（无线电物理专业论文）基于tr的超宽带通信系统无线传感器网络仿真平台.pdf

摘要 摘要 时间反演( t i m er e v e r s a l ，v r ) 技术因其独特的时空聚焦效应吸引了广泛的研 究，超宽带( u l t r aw i d eb a n d ，i ，w b ) 无线通信也是当前无线通信领域的研究热 点。为了克服多径效应带来的通信性能下降，人们提出将t r 应用于u w b 通信以 解决这一问题。 无线传感器网络被誉为下一代关键技术之一，但因为节点携带能量的限制， 其功能也受到限制，为此，人们提出将t r 应用于无线传感器网络的能量传输，采 用无线输能的方式为网络节点供电。 针对以上研究，本文建立了基于t r 的超宽带通信系统无线传感器网络的信 息能量传输仿真平台，在v c + + 平台下采用m f c + o p e n g l 技术开发实现。平台 具有三维电磁建模、电磁仿真、通信系统仿真、传感器网络仿真功能，并且具有 良好的图形用户界面( g u i ) ，各个模块间既相互独立，又可协同进行一体化仿真。 最后，通过多个实例对平台仿真功能进行测试。通过对单脉冲t r 传输的电磁 仿真研究，证实了t r 良好的时空聚集特性；通过对s i s o 、s i m o 、m i s o 三种模 式的t r u w b 系统的通信仿真，证实了t r 对u w b 通信性能的提高；通过对传 感器网络信息传输和能量传输的仿真，证明了将t r 应用于传感器网络能量传输的 潜力。经测试，各项功能均达到预期目标，多次仿真的结果相差不大，证明了仿 真平台的可靠性。 关键词：时间反演，超宽带通信，无线传感器网络，能量传输，仿真平台 a b s t r a c t a b s t r a c t t i m er e v e r s a l ( t r ) t e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dw i d er e s e a r c hb e c a u s eo fi t su n i q u e t e m p o r a la n ds p a t i a lf o c u s i n g , a n du l t r aw i d eb a n d ( u w b ) i sa l s oah o ts p o ti nc u r r e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a i no r d e rt or e d u c et h eh i 曲b i te r r o rr a t e ( b e r ) c a u s e d b ym u l t i - p a t he f f e c t ，an o v e lt e c h n o l o g yc o m b i n et rw i t hu w bi sp r o p o s e d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt w s n ) i sa t t r i b u t e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si n n e x tg e n e r a t i o n ，b u ti t sp e r f o r m a n c ei sr e s t r a i n e db yt h el i m i t e de n e r g yo fn o d e s t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no ft ri n t ot h ee n e r g yt r a n s m i s s i o nf o rw s ni sp r o p o s e dt o r e c h a r g et h en o d e sw i r e l e s s l y a c c o r d i n gt o t h e s t u d i e s ，i nt h i sp a p e r , ap l a t f o r mf o rt h es i m u l a t i o no f i n f o r m a t i o n e n e r g yt r a n s m i s s i o ni nu w bc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w s nb a s e do nt ri s d e s i g n e da n dd e v e l o p e di nv c + + ，m f