無線電波傳播的隨機建模與應用（簡體書）

扈羅全，江蘇宜興人，博士。中國電子學會會員，全國電磁兼容標準化技術委員會低頻現象分技術委員會委員。長期從事無線通信、信息技術設備／電子電氣類產品的電磁兼容檢測和研究，江蘇檢驗檢疫系統學科帶頭人，蘇州大學工程碩士研究生指導老師。獲得2008年度蘇州市緊缺高層次人才引進資助，2008年度國家質檢總局優秀論文一等獎，2009年度蘇州檢驗檢疫局優秀論文一等獎。目前主持包括省科技廳立項的各類科研項目六項，已發表各類學術論文一百余篇，獲得專利一項。

《無線電波傳播的隨機建模與應用》是由華中科技大學出版社出版的。

第1章 緒論
1.1 引言
1.2 研究背景
1.2.1 傳統窄帶無線信道研究概述
1.2.2 無線信道研究方法簡介
1.2.3 無線信道的接收功率特性
1.3 主要研究內容和章 節安排

第2章 隨機射線的基本理論與統計特性分析
2.1 隨機過程和隨機分析基本知識
2.1.1 隨機過程的概念
2.1.2 平穩隨機過程
2.1.3 布朗運動
2.1.4 隨機微分方程的數值仿真算法介紹
2.2 隨機射線
2.2.1 歷史發展
2.2.2 隨機射線分類
2.3 傳播環境的物理建模
2.3.1 精確描述的幾何環境
2.3.2 Fresnel區理論
2.3.3 服從某個概率分布的隨機環境
2.3.4 位置滲流網格模型和點滲流網格模型
2.3.5 隨機網格信道
2.4 產生隨機射線的方法
2.4.1 隨機環境中鏡面反射
2.4.2 隨機游動
2.4.3 隨機橋過程
2.5 隨機波束
2.6 隨機橋過程構造的基本隨機變量
2.7 布朗橋過程產生的隨機樣本及其統計特性
2.7.1 布朗橋過程
2.7.2 自由布朗橋過程
2.7.3 有約束布朗橋過程
2.7.4 布朗橋過程產生的時間序列
2.7.5 布朗橋過程產生時間序列的相關特性
2.7.6 布朗橋過程產生基本隨機變量的統計特性
2.8 Langevin橋過程產生的隨機樣本及其統計特性
2.8.1 Langevin方程
2.8.2 Langevin橋過程
2.8.3 有約束Langevin橋過程
2.8.4 Langevin橋過程產生基本隨機變量的統計特性
2.9 發生是次反射隨機射線的概率分布
2.9.1 最大熵原理
2.9.2 Manhattan距離度量下的概率分布
2.9.3 Euclid距離度量下的概率分布
2.10 隨機游動的隨機射線傳播空間的概率分布
2.11 推廣的酒徒行走問題及其平均行走距離
2.11.1 部分理性的隨機游動模型
2.11.2 數值仿真
2.12 無線電波傳播的概率模型
2.13 小結

第3章 超寬帶脈沖無線信道多徑傳播特性的隨機射線研究
3.1 脈沖無線信道和多徑傳播模型
3.2 基于隨機橋過程的脈沖無線信道建模分析
3.2.1 隨機橋方法分析UWB多徑信道的物理基礎
3.2.2 UWB脈沖信號失真分析
3.2.3 UWB脈沖信號相位分析
3.2.4 隨機橋過程建模脈沖無線信道的兩個假設
3.3 一種有多反射特性的UWB脈沖無線信道建模方法
3.3.1 無線信道的幾何隨機模型
3.3.2 UWB室內多徑信道的幾何隨機多反射模型
3.3.3 多反射多徑分量隨機路徑的數學建模
3.4 有約束的布朗橋模型
3.5 UWB信道成簇特性的概率分析
3.5.1 UWB室內信道成簇現象的原因
3.5.2 成簇現象對UWB信號檢測與接收的影響
3.5.3 布朗橋方法對UWB信道咸簇特性的仿真與分析
3.5.4 基于基本隨機變量的統計特性對成簇特性的概率分析
3.6 超寬帶脈沖無線信道多徑傳播特性仿真與分析
3.6.1 不同傳播環境信道特性的仿真與分析
3.6.2 地下車庫傳播環境信道特性的實驗驗證
3.7 基于最優化方法和隨機射線對脈沖無線信道的分析
3.7.1 UWB室內多徑信道模型的最優化問題表述
3.7.2 UWB室內多徑信道bbbm模型結合最優化方法的算法描述
3.7.3 數值仿真
3.8 小結

第4章 短程窄帶無線信道傳播特性的研究
4.1 基于隨機橋過程的短程窄帶無線信道空時特性分析
4.1.1 隨機橋過程和基本隨機變量
4.1.2 建模無線信道空間特性的數學模型
4.1.3 空間二維無線信道沖激響應的唯象模型
4.1.4 散射體均勻分布傳播環境的空時特性的仿真分析
4.1.5 有約束傳播環境的空時特性的仿真分析
4.1.6 討論
4.2 基于隨機射線的短程窄帶無線信道電波傳播多徑特性分析
4.2.1 隨機射線回顧
4.2.2 自由布朗橋過程構造基本隨機變量統計特性的理論分析
4.2.3 自由Langevin橋過程構造基本隨機變量統計特性的理論分析
4.2.4 無線電波多徑參量的數學表達式
4.2.5 無線電波多徑傳播特性的仿真分析
4.2.6 討論
4.3 隨機橋過程分析街道拐角的傳播特性
4.3.1 有約束布朗橋過程建模街道拐角無線傳播信道算法
4.3.2 數值仿真
4.4 小結

