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 (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。

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。

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。

无线电波传播原理1无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.1 电磁场与电磁波基础1820年奥斯特电磁1831年法拉第磁电产生产生变化的电场磁场变化的磁场电场激发?电磁场理论麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了著名的电磁场理论（经典电磁场理论），指出变化电场和变化磁场形成了统一的电磁场，预言电磁场能以波动的形式在空间传播，称为电磁波；并得到电磁波在真空中传播的速度等于光速，从而断定光在本质上就是一种电磁波。

后来，赫兹用振荡电路产生了电磁波，使麦克斯韦的学说得到了实验证明，为电学和光学奠定了统一的基础。

因此，麦克斯韦的经典电磁场理论是人类对电磁规律的历史性总结，是19世纪物理学发展的最辉煌成就，是物理学发展史上一个重要的里程碑。

电磁波的诞生赫兹----德国物理学家赫兹对人类伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，发现了光电效应。

1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。

开创了无线电电子技术的新纪元。

赫兹用各种实验，证明了不仅电磁波的性质和光波相同，而且传播速度也相同，并可发生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，即电磁波服从一般波动所具有的一切规律。

如果空间的电场或磁场变化是周期性的，我们用周期和频率来描述变化快慢。

电磁场变化过程中产生的电磁波的频率等于电磁场的变化频率；电磁波在传播中从一种介质进入另一种介质时，其频率不会发生改变，但其传播速度会发生改变。

电磁波的应用从1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在，1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。

1914年语音通信成为可能。

1920年商业无线电广播开始使用。

20世纪30年代发明了雷达。

40年代雷达和通讯得到飞速发展，自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。

如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。

无线电通信的起源1897 年：马可尼完成无线通信试验——电报发收两端距离为18 海里试验是在固定站与一艘拖船之间进行的20 世纪初：两次世界大战导致无线通信蓬勃发展步话机、对讲机等1941 年美陆军就开始装备步话机短波波段，电子管电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按波长电磁波分类-按波长各波段电磁波特点长波通信：沿地面传播，衰减小、穿透能力强 中波通信：地波传播及夜晚电离层反射传播 短波通信：天波传播，适合远距离传输超短波通信：直线传播，视距通信，广播电视、移动通信微波通信：工作频带宽，长距离接力通信第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析传播途径①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.3 无线传播环境•问题：移动通信比较固定通信有那些特殊性呢?•多径无线传播无线路径是一个很复杂的传播媒介•手机发射功率有限手机的发射功率客观限制了蜂窝小区的服务范围手机电池寿命和对人体危害决定了发射功率大小•频率资源有限带宽一定信道编码等占用额外频率资源频率需要被重复利用==> 产生同频干扰•用户行为的不确定性第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析无线信道分析在移动通信研究中的意义无线通信系统的信道十分复杂：9地理环境的复杂性和多样性9用户移动的随机性9多径传播无线信道是制约移动通信质量的主要因素无线信道是研究各种技术的主要推动力量无线信道的建模对于整个移动通信系统仿真的正确性和可靠性有着举足轻重的意义1.4 无线信道分析•无线信道中的损耗一般分为三个层次：—大尺度（又称路径损耗）【path loss】—中等尺度（阴影衰落、慢衰落）【shadowing】—小尺度衰落（快衰落）【fast fading】无线信道分析场强平均值随距离增加而衰减（路径损耗，大尺度衰落）•电磁波在空间传播的损耗场强中值呈慢速变化（慢衰落，阴影衰落，中等尺度衰落）•由地形地貌导致场强瞬时值呈快速变化（快衰落，小尺度衰落）•多径效应——由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落•多普勒效应——由移动体的运动引起，多径条件下引起频谱展宽三种衰落区别•大尺度衰落主要是路径损耗，可用自由空间传播模型来近似；其特点是：慢变，信道在很长时间内可以认为是恒定的，而且衰落的幅度很小。

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无线电波传播模型与仿真在现代的通信领域中，无线电波的传播模型成为了一个重要的研究主题。

