室內場景電磁環境仿真軟件設計

2014-05-31 09:44:52丁志兵張林波榮天琪李瑋

應用科技 2014年2期

丁志兵，張林波，榮天琪，李瑋

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱150001

近年來，室內無線通信系統的設計與應用成為研究的熱門。室內環境中無線網絡的有效設計和安裝是建立在對室內復雜電磁環境的相對準確預測之上的。發射機和接收機之間的無線電波傳播路徑是由直射、反射和繞射所構成的。由于室內環境具有復雜的路徑損耗結構，因此，與建筑結構和工作頻率密切相關的電波傳播特性是比較難預測的。由于電波傳播環境的復雜性，通常意義上的射線追蹤模型的計算量極大;而室內優勢路徑模型著重于發射機和接收機之間的優勢路徑，因此更適合室內電磁環境的預測。

室內電磁環境仿真軟件是基于優勢路徑傳播模型開發的，用于對室內場景無線發射機的規劃部署，以及室內電磁覆蓋仿真，該軟件可以為室內無線網絡的設計和部署提供有效參考。

1 軟件框架設計

室內電磁環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、臺站規劃模塊、仿真計算模塊、仿真實測對比模塊以及數據管理模塊構成。各模塊間的調用關系如圖1所示。

圖1 電磁環境仿真分析軟件各模塊關系

該軟件的開發流程主要包括室內場景的建模、場景的二維三維顯示、場景的基站布設、場景電磁環境的仿真計算以及仿真結果的二維三維顯示等。

2 室內場景設計

2.1 室內場景建模

在室內電磁環境仿真軟件設計中，考慮到如果在軟件中加入對規劃區域建模的模塊，將導致軟件的開發成本大幅提高，故采用第三方軟件AutoCAD建模。

DXF是Autodesk公司開發的專門用于AutoCAD與其他軟件之間進行數據交換的CAD數據文件格式。由于DXF可以用文本編輯器打開，因此，可以很方便地進行程序編寫工作。綜上所述，采用Auto-CAD對室內場景進行建模，而后在室內電磁環境仿真軟件中將DXF模型文件轉換成一種便于軟件使用的IDA文件格式(IDA文件包含室內場景的各墻角坐標、墻體顏色、以及墻體材質等信息)是一種切實可行的方法［1-3］。軟件實現的效果如圖2、3所示。

圖2 DXF文件在AutoCAD下的效果

圖3 轉化后的DXF文件在軟件中的效果

2.2 場景的二維三維顯示

該軟件是基于Qt進行開發的，Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發語言，是面向對象語言，易于擴展。軟件的場景顯示是以QGraphics-View為基類實現的，其中，室內場景的墻體部分是以QGraphicsLineItem為基類實現的，每個墻體對應一個QGraphicsLineItem 的對象［4-5］。

對場景的大部分操作都是在二維模式下進行的，如仿真區域的選擇、墻體的材質編輯等。墻體的材質編輯是通過雙擊場景的墻體，在彈出的材質屬性對話框里修改相應屬性實現的，如圖4所示。

圖4 室內墻體的材質編輯對話框

室內場景的三維顯示則是基于OpenGL實現的，為了實現漫游效果，軟件采用的投影方式是透視投影。場景漫游效果如圖5所示。用戶通過按住鼠標右鍵拖動可以旋轉場景，通過滑動鼠標滑輪可以進行場景的縮放［6-9］。

圖5 場景漫游效果顯示

2.3 場景的基站布設

基站布設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置。基站的屬性包括基站的名稱、狀態、載波頻率、發射功率以及天線方向等屬性。基站屬性設置對話框如圖6所示。

圖6 基站屬性設置對話框

基站布設完成后將在軟件界面的左側工程樹上對應顯示，用戶可以右鍵工程樹上的基站進行編輯。用戶還可以通過右鍵場景中的基站在彈出的菜單中，選擇相應的操作對已經布設完成的基站實現移動、刪除以及編輯功能。

3 場景電磁環境的仿真計算

室內電磁環境軟件仿真的計算部分采用室內優勢路徑傳播模型(dominant path prediction model for indoor)。傳統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射機視為點源，其發射的電磁波作為向各個方向傳輸的射線，對每條射線進行跟蹤，在射線遇到室內的阻礙物時，需按反射、透射或繞射來進行場強計算，在接收點將到達該點的各條射線合并，從而實現電波傳播預測。

射線跟蹤的過程是一個相當復雜的遞歸過程，對于從源點出發的每一條射線進行跟蹤，在遇到一個物體或邊緣時又會產生許多條射線，對這些射線跟蹤的過程是相同的，隨著遇到物體數量的增加，射線的數量將指數增加，如果對一條射線的計算產生錯誤將導致之后的很多射線的計算都產生偏差。

室內環境中的物體通常都具有一定的厚度，有時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)。當平面波遇到物體時將產生反射和透射，反射系數和透射系數的計算通常是多層有耗介質的情形，在這樣的情況下很難準確計算每條射線傳播參數，因此在復雜的室內環境中采用射線追蹤模型來對電波傳播進行預測不僅仿真速率慢，而且仿真結果的準確性也不能保證。

在大多數情況下，圖7只有2條或3條射線貢獻大于95%的能量，即通過這些優勢射線聚焦的精度就足夠進行電波傳播預測了。

優勢路徑傳播模型只注重占主導地位的路徑，忽略那些對計算結果貢獻很小的路徑，因此避免了因計算這些貢獻度很小路徑產生的誤差，提高了計算結果的準確度。

下面介紹優勢路徑的選取，圖8為室內環境信息圖。數字表示房間號，字母表示墻體號。

圖8 室內環境信息圖

建筑物內的優勢路徑選取不是一個簡單的工作。它有2種計算方法:如圖9所示的房間結構樹法與如圖10所示的矩陣預測法。

圖9 房間結構樹法

圖10 矩陣預測法

當發射點與接收點不在同一視線內時，采用房間結構樹法選取優勢路徑，在房間結構樹中選取從發射機經過層數最少到達接收機的路徑;當發射點與接收點在同一視線內，但是二者之間存在障礙時，采用矩陣預測法選取優勢路徑，選取的優勢路徑不穿過墻體，且傳播距離最短。

選取好優勢路徑后，計算路徑損耗: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是一個參數，可以減少高干擾因素的權重;α是波導因子，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，反射損耗越小，距離越近，α越大。

所有墻體的影響進行累積和歸一化的方程為