ca n do p e n g la r ea l s ou s e d t h i sp l a t f o r m m a i n l yf u n c t i o n sa s3 一de l e c t r o m a g n e t i cm o d e l i n g , e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n , u w b c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o na n dw s n s i m u l a t i o n a l s o ，ag o o dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) i se s t a b l i s h e d ，i nw h i c h ，e v e r ym o d u l ei si n d e p e n d e n to fa n yo t h e ra n dc a l lb e c o m b i n e dt oa c c o m p l i s hi n t e g r a t i v es i m u l a t i o n s f i n a l l y , s e v e r a le x a m p l e sa r es i m u l a t e dt ot e s tt h ep l a t f o r m t h et e m p o r a la n d s p a t i a lf o c u s i n go ft ri st e s t i f i e db yt h es i n g l ep u l s et r a n s m i s s i o ns i m u l a t i o nu s i n g f d t d b yt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( s i s o ，s i m o ，m i s o ) s i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti s p r o v e dt h a tt rc a ni m p r o v et h eu w bc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y a n d b yt h ew s ns i m u l a t i o no fi n f o r m a t i o na n de n e r g yt r a n s m i s s i o n ，w ew i t n e s st h e p o t e n t i a lt ou s et ri nw s nt or e a l i z ew i r e l e s sr e c h a r g et ot h en o d e s t h r o u g ht h et e s t r e s u l t s ，w ec o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a ta l lt h ef u n c t i o n sa lea c h i e v e da se x p e c t e da n d t h et i n yd i f f e r e n c ei ns i m u l a t i o n sp r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h ep l a t f o r m k e y w o r d s ：t i m er e v e r s a l ，u l t r aw i d eb a n dc o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ， e n e r g yt r a n s m i s s i o n ，s i m u l a t i o np l a t f o r m i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：孤曩日期：p 年芎月日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：隧交 导师签名： 日期：b f o 年f 月工f 日 第1 章绪论 1 1 时间反演技术概述 第1 章绪论 时间反演( t i m er e v e r s a l ，t r ) 技术由m f i n k 于1 9 9 2 年首先应用于声学领域【l 】， 采用这种技术，能使在均匀和非均匀媒质中传播的声波实现时间和空间的同步聚 焦，可用于体内碎石1 2 】等。