一種多頻網(wǎng)的波傳播特性可視化分析

0城市直流電信號(hào)特性可視化軟件的開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)波通信特性是現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心主題。這是合理規(guī)劃、應(yīng)用和優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)?？茖W(xué)可視化技術(shù)以圖形或圖像的方式在屏幕上傳遞大量的三維數(shù)據(jù)信息。對(duì)預(yù)測(cè)或測(cè)量得到的電波傳播特性參數(shù)進(jìn)行可視化,使得電波傳播特性參數(shù)的數(shù)值結(jié)果更加直觀,同時(shí)通過(guò)交互操作動(dòng)態(tài)地改變仿真參數(shù)來(lái)觀察結(jié)果發(fā)生的變化,為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了便利。目前,數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的發(fā)展為電波傳播可視化的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái),并進(jìn)行交互處理?？梢暬夹g(shù)能提供直覺(jué)的、交互的和反應(yīng)靈敏的可視化環(huán)境,幫助人們直觀地分析大量復(fù)雜的和多維的抽象數(shù)據(jù),以便從海量的數(shù)據(jù)中找出其中隱藏的規(guī)律或特征,為科學(xué)發(fā)現(xiàn)、工程開(kāi)發(fā)、醫(yī)療診斷和業(yè)務(wù)決策等提供依據(jù)。因此該技術(shù)已廣泛應(yīng)用到工程、醫(yī)學(xué)、金融和通信等領(lǐng)域。近年來(lái),隨著空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)以及開(kāi)放圖形庫(kù)(OpenGL)、GoogleSketchUp等三維建模工具的發(fā)展,城市二維或三維場(chǎng)景可以逼真地再現(xiàn)于屏幕上,這進(jìn)一步為電波傳播特性參數(shù)以平面或立體的可視化方式顯示在虛擬城市場(chǎng)景中成為可能。本文中采用OpenGL和GoogleSketchUp來(lái)完成簡(jiǎn)單城市場(chǎng)景的三維建模,并進(jìn)一步應(yīng)用于電波傳播特性的可視化。而在無(wú)線通信中,描述不同場(chǎng)景的電波傳播特性的參數(shù)也是不相同的。為充分利用頻譜資源,提高信道容量,滿足越來(lái)越多用戶的需求,現(xiàn)行小區(qū)的范圍越來(lái)越小,出現(xiàn)了微小區(qū)、微微小區(qū),小區(qū)的組網(wǎng)方式也更加靈活。在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中,由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)信道模型,可以較好地預(yù)測(cè)單基站、單頻網(wǎng)、多頻網(wǎng)的路徑損耗和載噪比等信息;在微蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中,基于電磁波高頻假設(shè)的射線跟蹤模型能較準(zhǔn)確地考慮電磁波的各種傳播效應(yīng),并考慮影響電波傳播的各種因素,從而得到微蜂窩場(chǎng)景下大量的射線信息(包括射線的傳播路徑、時(shí)延、到達(dá)角及離開(kāi)角)、場(chǎng)強(qiáng)信息和容量信息等。大量的信息使得直接處理這些抽象的數(shù)據(jù)變得困難,而本文的目的就是利用電波傳播可視化技術(shù)將這些大量、抽象的數(shù)值信息以一種較直觀的二維或三維圖形的方式表現(xiàn)出來(lái),加快了信息處理的速度,便利了信息統(tǒng)計(jì)特性的獲取,為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化提供了直觀、有效的參考?；谏鲜隹紤],本文介紹了一款自主開(kāi)發(fā)的城市電波傳播特性可視化軟件。該可視化軟件是基于離線地圖庫(kù)和谷歌地球提供的地理信息數(shù)據(jù),結(jié)合OpenGL和GoogleSketchUp三維建模工具,利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜕渚€跟蹤模型,適用于宏蜂窩和微蜂窩場(chǎng)景中電波傳播特性的仿真和可視化,可視化效果好。1在大鼠實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用本文提出的可視化軟件適用于城市宏蜂窩場(chǎng)景和微蜂窩場(chǎng)景下電波傳播特性的可視化。在宏蜂窩場(chǎng)景下,軟件可進(jìn)入GoogleEarth/離線地圖模式,實(shí)現(xiàn)單基站、單頻網(wǎng)和多頻網(wǎng)的覆蓋分析,而在微蜂窩場(chǎng)景下,軟件可進(jìn)入射線跟蹤模式,實(shí)現(xiàn)電波傳播路徑可視化、接收點(diǎn)電波傳播特性可視化和接收區(qū)域電波傳播特性可視化。