陳 雁，王棟良，杜夢杰

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

基于三維GIS的散射鏈路規(guī)劃方法

陳 雁，王棟良，杜夢杰

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

針對傳統(tǒng)散射鏈路規(guī)劃的可視化程度和準確性差的問題，提出了一種基于三維地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的散射鏈路規(guī)劃方法。介紹了散射鏈路傳播損耗模型，分析了地形因素對散射鏈路損耗計算的影響。討論了三維GIS平臺的特點和應(yīng)用方向，并選擇適合軟件實現(xiàn)一款三維GIS平臺。給出了基于三維GIS的散射鏈路規(guī)劃技術(shù)的實現(xiàn)步驟和關(guān)鍵因素，通過與傳統(tǒng)方法的比較證明了該預(yù)測方法的準確性。

三維GIS；散射信道模型；傳播損耗；鏈路規(guī)劃

0 引言

散射通信系統(tǒng)的設(shè)計和裝備部署都需要預(yù)先進行散射鏈路規(guī)劃，而傳統(tǒng)散射鏈路規(guī)劃一般采用光滑球面估算或圖紙作業(yè)計算的方式，不能反映實際地形對散射鏈路傳播損耗的影響。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，由于GIS能直觀地反映地形地貌等信息，在無線領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［1－4］。瑞典SAAB公司開發(fā)的WRAP無線電頻譜管理軟件就是在GIS平臺上實現(xiàn)無線鏈路性能分析、通信臺站覆蓋分析等應(yīng)用，但是受限于SAAB公司專業(yè)領(lǐng)域，WRAP軟件并不具備散射鏈路分析功能。

利用3D GIS提供的鏈路地形剖面，在傳統(tǒng)散射鏈路傳播損耗預(yù)測模型的基礎(chǔ)上考慮地形影響因素，提高散射鏈路傳播損耗的預(yù)測精度，同時通過三維圖形化界面的操作方式提升散射鏈路規(guī)劃的可視化和自動化程度。

1 散射傳播損耗模型

鏈路傳播損耗［5－7］由主基本傳輸損耗（主要指電波散射傳播引起的損耗）Lb0、地面發(fā)射損耗Lr、大氣吸收損耗LA、天線偏移損耗La和天線介質(zhì)耦合損耗Lc組成，即

在散射傳播損耗預(yù)測中，粗略的計算可以理想化，即不考慮地面反射損耗、大氣吸收和天線偏移損耗，此時，散射傳播損耗可表示為：

1.1 散射主基本傳輸損耗

根據(jù)ITU-R P．617［8，9］建議的散射損耗預(yù)測方法將散射主基本傳輸損耗中值綜合為如下形式：

式中，f為頻率（MHz）；d為通信距離（km）；Θ為散射角（mrad）；H為最低散射點距收發(fā)連線的高度（km）；h為最低散射點離地高度（km）；M、γ分別為表示氣象和大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)，不同氣候區(qū)類型［10］的值如表1所示。

表1 不同氣候區(qū)的氣象參數(shù)和大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1氣候區(qū)一列中：1-赤道；2-大陸性亞熱帶；3-海洋性亞熱帶；4-沙漠；6-大陸性溫帶；7a-海洋性溫帶陸地；7b-海洋性溫帶海面。

由此可以看出，影響散射傳播損耗預(yù)測準確度的主要是Θ、H和h，而這3個參數(shù)都與鏈路的地形剖面密切相關(guān)。

1.2 鏈路幾何參數(shù)計算

散射鏈路幾何參數(shù)如圖1所示，圖中表示了非光滑球面地形下的鏈路幾何參數(shù)的意義。

圖1 散射鏈路幾何參數(shù)示意

圖1中，d為散射通信電路長度，即收發(fā)天線之間的電路長度（km）；de為散射通信等效電路長度，即收發(fā)障礙點之間的電路長度（km）；ht、hr為發(fā)、收端站天線海拔高度（km）；h_t、h_r為發(fā)、收端站天線離地高度（m）；h1、h2為從發(fā)、收端看去的障礙物海拔高度（km）；dt、dr為發(fā)、收端至最近障礙物之間的距離（km）；lt、lr為發(fā)、收端至最低散射點在收發(fā)連線上垂足間的距離（km）；Re為等效地球半徑（km）；Ns為最低散射點正下方大氣折射指數(shù)年中值；θ1、θ2為發(fā)、收端地平線與無線電視平線的夾角，也稱發(fā)端俯仰角（rad）；α、β為發(fā)、收端視平線與發(fā)收點連線間夾角（rad）。

