丁志兵，張林波，榮天琪，李瑋

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

近年來(lái)，室內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用成為研究的熱門(mén)。室內(nèi)環(huán)境中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有效設(shè)計(jì)和安裝是建立在對(duì)室內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境的相對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)之上的。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無(wú)線電波傳播路徑是由直射、反射和繞射所構(gòu)成的。由于室內(nèi)環(huán)境具有復(fù)雜的路徑損耗結(jié)構(gòu)，因此，與建筑結(jié)構(gòu)和工作頻率密切相關(guān)的電波傳播特性是比較難預(yù)測(cè)的。由于電波傳播環(huán)境的復(fù)雜性，通常意義上的射線追蹤模型的計(jì)算量極大;而室內(nèi)優(yōu)勢(shì)路徑模型著重于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的優(yōu)勢(shì)路徑，因此更適合室內(nèi)電磁環(huán)境的預(yù)測(cè)。

室內(nèi)電磁環(huán)境仿真軟件是基于優(yōu)勢(shì)路徑傳播模型開(kāi)發(fā)的，用于對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景無(wú)線發(fā)射機(jī)的規(guī)劃部署，以及室內(nèi)電磁覆蓋仿真，該軟件可以為室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署提供有效參考。

1 軟件框架設(shè)計(jì)

室內(nèi)電磁環(huán)境仿真軟件主要由主窗體模塊(可視化顯示和操作界面)、可視化模塊、臺(tái)站規(guī)劃模塊、仿真計(jì)算模塊、仿真實(shí)測(cè)對(duì)比模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊構(gòu)成。各模塊間的調(diào)用關(guān)系如圖1所示。

圖1 電磁環(huán)境仿真分析軟件各模塊關(guān)系

該軟件的開(kāi)發(fā)流程主要包括室內(nèi)場(chǎng)景的建模、場(chǎng)景的二維三維顯示、場(chǎng)景的基站布設(shè)、場(chǎng)景電磁環(huán)境的仿真計(jì)算以及仿真結(jié)果的二維三維顯示等。

2 室內(nèi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

2.1 室內(nèi)場(chǎng)景建模

在室內(nèi)電磁環(huán)境仿真軟件設(shè)計(jì)中，考慮到如果在軟件中加入對(duì)規(guī)劃區(qū)域建模的模塊，將導(dǎo)致軟件的開(kāi)發(fā)成本大幅提高，故采用第三方軟件AutoCAD建模。

DXF是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于AutoCAD與其他軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的CAD數(shù)據(jù)文件格式。由于DXF可以用文本編輯器打開(kāi)，因此，可以很方便地進(jìn)行程序編寫(xiě)工作。綜上所述，采用Auto-CAD對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行建模，而后在室內(nèi)電磁環(huán)境仿真軟件中將DXF模型文件轉(zhuǎn)換成一種便于軟件使用的IDA文件格式(IDA文件包含室內(nèi)場(chǎng)景的各墻角坐標(biāo)、墻體顏色、以及墻體材質(zhì)等信息)是一種切實(shí)可行的方法［1-3］。軟件實(shí)現(xiàn)的效果如圖2、3所示。

圖2 DXF文件在AutoCAD下的效果

圖3 轉(zhuǎn)化后的DXF文件在軟件中的效果

2.2 場(chǎng)景的二維三維顯示

該軟件是基于Qt進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，易于擴(kuò)展。軟件的場(chǎng)景顯示是以QGraphics-View為基類(lèi)實(shí)現(xiàn)的，其中，室內(nèi)場(chǎng)景的墻體部分是以QGraphicsLineItem為基類(lèi)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)墻體對(duì)應(yīng)一個(gè)QGraphicsLineItem 的對(duì)象［4-5］。

對(duì)場(chǎng)景的大部分操作都是在二維模式下進(jìn)行的，如仿真區(qū)域的選擇、墻體的材質(zhì)編輯等。墻體的材質(zhì)編輯是通過(guò)雙擊場(chǎng)景的墻體，在彈出的材質(zhì)屬性對(duì)話框里修改相應(yīng)屬性實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示。

圖4 室內(nèi)墻體的材質(zhì)編輯對(duì)話框

室內(nèi)場(chǎng)景的三維顯示則是基于OpenGL實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)漫游效果，軟件采用的投影方式是透視投影。場(chǎng)景漫游效果如圖5所示。用戶通過(guò)按住鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)可以旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景，通過(guò)滑動(dòng)鼠標(biāo)滑輪可以進(jìn)行場(chǎng)景的縮放［6-9］。

圖5 場(chǎng)景漫游效果顯示

2.3 場(chǎng)景的基站布設(shè)

