ASTER GDEM 格式地形數(shù)據(jù)在Radio Mobile 仿真軟件中的 應(yīng)用探索*

孫海洋，王一博，彭冬華，夏子杰，湯曉安

（1.湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421099；2.湖南信息學(xué)院，湖南 長沙 410100）

0 引 言

復(fù)雜地形環(huán)境下的無線傳播信道特性分析，對移動通信工程規(guī)劃中的諸多環(huán)節(jié)，如基站選址[1]、設(shè)備參數(shù)預(yù)判[2]以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[3]等具有重要意義。程芳[4]等人利用拋物方程（Parabolic Equation，PE）模型，結(jié)合電子地圖對電波傳播預(yù)測進(jìn)行研究，其中考慮了地形起伏對電波傳播的影響。蔡圣龍[5]等考慮了復(fù)雜地形環(huán)境的影響，應(yīng)用Rice 和Rayleigh 衰落模型對Helmholtz 波動方程進(jìn)行旁軸近似，得到了拋物型方程的信道建模方法。白瑞杰[6]等從實際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，預(yù)估了地理信息數(shù)據(jù)分割對于無線信道仿真計算的影響。

除了上述理論研究外，GSI 軟件也在無線電信道仿真中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。孫紅云[7]等結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Sciences，GIS）的空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)字地形分析等技術(shù)，構(gòu)建了臺站與發(fā)射機(jī)賓體對象，基于地理空間信息環(huán)境實現(xiàn)了典型電波傳播場強(qiáng)分析模型，提高了場強(qiáng)計算的效率和空間位置精度。楊迪[8]以Mapobjects為開發(fā)平臺構(gòu)建了城市地區(qū)地理信息系統(tǒng)，設(shè)計完成了適合城市地形的信道模型庫，并在此基礎(chǔ)上運用信道模型庫中的各種信道模型，完成了有關(guān)單一基站的覆蓋分析、多基站情況下的覆蓋分析以及不同基站之間的干擾問題的分析。孫威[9]在Mapobjects 平臺上構(gòu)建了一個多山地區(qū)的地理信息系統(tǒng)（GIS）。在多山地形環(huán)境下，結(jié)合Deygout 模型分析多重刃峰的繞射問題，結(jié)果與工程用Egli 模型比較，證明了其正確性。楊衛(wèi)星[10]基于ArcGIS Engine 平臺開發(fā)出能夠支持通用的TIF 格式地圖的數(shù)字地圖軟件，并在此基礎(chǔ)上通過Cost231-Walfisch-Ikegami 模型、Egli 模型、Longley- Rice 模型的構(gòu)建，實現(xiàn)了城區(qū)、丘陵、群島等不同地形環(huán)境路徑二維剖面數(shù)據(jù)下的傳播路徑損耗仿真的分析，最終集成研制了基于數(shù)字地圖的電波傳播預(yù)測集成仿真計算系統(tǒng)軟件。

由此可見，結(jié)合地理信息技術(shù)（GIS）的計算機(jī)仿真已經(jīng)成為無線電傳播信道分析的重要手段之一。目前，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了一些成熟的基于GIS 的無線電場強(qiáng)預(yù)測分析軟件，如ICS、ELLIPSE、RAP等。但是，它們價格昂貴，地形數(shù)據(jù)接口也多為專有，地圖數(shù)據(jù)需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能應(yīng)用。Radio Mobile[11]是一款來自于加拿大的無線信道仿真自由軟件，建立在不規(guī)則地形傳播模型（Longley- Rice）基礎(chǔ)上，適用于20 MHz ～20 GHz、傳播距離1 ～2 000 km 的基本工況。在地理信息接口方面，Radio Mobile 可以識別包括SRTM、DTED、GTOPO30、GLOBE 以及BIL等格式在內(nèi)的多種地形數(shù)據(jù)。遺憾的是，筆者發(fā)現(xiàn)，Radio Mobile 并不能識別當(dāng)今精度最高且國內(nèi)廣為流行的免費地形數(shù)據(jù)ASTER GDEM（精度可達(dá)30 m）。本文的基本目的就是要解決Radio Mobile 識別ASTER GDEM 格式地形數(shù)據(jù)的問題。

1 ASTER GDEM 格式地形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)上可得的我國地形數(shù)據(jù)中（免費），ASTER GDEM 格式（*.tiff）無疑最全面、最精確。這些數(shù)據(jù)已經(jīng)以省為單位，被歸納成30多個壓縮包。以筆者所在的湖南省長沙市為例，首先將“湖南.zip”解壓到某個非中文名目錄下，如圖1 所示。

以圖1為例，湖南省的ASTER GDEM數(shù)據(jù)包（湖南.zip）里有很多以經(jīng)緯度命名的小zip 文件。筆者發(fā)現(xiàn)，不需要自己手動進(jìn)一步解壓這些小Zip 文件，Global Mapper 軟件會幫忙將它們批量轉(zhuǎn)換為Radio Mobile 所能識別的DTED 格式。

在此之前，首先新建一個非中文目錄用于安放轉(zhuǎn)換后的DTED 文件，注意不要命名為簡單的”DTED”。以筆者所在的湖南省為例，Global Mapper 轉(zhuǎn)換出來DTED 數(shù)據(jù)可以存放在“DTED_HuNan”文件夾中，如圖2 所示。

