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1、-范文最新推荐-1 / 17MATLAB 地铁隧道无线电波传播特性的预测与仿真摘要：随着经济水平和通信水平的不断提高，人们对于通信的需求越来越大。在通信技术发展的过程中, 为了使通信过程不受时空的限制, 人们把研究对象由开放空间转向限定空间。相对于自由空间，一些封闭的空间，例如:电梯、地下室、隧道、地铁等场合，通信的质量往往会受到干扰，而在隧道中无线电波的传播损耗尤为严重。通信距离已成为制约隧道内 3G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,而人们也已经在不断地改善。本文主要研究了隧道中电磁波传播的基本特
2、性，从理论上分析了电磁波在隧道中的传播规律。首先从介绍无线电波的发展史，简单分析了国内外目前无线电波的发展现状，然后介绍了窄带、宽带的传播规律，分别分析了大尺度衰落、小尺度衰落、快衰落三种不同衰落的特点，再介绍了无线电波传播规律一般的研究方法，包括统计方法、混合方法以及确定性方法。就理论的方法中详细介绍了矩形隧道波模理论以及射线跟踪法；实验的方法中由于考虑到价钱以及环境，人力与物力等因素的特殊性，本文简单介绍具体所需要的的设备。在最后就矩形隧道对 4 种不同横截面积下对接收功率与时延对不同位置收发距离通过MATLAB 软件分别进行进行了仿真，得出了接收功率和时延对比图，验证了一些结论。关键词：
3、 通信技术；无线电波；传播规律；矩形隧道；接收功率8371Subway tunnel radio waves propagation prediction and simulation 1.3.1 国外发展现状 31.3.2 国内发展现状 3-范文最新推荐-3 / 172 研究内容 42.1 窄带传播规律的研究内容 42.1.1 路劲损耗 -大尺度衰落 42.1.2 慢衰落-小尺度衰落 42.1.3 快衰落 52.1.4 三种衰落的区别 52.2 宽带传播规律的研究内容 63 研究的方法 83.1 研究方法的分类 83.1.1 统计方法（ Statistical Methods)83.1.2
4、混合方法 (Combined Approach)83.1.3 确定性方法（ Statistical Methods)83.2 理论的方法 93.2.1 矩形隧道波模理论 93.2.2 射线跟踪法 103.3 实验的方法 124 矩形隧道多径传播 144.1 矩形隧道中的路径搜索方法 144.1.1 二维共面反射路径的计算 144.1.2 三维反射路径的计算 144.2 模型的推广 164.3 接收功率的计算 17-范文最新推荐-5 / 175 软件仿真与分析 185.1 软件介绍 185.2 矩形隧道仿真 195.3 结果分析 246 总结与展望 25致谢 26参考文献 27附录 281 绪论
5、1.1 课题的研究背景以及意义 21 世纪，随着科技不断的进步，通信技术也在不断发展。人们已经离不开了手机、电脑、网络。在这个通信的时代，无线电波的传输质量在人们的生活中起到了关键的作用。由于无线通信具有低成本，高可靠性、安全性以及便于移动携带的特点，其已经逐渐成为人们生活中最频繁的通信手段。自 20 世纪中后期，人们便开始想信息社会靠拢，为此，在任何场合任何时间人们都希望能够保持良好的通信环境，为此无线通信成为了人们必不可缺的生活元素。曾经在电梯、公交车、火车、动车，甚至飞机上人们常常会为一些隧道等特殊地点的信号问题所困扰，而如今，通信技术的发展以让人们逐渐摆脱了这些困扰，能够更好的享受通信
6、。 1938 年电视广播开播1948 年发明晶体管“：香农提出了信息论1950 年时分多路通信应用于电话-范文最新推荐-7 / 171957 年发射第一颗人造卫星1958 年发射第一颗通信卫星1960 年发明激光1961 年发明集成电路1962 年发射第一颗同步通信卫星、脉冲编码调制进入实用阶段1960-1970 年彩色电视问世、阿波罗宇宙飞船登月、出现高速数字电子计算机1970-1980 年大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理机等迅速发展1971 年投入使用阿巴网（APPANET)1980 年超大规模集成电路 1990 年因特网飞速发展；移动通信1.