当我们需要传输数据、信息或者信号的时候，我们需要通过无线电波来实现。

无线电波传播模型和仿真技术的研究，可以帮助我们更好地了解无线电波在传播过程中的特点，为我们设计和优化无线电通信系统提供重要的依据。

1. 无线电波传播模型在无线电通信中，无线电波的传播受到诸多因素的影响。

传输距离、频率、天线高度和地形都会影响无线电波的传播。

1.1 自由空间模型自由空间模型是一种最简单的无线电波传播模型。

在自由空间中，无线电波沿直线传输，向四面八方辐射。

此时，无线电波传输的距离和波长有关，距离越远，信号衰减越严重。

自由空间模型适用于在太空中，或没有障碍的通信环境中使用。

1.2 多径模型在现实的通信环境中，无线电波遇到各种障碍物后会发生反射、折射、绕射等现象，从而可能产生多路径效应。

因此，多径模型被广泛应用于无线电通信系统的研究中。

在多径模型中，无线电波的传播路径包括直射路径、反射路径、绕射路径和散射路径等。

多径模型中的多路传输会使接收信号出现干扰，影响通信的可靠性。

1.3 表面波模型在表面波模型中，无线电波沿着地表层或者水面传播。

这种模型适用于低频率的无线电通信。

表面波模型的一个缺陷是信号的传输距离较短。

2. 无线电波传播仿真无线电波传播仿真是指通过计算机模拟无线电波的传播过程，以求出在各种条件下无线电波的传播特性。

无线电波仿真的目的是为了给通信工程师提供一个可靠的工具，以便进行通信系统的规划、设计和优化。

2.1 无线电波传播仿真软件无线电波传播仿真软件是通信工程师研究和设计无线电通信系统的必备工具。

在现代通信领域中，有许多广泛使用的仿真软件，比如：MATLAB、OPTIWAVE、HFSS等。

这些软件能够根据实验数据和实际场景模拟无线电波传播的行为，进行通信系统的优化和规划。

2.2 仿真参数在进行无线电波仿真时，需要输入一些参数来模拟无线电波的传输过程。

无线电波传输中的信道建模与预测第一章介绍无线电波传输是无线通信中最基础的环节，对传输质量有着至关重要的影响。

在信道中，信号会受到多种干扰影响，为了更好地了解无线电波传输中的信道，本文将从信道建模、信道预测等方面进行探讨，帮助读者更好地理解信道。

第二章信道建模信道建模是指通过多种参数和模型来描述无线电波在空气中传播时，信号受到的各种干扰影响的变化情况。

信道建模的目的是为了更好地了解信道，进行信号设计和系统优化。

（一）统计信道建模统计信道建模是对无线电波传输中干扰影响的概率分布进行建模，主要通过统计分析来得到信道模型的参数。

这种建模方法相对简单，且具有通用性，常用的统计信道建模有瑞利衰落信道模型和阴影衰落信道模型。

（二）物理几何信道建模物理几何信道建模是通过建立模拟环境来模拟无线电波在具体空间中传播的物理特性。

这种建模方法可以更好地反映系统的实际工作状态，但是对建模者的环境仿真能力要求较高。

第三章信道预测信道预测是指在一定时间范围内，对信道发生变化的趋势进行估计和预测。

信道预测主要是基于信道估计技术和预测模型，常用的信道预测方法有基于统计的方法、基于卡尔曼滤波的方法和基于神经网络的方法。

（一）基于统计的方法基于统计的方法是采用一系列的统计学原理和算法，来对信道的未来变化趋势进行预测。

这种方法主要适用于低速移动信道和静止信道。

常用的统计预测模型有自回归（AR）模型、移动平均（MA）模型和自回归移动平均（ARMA）模型等。

（二）基于卡尔曼滤波的方法基于卡尔曼滤波的方法是通过数学模型对信道参数的变化进行估计和预测，其核心是卡尔曼滤波器。

该方法可以对大多数移动信道进行预测，但是需要对卡尔曼滤波器参数进行调整，计算量较大。

（三）基于神经网络的方法基于神经网络的方法通过训练神经网络，对信道变化趋势进行预测。

该方法具有适应性强、无需先验参数等特点，但是需要大量的样本数据对网络进行训练。

第四章应用案例无线电波在无线通信领域应用广泛，在移动通信、航空航天、军事通信等领域中具有重要地位。

大气波导环境中电波传播的建模与仿真的开题报告1.选题背景随着现代通信技术的发展，电磁波在大气波导环境中的传播已成为研究热点之一。

大气波导是指大气层内温度、湿度及化学成分变化所引起的电离层、中性大气层和地面之间的电磁波传输现象。

电磁波在大气波导中传播时受到复杂的多路径、多反射、多散射等干扰，因此建立大气波导环境下的电波传播模型具有重要的理论和应用价值。

2.研究目的本项目旨在建立大气波导环境中的电波传播模型，并采用数值仿真方法验证模型的正确性和实用性，为电波通信、天气预报、雷达监测等领域的实际应用提供理论支持和参考。