該可視化軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)宏蜂窩場(chǎng)景,在線情況下,該可視化軟件可進(jìn)入GoogleEarth模式。在該模式下,基于GoogleEarth提供的二維衛(wèi)星航拍圖片和三維場(chǎng)景模型,軟件就可實(shí)現(xiàn)宏蜂窩場(chǎng)景下的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)和傳播損耗預(yù)測(cè)等功能,并將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示在GoogleEarth地圖中,其中三維場(chǎng)景模型可由二維航拍圖片中提取出來(lái)。如果GoogleEarth的搜索視角被定位到微蜂窩場(chǎng)景,通過(guò)界面交互操作,軟件可以轉(zhuǎn)入射線跟蹤模式,并自動(dòng)導(dǎo)入相應(yīng)的繪圖交換格式(DXF)場(chǎng)景文件,進(jìn)而研究該微蜂窩場(chǎng)景的電波傳播特性;離線情況下,軟件可進(jìn)入離線地圖模式,在該模式下,用戶可以從城市二維數(shù)字地圖庫(kù)中選擇研究區(qū)域,并從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶?kù)中選取合適的信道模型(Okumura-Hata、COST231-Hata、COST231-WI等模型),選定工作頻率、天線高度等仿真參數(shù)后,便可實(shí)現(xiàn)單基站、多頻網(wǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和路徑損耗等的覆蓋可視化,以及單頻網(wǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和載噪比的覆蓋可視化。針對(duì)微蜂窩場(chǎng)景,用戶可以選擇進(jìn)入射線跟蹤模式,在該模式下,導(dǎo)入由自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(AutoCAD)軟件繪制并存儲(chǔ)為DXF格式的微蜂窩場(chǎng)景三維模型,再結(jié)合OpenGL圖形技術(shù)顯示出電波傳播環(huán)境。在選定物體的電磁場(chǎng)特性,天線特性以及源點(diǎn)、場(chǎng)點(diǎn)的位置后,啟動(dòng)射線跟蹤模塊,軟件便可以計(jì)算并顯示出多徑信道中收發(fā)天線間所有可能的射線傳播路徑,進(jìn)而根據(jù)電波傳播理論計(jì)算每條射線的幅度、時(shí)延、相位、到達(dá)角和發(fā)射角,在此基礎(chǔ)上,得到接收區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的接收功率、信道容量、時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展等信息。2模擬中規(guī)范模型的應(yīng)用GoogleEarth是Google公司開(kāi)發(fā)的一款由衛(wèi)星圖像、航拍照片和地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)整合而成的虛擬三維地球模型,它提供了兩種擴(kuò)展接口,一種是組件對(duì)象模型(COM),另一種是標(biāo)記語(yǔ)言(KML)文件。利用COM接口,GoogleEarth引擎可嵌入到VisualC++6.0編譯平臺(tái)中(如圖2所示),使得軟件具有場(chǎng)景加載、定位、搜索、平移、縮放、標(biāo)記等功能。在GoogleEarth/離線地圖模式下,本文結(jié)合單基站、單頻網(wǎng)和多頻網(wǎng)等應(yīng)用實(shí)例介紹大區(qū)制下電波傳播特性的可視化。例如在GoogleEarth模式下,用戶選定城市大區(qū)制場(chǎng)景,標(biāo)記基站和移動(dòng)站位置,確定工作頻率、天線高度等仿真參數(shù)后,利用KML語(yǔ)言,軟件就可以將由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫降膯位韭窂綋p耗覆蓋直觀地顯示出來(lái),如圖3(a)所示。在離線地圖模式下,導(dǎo)入二維場(chǎng)景圖片,通過(guò)人機(jī)交互操作,用戶在選定基站和覆蓋半徑,從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶?kù)中選取相應(yīng)的信道模型后,便可實(shí)現(xiàn)考慮陰影衰落時(shí)單基站的路徑損耗覆蓋分布,如圖3(b)所示。在離線地圖模式下,該軟件還支持單頻網(wǎng)電波傳播特性的可視化。