基于混合算法的受限空间电波覆盖特性研究

论文摘要

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铁站台的电波覆盖特性进行了计算和分析。2.提出了硬边界受限空间中的混合数值计算方法,在计算效率、准确度和应用范围三方面实现了很好的折衷。采用混合方法计算了矩形截面隧道和楼道内的电波覆盖特性,并与单一数值方法计算结果和实测结果进行了比较,验证了混合数值计算方法的有效性,为受限空间中电波覆盖特性的计算和分析提供了高效方法。3.利用混合计算方法研究了复杂隧道环境中的电波覆盖特性。在研究中采用了较为真实的车体模型和收发天线模型,并计算了列车处于不同大尺度隧道环境下的接收天线输出电压,总结了列车接收电压的变化规律;同时研究了隧道中存在天线接续、障碍物等情况时的电波覆盖特性。4.利用混合计算方法研究了多场景地铁受限空间中的电波覆盖特性。研究了地铁内列车控制通信系统之外的同频公众通信系统天线在地铁站台与隧道交界处产生的“额外”电波覆盖特性,计算了其可能对列车控制通信系统电波覆盖特性造成的影响,并以影响最小为目标优化了同频天线的安装位置。此外,通过混合方法还计算得到了列车车体对地铁隧道中电波传播特性的影响,明确了隧道中的电波从列车外部进入内部时,车体的正面及侧面结构对电波传播能量的影响。5.测量了实际半圆形截面的隧道场景中不同收发天线情况下隧道内的接收功率分布。同时结合经验性模型分析得到了不同天线参数对隧道中电波传播特性的影响,并以此作为优化依据,从天线设计及其布局的角度对隧道内高效电波覆盖方案的制定提出了建议。

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致谢

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 受限空间中电波传播预测经验性模型

1.2.2 受限空间中电波传播预测确定性模型

1.2.3 受限空间中电波覆盖方法

1.2.4 存在的问题

1.3 本文章节安排

2 基本理论方法与验证

2.1 抛物方程方法

2.1.1 标量抛物方程

2.1.2 抛物方程求解方法

2.1.3 交替方向隐式方法

2.1.4 矢量抛物方程方法

2.1.5 抛物方程方法的验证

2.2 射线追踪方法

2.2.1 电磁波的传播方式

2.2.2 基于镜像法的射线追踪方法

2.2.3 射线追踪方法的验证

2.3 时域有限差分方法

2.3.1 麦克斯韦方程组和Yee元胞

2.3.2 基于MPI的并行FDTD算法

2.3.3 FDTD方法的验证

2.4 本章小结

3 多场景受限空间电波覆盖数值计算方法研究

3.1 隧道中存在车体及隧道弯曲情况下的电波传播预测

3.1.1 宽角抛物方程电波预测方法研究

3.1.2 局部细化网格抛物方程方法及其应用

3.1.3 弯曲隧道电波覆盖研究

3.2 地铁站台环境电波覆盖研究

3.2.1 存在障碍物受限空间射线追踪模型建立

3.2.2 实际环境电波覆盖的射线追踪法仿真

3.2.3 实际地铁站调研及电波覆盖效果评估

3.3 本章小结

4 受限空间电波覆盖的混合计算方法

4.1 受限空间电波覆盖混合计算方法思路

4.2 基于矢量抛物方程和时域有限差分的混合方法

4.3 基于射线追踪和时域有限差分的混合方法

4.4 本章小结

5 复杂隧道环境下电波覆盖特性研究

5.1 混合计算方法中的列车及发射天线模型

5.1.1 FDTD方法中实际列车模型

5.1.2 抛物方程方法中发射天线模型

5.2 隧道环境中列车天线接收电压的VPE/FDTD混合方法计算

5.2.1 列车在直隧道中行驶时天线的接收电压

5.2.2 列车从直隧道进入弯曲隧道时的接收电压变化

5.2.3 列车在直隧道会车情况下的接收电压

5.3 隧道内存在障碍物及接续天线时的电波覆盖计算

5.3.1 隧道中障碍物对电波传播的影响

5.3.2 隧道中天线接续对电波传播的影响

5.4 本章小结

6 多场景及存在同频源地铁环境中的电波覆盖研究

6.1 地铁环境列控系统之外的同频天线的辐射影响

6.1.1 信号干扰比

6.1.2 地铁列车对同频电波的遮挡效果

6.2 站台与隧道交界处同频天线产生的电波覆盖特性

6.2.1 研究场景分析

6.2.2 地铁中FDTD方法的列车模型

6.2.3 地铁站台及地铁隧道模型

6.2.4 同频天线电波覆盖特性的混合RT/FDTD方法计算

6.2.5 同频天线对列车控制系统电波覆盖的影响

6.3 地铁隧道内列车对电波传播能量的影响

6.3.1 研究场景分析

6.3.2 列车正面对电波传播特性的影响

6.3.3 列车侧面对电波传播特性的影响

6.4 本章小结

7 受限空间中电波覆盖特性的实验研究

7.1 测量场景与系统校准

7.1.1 测量场景及基本信息

7.1.2 测量系统校准

7.2 测量结果分析方法研究

7.2.1 隧道内电波覆盖的分段模型

7.2.2 直隧道中电波覆盖的两段模型拟合公式

7.3 天线参数对电波覆盖影响的测量结果及分析

7.3.1 隧道初始面上天线位置对电波覆盖特性的影响

7.3.2 圆极化及双极化天线对电波覆盖特性的影响

7.3.3 发射天线类型对电波覆盖特性的影响

7.3.4 隧道弯曲及天线极化特性对电波覆盖特性的影响

7.4 本章小结

8 结束语

参考文献

作者简历

学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 侯伟彬

导师: 王均宏

关键词: 受限空间,电波覆盖,混合计算方法,矢量抛物方程,射线追踪,时域有限差分

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,铁路运输,无线电电子学

单位: 北京交通大学

基金: 国家自然科学基金“重点”项目(NO.61331002):受限空间支撑高效电波覆盖的天线理论与技术

分类号: O451;U285.2

总页数: 148

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