之后的研究逐步表明了t r 在工程应用领域中的巨大价 值。随着对t r 技术的研究深入，人们发现该技术不仅仅适用于超声波领域，在电 磁波的传播中利用t r 技术，同样可以实现电磁波的时间和空间同步聚焦【3 】，因此， 可用于微波成像、体内癌细胞治疗等 4 - 5 1 。 1 2 基于t r 的超宽带无线通信发展概述 超宽带( i ，w b ) 无线通信系统具有高通信容量、不需要新频谱( 兼容其它无 线通信系统频谱) 、保密性好等独特优点，近年来在无线通信领域受到广泛关注。 但是无线通信环境非常复杂，由此带来的多径干扰严重影响通信质量。 为了克服这一问题，人们提出了基于t r 的环境自适应超宽带高效无线链路 传输技术，该技术极大地提高了超宽带通信系统的环境自适应能力。t r 技术可将 任意复杂环境中的不同路径的信号能量在同一时刻汇集到同一个空间点上，这种 时空聚焦特性不仅能够有效利用多径效应、提高信噪比、减小码间干扰、提高通 信系统的传输速率和距离，而且还可以实现无线保密通信、抑制共道干扰、提高 系统容量等，并且不增加接收机复杂度。 目前，针对t r - u w b 的主要研究方式有：理论探索、仿真研究、实验研究； 研究对象主要有t r u w b 脉冲传输特性的研究和t r - u w b 系统通信性能的研究。 在t r u w b 脉冲传输特性的仿真研究方面，相关报道为我们提供了广泛的思 路。文献 6 建立了采用三维时域传输线矩阵方法( t i m ed o m a i n t r a n s m i s s i o nl i n e m a t r i x ，t d t l m ) 建立三维电磁仿真模型，仿真对比未采用t r 和采用t r 后接收信 号的功率延迟剖面( p o w e rd e l a yp r o f i l e ，p d p ) ，结果表明t r 能有效聚集多径能量， 减少多径数量。文献 7 】利用射线跟踪技术( r a yt r a c i n g ) 对二维和三维走廊环境视距 ( l i n eo fs i g h t ，l o s ) 情况进行时域数值建模，结果表明t r 具有良好的时空聚集效 电子科技大学硕士学位论文 应。文献f 8 1 采用时域有限差分( f d t d ) 方法在三维模型中仿真验证了t r u w b 单脉冲时空聚焦效应，并进行了多脉冲传输仿真。文献 9 】利用f d t d 算法对室内 环境进行二维建模，仿真研究了t r u w b 脉冲传输特性。 在t r - u w b 通信系统的研究方面，文献 1 0 】针对多入单出( m i s o ) 系统的实 验结果表明t r 能有效降低u w b 通信中的码间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f a c e ，i s i ) ， 从而降低误码率。文献 1 1 提出了一种适用于u w b 的t r & s f f r & s h i f 1 ) 策略，进 一步降低m i s o 系统误码率并提高系统容量。文献【1 2 】则对采用t r 的单入单出 ( s i s o ) 、多入单出( m i s o ) 、多入多出( m i m o ) 系统性能都进行了研究。文献 【1 3 】利用先进仪器搭建了实验测试系统，系统地研究了t r u w b 系统的通信性能。 1 3 基于t r 的无线传感器网络能量传输问题的提出 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e 研o r k ，w s n ) 的研究开始于2 0 世纪9 0 年 代，它将客观世晃的物理信息同传输网络连接在一起，大大扩展了人们的信息获 取能力，在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息，最终 将成为现实世界与数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，象互联网一样 改变人们的生活方式。 传感器网络体系结构如图1 1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点， 汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通 过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行 传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点， 最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置 和管理，发布监测任务以及收集监测数据【1 4 1 。 