在單頻網(wǎng)中,所有發(fā)射站會(huì)在同一時(shí)間、同一頻段發(fā)射同一信號(hào),位于不同測(cè)試地點(diǎn)的接收機(jī)所接收到的信號(hào)分別來(lái)自不同的發(fā)射機(jī),它們所經(jīng)歷的傳播環(huán)境不同,到達(dá)接收機(jī)所引入的延時(shí)和多徑干擾也不同,在接收端捕捉到接收信號(hào)的主徑后,其它的多徑信號(hào)則被視為干擾信號(hào)。仿真時(shí),程序計(jì)算出接收區(qū)域內(nèi)每一個(gè)接收點(diǎn)的接收載噪比,并以中國(guó)數(shù)字地面電視廣播(DTTB)標(biāo)準(zhǔn)給出的單頻網(wǎng)接收載噪比閾值為依據(jù),給出單頻網(wǎng)接收區(qū)域內(nèi)的有效覆蓋分布,如圖3(c)所示。在離線地圖模式下,該軟件能實(shí)現(xiàn)多頻網(wǎng)電波傳播特性的可視化,多頻網(wǎng)即采用頻率復(fù)用的蜂窩網(wǎng),多頻網(wǎng)中不同的小區(qū)可具有不同的發(fā)射功率、不同的工作頻率、不同的基站高度和不同的傳播預(yù)測(cè)模型,但相鄰的小區(qū)不能使用同一發(fā)射功率。仿真時(shí)在設(shè)定仿真區(qū)域和多頻網(wǎng)區(qū)群參數(shù)后,軟件便可實(shí)現(xiàn)考慮陰影衰落時(shí)多頻網(wǎng)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋分布,如圖3(d)所示。3基于輻射跟蹤的波傳播特性的可視化3.1場(chǎng)景建模設(shè)計(jì)在射線跟蹤模式下,該軟件主要研究室外微蜂窩環(huán)境下的電波傳播特性。通過(guò)實(shí)地考察,選擇了圖4所示的天津大學(xué)某宿舍樓區(qū)作為應(yīng)用實(shí)例研究微蜂窩場(chǎng)景下電波傳播特性,選擇該區(qū)域的原因是建筑物形狀比較規(guī)則。該軟件在GoogleEarth模式下,搜索視角可定位到該微蜂窩場(chǎng)景(如圖5所示),通過(guò)界面交互操作,軟件可以轉(zhuǎn)入射線跟蹤模式,并自動(dòng)導(dǎo)入相應(yīng)的繪圖交換格式(DXF)場(chǎng)景文件。導(dǎo)入DXF場(chǎng)景文件后,利用VisualC++6.0結(jié)合OpenGL對(duì)仿真區(qū)域進(jìn)行三維場(chǎng)景建模,如圖6所示。場(chǎng)景建模過(guò)程中將房頂均假設(shè)為平面且忽略門(mén)窗和周圍的樹(shù)木。設(shè)發(fā)射天線位于該場(chǎng)景的中心,接收天線相對(duì)于發(fā)射機(jī)的位置如圖4所示。仿真所需參數(shù)設(shè)置如下:發(fā)射天線和接收天線均為理想的全向天線;發(fā)射天線和接收天線均為垂直極化方式;工作頻率為900MHz,發(fā)射功率為2w;假設(shè)各個(gè)建筑物表面的材料一致,即電導(dǎo)率為0.01S/m,磁導(dǎo)率為1H/m,介電常數(shù)為5F/m;接收天線高度為1.5m;發(fā)射天線高度為15m。運(yùn)用射線跟蹤模型得出發(fā)射天線和接收天線間所有射線的傳播路徑,如圖6所示。在室外微蜂窩環(huán)境下,該軟件考慮直射、反射、繞射及反射和繞射的一些組合。3.2放電傳播特性參數(shù)依照上述的仿真參數(shù)設(shè)置,利用射線跟蹤模型,該可視化軟件還可計(jì)算出收發(fā)天線間每一條多徑分量的幅度、時(shí)延、到達(dá)角、發(fā)射角、路徑損耗等電波傳播特性參數(shù)。圖7(a)是射線到達(dá)角分布圖。圖7(b)是射線的到達(dá)角和時(shí)延的聯(lián)合分布圖。當(dāng)然用戶通過(guò)選擇射線信息列表框(圖7中圓圈所示)內(nèi)任意一項(xiàng),便可觀察任一條射線的傳播時(shí)延、到達(dá)角、發(fā)射角和路徑損耗等信息。3.3發(fā)射天線及垂直面到達(dá)角分析射線跟蹤模式下,在分析單個(gè)接收點(diǎn)的電波傳播特性的基礎(chǔ)上,該軟件還能實(shí)現(xiàn)接收區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)、信道容量、均方根時(shí)延擴(kuò)展、水平面或垂直面的到達(dá)角/發(fā)射角角度擴(kuò)展的覆蓋可視化。仿真時(shí),發(fā)射天線位于測(cè)試場(chǎng)景的中心,高度為10m,接收點(diǎn)均勻分布在整個(gè)仿真區(qū)域內(nèi),分布間隔為1m,接收天線高度為1.5m。圖7(c)是接收區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋分布圖。圖7(d)是接收區(qū)域內(nèi)垂直面到達(dá)角角度擴(kuò)展覆蓋分布圖。依照?qǐng)D中顏色的分布趨勢(shì),可以看出場(chǎng)強(qiáng)是隨著收發(fā)天線間的距離增加而逐漸減小,而垂直面到達(dá)角的角度擴(kuò)展則隨著距離的增加而變大。該可視化軟件還能顯示接收區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)、信道容量、均方根時(shí)延擴(kuò)展、到達(dá)角/發(fā)射角角度擴(kuò)展的統(tǒng)計(jì)特性,如圖8(a)、(b)分別表示場(chǎng)強(qiáng)和垂直面到