電波傳播模型的教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧晶琦， 劉 艷

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院， 廣東 中山 528402)

電波傳播模型的教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧晶琦， 劉 艷

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院， 廣東 中山 528402)

利用Matlab GUI平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了無(wú)線電波傳播特性的教學(xué)演示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)的無(wú)線通信環(huán)境下電波傳播路徑損耗的模擬及計(jì)算。教學(xué)實(shí)踐表明：該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、交互性強(qiáng)，以可視化的界面和圖表揭示了復(fù)雜公式的物理含義和工程意義，有效地提高了教學(xué)效果，提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

電波傳播模型； 演示系統(tǒng)； Matlab GUI； 路徑損耗

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,各種環(huán)境下的電波傳播特性研究已然成為重要課題。無(wú)線信號(hào)在空間傳播有很大的隨機(jī)性，因此了解無(wú)線電波的傳播特性并針對(duì)每一種環(huán)境選擇適合的電波傳播模型進(jìn)行模擬計(jì)算,對(duì)完成一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的規(guī)劃、布設(shè)及優(yōu)化管理是必不可少的前提[1]。

現(xiàn)有的移動(dòng)通信教材大都是在簡(jiǎn)述傳統(tǒng)的電波傳播分析思路的基礎(chǔ)上,羅列大量繁雜的傳播模型公式[2-3]；而實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)也多集中于系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)管配置、物理層處理技術(shù)及協(xié)議棧編程[4-5],鮮有涉及到無(wú)線傳播特性的實(shí)驗(yàn)。因此,在講授無(wú)線傳播特性,特別是講授傳播模型時(shí),大部分教師都是一帶而過(guò),使得學(xué)生總是很困惑,不知道這些模型的工程作用和區(qū)別。因此,本文利用Matlab GUI為開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線電波傳播特性的教學(xué)演示系統(tǒng),將枯燥而繁雜的公式以參數(shù)可設(shè)、仿真環(huán)境可選的可視化交互軟件展現(xiàn)出來(lái),加深學(xué)生對(duì)于物理概念和工程實(shí)際的理解,克服傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性。

1 演示系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

無(wú)線傳播特性中最重要的指標(biāo)之一是路徑傳播損耗(簡(jiǎn)稱路損),是指移動(dòng)臺(tái)與基站間由于距離而產(chǎn)生的平均損耗,它會(huì)受到特定地區(qū)的地形地貌及樹(shù)木、建筑物和其他遮擋物等因素的影響。由于傳播環(huán)境極為復(fù)雜,工程實(shí)踐中大量使用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的傳播預(yù)測(cè)模型。因此設(shè)計(jì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí),選擇合適的無(wú)線傳播模型對(duì)傳播損耗進(jìn)行估計(jì),就能更好地掌握在基站周圍所在地點(diǎn)處接收信號(hào)的平均強(qiáng)度及變化特性,從而為網(wǎng)絡(luò)覆蓋的研究及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)劃提供基礎(chǔ)[1]。

本演示系統(tǒng)結(jié)合工程實(shí)際,選擇了當(dāng)前一些具有代表性的室內(nèi)、室外傳播模型,如圖1所示。若要演示其他模型,可直接添加模塊和相應(yīng)的控件代碼即可,具有較好的可擴(kuò)展性。同時(shí),為了便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和操作,設(shè)置了“幫助文檔”模塊。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 各模型詳細(xì)設(shè)計(jì)

以室外環(huán)境下的國(guó)際電信聯(lián)盟ITU模型[6-13]的設(shè)計(jì)為例,介紹各個(gè)模型的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 功能定義及前臺(tái)GUI界面設(shè)計(jì)

根據(jù)需求,要求每個(gè)模型均能實(shí)現(xiàn)可調(diào)參數(shù)下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路損的數(shù)值化計(jì)算以及路損變化趨勢(shì)觀察兩大主要功能。因此,每個(gè)模型可分為參數(shù)輸入、結(jié)果演示及模型說(shuō)明3大部分,如圖2所示。其中,參數(shù)輸入模塊將根據(jù)傳播模型的經(jīng)驗(yàn)公式,確定可調(diào)的系統(tǒng)參數(shù)及其取值范圍。當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤或者超過(guò)取值范圍時(shí),彈出報(bào)錯(cuò)提示框。結(jié)果演示模塊考慮以動(dòng)態(tài)文本框及軸對(duì)象控件呈現(xiàn)。為了便于學(xué)生的自主學(xué)習(xí),在每個(gè)模塊中都設(shè)計(jì)了該模型的公式展示及說(shuō)明文檔。

圖2 ITU模塊功能設(shè)計(jì)

根據(jù)以上功能設(shè)計(jì),在Matlab GUI環(huán)境下構(gòu)思出該模塊GUI界面見(jiàn)圖3。要求界面的布局合理美觀,各模型的風(fēng)格盡量一致。

