈｓｍａｈｍａｉｍｏｅｃｏｌｅｙＭＡＴＡＢ．ＴｅｃｍｐｅｉｆｓｍｕａｉｎｃｉｓＬｈｏｌｘｔｏｉｌｔｙｏｏａｆｒｙ—ｔａｉｇｍｅｈｄｉｒａｌｅｕｅｎｏｎｔｃｒｅａｅｗｔｈｉｔｎｅｂｔｅｎｔｎｍｉｅｎｅｅｖｒｒｃｎｔｏｓｇｅｔｒｄｃｄａｄｄｏｏｒｌｔｉｔｅｄｓａｃｅｗｅｒｓｔｒａｄｒｃｉｅ．ｙｈａｔＦｏｔｅｒｓｌｆｓｍｕａｉｎａｄｔｅｒｔｉｍｅｈｄｈｓｔｅｓｍｅｅａｔｅｓａａｆｅｉａｅｏｔａｅＷｉｌｓｒｍｅｕｔｏｉｌｔｎｈｏｙ，ｈｓｈｓｏｔｏａａｘｃｎｓｓｔｔｏｄｃｔｄｓｆｒｒｅｓ— ｈｈｄｗｅＩｓｅｓｗｅｌｓｌｗｒｃｍｐｅｉｆｏｕｉｇｈｏｃｕｉｎｉｔａｈｓｎｗｍｅｈｄｃｎｅｅｔｅｙａｄａｃｒｔ — ｎｉ，ａｌａｏｅｏｌｘｔｏｍｐｔ．Ｔｅｃｎｌｓｏｓｈｔｉｅｔｏａｆｃｉｌｎｃｕａｅｔｙｃｎｔｖ
第２卷第１期７１
文章编号：０６—９４（００１０９０１０３８２１）１— ０１— ４
计
算
机
仿
ห้องสมุดไป่ตู้
真
２１年１月００１
电波传播预测仿真方法
贾明华，国莘，郑张欣
（上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室，上海２０７）００２摘要：研究无线电通信问题，电波传播特性预测可以为无线通信系统设计提供理论指导。为提高电波传播精度，用射线跟利踪法预测电波传播特性，考虑由发射源发出的每一条射线，需要占用较大计算机存储量和仿真时间，而且内存占用量与仿真时间与收发天线的距离成正比。然而，矩形直隧道中，由发射天线到达接收天线的电磁波主要路径，无需通过射线跟踪确定，以利用几何光学原理精确地建立数学模型，可然后利用基本电磁场理论算出接收信号的强度。运用ＭＡＬＴＡＢ仿真平台实现仿真模型，大大降低了射线跟踪模型的计算机仿真复杂度，而且计算复杂度与收发天线距离无关。理论和仿真实验表明，仿真方法与专业仿真软件Ｗｉｌｓｎｉｒｅｓ—Ｉｓｅ具有相近的精度，ｅｔ而且方法简单，仿真速度快。新方法可以准确、有效地预测出矩形直隧道内电磁波的传播特性。关键词：射线跟踪；路径损耗；三维反射；几何光学；隧道