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

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

針對野外地形的電磁環(huán)境仿真，提出一種基于野外優(yōu)勢路徑電波傳播模型的可視化方案，利用野外優(yōu)勢路徑模型構(gòu)建仿真核心，并與Okumura-Hata模型和峰脊衍射模型（knife edge diffraction model）進行仿真對比，證明野外優(yōu)勢路徑模型能得到更接近事實的結(jié)果。使用ASTER GDEM V002數(shù)據(jù)構(gòu)建帶有真實高程信息的三維野外地形模型，使用Qt基于項的圖形視圖技術(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)為例進行電磁仿真預(yù)測，驗證方案的可行性。

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

隨著移動通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，移動通信基站的建設(shè)速度也越來越快，如何快速而有效部署移動基站越來越受到電信運營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移動基站電磁環(huán)境效應(yīng)進行準確的預(yù)測，也成為移動通信事業(yè)發(fā)展的重要研究課題。由于電磁場是不可見的，在對電磁環(huán)境的仿真過程中，對仿真運算得到的電磁場數(shù)據(jù)進行可視表達可讓用戶對整個電磁環(huán)境產(chǎn)生整體、形象、直觀的感受，有利于及時判斷與決策，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)勢路徑電波傳播模型和Qt技術(shù)提出一種針對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將受到反射、繞射、散射、多徑傳播以及移動臺的速度、信號的傳輸帶寬等因素的影響，具有很大的隨機性，所以在進行野外電磁環(huán)境仿真時根據(jù)環(huán)境的不同來選擇合適的電波傳播損耗預(yù)測模型非常重要［2］。

常用的野外電波傳播損耗預(yù)測模型有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)勢路徑模型（rural domi-nant propagation model）。本文利用野外優(yōu)勢路徑模型構(gòu)建仿真核心。

1．1 野外優(yōu)勢路徑模型

野外優(yōu)勢路徑模型（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?zāi)Ｐ透鼫蚀_的結(jié)果，并有效減少仿真計算所需的時間［5］。

使用野外路徑模型對接收機所在位置的路徑損耗值進行預(yù)測分2步進行：

1）確定所有優(yōu)勢路徑。分析地形模型，找出所有楔形區(qū)域，從發(fā)射機到接收機之間的優(yōu)勢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)射機為樹根的多叉樹，發(fā)射機可見區(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，直到接收機出現(xiàn)在分支中時停止構(gòu)造新的分支。接收機每出現(xiàn)在分支中一次就構(gòu)造了一條優(yōu)勢路徑。通過對每條優(yōu)勢路徑進行路徑損耗計算，選出最優(yōu)路徑。

圖1 決定優(yōu)勢路徑的多叉樹

2）路徑損耗計算。通過下面的公式對每條傳播路徑的路徑損耗進行仿真運算，從而確定最優(yōu)路徑。

式中：l是發(fā)射機到接收機之間傳播路徑的長度；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，p一般取值為2．0；λ代表電波波長，函數(shù)f用以計算衍射造成的路徑損耗，φ是衍射角，gt是發(fā)射機的天線增益。

1．2 3種模型仿真效果對比

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

圖2 3種模型仿真結(jié)果對比

Hata-Okumura模型由于只考慮了發(fā)射機與接收機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的區(qū)域正確；峰脊模型考慮了發(fā)射機與接收機之間的地形起伏對電波傳播的影響，但其夸大了山峰等高地對電波的遮擋效應(yīng)，使其在有山峰遮擋的區(qū)域無法得到接近真實的結(jié)果；而優(yōu)勢路徑模型計算得到的結(jié)果不僅適用于電磁波直線可達的區(qū)域，也適用于被山峰遮擋的區(qū)域，因此更接近真實結(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)是國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。本文用以進行地形建模的數(shù)字高程數(shù)據(jù)從ASTER GDEM獲?。?］，該數(shù)據(jù)是根據(jù)美國航空航天局（National Aeronautics and Space Ad-ministration）的新一代對地觀測衛(wèi)星Terra的詳盡觀測結(jié)果制作完成的，目前共有2個版本，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 可視化實現(xiàn)原理

