基于混合算法的受限空间电波覆盖特性研究
发布时间：2021-06-13 04:13
受限空间中稳定可靠的无线通信系统是其中车辆安全运行的重要保障,电磁波作为无线通信系统信号的载体,其高效覆盖决定着无线通信系统的性能。电磁场数值计算方法被广泛应用于受限空间中电波覆盖问题的研究,然而由于受限空间中发射天线的参数、物理结构以及电磁环境复杂多样,单一的数值方法难以独立计算大尺寸、复杂场景受限空间内的电波覆盖问题。本文结合国家自然科学基金重点项目“受限空间支撑高效电波覆盖的天线理论与技术”,在研究单一数值计算方法的基础上提出了混合计算方法,并采用混合方法计算分析了多种情况下的硬边界受限空间中的电波覆盖特性。此外,还进行了大量实验工作,获得了丰富的实测数据。本文工作可为受限空间中高效电波覆盖方案的设计提供理论基础和技术支撑。本文的主要创新性研究工作如下:1.研究了硬边界受限空间中预测电波传播的矢量抛物方程方法、射线追踪方法和时域有限差分方法;提出了隧道中三维宽角抛物方程方法和局部细化网格抛物方程方法,并利用这些方法研究了隧道中存在列车时的电波覆盖特性;研究了弯曲隧道初始横截面上不同位置发射天线产生的电波传播特性,并由此分析得到了可能的最佳发射天线安装位置;利用射线追踪方法对实际地...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１?ＣＮ差分式横截面内场量随传播距离步进示意图，从第ｎ步迭代至《＋１步釆用中心差??分式??
了计算矩阵的维度。另一方面，通过对公式（２－１６）分析，其系数矩阵均为三对角??矩阵，因而在矩阵求解计算时可以利用追赶法提高计算的效率。ＡＤＩ－ＰＥ的步进过??程如图２－２所示，在迭代过程中沿ｘ和ｙ方向交替计算。因此，在进行大尺度隧道??环境计算时就能极大的提高计算效率。??关于ＡＤＩ方法求解抛物方程的稳定性同样可以根据ＣＮ式的方法进行验证。??得到的误差变化因子数值也有界，因此ＡＤＩ方法求解抛物方程也具有稳定性。??ｎ?ｎ．１，２?ｎ＋ｉ?ｙ??＿議．ｉｉ?＿變???？??图２－２交替方向隐式差分求解抛物方程时横截面电场迭代过程，虚线框内表示为每一步求解??方向??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｔｅｐｓ?ｏｆ?Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ?Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ?Ｉｍｐｌｉｃｉｔ?ＰＥ?ｓｃｈｅｍｅ，?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ?ａｒｅ?ｎｏｔｅｄ?ｂｙ??ｄａｓｈｅｄ?ｒｅｃｔａｎｇｌｅ?ｉｎ?ｅａｃｈ?ｓｔｅｐ??２．１．４矢量抛物方程方法??上述章节所提到的抛物方程方法为标量抛物方程，可以用来求解完全导体边??界条件下的电波传播问题，此类边界条件下电波传播过程中横截面上的电场和磁??场的变化是相互独立的。但是在实际场景中的隧道边界基本都是由砖石和混凝土??堆砌而成，这一类的有耗媒质会导致标准的ＴＥ和ＴＭ模式相互耦合而形成混合模??式（五／ｆｍｎ）。这就导致在实际隧道中并不能用标量抛物方程来求解
其中模式系数：％。＝。：２５＝０．２５，＾。。＝￡＾。＝０．５，ｃｍ＃Ｑｎ＃Ｑ＝ｌ。同样，ａ和６分别是矩??形波导的宽度和高度，ｍ和《对应不同的模式。１００ｍ处横截面场的理论解析结果??和数值解比较如图２－３所示，从图中可以看出数值解和理论解吻合较好，均方根误??差为８．６％，说明在此类边界下ＡＤＩ－ＰＥ精度较好。??：丨．１?編Ｉ：５??ｆ５?＾ｍｗｎｍ?Ｉ１５??？?Ｗ?■［?？?Ｗ?Ｌ〇ｉ?＾?＿．?ａ〇．ｉ??１?２?３?４?０?１?２?３?４??宽度（ｍ）?宽度（ｍ）??（ａ）?（ｂ）??图２－４Ｎｅｕｍａｎｎ边界条件下在波导１００ｍ处横截面上电场分布，（ａ）抛物方程方法数值解，??（ｂ）理论解析解??Ｆｉｇ．?２－４?Ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｆｉｅｌｄ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ａｔ?１００?ｍ?ｗｉｔｈ?Ｎｅｕｍａｎｎ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，??（ａ）?ｎｕｍｅｒｉｃａｌ?ｒｅｓｕｌｔ，?（ｂ）?ａｎａｌｙｔｉｃａｌ?ｒｅｓｕｌｔ??２０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国公路隧道数据统计[J]. 蒋树屏. 隧道建设. 2017(05)
[2]中国高速铁路隧道的发展及规划[J]. 赵勇,田四明,孙毅. 隧道建设. 2017(01)
博士论文
[1]大区域复杂地理环境的交替方向分解抛物方程电波传播模型及其应用研究[D]. 周亮.西南交通大学 2018
[2]高铁无线通信系统中的隧道信道模型[D]. 刘玉.山东大学 2017
[3]受限空间电波覆盖特性的研究[D]. 李大伟.北京交通大学 2016
[4]大区域地理环境的电磁建模及高效抛物方程方法研究[D]. 张青洪.西南交通大学 2016
[5]基于抛物方程的复杂气象环境电磁建模及仿真研究[D]. 盛楠.西南交通大学 2015
[6]轨道交通场景电波传播建模理论与方法研究[D]. 官科.北京交通大学 2014
[7]铁路无线通信系统射频链路的一体化建模与分析[D]. 浦实.北京交通大学 2011
硕士论文
[1]基于三维Padé型抛物方程ADI方法的电波传播研究[D]. 杨培东.西南交通大学 2016
[2]受限空间中的新型天线设计及其电波覆盖特性的研究[D]. 曹思聪.北京交通大学 2016
[3]隧道电波传播的交替方向隐式抛物方程方法[D]. 何显时.北京交通大学 2015
[4]三维电波传播特性标量抛物型方程的研究[D]. 但金国.杭州电子科技大学 2010
本文编号：3226970
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１?ＣＮ差分式横截面内场量随传播距离步进示意图，从第ｎ步迭代至《＋１步釆用中心差??分式??
