Моделирование распространения радиоволн в пакете WirelessInSite

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

Н. Н. КИСЕЛЬ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ 
РАДИОВОЛН В ПАКЕТЕ WIRELESS INSITE

Учебное пособие

Ростов-на-Дону ‒ Таганрог 

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.371.001.57(075.8)+004.42(075.8)
ББК 32.841я73

К443

Печатается по решению кафедры антенн и радиопередающих устройств 

Института радиотехнических систем и управления Южного 
федерального университета (протокол №12 от 27.01.2017 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, заведующий кафедрой антенн и

радиопередающих устройств Института радиотехнических систем 
и управления Южного федерального университета Ю. В. Юханов

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник 

научно-конструкторского бюро вычислительных систем С. Г. Грищенко

Кисель, Н. Н. 

К443 
Моделирование распространения радиоволн  в пакете Wireless

InSite : учебное пособие / Н. Н. Кисель ; Южный федеральный университет.  Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. – 107 с.

ISBN 978-5-9275-2698-7
Учебное пособие посвящено вопросам моделирования распространения ра
диоволн с учетом рельефа местности с использованием программы Wireless
InSite. Методы моделирования и особенности использования программы для расчета ослабления сигналов внутри и снаружи помещения. Материал пособия соответствует программе учебного курса «Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств», «Основы компьютерного моделирования», «САПР 
СВЧ».

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 

11.03.01, 11.03.02, 11.04.01, 11.04.02, 11.05.01 при изучении учебного курса учебного курса «Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем», «Основы компьютерного моделирования», «САПР СВЧ».

УДК 621.371.001.57(075.8)+004.42(075.8)

ББК 32.841я73

ISBN 978-5-9275-2698-7

© Южный федеральный университет, 2018
© Кисель Н. Н., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5
1. ЗАМИРАНИЯ В КАНАЛАХ СВЯЗИ.........................................................9

1.1. Крупномасштабные замирания..............................................................11
1.2. Мелкомасштабные замирания ...............................................................12
1.3. Оценка моделей распространения ЭМВ при проектировании 
мобильной  связи в условиях города............................................................12

2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В 
ГОРОДЕ.............................................................................................................16

2.1. Принципы и методы анализа распространения 
электромагнитных волн в городе, основные допущения...........................16
2.2. Особенности применения методов ГО и ГТД к расчету 
распространения электромагнитных волн в городе ...................................18

2.2.1. Расчет ЭМ поля в приближении ГО однородных сред.................18
2.2.2. Расчет электромагнитного поля в приближении ГТД...................19

2.3. Алгоритмы расчета суммарного электромагнитного поля при 
распространении электромагнитных волн в городе...................................21

3. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ПОМЕХИ ПРИ 
МНОГОЛУЧЕВОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН.................23

3.1. Причины возникновения интерференционных помех ........................23
3.2. Методы снижения влияния интерференционных помех ....................24

3.2.1. Пространственное разнесение .........................................................25
3.2.2. Угловое разнесение (разнесение по направлению).......................25
3.2.3. Поляризационное разнесение ..........................................................26

4. ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ 
РАДИОВОЛН...................................................................................................27

4.1. Модель Окамура......................................................................................27
4.2. Модель Хата.............................................................................................30
4.3. Модель COST 231....................................................................................31
4.4. Модель Ли................................................................................................31

4.4.1. Модели Ли «area-to-area» ................................................……….…32
4.4.2. Модели Ли «point-to-point» ..............................................................33

5. ТРАССИРОВКА ЛУЧЕЙ...........................................................................34
6. МОЩНОСТЬ, РАДИУС ДЕЙСТВИЯ СИГНАЛА...............................36

Оглавление

7. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОГРАММЫ «WIRELESS 
INSITE»..............................................................................................................38