图1 1 无线传感器网络体系结构 2 传感器节点 第1 章绪论 传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统，节点数目非常庞大 ( 上千甚至上万) ，节点分布十分密集；节点携带的能量有限，而且往往很难再次 更换电池，因此节点容易能源耗尽而失效，网络节点的供能问题成了目前制约无 线传感器网络发展的一个瓶颈问题。 通过汇聚节点自身的外部供电系统提供的能源，将这些能量通过电磁波的形 式无线输送到需要充电的各个传感器节点上面，有望解决网络节点的供能问题。 t r 技术因其独特的时空聚焦特性成为这一输能方式的优选方案。 1 4 本文的主要内容 前面已经提到，对t r - u w b 的实验研究，已有比较成熟的实验系统；而仿真 研究方面虽然报道的方法多种多样，但都是针对具体问题的方案，功能单一，缺 乏一个能进行t r - u w b 脉冲传输特性仿真、通信系统仿真和传感器网络仿真的一 体化仿真工具。正是在这样的背景下，本文提出建立一套通用的基于t r 的超宽带 无线通信系统无线传感器网络信息台皂量传输仿真平台，平台应具备几大主要功能 模块：三维电磁建模、电磁仿真、通信系统仿真、传感器网络仿真，并且具有良 好的图形用户界面( g u i ) ，使用方便，各个模块间既相互独立，又可协同进行一 体化的仿真。 本文主要内容安排如下： 第一章：本文研究工作的背景。介绍时间反演技术的起源、发展和现状、应 用的领域；当前t r - u w b 的主要研究内容，以及仿真研究的现状；提出基于t r 的无线传感器网络能量传输问题；最后提出建立一套基于t r 的超宽带无线通信系 统无线传感网络信息侑皂量传输仿真平台。 第二章：介绍t r 的基本原理，t r u w b 无线通信的理论基础、实现流程， 提出基于t r 的无线传感器网络信息能量传输模型。 第三章：介绍本文开发软件仿真平台要用到的相关技术，包括v c 抖开发平台 和m f c 编程技术、o p e n g l 可视化编程技术、f d t d 算法和c l e a n 算法。 第四章：本文的主要工作，内容是仿真平台的设计和具体的实现。 第五章：系统测试，采用多个实例对平台的各个功能进行了全面测试，结果 表明所开发的平台具有良好的健壮性，各个功能均达到预期目标。 第六章：结束语，总结本文的主要工作和不足之处。 电子科技大学硕士学位论文 第2 章t r 应用于超宽带通信无线传感器网络的基本原理 2 1t r 基本原理 假设在a 点发射探测信号为z ( f ) ，经过信n h 月b ( f ) 后在b 点的接收信号为y ( f ) ， 则 y ( t ) = x ( f ) oh a s ( f )( 2 1 ) 其中。表示卷积。t r 的过程为：在b 点将y ( t ) 进行时域反演得到y ( 一t ) ，再次发 送，在原发射点a 处接收信号为： r a t ) = y ( o ) o h a 占( f ) = 工( o ) o 九口( - t ) o 九占( f ) ( 2 2 ) = z ( o ) 圆瓦o ) 其中hq ( f ) = h a 占( - - t ) p h a 占( f ) 为j l l b ( f ) 的自相关函数，可以视为t r 通信的等效信道 冲激响应，这是一个在中心时刻具有最大值的和单脉冲比较接近的函数。可见， 么( f ) 比较好的复原了原发射信号x ( f ) ，这就是t r 的时间聚焦特性。 在据a 一定距离的另外一点c 点，接收信号为： r a t ) = j ，( 一f ) oh s c ( f ) = 顶- t ) pj i l b ( 一f ) oh s c ( f ) ( 2 3 ) 这是一个完全不同于x ( f ) 的信号，可见，工( f ) 的复原只发生在原发射点a 点，体现 了t r 的空间聚焦特性。 2 2t r u w b 无线通信基本理论 2 2 1 基于脉冲的跳时超宽带信号的产生 超宽带( u w b ) 信号最常用和最传统的形式是时域上很窄的脉冲。这种传输 技术称为“冲激无线电 ( 取：i m p u l s er a d i o ) 。信息数据符号对脉冲进行调制时最 常用的调制方式为脉冲位置调制( p p m ) 和脉冲幅度调制( p a m ) 。除了要对脉冲 进行调制外，为了形成所需要的频谱，还要用伪随机码对数据符号进行编码，一 般是，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移，这就是跳时超宽带【1 卯。 