了计算矩阵的维度。另一方面，通过对公式（２－１６）分析，其系数矩阵均为三对角??矩阵，因而在矩阵求解计算时可以利用追赶法提高计算的效率。ＡＤＩ－ＰＥ的步进过??程如图２－２所示，在迭代过程中沿ｘ和ｙ方向交替计算。因此，在进行大尺度隧道??环境计算时就能极大的提高计算效率。??关于ＡＤＩ方法求解抛物方程的稳定性同样可以根据ＣＮ式的方法进行验证。??得到的误差变化因子数值也有界，因此ＡＤＩ方法求解抛物方程也具有稳定性。??ｎ?ｎ．１，２?ｎ＋ｉ?ｙ??＿議．ｉｉ?＿變???？??图２－２交替方向隐式差分求解抛物方程时横截面电场迭代过程，虚线框内表示为每一步求解??方向??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｔｅｐｓ?ｏｆ?Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ?Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ?Ｉｍｐｌｉｃｉｔ?ＰＥ?ｓｃｈｅｍｅ，?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ?ａｒｅ?ｎｏｔｅｄ?ｂｙ??ｄａｓｈｅｄ?ｒｅｃｔａｎｇｌｅ?ｉｎ?ｅａｃｈ?ｓｔｅｐ??２．１．４矢量抛物方程方法??上述章节所提到的抛物方程方法为标量抛物方程，可以用来求解完全导体边??界条件下的电波传播问题，此类边界条件下电波传播过程中横截面上的电场和磁??场的变化是相互独立的。但是在实际场景中的隧道边界基本都是由砖石和混凝土??堆砌而成，这一类的有耗媒质会导致标准的ＴＥ和ＴＭ模式相互耦合而形成混合模??式（五／ｆｍｎ）。这就导致在实际隧道中并不能用标量抛物方程来求解
其中模式系数：％。＝。：２５＝０．２５，＾。。＝￡＾。＝０．５，ｃｍ＃Ｑｎ＃Ｑ＝ｌ。同样，ａ和６分别是矩??形波导的宽度和高度，ｍ和《对应不同的模式。１００ｍ处横截面场的理论解析结果??和数值解比较如图２－３所示，从图中可以看出数值解和理论解吻合较好，均方根误??差为８．６％，说明在此类边界下ＡＤＩ－ＰＥ精度较好。??：丨．１?編Ｉ：５??ｆ５?＾ｍｗｎｍ?Ｉ１５??？?Ｗ?■［?？?Ｗ?Ｌ〇ｉ?＾?＿．?ａ〇．ｉ??１?２?３?４?０?１?２?３?４??宽度（ｍ）?宽度（ｍ）??（ａ）?（ｂ）??图２－４Ｎｅｕｍａｎｎ边界条件下在波导１００ｍ处横截面上电场分布，（ａ）抛物方程方法数值解，??（ｂ）理论解析解??Ｆｉｇ．?２－４?Ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｆｉｅｌｄ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ａｔ?１００?ｍ?ｗｉｔｈ?Ｎｅｕｍａｎｎ?ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，??（ａ）?ｎｕｍｅｒｉｃａｌ?ｒｅｓｕｌｔ，?（ｂ）?ａｎａｌｙｔｉｃａｌ?ｒｅｓｕｌｔ??２０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国公路隧道数据统计[J]. 蒋树屏. 隧道建设. 2017(05)
[2]中国高速铁路隧道的发展及规划[J]. 赵勇,田四明,孙毅. 隧道建设. 2017(01)
博士论文
[1]大区域复杂地理环境的交替方向分解抛物方程电波传播模型及其应用研究[D]. 周亮.西南交通大学 2018
[2]高铁无线通信系统中的隧道信道模型[D]. 刘玉.山东大学 2017
[3]受限空间电波覆盖特性的研究[D]. 李大伟.北京交通大学 2016
[4]大区域地理环境的电磁建模及高效抛物方程方法研究[D]. 张青洪.西南交通大学 2016
[5]基于抛物方程的复杂气象环境电磁建模及仿真研究[D]. 盛楠.西南交通大学 2015
[6]轨道交通场景电波传播建模理论与方法研究[D]. 官科.北京交通大学 2014
[7]铁路无线通信系统射频链路的一体化建模与分析[D]. 浦实.北京交通大学 2011
硕士论文
[1]基于三维Padé型抛物方程ADI方法的电波传播研究[D]. 杨培东.西南交通大学 2016
[2]受限空间中的新型天线设计及其电波覆盖特性的研究[D]. 曹思聪.北京交通大学 2016
[3]隧道电波传播的交替方向隐式抛物方程方法[D]. 何显时.北京交通大学 2015
[4]三维电波传播特性标量抛物型方程的研究[D]. 但金国.杭州电子科技大学 2010
本文编号：3226970
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