基于一致性绕射理论的城市环境辐射建模

摘要

一致性绕射理论(the Uniform Theory of Diffraction，UTD)与射线追踪(Ray Tracing)共同构成了无线通信系统电波传播的一种高精度建模方法。本文以镜像射线追踪为基础进行点对点的路径搜索，以几何光学和一致性几何绕射理论计算接收点场强，完成了城市环境下的电波传播分析和无线信道损耗计算，主要工作包括:
　　1.详细推导了高频电磁场的射线光学表示和几何光学反射定律，建立了几何光学反射场的表达式，并详细介绍了几何绕射理论及一致性几何绕射理论。着重介绍了镜像法并将其扩展，使其能够进行边缘绕射射线的寻迹，验证了射线寻迹和场强计算的准确性。
　　2.深入研究了射线追踪的空间体积划分(Space Volumetric Partitioning，SVP)加速方法，并用八叉树数据结构优化空间体积划分，本文采用自下而上的方法实现了射线追踪中八叉树邻域节点的查找。
　　3.实现了基于镜像源树的反向射线追踪算法，并从图形学和电磁学的角度设计了背面剔除、遮挡判断和反射可视区域、绕射可视区域等镜像源树的优化方法，设计了多次反射、含有绕射和含有地面反射的路径查找的计算方法。
　　4.为了验证本文实现的电波传播模型的正确性，以典型城市环境为例，分别与FEKO和实测数据进行对比，考虑到环境的随机性，得到的结果吻合度较好，可以为城市环境的电波传播预测和网络规划提供依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状与进展

1．3 论文组织结构

第二章 一致性几何绕射理论研究

2．1 高频场射线光学的建立

2．1．1 程函方程和输运方程

2．1．2 几何光学项及其解释

2．1．3 射线轨迹

2．1．4 极化特性和相位函数

2．1．5 幅度方程

2．1．6 电磁场的射线光学结构

2．2 几何光学反射场

2．2．1 射线坐标系

2．2．2 反射定律

2．2．3 反射射线轨迹和极化

2．2．4 射线反射电场的一般表达式

2．3 几何绕射理论

2．3．1 惠更斯原理绕射

2．3．2 几何绕射理论

2．4 几何一致性绕射理论

2．4．1 边缘固定坐标系

2．4．2 一致性绕射场的表达式

2．5 本章小结

第三章 射线追踪方法研究

3．1 射线追踪算法介绍

3．1．1 正向射线追踪方法

3．1．2 反向射线追踪方法

3．1．3 弹跳射线法和镜像法的混合方法

3．2 电场计算实例

3．2．1 几何光学场的计算和验证

3．2．2 边缘绕射场的计算和验证

3．3 射线追踪加速技术

3．3．1 二元空间分区算法

3．3．2 空间体积分区算法

3．3．3 角度Z缓存区算法

3．4 本章小结

第四章 基于八叉树的空间体积划分阴影检测算法

4．1 八叉树的概念及数据结构

4．2 空间三角形-立方体相交检测

4．3 八叉树的建立

4．4 射线的邻域查找

4．5 本章小结

第五章 基于镜像源树的反向射线追踪算法实现

5．1 镜像源树的建立

5．2 镜像源树的优化技术

5．2．1 基于图形学的优化技术

5．2．2 基于电磁学的优化技术

5．3 路径查找及地面反射路径

5．3．1 只有反射的路径查找

5．3．2 含有绕射的路径查找

5．3．3 地面反射路径查找

5．4 本章小结

第六章 基于一致性绕射理论的城市环境电波传播特·|生仿真

6．1 城市环境下本文算法计算的场强与FEKO的对比

6．2 城市环境下本文算法计算的路径损耗与测量数据的对比

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介