4 第2 章t r 应用于超宽带通信无线传感器网络的基本原理 在结合y - - 进制p p m 的t h u w b ( 二进制p p m t h u w b ) 中，u w b 信号的 产生可以系统的描述如下： 一1 絮臀l 一 ”i = 等 图2 1p p m - t h - u w b 信号发射方粟 给定待发射的二进制序列b = 慨，屯，瓯，“小) ，其速率r = 1 i ( b l s ) ，经重 复编码器使每个比特重复m 次，产生一个二进制序列： ( 岛，岛，岛，白，岛，一，缸，“，以，) = 扣。，8 一，a j , a s + 。，) = a ( 2 _ 4 ) 第二个模块是传输编码器，s 直f l l ! l l ! 数值码序列c = ( c o ，q ，c ，c ，- ) 和二进 制序列= ( d o ，4 _ ，a j ，d ，) ，产生一个新序列d ，其一般元素表达式为： d j = c ，t + 口，s ( 2 5 ) 其中，和f 是常量，c 称为码片时间( c h i p t i m e ) ，c 称为t h 码，d ，s 即是由p p m 调制引起的位移。 实数值序列d 输入到第三个模块，即p p m 调制模块产生了一个速率为 r 。= m 瓦= 1 i ( 脉冲臆) 的单位脉冲序列。这些脉冲在时间轴上的位置为 ，c + d ，为平均脉冲重复周期。 最后一个模块是脉冲形成器，以上所有系统级联后的输出信号可以表示为： s o ) = p ( t - j e c ，l 一口，) ( 2 - 6 ) m 嘲 根据以上过程，一个二进制序列为 10 0 10 10 10o l ，n i 码为 2 11 1 102 i l0 1 的t h p p m - u w b 发射信号如图2 - 2 所示。 t j n er r l 幽2 - 2 1 1 t p p m u w b 发射信号 omi ，l川叫 414lildl止lld_口 e i 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 基于时间反演波形的信息传输 如2 1 节所述，t r u w b 通信过程分为两步：第一步，用户发射探测脉冲， 基站获得接收波形y ( f ) 并存储；第二步，用y ( f ) 的时间反演波形y ( - t ) 代替2 2 1 中的p ( f ) 进行信息调制后发射，这时的发射信号为： $ t r ( t ) = e y ( - t ) 圆8 ( t - i t , 一c j c a j 6 ) j l i = j j i ( 。) o p ( - t ) 固8 ( t 一_ ，z 一巳z a j 6 ) ( 2 - 7 ) 薯t = j l l ( 一f ) 圆p ( - t + j t , + c j t 。+ 巳占) ( f ) 经过无线信道传输后，到达用户端的接收信号可表示为： ( f ) = j 豫( f ) p 乃( f ) = 圆五) 圆p ( - t + j t , + c j t 。+ 口，s ) ( 2 8 ) j - i = k ( f ) o p ( - t + j t , + 勺乃+ a j c ) 式中( f ) 是无线信道冲击响应办( f ) 自相关函数。 令解调模板为： m ( t ) = p ( t - i t , - c t 。) - p ( t j r , 一巳互一s ) ( 2 - 9 ) 采用相关检测，则可得单个符号比特在第个时间帧范围内的判决变量： 乙= 聪+ 2 5 心眦渺 = 群+ 5 【。p ( 卅魍+ 勺乃+ 一占) 】( 2 - l o ) x p ( t j r , 一c 3 ) 一p ( t j t | 一c 3 c e ) a t 然后根据下式判决出信息l - t ；特取值： 铲 ( ：一! 川1 ，2 ，册( 2 - 1 1 ) 岛2 1l ，z ： o 肛 1 2 ) 6 第2 章t r 应用于超宽带通信无线传感器网络的基本原理 2 3 基于t r 的无线传感器网络模型 2 3 1 无线传感器网络模型 i s o 国际标准组织定义的开放系统互连( o s i ) 七层模型为：物理层、数据链路 层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。其中通信子网包括物理层、数 据链路层和网络层。 物理层主要用于提供数据发送和接收的物理通道，完成信道的能量检测，频 率选择以及实现信号的调制解调等功能；数据链路层的目的是建立可靠的点到点 或点到多点通信链路；网络层主要完成路由的发现和维护。 1 物理层 物理层是第一层，是整个开放系统的基础，物理层为节点之间的数据通信提 供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。