轨道交通隧道内无线电波传播特性的预测建模与仿真(2)
1.3 国内外主要解决方法比较分析 2
2 研究隧道环境电波传播的几种常用方法分析 5
2.1 研究方法 5
2.1.1 波模理论 5
2.1.2 时域有限差分法 6
2.1.3 实验的方法 8
2.2 优点与不足 8
3 提出预测电波特性的方法及论证——射线跟踪法 10
3.1 射线跟踪法 10
3.2 方法论证 10
3.2.1 射线跟踪/测试射线法 12
3.2.2 射线跟踪/镜像法 14
3.2.3 数字结果和分析 15
4 建模与仿真 20
4.1 建立模型 20
4.1.1 垂直面旋转模型 20
4.1.2 截面投影模型 22
4.2 拱形隧道 25
4.3 圆形隧道 26
4.4 矩形隧道 29
5 论文总结 31
致 谢 32
参考文献 33
1 绪论
1.1 前言
随着城市的发展，为了缓解交通的压力，很多城市选择了地下轨道交通，甚至过河、过海也采用隧道的方式。然而这种交通方式却给移动通信带来了很大的挑战。究其原因是因为在隧道的无线电波传播模式。无线电波通过介质或在介质分界面的连续折射或反射，由发射点传播到接收点的过程。无线电通信是利用无线电波的传播特性而实现的。因此，研究无线电波的传播特性和模式，是提高无线电通信质量的重大课题。
随着通信事业的发展，现在的通信已不仅仅局限于开放空间的情形，事实上还出现在隧道这种地下环境中。在隧道内，环境封闭，外面信号很难进入，用户主要是车内用户，业务量不高，并且如果采用内部覆盖对外界也影响较小；在其内部由于无线电波传播的直线性及隧道本身的结构，使得它对电波的吸收远远小于它对电波的反射，因此电波在这样的环境中传播一段距离后，其场强值衰耗很大，特别是长隧道且有多处弯道中就更难进行通信了，极大影响了信号网络的覆盖。
隧道信号的良好覆盖需要根据隧道附近的无线覆盖状况、传输、话务、现有网络设备等情况来决定隧道覆盖所采用的信号源：宏蜂窝基站、微蜂窝基站、直放站等。对于铁路、公路隧道覆盖来说，由于其中的话务量小，一般用微蜂窝或直放站作为信号源。
目前要想在隧道内进行无线通信，就必须建立隧道内的通信网络，使隧道内的整个区域能被无线信号场强覆盖。电波在隧道中传播损耗严重，通信距离短已成为制约隧道内无线通信的关键问题，并且不同长度、形状的隧道，弯曲度不同的隧道，建筑材料不同的隧道，隧道内壁是否光滑都极大地影响着电波的传播损耗。由于隧道内存在着严重的多径效应，射线跟踪模型很好的跟踪各条射线，并能得到隧道内宽带信道的特性。
隧道中环境复杂，对电磁波传播特性的研究比较困难。使用软件模拟方法可以实现对连续变化环境中电磁波传播特性的研究，克服了理论研究和实验方法的局限性。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，利用射线跟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，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，可以利用几何光学原理精确地建立数学模型，然后利用基本电磁场理论算出接收信号的强度。
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