7.1. Описание URBAN CANYON MODEL..................................................39
7.2. Метод FAST 3D URBAN MODEL .........................................................39
7.3. Модель свободного распространения ...................................................48
7.4. Модель Full 3D.........................................................................................49
7.5. Модель Vertical Plane ..............................................................................49
7.6. Эмпирические модели.............................................................................50
7.7. Модель COST-HATA ..............................................................................50
7.8. Возможности и ограничения детерминированных методов 
расчета радиотрасс,  реализованных в Wireless InSite................................51

8. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН ВНУТРИ ЗДАНИЙ И 
ПОМЕЩЕНИЙ ................................................................................................54

8.1. Условия и процессы распространения радиоволн внутри 
зданий...............................................................................................................54
8.2. Методы моделирования каналов связи внутри зданий .......................60
8.2.1. Аналитическая модель.........................................................................60
8.2.2. Эмпирическая модель ..........................................................................61
8.2.3. Физико-статистические модели..........................................................62
8.2.4. Сети WI-FI.............................................................................................63

9. РАСЧЁТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ 
ПРОГРАММЫ WIRELESS INSITE.............................................................67

9.1. Основные этапы создания проекта в среде Wireless InSite.................67
9.2. Моделирование распространения радиоволн в городской среде 
с помощью программы Wireless InSite.........................................................82
9.3. Моделирование распространения радиоволн внутри 
помещения с помощью программы Wireless InSite ....................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................104
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................105

ВВЕДЕНИЕ

Тенденция расширения рынка радиосвязи непрерывно продолжается. 

При этом качество связи определяется многими параметрами, такими как 
усиление передающей и принимающей антенн, мощность передатчика, коэффициент шума приемника, а также условиями распространения сигналов 
и решения вопроса электромагнитной совместимости [118]. Большинство 
параметров учитывается на этапе проектирования, однако к ним не относится параметр, связанный с потерями сигнала по трассе распространения 
от передатчика к приемнику. Традиционными методами расчета распространения сигнала является модель свободного пространства, модель Ли, 
модель Хата.

Модель свободного пространства основана на концепции расширяюще
гося сферического фронта волны при излучении сигнала от точечного источника в пространстве и используется, в основном, в спутниковых системах связи. Для систем мобильной связи потери, связанные с потерями из-за 
препятствий, не позволяют адекватно оценивать ослабление сигнала при 
распространении. 

Модель Ли учитывает не только перемещение сигнала по прямой ли
нии, сигналы, отраженные от препятствий или поверхностей. 

Модель Хата учитывает сложную модель потерь распространения, ко
торые зависят от таких параметров, как частота, высоты антенн передатчика и приемника, плотность застройки, и основана на обширных эмпирических измерениях в городских условиях отражения от объектов, находящихся на пути распространения сигнала.

Wireless InSite – специализированный пакет
моделирования распро
странения электромаг-нитного поля для предсказания влияния зданий и 
ландшафта на уровень сигнала в произвольной точке пространства. Программа выполняет расчет ослабления сигнала с учетом рельефа местности 
(неровные ландшафты, различные строения, замкнутые пространства). 
Имеется возможность выбора пользователем местоположения передатчиков и приемников в пределах городской области для определения мощности принятого сигнала. В отличие от проводной связи, где параметры постоянны, для мобильной связи радиоканалы имеют случайные параметры, 
часто сложно анализируемые. Wireless InSite моделирует физические особенности ландшафта и городских зданий, выполняет вычисления электро

Введение

6

магнитных составляющих полей сигналов. Результатом ее работы является 
оптимальное расположение передатчиков в пределах города или горной 
местности и расчет замирания сигнала при движении приёмника в мобильной связи, а также уровень сигнала в любой точке анализируемого пространства. 

С помощью Wireless InSite можно получать результаты в диапазоне ча
стот от 50 МГц до 40 ГГц. В рамках программы возможна оптимизация
средств мобильной связи, учитывая особенности местности, а также оценка
применимости эмпирических методов расчёта для конкретной местности.