圖2 存放DTED 格式文件的目錄命名

運行GIS 軟件Global Mapper，菜單欄選擇File →Open All Files in a Directory tree，然后選擇剛才解壓（“湖南.zip”）完成的、用于存放ASTER GDEM 數(shù)據(jù)的文件夾，如圖3 所示。

兩次默認(rèn)OK 后，開始數(shù)據(jù)導(dǎo)入，只需要1 min左右。然后，菜單欄File →Export →Export Elevation Grid Format，在彈出的菜單欄選擇DTED，如圖4 所示。

點擊OK 后，在隨后的彈出對話框中的參數(shù)設(shè)置界面保持默認(rèn)，然后選擇用于存放DTED 的文件夾（DTED_HuNan）和設(shè)定文件前綴名（HuNan），如圖5 所示。

點擊確認(rèn)后，一個省的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DTED 格式通常需要十幾分鐘。轉(zhuǎn)換完成后，將會生成一系列的dt2 文件。這些文件需重組后才能為Radio Mobile 所讀取。

2 DTED 格式文件的重組

筆者發(fā)現(xiàn)，Global Mapper 轉(zhuǎn)換出來的DETD 文件的命名方式仍然不能被Radio Mobile 直接識別和讀取，如圖6 所示。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這些DTED 數(shù)據(jù)需要整理在以經(jīng)度命名的文件夾內(nèi)，每個文件按照緯度命名。唯有如此，DTED 數(shù)據(jù)才能被Radio Mobile 正確導(dǎo)入。為此，筆者專門編制了相應(yīng)的文件重命名和重組程序，如圖7 所示。

圖3 Global Mapper 導(dǎo)入ASTER GDEM 數(shù)據(jù)

圖4 Global Mapper 選擇導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式（DTED）

圖5 導(dǎo)出數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定界面保持默認(rèn)

圖6 轉(zhuǎn)換而來的DETD 文件的命名方式

先運行Get_DTED_File_Name.bat 會生成一個文件列表，然后運行Rename_DTED_File_ for_Radio_Mobile.exe，可以將這些dt2 文件剪貼到以經(jīng)度命名的文件夾中，并重命名為可以被Radio Mobile 所識別的文件名，如圖8 所示。

經(jīng)過重組后，這些DTED 格式的地形文件被轉(zhuǎn)移到一個名為“DTED”的子目錄中。在Radio Mobile 中，只要選中包含這個DTED 子目錄的上級目錄（本例中的DTED_HuNan），就可以完成地形文件的識別與導(dǎo)入。

圖7 用于DETD 文件重組的自制程序

3 Radio Mobile 中的地形建模與仿真

打開Radio Mobile，菜單欄中選擇文件→地圖屬性，如圖9 所示。

這里首先需要設(shè)定好模擬地域中心的經(jīng)緯度，以筆者所在的長沙為例，設(shè)定緯度28.4，經(jīng)度112.6。然后，設(shè)定好像素大小和模擬域大小，設(shè)定數(shù)據(jù)類型為DTED。在路徑中設(shè)定好文件重組，包含“DTED”子目錄的上級目錄（DTED_HuNan）。讀入的地形如圖10 所示，岳麓山、湘江以及橘子洲依稀可見。

此后，按照《淺談無線電傳播模擬軟件之Radio Mobile》[12]所述的操作步驟，建立移動網(wǎng)絡(luò)及收發(fā)電臺參數(shù)。這里僅簡要介紹其中的一些關(guān)鍵步驟。

圖8 DETD 文件重組的結(jié)果

圖9 Radio Mobile 載入DETD 文件

①文件→單元屬性：設(shè)置收發(fā)點的地理參數(shù)；

②文件→網(wǎng)絡(luò)屬性→“參數(shù)”標(biāo)簽頁：設(shè)置傳播環(huán)境，這里主要設(shè)置傳播網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期運行頻率，最高20 GHz；

③文件→網(wǎng)絡(luò)屬性→“系統(tǒng)”標(biāo)簽頁：設(shè)置收發(fā)設(shè)備（電臺或基站）參數(shù)，包括功率、接收靈敏度和天線增益等；

④文件→網(wǎng)絡(luò)屬性→“會員”標(biāo)簽頁：收發(fā)設(shè)備（電臺）與收發(fā)點（即第①步中的單元）綁定；

本例假設(shè)岳麓山上有一個發(fā)射基站，河?xùn)|某處高地的迎山、背山處各有一個接收用戶。完成上述傳播網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置后，可得到如圖11 所示的地形環(huán)境中的傳播路徑。

點擊工具欄上的“天線鏈路”按鈕，可以得到如圖12 所示的路徑損耗仿真結(jié)果。

圖10 Radio Mobile 中導(dǎo)入的長沙地形數(shù)據(jù)

圖11 Radio Mobile 所建立的地形傳播路徑

圖12 Radio Mobile 所得的路徑損耗仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

通過Global Mapper 轉(zhuǎn)換為DTED 格式及文件名重組，ASTER GDEM 格式的我國地形數(shù)據(jù)可以被Radio Mobile 所識別和讀取，成為無線信道仿真中的重要支撐數(shù)據(jù)。