寧猛，張林波，榮天琪

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

野外地形電磁環(huán)境仿真可視化研究

寧猛，張林波，榮天琪

哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

針對(duì)野外地形的電磁環(huán)境仿真，提出一種基于野外優(yōu)勢(shì)路徑電波傳播模型的可視化方案，利用野外優(yōu)勢(shì)路徑模型構(gòu)建仿真核心，并與Okumura-Hata模型和峰脊衍射模型（knife edge diffraction model）進(jìn)行仿真對(duì)比，證明野外優(yōu)勢(shì)路徑模型能得到更接近事實(shí)的結(jié)果。使用ASTER GDEM V002數(shù)據(jù)構(gòu)建帶有真實(shí)高程信息的三維野外地形模型，使用Qt基于項(xiàng)的圖形視圖技術(shù)繪制二維視圖，使用OpenGL繪制三角面片的方法構(gòu)建三維視圖。并以黑龍江五常市南部地區(qū)為例進(jìn)行電磁仿真預(yù)測(cè)，驗(yàn)證方案的可行性。

電磁環(huán)境仿真；野外優(yōu)勢(shì)路徑模型；可視化；ASTER GDEM數(shù)據(jù)；OpenGL

隨著移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，移動(dòng)通信基站的建設(shè)速度也越來越快，如何快速而有效部署移動(dòng)基站越來越受到電信運(yùn)營(yíng)商和電信解決方案提供商的關(guān)注。通過軟件仿真的方法對(duì)移動(dòng)基站電磁環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，也成為移動(dòng)通信事業(yè)發(fā)展的重要研究課題。由于電磁場(chǎng)是不可見的，在對(duì)電磁環(huán)境的仿真過程中，對(duì)仿真運(yùn)算得到的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視表達(dá)可讓用戶對(duì)整個(gè)電磁環(huán)境產(chǎn)生整體、形象、直觀的感受，有利于及時(shí)判斷與決策，并從中發(fā)現(xiàn)大量有用的信息。因此，可視化技術(shù)成為電磁仿真的重要輔助手段和組成部分［1］。

本文結(jié)合野外優(yōu)勢(shì)路徑電波傳播模型和Qt技術(shù)提出一種針對(duì)野外地形的基站電磁環(huán)境仿真以及可視化解決方案。

1 電磁仿真算法分析

電磁波在無線信道中傳播時(shí)將受到反射、繞射、散射、多徑傳播以及移動(dòng)臺(tái)的速度、信號(hào)的傳輸帶寬等因素的影響，具有很大的隨機(jī)性，所以在進(jìn)行野外電磁環(huán)境仿真時(shí)根據(jù)環(huán)境的不同來選擇合適的電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型非常重要［2］。

常用的野外電波傳播損耗預(yù)測(cè)模型有Okumu-ra-Hata傳播模型［3］、峰脊衍射模型（knife edge dif-fraction model）［4］和野外優(yōu)勢(shì)路徑模型（rural domi-nant propagation model）。本文利用野外優(yōu)勢(shì)路徑模型構(gòu)建仿真核心。

1．1 野外優(yōu)勢(shì)路徑模型

野外優(yōu)勢(shì)路徑模型（rural dominant propagation model）是由AWE公司提出的野外電波傳播模型，該模型使用全3D的路徑選擇算法，能夠獲得比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼫?zhǔn)確的結(jié)果，并有效減少仿真計(jì)算所需的時(shí)間［5］。

使用野外路徑模型對(duì)接收機(jī)所在位置的路徑損耗值進(jìn)行預(yù)測(cè)分2步進(jìn)行：

1）確定所有優(yōu)勢(shì)路徑。分析地形模型，找出所有楔形區(qū)域，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的優(yōu)勢(shì)路徑必然通過這些楔形區(qū)域。利用這些楔形區(qū)域構(gòu)造一棵以發(fā)射機(jī)為樹根的多叉樹，發(fā)射機(jī)可見區(qū)域中的所有楔形區(qū)域構(gòu)成多叉樹的第2層分支，以此類推，在當(dāng)前楔形區(qū)域可見的所有楔形結(jié)構(gòu)構(gòu)成多叉樹新的分支。

如圖1所示，直到接收機(jī)出現(xiàn)在分支中時(shí)停止構(gòu)造新的分支。接收機(jī)每出現(xiàn)在分支中一次就構(gòu)造了一條優(yōu)勢(shì)路徑。通過對(duì)每條優(yōu)勢(shì)路徑進(jìn)行路徑損耗計(jì)算，選出最優(yōu)路徑。

圖1 決定優(yōu)勢(shì)路徑的多叉樹

2）路徑損耗計(jì)算。通過下面的公式對(duì)每條傳播路徑的路徑損耗進(jìn)行仿真運(yùn)算，從而確定最優(yōu)路徑。

式中：l是發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間傳播路徑的長(zhǎng)度；p是路徑損耗因子，路徑損耗因子的值取決于當(dāng)前的傳播環(huán)境，比如當(dāng)電波在充滿植被的區(qū)域傳播時(shí)p一般取值為2．4，當(dāng)電波在無植被覆蓋的開放空間傳播時(shí)，p一般取值為2．0；λ代表電波波長(zhǎng)，函數(shù)f用以計(jì)算衍射造成的路徑損耗，φ是衍射角，gt是發(fā)射機(jī)的天線增益。