基站布設(shè)模塊主要包括基站位置選取、基站二維三維顯示以及基站屬性的設(shè)置?；镜膶傩园ɑ镜拿Q(chēng)、狀態(tài)、載波頻率、發(fā)射功率以及天線方向等屬性?；緦傩栽O(shè)置對(duì)話框如圖6所示。

圖6 基站屬性設(shè)置對(duì)話框

基站布設(shè)完成后將在軟件界面的左側(cè)工程樹(shù)上對(duì)應(yīng)顯示，用戶可以右鍵工程樹(shù)上的基站進(jìn)行編輯。用戶還可以通過(guò)右鍵場(chǎng)景中的基站在彈出的菜單中，選擇相應(yīng)的操作對(duì)已經(jīng)布設(shè)完成的基站實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、刪除以及編輯功能。

3 場(chǎng)景電磁環(huán)境的仿真計(jì)算

室內(nèi)電磁環(huán)境軟件仿真的計(jì)算部分采用室內(nèi)優(yōu)勢(shì)路徑傳播模型(dominant path prediction model for indoor)。傳統(tǒng)的射線追蹤模型傳播路徑［10］如圖7。

圖7 射線追蹤模型的傳播路徑

射線跟蹤模型的基本思想是把發(fā)射機(jī)視為點(diǎn)源，其發(fā)射的電磁波作為向各個(gè)方向傳輸?shù)纳渚€，對(duì)每條射線進(jìn)行跟蹤，在射線遇到室內(nèi)的阻礙物時(shí)，需按反射、透射或繞射來(lái)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算，在接收點(diǎn)將到達(dá)該點(diǎn)的各條射線合并，從而實(shí)現(xiàn)電波傳播預(yù)測(cè)。

射線跟蹤的過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的遞歸過(guò)程，對(duì)于從源點(diǎn)出發(fā)的每一條射線進(jìn)行跟蹤，在遇到一個(gè)物體或邊緣時(shí)又會(huì)產(chǎn)生許多條射線，對(duì)這些射線跟蹤的過(guò)程是相同的，隨著遇到物體數(shù)量的增加，射線的數(shù)量將指數(shù)增加，如果對(duì)一條射線的計(jì)算產(chǎn)生錯(cuò)誤將導(dǎo)致之后的很多射線的計(jì)算都產(chǎn)生偏差。

室內(nèi)環(huán)境中的物體通常都具有一定的厚度，有時(shí)表面還可能覆蓋有其他材料(如鋪地毯的地板、貼墻紙的墻壁等)。當(dāng)平面波遇到物體時(shí)將產(chǎn)生反射和透射，反射系數(shù)和透射系數(shù)的計(jì)算通常是多層有耗介質(zhì)的情形，在這樣的情況下很難準(zhǔn)確計(jì)算每條射線傳播參數(shù)，因此在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中采用射線追蹤模型來(lái)對(duì)電波傳播進(jìn)行預(yù)測(cè)不僅仿真速率慢，而且仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性也不能保證。

在大多數(shù)情況下，圖7只有2條或3條射線貢獻(xiàn)大于95%的能量，即通過(guò)這些優(yōu)勢(shì)射線聚焦的精度就足夠進(jìn)行電波傳播預(yù)測(cè)了。

優(yōu)勢(shì)路徑傳播模型只注重占主導(dǎo)地位的路徑，忽略那些對(duì)計(jì)算結(jié)果貢獻(xiàn)很小的路徑，因此避免了因計(jì)算這些貢獻(xiàn)度很小路徑產(chǎn)生的誤差，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

下面介紹優(yōu)勢(shì)路徑的選取，圖8為室內(nèi)環(huán)境信息圖。數(shù)字表示房間號(hào)，字母表示墻體號(hào)。

圖8 室內(nèi)環(huán)境信息圖

建筑物內(nèi)的優(yōu)勢(shì)路徑選取不是一個(gè)簡(jiǎn)單的工作。它有2種計(jì)算方法:如圖9所示的房間結(jié)構(gòu)樹(shù)法與如圖10所示的矩陣預(yù)測(cè)法。

圖9 房間結(jié)構(gòu)樹(shù)法

圖10 矩陣預(yù)測(cè)法

當(dāng)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)不在同一視線內(nèi)時(shí)，采用房間結(jié)構(gòu)樹(shù)法選取優(yōu)勢(shì)路徑，在房間結(jié)構(gòu)樹(shù)中選取從發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)層數(shù)最少到達(dá)接收機(jī)的路徑;當(dāng)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)在同一視線內(nèi)，但是二者之間存在障礙時(shí)，采用矩陣預(yù)測(cè)法選取優(yōu)勢(shì)路徑，選取的優(yōu)勢(shì)路徑不穿過(guò)墻體，且傳播距離最短。