Программный пакет Wireless InSite был разработан для оценки распро
странения электромагнитного излучения на больших пространствах: городских кварталах, сельской местности, на горном или равнинном ландшафте. 
Моделирование выполняется для нескольких передатчиков или приёмников сигналов с антеннами различных типов. Быстродействие программы 
позволяет получить качественные результаты анализа при изменении положения антенн, формы и высоты окружающих объектов. Система строит и 
запоминает наборы лучей распространения, для которых при изменении 
числа или положения антенн вносятся соответствующие изменения, что сокращает время анализа. Например, для расчёта радиосети г. Росслина, его 
компьютерная модель представлена на рис. 1, для трёхмерной модели учитывались 36 зданий различной формы и высоты и порядка 400 антенн, произвольным образом размещённых в городских кварталах.

Рис. 1. Трёхмерный вид модели города в программе

Введение

7

Для зданий применялись дифракционные и отражённые модели, причём 
для каждой антенны учитывалось 5 отражённых лучей и 1 дифракционный. 
В качестве источников излучения на схему были добавлены два передатчика, расположенные на уровне земли (отмечены зеленым цветом на рис. 1).

Для зданий применялись дифракционные и отражённые модели, при
чём для каждой антенны учитывалось 5 отражённых лучей и 1 дифракционный. В качестве источников излучения на схему были добавлены два передатчика, расположенные на уровне земли (отмечены зеленым цветом на 
рис. 1). Для расчета значений полей требуется не более 1 мин на компьютере  ПК Acer Extensa EX2610G с частотой процессора 1600 МГц.

Программа позволяет изменять форму существующих зданий или до
бавлять на карту новые здания, а специальные библиотеки материалов задавать материал стен зданий. Для упрощения работы с многочисленными 
передатчиками и приёмниками в программу введена возможность их кодового и цветового обозначения. Результаты анализа могут быть представлены в виде диаграмм, на которых отображаются уровни сигналов, потери на 
трассе, задержки распространения и направление лучей. Возможности многовариантного проектирования позволяют наглядно отображать и сравнивать результаты, полученные для различных частотных диапазонов, позиций и диаграмм направленности антенн.

Разработкой способов моделирования распространения радиоволн за
нимались и занимаются в настоящее время многие компании, в литературе  
постоянно приводятся алгоритмы расчетов полей с учетом рельефа местности. Так, например, в работе [1] представлена приближённая методика 
оценки ЭМС, позволяющая оценить характеристики ЭМС и эффективность 
использования дополнительных мер по ее улучшению. В [2] представляют 
методику оценки ЭМС между системами беспроводного доступа и приёмниками космических станций на геостационарной орбите в диапазоне 
5725…6425 ГГц. По данной методике были проведены расчеты ЭМС и выявлена зависимость уровня помех от местоположения спутникового приемника на ГСО. Кроме того, с использованием методики исследовано влияние на ЭМС ограничений на системы беспроводного доступа в виде различных масок огибающей диаграммы направленности антенн базовых 
станций в зависимости от территориального размещения системы беспроводного доступа.

Введение

8

Проблема обеспечения ЭМС РЭС беспроводного доступа при воздей
ствии на них помех со стороны земных станций систем VSAT, работающих 
в той же полосе частот 5725…6425 МГц, рассмотрена в [3].

В [4] рассматривают вопросы ЭМС и  планирования цифрового веща
ния. В [5] сделаны возможные оценки распространения электромагнитного 
излучения на больших пространствах с помощью пакета программы 
Wireless InSite, а также описаны причины её быстродействия по сравнению 
с другими конкурирующими продуктами.

Процессы планирования сети в виде двух стадийных процессов изло
жены в [6]. На первой стадии планирования радиотелекоммуникационной 
сети к цифровой карте добавляются только точки будущего местоположения узлов сети, а на второй стадии планирования сотовой сети важно знать 
зону действия для каждой ячейки.