1．2 3種模型仿真效果對(duì)比

圖2為分別使用3種模型對(duì)同一地形進(jìn)行仿真所得到的仿真結(jié)果。結(jié)果以每一個(gè)像素點(diǎn)上模擬接收機(jī)接收功率值的形式給出，單位為dBm，其中每一個(gè)像素點(diǎn)上模擬接收機(jī)接收功率的大小以色標(biāo)比例尺給出。

圖2 3種模型仿真結(jié)果對(duì)比

Hata-Okumura模型由于只考慮了發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間電波的直線傳播，導(dǎo)致仿真結(jié)果只在電磁波直線可達(dá)的區(qū)域正確；峰脊模型考慮了發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的地形起伏對(duì)電波傳播的影響，但其夸大了山峰等高地對(duì)電波的遮擋效應(yīng)，使其在有山峰遮擋的區(qū)域無法得到接近真實(shí)的結(jié)果；而優(yōu)勢(shì)路徑模型計(jì)算得到的結(jié)果不僅適用于電磁波直線可達(dá)的區(qū)域，也適用于被山峰遮擋的區(qū)域，因此更接近真實(shí)結(jié)果。

2 野外地形數(shù)據(jù)獲取和處理

三維地形的構(gòu)建需要數(shù)字高程（digital elevation model）數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)是國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分。本文用以進(jìn)行地形建模的數(shù)字高程數(shù)據(jù)從ASTER GDEM獲?。?］，該數(shù)據(jù)是根據(jù)美國(guó)航空航天局（National Aeronautics and Space Ad-ministration）的新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra的詳盡觀測(cè)結(jié)果制作完成的，目前共有2個(gè)版本，本文使用2011年10月公布的第2版V002。［7］V002的垂直精度為20 m，水平精度為30 m，能夠滿足仿真核心對(duì)地形數(shù)據(jù)的精度要求。

ASTER GDEM提供的數(shù)據(jù)格式為tif柵格數(shù)據(jù)，不便于程序處理，可以利用ArcMap工具將tif柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以ASCII碼存儲(chǔ)的ASCII GRID數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)處理的靈活性．

3 可視化實(shí)現(xiàn)原理

在二維模式下使用Qt基于項(xiàng)的圖形視圖方法進(jìn)行繪圖，在三維模式下使用OpenGL三維圖形庫(kù)進(jìn)行繪圖。

3．1 二維視圖繪制

Qt的視圖體系包括一個(gè)由QGraphicsScene充當(dāng)?shù)膱?chǎng)景和一些由QGraphicsItem的子類充當(dāng)?shù)膱?chǎng)景中的項(xiàng)。場(chǎng)景以及場(chǎng)景中的項(xiàng)在視圖中顯示，視圖則由QGraphicsview充當(dāng)［8］。在這種視圖體系下可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)地形和仿真結(jié)果的渲染以及場(chǎng)景操作，如對(duì)地形的放大、縮小、拖拽以及對(duì)基站的添加、刪除、移動(dòng)等操作等。在二維模式下，無法在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀顯示不同區(qū)域的高程。為解決這一問題，本文使用每一個(gè)像素的紋理色彩的深度來表征該像素的高程值，并使用動(dòng)態(tài)生成的色標(biāo)比例尺進(jìn)行標(biāo)注。二維地形渲染示意如圖3所示。

圖3 二維地形渲染示意

地形的數(shù)據(jù)文件由ASCII Grid文件給出，可以將高程網(wǎng)格中的每一個(gè)小方格都作為一個(gè)項(xiàng)依次添加到場(chǎng)景中。但是，由于野外地形往往比較龐大，這將極大增加創(chuàng)建對(duì)象的數(shù)量，使地形的渲染非常緩慢。為了提高計(jì)算機(jī)的繪圖效率，需要盡量減少項(xiàng)的數(shù)量。

進(jìn)行高質(zhì)量的QImage繪圖可以將繪制地形所需要的場(chǎng)景項(xiàng)減少到1。具體的方法是將 ASCII grid中的每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)像素點(diǎn)經(jīng)過高程-顏色轉(zhuǎn)換后填充到QImage圖像中，將QImage圖像轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景項(xiàng)對(duì)象并添加到場(chǎng)景中，最后實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的對(duì)準(zhǔn)。具體的程序流程如圖4所示。

圖4 二維地形繪制程序流程

二維仿真結(jié)果的繪制與地形的繪制相似，只要將高程值替換為模擬接收機(jī)接收功率值便可以實(shí)現(xiàn)。

3．2 三維視圖繪制

ASCII GRID文件中存儲(chǔ)的都是離散的高程值，通過這些數(shù)據(jù)繪制連續(xù)的帶有起伏的地形，可以采用OpenGL提供的繪制三角面片的方法［9］，如圖5所示。