无线传感器网络物理层的 媒体是无线信道，互连设备则是节点收发机。 物理层的主要功能【16 】： 1 ) 为节点提供传送数据的通路。一次完整的数据传输，包括激活物理连接， 传送数据，终止物理连接。所谓激活就是将通信的节点连接起来，形成一条通路。 2 ) 传输数据。物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务，一 是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽，以减少信道上的拥塞。 3 ) 完成一些管理工作：物理层负责完成信道状态评估、能量检测、收发器管 理、物理层属性管理等。 2 数据链路层 通常，数据链路层分为媒体访问控制( m a c ) 和差错控制两部分【l 6 1 。 数据链路可以粗略地理解为数据通道，物理层为节点间的数据通信提供可用 的传输媒体及连接，每次通信都要经过建立连接和拆除连接两过程，这种建立起 来的数据收发关系就叫作数据链路，建立过程通过m a c 子层实现。 无线传感器网络为广播网络。在广播网络中，所有节点共享一条通信信道， 如何分配信道的使用权是一个关键问题。典型的有基于固定分配的m a c 协议 ( f d m a 、t d m a 、c d m a ) 和动态分配m a c 协议，动态分配又分为基于竞争机 制的和按需分配的。 3 网络层 网络层是通信子网的最高层。当节点数量增多时，会出现一个节点要求不只 7 电子科技大学硕士学位论文 是与唯一的一个而是能和多个节点通信的情况，这就产生了把任意两个节点的数 据链接起来的问题，也就是路由问题。路由包含两个基本动作：确定最佳路径和 数据交换。数据交换相对简单，而选择路径很复杂。 2 3 2 基于t r 的无线传感器网络信息传输模型 1 物理层 t r 的实质体现在物理层，传统的无线个域网通信传输煤质是i e e e 8 0 2 1 5 4 无 线信道，而基于t r 技术的无线传感器网络传输煤质是等效的t r 无线信道。 2 数据链路层 数据链路层分为媒体访问控制( m a c ) 和差错控制两部分。 对于m a c 层，考虑到通信仿真时，同一时刻只能仿真一对节点进行通信，这 不同于实际通信，不存在信道的竞争问题，所以不用进行信道分配。仿真也不需 要考虑节点休眠，不用休眠调度。 3 。网络层 网络层是通信子网的最高层，主要完成路由的发现和维护。 1 ) 主动路由协议 节点周期性的广播路由信息包，与邻节点交换路由信息，主动发现路由、更 新路由，同时节点必须维护去往网络所有节点的路由。 优点：延时小 缺点：网络开销大 2 l 按需路由协议 仅在需要去往目的节点，而又缺乏路由信息的情况下才“按需 进行路由发 现。 优点：网络开销小 缺点：延时大 本文采用基于地理位置信息( 通过定位，节点坐标己知) 的平面按需路由协 议。如图2 3 所示为节点1 到节点7 的路由发现过程，图中建立了两条路径，由 节点7 选择最优( 最短) 路径作为路由路径。 第2 章t r 应用于超宽带通信：无线传感器网络的基本原理 图2 3 平面路由协议路由发现过程 2 3 3 基于t r 的无线传感器网络能量传输模型 ( 1 ，2 ，3 ，7 ) ( 1 ，4 ，5 ，6 ) 在信息传输模型的基础上，在建立缺电节点到基站的信息路由路径情况下， 能量传输沿相反的路径：基站作为出发点，发出缺电请求的节点作为终点。基站 首先将路由表上最后一个节点1 1 充满，节点1 1 将阀值以上电量全输给节点n - l ，节 点n 1 将阀值以上电量全输给n 2 ，这样一直到缺电节点1 ，一次输能结束， 但这时节点1 仍然缺电，需要进行同样的过程，直到节点1 充满为止。和信息传 输不同的是，信息传输一次即完成( 如果没有重发请求) ，而充电需要多次完成， 且方向相反。 在这一过程中，每个节点需维护一个信道列表，根据路由路径选择相应的信 道进行调制，通过t r 通信的方式发送请求，接收到请求的节点或基站通过t r 的 方式进行输电。 图2 - 4 能量传输过程 9 电子科技大学硕士学位论文 第3 章软件仿真平台开发相关技术 3 1v c + + 开发平台及m f c 编程技术 3 1 1v c + + 开发平台 v c + + 是微软公司开发的一个i d e ( 集成开发环境) ，作为v i s u a ls t u d i o 的一个 组件，可以通过安装v i s u a ls t u d i o 来获得。由于是微软提供的产品，与w i n d o w s 系统结合更为精密，v c + + 是在w i n d o w s 平台下构建3 2 位应用程序的强大而又复 杂的开发工具，是目前世界上使用最多的开发工具之一。