3.研究内容（1）分析大气中电磁波的散射、反射、传播特性，研究大气物理学基础知识和电波传输理论。

（2）建立大气波导环境下的电波传播模型，包括电磁波传播方程、波导参数等。

（3）设计合适的数值方法，对电波传播模型进行数值仿真。

（4）通过数值仿真，在不同的天气条件、地形环境下，分析大气波导环境中电波的传播特性，如衰减、传播路径等。

（5）对仿真结果进行分析和讨论，验证电波传播模型和仿真方法的准确性和有效性。

4.研究意义本研究可以深入了解大气物理学和电波传播理论，建立适用于大气波导环境中的电波传播模型，提高电波通信、雷达监测、天气预报等领域的实用性和准确性，为相关领域的科学研究和技术发展提供基础性理论支撑。

5.研究方法本项目采用实验研究和数值仿真结合的方法。

首先，通过文献调查和理论分析，获得大气物理学、电磁波传播理论相关知识；然后，建立大气波导环境下的电波传播模型，并采用数值方法进行数值仿真；最后，对仿真结果进行统计和分析，验证模型的准确性和适用性。

6.预期成果本项目预期获得以下成果：（1）建立适用于大气波导环境下的电波传播模型，包括电磁波传播方程、波导参数等。

（2）设计数值方法对模型进行数值仿真，获得不同天气条件、地形环境下电波的传播特性。

（3）通过分析仿真结果，验证模型的准确性和实用性，为电波通信、雷达监测、天气预报等应用领域提供理论支持。

下一代移动通信中电波传播特性和测试方法研究的开题报告一、研究背景随着移动通信技术的不断发展，下一代移动通信系统不断涌现，例如5G、6G等。

这些系统采用的新技术和频段超出了当前移动通信技术的范畴，使得电波传播特性和测试方法成为研究的热点之一。

因此，本文的研究意义在于针对下一代移动通信中的电波传播特性和测试方法进行研究，为该领域的发展提供理论和实践支持。

二、研究目的本文旨在通过研究下一代移动通信中的电波传播特性和测试方法，探索这些系统在不同环境下的传输性能，进一步优化设计和实现下一代移动通信系统的电波传播和测试技术。

三、研究内容1. 下一代移动通信中的电波传播特性：分析下一代移动通信系统使用的频段和技术，阐述不同频段和环境下的电波传播特性和影响因素。

具体内容包括：（1）移动通信信道建模和仿真技术；（2）下一代移动通信频谱分析和信道特性分析；（3）考虑地形、建筑物、植被等因素的电波传播特性分析。

2. 下一代移动通信的测试方法：讨论下一代移动通信系统测试所需的技术和测试方法，建立下一代移动通信领域的测试标准，如：（1）测试中使用的仪器设备和测试方法；（2）测试场景的建立和分析；（3）测试结果的分析和比较。

四、研究方法本文采用文献调研和仿真实验相结合的方法，主要包括：1. 文献调研：查阅电波传播、无线通信、移动通信等方面的相关文献，分析国内外在下一代移动通信中的电波传播特性和测试方法方面的最新研究进展，为后续的模拟实验和测试提供参考。

2. 仿真实验：利用电磁场仿真软件，模拟下一代移动通信中的电波传播特性，评估其信号质量和传输性能。

同时，根据实际情况构建仿真场景，设计仿真实验，验证所建立的理论模型的正确性。

五、研究预期成果1. 下一代移动通信领域的电波传播特性分析、模型建立及仿真实验结果。

2. 下一代移动通信领域测试方法研究的具体操作规范和技术标准。

3. 对于下一代移动通信中电波传播特性和测试方法的研究成果，增强该领域的理论掌握和技术应用能力，为下一代移动通信系统的设计和实现提供理论和实践支持。

5g电波传播与无线信道测量虚拟仿真实验原理
5G网络中的电波传播和无线信道测量是关键技术，而虚拟仿真实验则是研究这些技术的常用手段。

其原理如下：
1. 电波传播模型：电波在空气中传播时受到衰减和反射等干扰。

对于不同的环境和频率，传播模型也不同。

虚拟仿真实验可以通过构建不同的场景和环境，模拟不同频率的电波在空间空气中的传播和干扰情况。

2. 无线信道测量模拟：无线信道测量是对网络中无线传输历程的测试和评估。

因为其难以在真实环境中进行精确实验，虚拟仿真实验可以通过模拟不同网络场景下的无线信道传播，测试无线信号的接收质量和干扰程度。

3. 虚拟仿真实验设计：在进行虚拟仿真实验时，需要选取合适的仿真软件和相应的模型。

通过模拟现实情境，设计实验方案和数据采集，进行模拟仿真实验，获得数据，进行数据分析，最终评估网络的质量。

通过上述原理，虚拟仿真实验可以对5G网络中的电波传播和无线信道测量进行模拟研究，在真实环境不易得到的情况下，提供了一种有效手段，为5G网络的建设和优化提供指导。