在二維模式下使用Qt基于項的圖形視圖方法進行繪圖，在三維模式下使用OpenGL三維圖形庫進行繪圖。

3．1 二維視圖繪制

Qt的視圖體系包括一個由QGraphicsScene充當(dāng)?shù)膱鼍昂鸵恍┯蒕GraphicsItem的子類充當(dāng)?shù)膱鼍爸械捻棥鼍耙约皥鼍爸械捻椩谝晥D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現(xiàn)對地形和仿真結(jié)果的渲染以及場景操作，如對地形的放大、縮小、拖拽以及對基站的添加、刪除、移動等操作等。在二維模式下，無法在計算機屏幕上直觀顯示不同區(qū)域的高程。為解決這一問題，本文使用每一個像素的紋理色彩的深度來表征該像素的高程值，并使用動態(tài)生成的色標比例尺進行標注。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)格中的每一個小方格都作為一個項依次添加到場景中。但是，由于野外地形往往比較龐大，這將極大增加創(chuàng)建對象的數(shù)量，使地形的渲染非常緩慢。為了提高計算機的繪圖效率，需要盡量減少項的數(shù)量。

進行高質(zhì)量的QImage繪圖可以將繪制地形所需要的場景項減少到1。具體的方法是將 ASCII grid中的每個網(wǎng)格作為一個像素點經(jīng)過高程-顏色轉(zhuǎn)換后填充到QImage圖像中，將QImage圖像轉(zhuǎn)換為場景項對象并添加到場景中，最后實現(xiàn)坐標的對準。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接收功率值便可以實現(xiàn)。

3．2 三維視圖繪制

ASCII GRID文件中存儲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

取每個高程網(wǎng)格的左下角頂點的X、Y坐標以及該頂點的高程值構(gòu)成三角形的一個頂點稱作繪圖點，相鄰的3個繪圖點構(gòu)成一個三角面片。對于每一個繪圖點，通過高程-顏色變換得到該繪圖點的顏色值，OpenGL在繪制三角形的過程中會自動進行顏色插值。循環(huán)遍歷每一個繪圖點繪制三角形，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，并將每個像素點的紋理由高程對應(yīng)的顏色深度值替換為與仿真結(jié)果值對應(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）為例進行仿真驗證。區(qū)域面積為3 000 km2，場景模型如圖3、圖6所示。

仿真過程采用野外優(yōu)勢路徑模型，電波頻率為f＝948 MHz，天線類型為全向天線，仿真結(jié)果以場景中每個像素點上模擬接收機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獨立工作條件下各個點模擬接收機的接收功率分布圖。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獨立工作條件下各點模擬接收機的接收功率分布圖。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同時工作的條件下各個點模擬接收機的接收功率分布圖。

圖11 接收總功率二維渲染圖

圖12 接收總功率三維渲染圖

仿真運算在普通 PC平臺（Core i5 CUP，2G RAM）上進行，仿真分辨率設(shè)定為30 m，三維視圖下共繪制600萬個三角形，仿真耗時2 h 40 min。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于野外優(yōu)勢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)勢主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1）野外優(yōu)勢路徑模型是在并不是所有發(fā)射機和接收機之間的射線都攜帶相同的電磁能量這一事實基礎(chǔ)上提出的。一些路徑相對其他路徑具有更大的輻射功率，只利用這些路徑進行仿真計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)進行地形建模，不在需要對地形數(shù)據(jù)進行復(fù)雜處理，適于進行大范圍野外場景的電磁環(huán)境仿真計算。

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

［1］吳迎年，張霖．電磁環(huán)境仿真與可視化研究綜述［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，20：6332-6338．

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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．