第5章 短程窄帶無線信道平均接收功率的研究
5.1 傳統研究方法及其結果
5.2 無線電波二維無耗傳播的概率模型
5.2.1 隨機射線在傳播空間的概率分布
5.2.2 無線電波傳播的概率模型回顧
5.2.3 二維無耗傳播的平均接收功率
5.2.4 數值仿真
5.3 無線電波二維有耗傳播的概率模型
5.3.1 二維有耗傳播平均接收功率概率方法
5.3.2 先驗約束條件下的接收功率
5.3.3 一般隨機射線平均接收功率的界
5.3.4 接收功率解析解的誤差
5.3.5 隨機網格信道與傳統路徑損耗模型平均接收功率的比較
5.3.6 模型參數對接收功率的影響
5.3.7 實驗數據驗證
5.4 無線電波傳播的隨機游動模型及其應用
5.4.1 作隨機游動的隨機射線在傳播空間的概率分布
5.4.2 隨機游動方式下二維有耗傳播的平均接收功率
5.4.3 近似公式的精度及接收功率的變化規律
5.4.4 實驗數據驗證
5.4.5 討論
5.5 新的無線電波傳播路徑損耗模型
5.5.1 對數距離路徑損耗模型
5.5.2 基于隨機射線方法的路徑損耗模型
5.5.3 新的路徑損耗模型
5.5.4 實驗驗證
5.6 無線中繼傳感網絡中異向散射信道的路徑損耗特性
5.6.1 傳播信道的物理建模
5.6.2 無線電波在二維傳播空間的概率分布
5.6.3 傳感網絡信號傳播的功率模型
5.7 5.3 GHz移動通信系統的路徑損耗非波動方法建模
5.7.1 理論模型
5.7.2 數值仿真
5.7.3 討論與分析
5.8 小結

第6章 隨機射線建模方法在其他領域的應用
6.1 半電波暗室中歸一化場地衰減的應用
6.1.1 半電波暗室簡介
6.1.2 歸一化場地衰減（NSA）的理論計算模型
6.1.3 NSA偏差的隨機射線模型
6.1.4 數值仿真
6.2 飛機尾流電磁散射特性中的隨機建模——半圓柱雷達散射截面（radarcrosssection，RCS）
6.2.1 作隨機游動的電磁射線在傳播空間的概率分布
6.2.2 隨機射線方法計算回波功率
6.2.3 飛機尾流的電磁散射特性
6.2.4 數值仿真
6.3 飛機尾流電磁散射特性中的隨機建模——圓錐形雷達散射截面（RCS）
6.3.1 尾流介質的物理建模
6.3.2 數值仿真
6.4 水聲信道隨機射線傳播
6.5 小結

第7章 結論與展望
7.1 結論
7.2 未來工作研究方向
參考文獻
致謝

1.2.3無線信道的接收功率特性
傳統上對無線電波傳播規律的研究，主要集中在給定范圍內平均接收功率的預測和特定位置附近功率的變化，由此可以得到無線電波傳播的路徑損耗模型，用于估計無線覆蓋范圍的鏈路預算。由于該問題描述的是發射機與接收機之間長距離范圍內功率的變化，因此所得模型被稱為大尺度傳播模型。室外傳播環境的平均接收功率或路徑損耗問題，對于對移動通信網中的干擾分析、基站選址等網絡規劃問題具有重要價值。處理窄帶系統的平均接收功率（即場強預測）問題，比較成熟的方法是射線追蹤法，目前該方法已經被大量應用在電磁工程的設計和應用中。但由于射線追蹤法在處理比較復雜的三維環境的傳播問題時計算成本太大，因此出于對計算效率的考慮，已經有文獻開始使用基于概率論的方法對三維環境電磁波傳播問題進行研究。
建立一個合適的描述無線通信系統所在的散射環境的物理模型，必須對散射環境進行合理的定量描述，這對于研究無線信道的傳播特性非常重要，長期以來一直沒有一個很好的能夠描述無線信道傳播環境的數學模型。文獻提出使用位置滲流模型建模城市密集傳播環境，取得了很漂亮的理論結果，該文獲得1999年IEEE AP Society Schelkunoff最佳論文獎。但是，在使用隨機射線建模無線信道時，遇到以等效反射次數為指標的電磁波，在傳播環境中經過若干次反射達到特定位置的概率。在隨機射線的理論體系中，此概率構成有效隨機射線的“概率選擇性原理”。同時在建模無線傳播信道使用隨機射線方法時，需要求解以反射次數為指標的電磁波經過若干次反射以后達到特定位置的概率分布。Franceschetti父子對隨機射線方法已經做了多年研究，文獻對求解該概率給出初步結果，但并不完善。這些理論論文，對于隨機射線理論的完善和發展就有重要的意義。由于隨機分析方法是隨機射線方法中的一個重要組成部分，作為一種半隨機、半確定的有約束的信道建模方法，隨機射線在某個特定位置處的概率分布，對于該方法能否正確地應用于信道建模中非常重要，因此需要對該概率分布的一些理論問題進行系統研究。本書從非波動方法這一角度研究短程無線傳播信道中的平均接收功率和路徑損耗，以反射次數為指標的無線電波經過若干次反射以后達到特定位置的概率分布為基礎，使用建立的無線電波二維無耗傳播的概率模型，對隨機網格信道中某個位置的接收功率進行計算，得到該接收功率的解析解，由此可以得到路徑損耗的解析公式。同時結合非波動方法得到的平均接受功率的解析表達式，提出了一種新的路徑損耗模型。針對無線中繼網和5.3GHz通信系統的傳播問題，給出了由隨機建模方法得到的一些新的結果。