圖5 三角面片繪制示圖

取每個(gè)高程網(wǎng)格的左下角頂點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)以及該頂點(diǎn)的高程值構(gòu)成三角形的一個(gè)頂點(diǎn)稱作繪圖點(diǎn)，相鄰的3個(gè)繪圖點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角面片。對(duì)于每一個(gè)繪圖點(diǎn)，通過高程-顏色變換得到該繪圖點(diǎn)的顏色值，OpenGL在繪制三角形的過程中會(huì)自動(dòng)進(jìn)行顏色插值。循環(huán)遍歷每一個(gè)繪圖點(diǎn)繪制三角形，繪制出由高程地形數(shù)據(jù)描述的高低起伏而又具有顏色漸變的三維地形［10］。渲染效果如圖6所示。仿真結(jié)果視圖的渲染也采用繪制三角面片的方法，并將每個(gè)像素點(diǎn)的紋理由高程對(duì)應(yīng)的顏色深度值替換為與仿真結(jié)果值對(duì)應(yīng)的不同顏色值。

圖6 三維地形渲染效果圖

4 仿真舉例

以黑龍江五常市南部地區(qū)（44°18′5．30″北，127°1′4．96″東～44°59′24．46″北，127°44′17．08″東）為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。區(qū)域面積為3 000 km2，場(chǎng)景模型如圖3、圖6所示。

仿真過程采用野外優(yōu)勢(shì)路徑模型，電波頻率為f＝948 MHz，天線類型為全向天線，仿真結(jié)果以場(chǎng)景中每個(gè)像素點(diǎn)上模擬接收機(jī)接收功率值的形式給出，結(jié)果如圖7～12所示。

基站1的位置布設(shè)于北緯44°44′4．93″，東經(jīng)127°14′50．27″處，圖7、8是基站1獨(dú)立工作條件下各個(gè)點(diǎn)模擬接收機(jī)的接收功率分布圖。其中圖7為二維仿真結(jié)果渲染圖，圖8是三維仿真結(jié)果渲染圖。

圖7 基站1二維仿真結(jié)果

圖8 基站1三維仿真結(jié)果

基站2的位置布設(shè)于北緯44°25′23．45″，東經(jīng)127°30′25．04″處，圖9、10是基站2獨(dú)立工作條件下各點(diǎn)模擬接收機(jī)的接收功率分布圖。其中圖9為二維仿真結(jié)果渲染圖，圖10是三維仿真結(jié)果渲染圖。

圖9 基站2二維仿真結(jié)果

圖10 基站2三維維仿真結(jié)果

圖11、12是基站1、基站2同時(shí)工作的條件下各個(gè)點(diǎn)模擬接收機(jī)的接收功率分布圖。

圖11 接收總功率二維渲染圖

圖12 接收總功率三維渲染圖

仿真運(yùn)算在普通 PC平臺(tái)（Core i5 CUP，2G RAM）上進(jìn)行，仿真分辨率設(shè)定為30 m，三維視圖下共繪制600萬個(gè)三角形，仿真耗時(shí)2 h 40 min。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于野外優(yōu)勢(shì)路徑模型的野外電磁環(huán)境仿真的可視化方案，該方案的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）野外優(yōu)勢(shì)路徑模型是在并不是所有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的射線都攜帶相同的電磁能量這一事實(shí)基礎(chǔ)上提出的。一些路徑相對(duì)其他路徑具有更大的輻射功率，只利用這些路徑進(jìn)行仿真計(jì)算顯著的加快了仿真速度。

2）仿真引擎采用ASTER GDEM V002數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行地形建模，不在需要對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理，適于進(jìn)行大范圍野外場(chǎng)景的電磁環(huán)境仿真計(jì)算。

3）分別采用Qt基于項(xiàng)的繪圖方法和OpenGL圖形庫(kù)進(jìn)行地形和仿真結(jié)果的繪制，為用戶提供形象準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)顯示方式。

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Research on visualization of electromagnetic environment simulation
for wild terrain

NING Meng，ZHANG Linbo，RONG Tianqi
College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

This paper proposed a visual solution based on rural dominant path model for field electromagnetic envi-ronment simulation．The simulation core was built using the rural dominant path model and compared with Okumura－Hata model and knife edge diffraction model，showing that the rural dominant path model can get the result closer to the truth．The three－dimensional wild terrain model was constructed by ASTER GDEM V002 data which have re-al wild terrain elevation information．Two－dimensional view was drawn through Qt graphical view technology and three－dimensional view was drawn by triangular rendering method of OpenGL．Finally taking the southern area of Wuchang City，Heilongjiang as an example for electromagnetic simulation，the feasibility of the scheme is verified．

field electromagnetic environment simulation；rural dominant path model；visualization；ASTER GDEM；OpenGL

O451

A

1009-671X（2014）03-0015-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201306008

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009-671X．201306008．html

2013-06-05．

日期：2014-06-05．

寧猛（1986-），男，碩士研究生；

張林波（1976-），女，副教授，博士．

寧猛，E-mail：lemoin＠hrbeu．edu．cn．