選取好優(yōu)勢(shì)路徑后，計(jì)算路徑損耗:式中:L代表路徑損耗，dB;LD代表干擾損耗，dB;d是路徑長(zhǎng)度，m;φi表示之前的傳播方向與改變后的傳播方向之間的夾角，歸一化到180°;wi是一個(gè)參數(shù)，可以減少高干擾因素的權(quán)重;α是波導(dǎo)因子，α的值與傳播路徑上墻壁的反射損耗以及墻壁與傳播路徑之間的距離有關(guān)，反射損耗越小，距離越近，α越大。

所有墻體的影響進(jìn)行累積和歸一化的方程為

式中wi可由式(3)計(jì)算得出:

式中:αi由式(4)給出;oi由式(5)決定;距離dni(ζ)由式(6)給出。這2個(gè)參數(shù)都需要結(jié)合第i面墻的波導(dǎo)因子wi所造成的反射損耗LR。

當(dāng)用戶選擇開(kāi)始仿真時(shí)，軟件把處于激活狀態(tài)的基站的屬性、場(chǎng)景文件(IDA文件)以及用戶選擇的傳播模型輸入仿真計(jì)算模塊，軟件經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算后再將結(jié)果數(shù)據(jù)以文件形式輸出。仿真結(jié)果根據(jù)軟件設(shè)置的分辨率將場(chǎng)景分為若干個(gè)小的矩形區(qū)域，每個(gè)矩形區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)仿真結(jié)果值。

仿真計(jì)算模塊輸出的仿真結(jié)果中包含仿真區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的接收功率覆蓋情況、電場(chǎng)強(qiáng)度覆蓋情況以及基站到各點(diǎn)的通信路徑。在多基站的情況下，軟件將根據(jù)仿真模塊輸出的結(jié)果文件計(jì)算多基站的接收總功率以及單個(gè)基站的載干比。

4 仿真結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果的二維三維顯示

仿真結(jié)果的二維顯示首先是讀取選中基站的仿真結(jié)果文件，然后，分別將各點(diǎn)的仿真結(jié)果值與色卡進(jìn)行比對(duì)，以不同的顏色來(lái)體現(xiàn)不同的仿真結(jié)果，將仿真結(jié)果以矩形為單位添加到場(chǎng)景中去。

下列仿真結(jié)果是在場(chǎng)景中布設(shè)2個(gè)基站，并且2個(gè)基站都處于激活狀態(tài)下得出的。

單個(gè)基站Radio 1(左上)接收功率仿真結(jié)果的二維顯示如圖11所示。

圖11 基站1(左上)接收功率

2個(gè)基站的接收總功率的仿真結(jié)果的二維顯示如圖12所示。

圖12 2個(gè)基站的接收總功率二維顯示

2個(gè)基站接收總功率仿真結(jié)果三維顯示如圖13所示。

圖13 2個(gè)基站的接收總功率三維顯示

以基站1(左上)為發(fā)射臺(tái)，基站2(右下)為干擾臺(tái)的載干比二維仿真結(jié)果如圖14所示。

單基站在室內(nèi)場(chǎng)景中的不同高度的多層仿真結(jié)果三維顯示如圖15所示。

圖14 基站1(左上)為發(fā)射臺(tái)的載干比顯示

圖15 單基站多層仿真結(jié)果的三維顯示

4.2 仿真實(shí)測(cè)對(duì)比模塊

軟件設(shè)計(jì)了仿真實(shí)測(cè)對(duì)比模塊，窗口如圖16。

圖16 仿真實(shí)測(cè)對(duì)比窗口

窗口的左邊是仿真結(jié)果的二維顯示，在窗口的右側(cè)加載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，加載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后如圖17所示。

圖17 加載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖18中右邊表格顯示的是實(shí)測(cè)的每個(gè)點(diǎn)的路徑損耗，下邊圖表顯示的仿真與實(shí)測(cè)的曲線。

圖18 仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)電磁環(huán)境仿真軟件的主體部分是基于Qt開(kāi)發(fā)的，與基于MFC相比，設(shè)計(jì)復(fù)雜度更低，且軟件界面更加美觀;軟件的可擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)定制開(kāi)發(fā)。

在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)配置Inter i5 CPU，主頻2.3 GHz，內(nèi)存2 GB，仿真計(jì)算模塊采用室內(nèi)優(yōu)勢(shì)路徑傳播模型對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行仿真所用時(shí)間是20 s左右，采用射線追蹤模型對(duì)同樣場(chǎng)景進(jìn)行仿真用時(shí)70 s左右。

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