①不考慮地形（光滑球面）時，

②考慮地形因素時，散射角Θ計算過程如下：

H和h根據(jù)最低散射點位置和實際地形確定。

2 GIS平臺

GIS是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)［11］。

NASA World Wind是一款代碼公開的免費GIS平臺，提供World Model、圖層、插件、http和WMS請求、三維渲染等交互式瀏覽功能，能較好離線應(yīng)用。World Wind采用基于瓦片管理的“金字塔”多分辨率層次模型，在保證顯示精度的前提下為提高顯示速度，不同區(qū)域通常需要不同分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和紋理影響數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型金字塔和影像金字塔可以直接提供這些數(shù)據(jù)而無需進行實時重采樣，盡管金字塔模型增加了數(shù)據(jù)的存儲空間，但能夠減少完成地形繪制所需的總機時。分塊的瓦片金字塔模型還能夠進一步減少數(shù)據(jù)訪問量，提供系統(tǒng)的輸入輸出執(zhí)行效率，從而提升軟件系統(tǒng)的整體性能。三維高程模型和紋理圖像映射如圖2所示，金字塔架構(gòu)如圖3所示。

圖2 三維高程模型和紋理圖像映射

圖3 金字塔架構(gòu)

3 基于GIS的散射鏈路規(guī)劃

利用World Wind組織和管理各種數(shù)字高程數(shù)據(jù)，利用軟件可以直接獲取鏈路中任意點的高程信息，并進一步分析出各種高程剖面，再通過將臺站數(shù)據(jù)庫信息導(dǎo)入軟件，可以對散射鏈路進行精確建模和分析。

散射鏈路規(guī)劃的基本流程如下：

①建鏈準備階段：GIS平臺加載圖像和高程信息，設(shè)置臺站信息；

②建立鏈路階段：通過選擇收發(fā)點位置，在GIS界面內(nèi)建立散射鏈路；

③獲取鏈路剖面階段：獲取鏈路上各點的剖面信息，并進行圖像化顯示；

④幾何參數(shù)計算階段：根據(jù)鏈路剖面信息，按照1．2節(jié)中的方法進行幾何參數(shù)計算，獲得散射角Θ、最低散射點距收發(fā)連線高度H和最低散射點離地高度h；

⑤鏈路計算階段：按照ITU-R P．617建議方法對散射傳播損耗計算，并根據(jù)收發(fā)端臺站數(shù)據(jù)，計算系統(tǒng)傳播可靠度，同時可計算臺站方位角、俯仰角等參數(shù)，作為系統(tǒng)設(shè)計和散射建站的參考；

⑥報表生成階段：計算完成后，可將計算結(jié)果、鏈路剖面等進行處理，生成格式化報表。

規(guī)劃流程中實現(xiàn)的關(guān)鍵是鏈路幾何參數(shù)的計算，幾何參數(shù)的計算精度直接關(guān)系到鏈路預(yù)測的準確度。

4 計算實例分析

選取地形起伏不同的2條鏈路分別采用光滑球面計算方法和考慮地形計算方法對鏈路傳播損耗進行預(yù)測。

2條鏈路的剖面圖如圖4所示，傳播損耗預(yù)測結(jié)果如表2所示。假定收發(fā)天線離地高度均為5 m，工作頻率為4 700 MHz。

表2 散射鏈路傳播損耗預(yù)測結(jié)果

鏈路1地形起伏較小，可看作是光滑球面，采用光滑球面計算與考慮地形計算的結(jié)果基本一致；鏈路2地形起伏較大，且一端地勢較高，考慮地形的計算結(jié)果比光滑球面計算結(jié)果低1．6 dB，主要原因是一端有架高因素。從上面的分析可看出，該方法計算結(jié)果準確可信，可作為鏈路規(guī)劃的依據(jù)。

