无线传播与网络规划 课件 第8章 无线电波传播仿真方法

第8章

无线电波传播仿真方法1

§8.1

统计建模仿真方法2

当前电波传播特征预测模型的研究方法主要分为三种：第一种为经验测量方法，其基于实际测量数据，利用数学统计方法来获取特定区域的电波传播预测结果。一般以图表或者拟合公式的形式呈现。第二种为确定性预测方法，其依据电波传播的波动理论对电场值的空间和时间分布进行严格的电磁计算。第三种方法为混合法，即前两种方法的综合使用。

§8.2

射线追踪方法3

尽管可以运用于复杂媒质与环境电波传播建模的计算电磁学方法种类繁多，但是能够真正将计算效率与精度充分结合而应用于无线通信环境电磁仿真的方法主要是基于几何光学近似于一致性绕射理论的射线追踪模型。在无线通信的微蜂窝小区与室内环境下，障碍物尺寸远大于电波波长，因此可以对计算方法进行光学近似，并充分利用建筑物结构与材质数据对研究区域电磁场强空间分布进行仿真分析。§8.2

射线追踪方法

8.2.1射线追踪法基本原理4射线追踪方法的基本原理为，通过识别由发射机至接收机的所有上线路径，精确模拟射线与通信环境中障碍物的反射、绕射或散射现象，从而获得总接收场强。每条射线的接收功率表示为

§8.2

射线追踪方法

8.2.1射线追踪法基本原理51.反射系数和透射系数求解根据菲涅尔反射定律，反射系数与多项因素相关，包括入射角、极化方式及表面粗糙度，如图8.1所示。

图8.1入射、反射及透射示意图§8.2

射线追踪方法

8.2.1射线追踪法基本原理6反射系数与透射系数简化表示为

§8.2

射线追踪方法

8.2.1射线追踪法基本原理72.基于一致性几何绕射理论的绕射系数求解针对无线通信环境中的绕射现象，需要引入几何绕射理论进行绕射场处理，然而对于部分特殊传播区域仍然有可能出现计算错误，因此采用一致性几何绕射理论（UTD）和一致性渐进理论（UAT）可以解决几何光学阴影边界两侧过渡区内失效的问题，且在过渡区以外自动转化为几何绕射理论算式。UTD的突出优点在于：追踪射线与工作频率不相关，所以可以不受算法频率限制，并应用于微波及毫米波频段传播问题。UTD的算法模块如图8.2所示。

图8.2UTD的基本模块§8.2

射线追踪方法

8.2.2正向算法和反向算法的选择8根据算法中对于射线追踪选择方法的不同，射线追踪算法可以分为正向算法与反向算法。这两种算法具有各自的优势与缺陷，如表8.1所示。

表8.1正向算法和反向算法的对比算法分类对比项正向算法反向算法计算时间随预先定义的反射次数成指数增长随预先定义的反射次数成线性增长计算效率效率高，只需要一次计算就可得出城市小区内所有接收点处的结果效率低，一次计算只能得出一个点的结果计算复杂度算法流程简单，也比较容易实现。实际操作时，由源点出发跟踪射线束，遇到平面阻挡便反射,遇到劈的阻挡便绕射，一直到射线束的能量衰减到可以忽略为止算法流程复杂，实现起来比较困难。具体操作时，由场点出发，寻求所有能从源点到达场点的路径计算适用性适合于场强的计算，而计算相位和极化信息时，这种算法的误差比较大能准确地计算场强、相位和极化信息等代表性技术SBR镜像法§8.2

射线追踪方法

8.2.3入射及反弹射线/镜像法9在各类专业仿真软件中，通常采用的是基于实现追踪模型的入射及反弹射线/镜像法（SBR/IM）。这种SBR/IM射线追踪方法，是由发射机发出的射线，在建模环境中追踪其传播路径，准确地计算发射射线与建模环境中的障碍物之间的反射、绕射和散射等交互作用，从而获得接收场强信息。

SBR/IM方法的具体步骤：1.射线管的发射2.射线管的追踪及判收§8.3商用电波传播仿真软件

8.3.1WirelessInSite软件10REMCOM软件包是由美国REMCOM公司开发的一套集电磁数值计算方法FDTD（时域有限差分法），UTD（一致性绕射理论），GTD（几何绕射理论），物理光学，SBR/ER（射线跟踪模型）的三维电磁仿真软件包，包括XFDTD，XGTD，WirelessInSite，RLD等软件包，分别完成电小尺寸级别，电大尺寸目标系统级别，复杂电磁环境级别，专业罗特曼透镜设计的电磁计算仿真分析。软件主要模块：几何建模模块传播分析模块滑动窗口时域有限差分法（MWFDTD）模块

§8.3商用电波传播仿真软件

8.3.2WinProp软件11WinProp作为AWE公司的优秀产品，是目前无线传播与无线网络规划领域内的标准专业软件工具。其主要用于对无线通信系统中电波传播进行分析，并将其结果运用于无线网络规划。WinProp的无线电波传播模型性能卓越，且运算精确、运行时间较短，应用领域非常广泛。该软件可为用户提供从卫星通信到地球无线通信，从野外山区、郊区、城市到室内无线链路的优质解决方案。对于无线通信网络，WinProp的应用领域可以细化为2.5G、3G、4G和B3G小区网络以及无线局域网（W-LAN）、WiMax、自组织网络和广播业务，以及多种通信网络所组成的异构网络。

§8.3商用电波传播仿真软件

8.3.2WinProp软件12WinProp的独特优势包括：(1)能够仿真无线环境下多个发射机同时工作状态，并预估接收点的总功率及相互之间的干扰；(2)该软件结合了经验传播模型和射线传播模型；(3)该软件独有的三维优势路径模型能够在野外大场景下使用射线追踪算法进行精确计算；(4)该软件所有应用场景均可调用计算引擎的API，以便集成到用户开发的软件中。该软件能够仿真动态目标和动态网络；(5)能够针对无线网络的各种空中接口，仿真不同类型网络的覆盖、容量，进行网络的规划和优化。

§8.3商用电波传播仿真软件

8.3.2WinProp软件13WinProp主要包含ProMan、WallMan、Aman三大建模模块，如表8.2所示。：

表8.2WinProp功能模块简介ProMan模块WallMan模块AMan模块完成无线电波传播计算和无线网络规划。其中电波传播计算应用场景包括：野外/山区、市郊、城区、室内、地下（隧道、地铁站）以及混合场景。无线网络规划的对象包括当前主流移动通信标准制式。完成城区和室内图形化的矢量数据编辑，以及野外地形的导入。完成图形化的天线模式编辑和转换。本章小结当前移动通信系统建设中，无线网络规划与优化对无线电波传播仿真技术的精确度和效率都提出了较高的要求。基于射线追踪方法的确定性传播模型成为无线网络规划工程中的主要仿真预估方法。本章首先介绍了无线传播仿真技术中主要的几种统计建模方法