并且，v c 抖不仅仅是一 个编译器，它还包含了微软基本类库( m f cl i b r a r y ) ，这是一个真正称得上是应用 程序框架的东西，这使得开发w i n d o w s 应用程序变得简单而高效；它还有复杂的 资源编辑器，可以编辑对话框、菜单、工具栏、图标和其他很多w i n d o w s 应用程 序的组成元素；另外它的集成开发环境d e v e l o p e rs t u d i o ，可以在编写c h 程序时 对程序的结构进行可视化管理，它完全集成的d e b u g 工具可以让你从各个角度来 检查程序运行中的微小细节。基于以上但不是全部的原因，v c + + 应用非常广泛， 从桌面应用程序到服务端软件，从系统软件到应用软件，从单机程序到分布式应 用程序，从图形图像处理到游戏开发，v c + + 无所不在【1 7 】。 在使用v c + + 开发应用程序的过程中，系统为我们生成了大量各种类型的文 件。认识这些不同类型的文件分别起什么样的作用，在此基础上管理各种文件非 常重要。 首先是后缀为d s w 的文件，这类文件在v c + + 中级别最高，称为w o r k s p a c e 文件。在v c + + 中，应用程序是以p r o j e c t 形式存在的，p r o j e c t 文件后缀为d s p ，在 w o r k s p a c e 中可以包含多个p r o j e c t ，由w o r k s p a c e 对它们进行统一的管理。与 w o r k s p a c e 文件相配合的一个重要的文件类型是后缀为o p t 的文件，这个文件中包 含的是在w o r k s p a c e 文件中要用到的本地计算机的有关配置信息，所以这个文件不 能在不同的计算机上共享，当打开一个w o r k s p a c e 文件时，如果系统找不到需要的 o p t 类型文件，就会自动创建一个与之配套的包含本地计算机信息的o p t 文件。 上面提到p r o j e c t 文件的后缀是d s p ，这个文件中存放的是一个特定的工程， 也就是特定应用程序的有关信息，每个工程都有一个对应的d s p 类型文件。以c l w i 0 第3 章软件仿真平台开发相关技术 为后缀的文件是用来存放应用程序中用到的类和资源信息的，这些信息是v c + + 中的c 1 a s s w i z a r d 工具管理和使用类的信息来源。对应每个应用程序有一个 r e a d m e t x t 文件，这个文件中列出了应用程序中用到的所有文件的信息，查看其中 的内容可以对应用程序的文件结构有一个基本的了解。 在应用程序中大量应用的是后缀为h 和c l a p 的文件，后缀为h 的文件称为头 文件，后缀为c l a p 的文件称为源文件，一般说来头文件和源文件是对应配合 使用的，头文件包含的主要是类的定义，而在源文件中包含的主要是类成员函数 的实现。 在应用程序中经常要使用一些位图、菜单之类的资源，v c + + 中后缀为r e 的文 件称为资源文件，其中包含了应用程序中用到的所有w i n d o w s 资源，r c 文件可以 直接在v c + + 集成开发环境中以可视化的方式进行编辑和修改。最后是后缀为r e 2 的文件，它也是资源文件，但这个文件中的资源不能在v c + + 的集成开发环境下直 接进行编辑和修改，而是由我们自己根据需要手工地编辑这个文件。对于后缀为 i c o 、b m p 等的文件是具体的资源，产生这种资源的途径很多。使用r c 文件的目的 就是为了对应用程序中用到的大量资源进行统一管理。 v c 抖在开发应用程序的各个阶段都需要经常对程序进行编译、连接和运行， 以对部分己实现的功能进行调试和修改。它功能强大的编译器，会提供比较丰富 准确的编译、连接错误信息：它的调试( d e b u g ) 功能让用户能对所写代码进行跟 踪调试，以方便修改程序，保证程序的可靠性。 3 1 2 c 编程技术 面向对象技术是如今主流的软件开发技术。面向对象技术中最重要的就是“对 象一的概念，它把现实世界中的电视、汽车等客观实体抽象成程序中的“对象”。 这种“对象 具有一定的属性和方法，这里的属性指对象本身的各种特性参数。 如电视的体积，汽车的长度等，而方法是指对象本身所能执行的功能，如电视能 显示画面、播放声音，汽车能行走等。一个具体的对象可以有很多属性和方法， 面向对象技术的重要特点就是对象的封装性，对于外界而言，并不需要知道对象 有哪些属性，也不需要知道对象本身的方法是如何实现的，而只需要调用对象所 提供的方法来完成特定的功能。当采用面向对象技术进行程序设计时，程序员只 有在编写对象方法时才需要关心对象本身的细节问题，大部分的时间是放在对对 象的方法的调用上，组织这些对象协同进行工作。 