7、2.2 通信发展的特点 :这么多年来，通信发展可以简单地归纳为：由数字通信系统→ 模拟通信系统→数字通信系统，从受限制→ 无限制。这里简单介绍一下模拟通信系统与数字通信系统：（1）模拟通信系统：按照时间函数取值的连续性与离散型可将信号划分为连续时间信号和离散时间信号。模拟信号就是在时间上或是在幅度上都是连续的信号。在模拟系统中传送的是连续时间信号，又称模拟信号，而该系统则成为模拟通信系统。（2）数字通信系统：显而易见，该系统中传送的是离散信号，又称数字信号。数字信号与模拟信号不同，它是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信号的信号。最常见的数字信号幅度取值为
8、“0”和 “1”两种，称为“二进制信号” 。数字信号系统是指用数字信号-范文最新推荐-9 / 17作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信系统。 莱斯分布的概率函数：（2.3）瑞利分布的概率密度函数（2.4）上式中,r 是接收信号的包络， 为信号包络检检波前电压的的均方根值， 为包络检波前时间的平均功率，A 为多径信号中信号主分量的值， 是零阶修正第一类贝塞尔函数。慢衰落主要影响慢速移动通信终端在短距离和（或）在短时间内的通信质量。2.1.3 快衰落快衰落(fast fading)是由于多径信号分
9、量各自的相位不同，多径信号的相位分布服从均匀分布；这样总的合成信号幅度是所有信号的矢量加。在极短的时间或极小的空间范围内（几个波长之内） ，合成信号可能由于多径分量同相相加而增强，形成峰点；也可能由于反相相加而减弱，形成谷点。快衰落主要影响高速移动通信的系统性能或极短时间内系统的性能。2.1.4 三种衰落的区别大尺度衰落主要是路径衰落，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。中尺度衰落主要是由电磁波的饶射引起的，一般用对数正态分布来表征其衰落的幅度特性，其变化特性介于两者之间。小尺度衰落主要是电磁波的反射以及散射等引起的，其特点是快变，
10、在很短的时间内，信号衰减的很快，最多可以衰减 60-70 的 dB.常用瑞利分布(NLOS)和莱斯分布（LOS）来表征其幅度的变化。 图 2.1 对移动无线信道的衰落特性进行概括描述-范文最新推荐-11 / 172.2 宽带传播规律的研究内容宽带传播特性决定了数字通信系统的传播速率。对于数字系统，在没有采用分集及均衡技术的情况下，信号的均方根时延 与符号比特周期之比必须小于 0.2，接收端符号间干扰（ISI ）才是可以容忍的。通常用下式描述多径信道转移函数。 3.1.2 混合方法(Combined Approach)即通过对隧道中的传播环境进行分区，再应用不同的传播模式对这两个区域进行传播预测
11、。相对于研究的信号波长来说，此时隧道可以假设为尺寸超大的理想波导。从波导理论可以知道，只有高于波导截止频率的电磁波才能在波导中传播。对于目前一般的隧道而言，其截止频率一般小于 100MHZ，而目前公共移动通信的频率远高于隧道的截止频率，因而电磁波在隧道中的传播为多模传播各个模式的损耗与其阶数的平方成正比，因而隧道可以分为两个传播性质不同的区域；近场区和远场区两个传播区域。在近场区，引导传播尚未建立起来，波在这个区域主要为多模传播；而在远场区，波的传播方式主要是稳定的到模传播。3.1.3 确定性方法（ Statistical Methods)即用电磁波的传播理论来计算路径的传播损耗，但是用直接求
12、解麦克斯韦（Maxwell) 方程的纯理论较少，因而传播环境的复杂性使得求解方程所需要的边界条件难以确定，所以多数研究采用的是光线跟踪法（Ray-Tracing Method)以及光线跟踪法衍生出来的一些算法。光线跟踪法的思想是基于几何光学原理（Geometry Optics Theory),通过模拟光线的传播来预测高频电磁波的传播。跟踪从光源发出的光线，检查光线在传播过程中是否与光线相交，发生反射、折射、衍射、绕射等情况，直至到达接受点，在具体判断中，利用镜像法、几何绕射法、一致绕射法、测试光线法和入射-范文最新推荐-13 / 17反弹光线法对光线进行有效模拟。光线跟踪法适合解决复杂环境下的
13、电波传播，它的应用使得人们可以预测室内和室外无线通信的传播，不论从实际还是理论上来说，这些理论都可以在隧道中得到应用。3.2 理论的方法3.2.1 矩形隧道波模理论 单位距离内，两壁上反射次数为：(3.9）由式 3.5-3.8，可以推出得到散射所损耗因子，用dB 表示为：(4.1)综上，公式 3.4，3.5 ，4.1 表明，反射与散射的损耗与波长成正比。当频率增加时，波模的数目会迅速增加，各个模次携带的能量将减小，所以分析隧道电磁波传输特性时，不能仅考虑单个波模的特性，应分析能到达接收点所有波模共同作用下的特性。3.2.2 射线跟踪法射线追踪是一种被广泛用于移动通信和个人通信环境（室外宏蜂窝、街道微蜂窝和室内微蜂窝）中预测电波传播特性的技术，其基本思想是：将从源点辐射出的电磁波看作一条条射线，能量在各自独立的射线管内传播：对每一条射线的传播进行追踪，直到射线到达目标点或射线能量低于需要考虑限度时，在这过程中计算出射线的能量，求得所有到达场点的射线后，采用矢量叠加的方法得出辐射源的影响。射线追踪方法是在几何光学理论，几何饶射理论和一致绕射理论基础上发展起来的，为获得有用的仿真结果提供了精确的特定点方法。另