圖4 鏈路剖面示意

5 結(jié)束語

本文提出的基于三維GIS的散射鏈路規(guī)劃方法，解決了傳統(tǒng)散射鏈路預(yù)測對地形因素考慮的不足，提高了鏈路預(yù)測的精確度。同時該方法在GIS平臺上實現(xiàn)了散射鏈路規(guī)劃的可視化和自動化，提高了散射鏈路規(guī)劃的效率，具備向微波視距、繞射等無線傳播模式推廣的價值。此外，由于本方法采用的散射鏈路預(yù)計模型為統(tǒng)計模型，無法實現(xiàn)散射傳播損耗的實時準確預(yù)測，下一步將研究利用基于拋物方程法的確定性預(yù)測模型結(jié)合GIS地形、實時氣象因素對散射鏈路傳播損耗進行預(yù)測，提高預(yù)測的精確性。

［1］朱 立，夏 洪，錢 敏．基于GIS的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋模擬建模［J］．東華理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，33（4）：384－388．

［2］周成國，范玉山，趙修濤．基于GIS技術(shù)的沂蒙山區(qū)無線通信基站選址與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［J］．城市勘測，2005（6）：13－15．

［3］何政聰．基于GIS的無線遙測系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］．無線電工程，2001，（S1）：226－227．

［4］王洪年．GIS在PHS無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［D］．青島：中國海洋大學(xué)，2005：7－11．

［5］甘國田．對流層散射信道預(yù)測及分析［J］．無線電通信技術(shù)，1997，23（5）：20－23．

［6］李立軍．對流層散射鏈路傳輸損耗的工程計算［J］．計算機與網(wǎng)絡(luò)，2007（Z1）：92－93．［7］李正偉，馮錦瑞，曾超．?dāng)?shù)字對流層散射通信鏈路傳播可靠度工程計算［J］．無線通信技術(shù)，2010，26（2）：41－44．

［8］ITU-R．Propagation Prediction Techniques and Data Re-quired fortheDesignofTrans-horizonRadio-relay Systems［S］，1992．

［9］ITU-R．Propagation Prediction Techniques and Data Re-quired fortheDesignofTrans-horizonRadio-relay Systems［S］，2012．

［10］BELLO P．A Troposcatter Channel Model［J］．Communica-tion Technology，IEEE Transactions on，1969，1（2）：130－137．

［11］陳 軍，李 潔，南立波．GIS發(fā)展應(yīng)用綜述［C］∥2009通信理論與技術(shù)新發(fā)展——第十四屆全國青年通信學(xué)術(shù)會議論文集，2009－07，中國遼寧大連：電子工業(yè)出版社（Publishing House of Electronics Industry），2009：512－518．

A Troposcatter Link Planning Method Based on 3D GIS

CHEN Yan，WANG Dong-liang，DU Meng-jie
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In this paper，a troposcatter link planning method based on 3D GIS is proposed for improving the visualization and accuracy of troposcatter link planning．The troposcatter link propagation loss model is introduced，and the impact of terrain on troposcatter link loss computation is analyzed．The characteristics and application of 3D GIS platform is recommended，a suited 3D GIS software is selected．The technical implementation procedures and key factors of troposcatter link planning method are given．The accuracy of the proposed method is proved by comparing with the traditional method．

3D GIS；troposcatter channel model；propagation loss；link planning

TN911

A

1003－3106（2015）07－0014－03

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．04

陳 雁，王棟良，杜夢杰．基于三維GIS的散射鏈路規(guī)劃方法［J］．無線電工程，2015，45（7）：14－16，86．

陳 雁男，（1980—），碩士，工程師。主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

2015-04-09

國家科技重大專項基金資助項目（2014ZX03006－003）。

王棟良男，（1980—），碩士，高級工程師。主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)。