[发明专利]一种描述无线信道近场特性的多模波导建模方法

说明书

本发明公开一种描述无线信道近场特性的多模波导建模方法。本发明建立了一种新型的多模波导模型，将几何光学和波导模型相结合，并考虑了巷道内墙壁的粗糙损耗。该多模波导模型修正了单模波导模型无法在近场表征多模信道的局限性，并考虑了墙壁的粗糙损耗，使模型更具有普适性。该多模波导模型可以用于分析在多模情况下，工作频率、巷道截面积等因素对接收信号功率的影响，可用于地下矿井中墙壁粗糙的空直巷道。

技术领域

本发明属于信道建模领域，尤其涉及一种描述无线信道近场特性的多模波导建模方法。

背景技术

对于地下矿井信道，主要有以下三种解决方案：几何光学模型、波导模型和全波模型。几何光学模型中，电磁波被近似地模拟成光学射线。电磁场是通过将反射在侧壁上的射线相加得到的。几何光学模型依赖计算机模拟来获得任意位置的路径损耗和信号延迟的数值解，但是随着信号路径延长，计算量急剧增加。波导模型不需要详细的信息来描述隧道，它是唯一一个可以提供解析解的模型，但是不适合描述和分析近场的信号传播，不能用于高密度网络。全波模型可以利用FDTD等数值方法求解任意边界条件下的麦克斯韦方程组，在离散时间和离散点(有限网格)上求解偏微分方程，但要求空间有限网格的尺寸小于自由空间波长的十分之一，时间积分步长必须小于网格尺寸除以光速，考虑到地下矿井环境中的大尺寸和高工作频率，计算负担远远超过预期。在一些现有的多模波导模型中，实现了计算复杂度合理、表征近场场景下的信道特性等功能。然而，它们并不能解释地下矿井中一些独特的特征，如矿井巷道的墙壁复杂度。

发明内容

本发明目的在于提供一种描述无线信道近场特性的多模波导建模方法,以解决几何光学模型计算量急剧增加，波导模型不适合描述和分析近场的信号传播，不能用于高密度网络。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种描述无线信道近场特性的多模波导建模方法，包括以下步骤：

步骤1、建立了多模波导模型；巷道中各点的场强等于该点所有反射像的场强和激发面上源的场强之和；通过求解麦克斯韦方程组，利用翻折法，将巷道内各点的场分布表达出来，利用接收信号功率与场分布的关系式，得到光滑墙壁情况下巷道内各点的接收信号功率，用该信号功率减去巷道中墙壁的粗糙损耗，即可得到粗糙墙壁情况下巷道内各点的接收信号功率；

步骤2、建立多模波导模型后，仿真并分析了在多模情况下，工作频率、巷道截面积、天线位置、介电常数因素对接收信号功率的影响，通过分析各点的接收信号功率，修正了单模波导模型在近场的局限性。

进一步的，步骤2中仿真具体包括以下步骤：

步骤2.1、计算本征函数

式中，(x₀，y₀，0)为发射天线坐标，(x，y，z)接收天线坐标，m表示波导中x方向变化的半周期数，n表示波导中y方向变化的半周期数，表示x方向上的相位，表示y方向上的相位；a为矩形巷道的宽，b为矩形巷道的高；当m为偶数时，当m为奇数时，当n为奇数时，当n为偶数时，

步骤2.2、计算波导中各模式分量的衰减系数α_mn、相移系数β_mn以及各模式分量的强度C_mn：

式中，E₀为发射机处的场强；k_v为巷道侧壁的复电参数，k_h为巷道天花板以及地板的复电参数，k为波数；

步骤2.3、计算巷道内任意位置的场分布E_R(x，y，z)：

式中，j为虚数单位；