1. ЗАМИРАНИЯ В КАНАЛАХ СВЯЗИ

В каналах мобильной связи наблюдаются замирания сигналов двух ти
пов – крупномасштабное и мелкомасштабное. Крупномасштабное замирание отражает среднее ослабление мощности сигнала или потери в тракте 
вследствие распространения на большое расстояние. Крупномасштабное 
замирание определяется наличием вдоль трассы распространения таких 
объектов, как холмы, леса, здания рекламные щиты и т.д. Статистика крупномасштабного замирания позволяет приблизительно рассчитать потери в 
тракте как функцию расстояния. В этом случае мощность принимаемого 
сигнала уменьшается с расстоянием по степенному закону, а отклонения от 
среднего значения определяются логарифмически нормальным распределением. Мелкомасштабное замирание – это значительные вариации амплитуды и фазы сигнала на масштабах порядка длины волны. Мелкомасштабное замирание проявляется как расширение сигнала во времени (временное 
рассеяние) и нестационарное поведение канала. В системах мобильной связи параметры канала изменяются во времени из-за движения передатчика 
или приемника. 

Мелкомасштабное замирание называется релеевским, если прямая ви
димость между передатчиком и приемником отсутствует, а сигнал в точку 
приема приходит в результате многократных отражений от различных объектов. 

Крупномасштабное замирание принято рассматривать как простран
ственное усреднение мелкомасштабных флуктуаций сигнала. Оно определяется, как правило, путем усреднения сигнала по интервалу, превышающему 10‒30 длин волн. В этом случае мелкомасштабные флуктуации отделяются от крупномасштабных вариаций.

Основными физическими процессами, определяющими характер рас
пространения сигнала в системах мобильной связи, являются отражение, 
дифракция и рассеяние (рис. 2):

− когда электромагнитная волна сталкивается с препятствием, размеры 

которого значительно превышают длину волн, происходит её отражение. В 
системах мобильной связи отражение радиоволн может происходить от 
земной поверхности, стен зданий, мебели или оборудования внутри помещений;

− на краю объектов, непроницаемых для электромагнитного излуче
ния, размеры которых значительно больше длины волны, происходит ди

1. Замирания в каналах связи

10

фракция. При падении на край такого объекта радиоволны начинают распространяться в разные стороны. При этом точку, в которой происходит 
дифракция, можно рассматривать как источник излучения. В результате 
сигнал может быть получен приёмником, который находится вне линии 
прямой видимости передатчика. В городских условиях радиоволны дифрагируют на кромках зданий, автомобилях и многих других объектах; 

− если препятствие имеет размеры меньше или порядка длины волны, 

происходит рассеяние. Исходный сигнал разделяется на несколько более 
слабых сигналов. Для сверхвысоких частот, которые обычно используются 
в сотовой связи и в беспроводных сетях передачи данных, рассеяние может 
вызываться множеством объектов, например фонарными столбами, деревьями, дорожными знаками и т.п.

Рис. 2. Распространение сигнала в системах мобильной связи

На рис. 3 схематически показаны крупномасштабные и мелкомас
штабные замирания сигнала. Предполагается, что передается немодулированная волна. 

Для мобильного приемника замирания в пространстве эквивалентны 

временным вариациям сигнала.

1.1. Крупномасштабные замирания

11

Рис. 3. Изменение напряженности поля в зависимости от расстояния до передающей 

антенны с учетом влияния случайных факторов на частоте 1800 МГц

1.1. Крупномасштабные замирания

Для систем мобильной связи Окумурой было проведено большое число 

измерений затухания на трассах различной протяженности для различных 
высот передающей и приемной антенн. На основе результатов измерений 
Хата предложил эмпирические формулы, позволяющие рассчитать затухание сигнала. Результаты измерений и теоретических расчетов показывают, 
что среднее значение потерь растет с ростом расстояния между передающей и приемной антеннами пропорционально некоторой степени расстояния:

  ( )   (

 

  )

 

,                 
(1)

где d0 – некоторое начальное расстояние, соответствующее некоторой точке в дальней зоне передающей антенны. 

Обычно d0 выбирается равным 1 км для макросот, 100 м – для микросот 

и 1 м – для пикосот. Показатель степени в свободном пространстве равен 2. 
При распространении вдоль улиц или в коридорах зданий, где наблюдается 
волноводный механизм распространения радиоволн n, может быть меньше 2. При наличии препятствий n больше двух.