圖3 ITU模型GUI界面

2.2 回調(diào)函數(shù)編程

根據(jù)設(shè)計(jì)好的界面,按照功能需求及模型經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)文本框、單選按鈕、普通按鈕、列表框、面板、軸對(duì)象控件、報(bào)錯(cuò)框等不同的圖形控件的回調(diào)函數(shù)編程,保證前臺(tái)GUI設(shè)計(jì)與后臺(tái)仿真計(jì)算功能的一致性。

3 演示系統(tǒng)驗(yàn)證

演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,需要進(jìn)行大量的功能性、可靠性測(cè)試,以確定該系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

3.1 演示系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)的開(kāi)始主界面見(jiàn)圖4,每個(gè)選中的模型都給出了簡(jiǎn)要的模型說(shuō)明,點(diǎn)擊“進(jìn)入模型仿真”即可切換到模型界面進(jìn)行仿真,而點(diǎn)擊“退出實(shí)驗(yàn)”按鈕,則可以退出整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖4 演示系統(tǒng)主界面

3.2 室外模型仿真

以室外ITU模型為例,根據(jù)輸入的工作頻率、基站高度、移動(dòng)臺(tái)高度、通信距離等系統(tǒng)參數(shù),選擇相應(yīng)的環(huán)境(例如市區(qū)),點(diǎn)擊“室外路損”按鈕,則可以很方便地得到不考慮天線增益及天饋損耗的單點(diǎn)路損值。為了更好地觀察和了解環(huán)境、系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)路徑損耗的影響,演示系統(tǒng)亦支持對(duì)給定的頻率范圍、基站高度或者通信距離范圍,在鄉(xiāng)村、郊區(qū)、開(kāi)闊地、林區(qū)、市區(qū)等不同環(huán)境下的路徑損耗變化的趨勢(shì)仿真,如圖5所示。這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)參數(shù)的微調(diào)是有一定意義的。

圖5 ITU模型演示

考慮到初學(xué)者對(duì)于傳輸模型不熟悉,參數(shù)設(shè)置的隨意性大,容易因系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不合理而得出錯(cuò)誤的結(jié)論,本演示系統(tǒng)專門設(shè)置了報(bào)錯(cuò)提示框,如圖6所示。

圖6 報(bào)錯(cuò)提示框

3.3 室內(nèi)ITU-R模型仿真

和室外無(wú)線環(huán)境不同,室內(nèi)接收終端的移動(dòng)是相對(duì)緩慢的,因此無(wú)需考慮多普勒效應(yīng)帶來(lái)的影響,而且信號(hào)亦不受地形因素的影響,但會(huì)受到建筑物布局,特別是建筑物內(nèi)各種各樣材料的影響[1-2]。因此,對(duì)室內(nèi)傳播特性的預(yù)測(cè),需要使用針對(duì)性更強(qiáng)的模型。本演示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)目前最主流的ITU-R模型、LEE微蜂窩模型及Motley模型仿真。

以ITU-R模型為例,其仿真界面見(jiàn)圖7,也分為模型仿真及模型說(shuō)明兩部分。為保持界面的美觀和一致性,對(duì)于模型中的功率損耗系數(shù)N、穿透損耗因子L、陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差X等參數(shù)的說(shuō)明將以選項(xiàng)卡的形式呈現(xiàn)。

圖7 室內(nèi)ITU-R模型仿真

4 結(jié)語(yǔ)

依托Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能和豐富的圖形處理能力,本文設(shè)計(jì)了無(wú)線傳播特性的教學(xué)演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以交互的方式對(duì)無(wú)線信道的傳播特性進(jìn)行模擬計(jì)算,將結(jié)果以直觀的圖形和數(shù)據(jù)方式呈現(xiàn),緩解學(xué)生的畏難情緒,從而更好地理解無(wú)線通信的環(huán)境、系統(tǒng)參數(shù)對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的影響,加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。同時(shí),由于Matlab程序的可擴(kuò)展性,該演示系統(tǒng)還可以不斷完善和擴(kuò)充,例如增加天饋系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的鏈路預(yù)算等。

References)

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Design of teaching demonstration system based on radio wave propagation model

Lu Jingqi， Liu Yan

(Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, China)

Based on the Matlab GUI platform, a teaching demonstration system with the characteristics of radio wave propagation is designed and developed, and the simulation and calculation of the path loss of radio wave propagation in common wireless communication environment are realized. The teaching practice shows that the system is of easy operation and strong interaction, and it can reveal the physical meaning and engineering significance of the complex formula by visual interface and graph. So the teaching effect is effectively improved and the students’ ability to integrate theory with practice is enhanced.

radio wave propagation model; demonstration system; Matlab GUI; path loss

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.022

2016-11-11

全國(guó)教育信息技術(shù)課題(166243063)；廣東省本科高校高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“電子信息模塊化實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)共享研究”(SYZX20160601)；電子科技大學(xué)中山學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目(JC201401A)

盧晶琦(1982—)，女，江西贛州，碩士，講師，主要從事無(wú)線通信、信號(hào)處理的教學(xué)與研究.

E-mail：jingqilu@126.com

TN011；G484

A

1002-4956(2017)5-0088-04