电子科技大学硕士学位论文 m f c 的英文全称是m i c r o s o t tf o u n d a t i o nc l a s s e s ，即微软基本类库，m f c 的 本质就是一个包含了许多微软己经定义好的对象的类库。我们知道，虽然我们要 编写的程序在功能上千差万别，但从本质上来讲，都可以归结为用户界面的设计， 文件的操作，多媒体的使用，数据库的访问等等一些最主要的方面。这一点正是 微软提供m f c 类库最重要的原因，在这个类库中包含了一百多个程序开发过程中 最常用到的对象。在进行程序设计的时候，如果类库中的某个对象能完成所需要 的功能，这时我们只要简单地调用已有对象的方法就可以了。我们还可以利用面 向对象技术中很重要的“继承 方法从类库中的已有对象派生出我们自己的对象， 这时派生出来的对象除了具有类库中的对象的特性和功能之外，还可以由我们自 己根据需要加上所需的特性和方法，产生一个更有针对性的、功能更强大的对象。 当然，你也可以在程序中创建全新的对象，并根据需要不断完善对象的功能【l 。 正是由于m f c 编程方法充分利用了面向对象技术的优点，它使得我们编程时 极少需要关心对象方法的实现细节，同时类库中的各种对象的强大功能足以完成 我们程序中的绝大部分所需功能，这使得程序员所需要编写的代码大为减少，大 大地降低了程序员的工作量，保证了程序良好的可调试性。 图3 - 1m f c 类层次关系( 左) 和m f c 对象( 右) 1 2 第3 章软件仿真平台开发相关技术 上面两个图表示了m f c 应用程序的四个主要类之间的关系。c m y a p p 是 c w i n a p p 的子类，主要是用来处理消息的，它统一管理程序收到的所有消息，然 后把消息分配到相应的对象。c m a i n f r a m e 是c f r a m e w n d 的子类，负责视图、工 具栏和状态栏等的显示。c m y v i e w 是c v i e w 的子类，视图是一个窗口对象，用户 就是通过这个窗e l 对象来与文档进行交互的。c m y d o e 是c d o c u m e n t 的子类，文 档是数据的对象、目标、集合，文档通常是由文件菜单的新建菜单项或者打开菜 单项来创建的，并且通常是以文件的形式保存下来。在m f c 程序中，程序的数据 放在文档中，而显示数据则是利用视图方式，文档与视图分离带来的一个好处就 是一个文档可以同时具有多个视图，每个视图只显示文档中的一部分数据，或者 以特定的风格显示文档中的数据；另一个好处就是在程序中可以处理多个文档， 通过对不同的视图的处理达到对不同的文档分别处理的目的f i 7 1 。 3 2o p e n g l 可视化编程技术 o p e n g l 的英文全称是“o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ，即“开放性图形库”，其前 身是s g i 公司为其图形工作站开发的i r i sg l 。i r i s 是一个工业标准的3 d 图像软 件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是s g i 公司便在i r i s 的基础上开发了 o p e n g l 。1 9 9 2 年，o p e n g l 正式成为适用于各种计算机环境下的三维应用程序接 1 2 1 ( 3 d a p i ) ，目前，它已成为国际上通用的开放式三维图形标准。c o m p a q 、i b m 、 i n t e l 、m i c r o s o f t 、d e c 、h p 和s u n 等计算机公司纷纷采用o p e n g l 图形标准。各 大公司纷纷推出支持o p e n g l 的图形卡、3 d 加速卡，加速了o p e n g l 的推广应用 1 1 8 1 o o p e n g l 是一套图形标准，它严格按照计算机图形学原理设计而成，符合光学 和视觉原理，非常适合可视化仿真系统1 1 9 】。o p e n g l 是一种与硬件、窗口系统和操 作系统相独立的a p i ，它可以被集成到当前流行的各种操作系统上，如m a co s 、 u n i x 、l i n u x 、w i n d o w s 和xw i n d o w s 等。各种流行的编程语言都可以调用o p e n g l 中的库函数，如c 、c + + 、f o r t r a n 、j a v a 、d e l p h i 等。o p e n g l 可用于各种用途， 如在微机上实现c a d 设计、仿真模拟、三维游戏等。计算机硬件性能的提高和 o p e n g l 本身的不断发展，使得o p e n g l 不再只属于专用图形工作站。如今，开发 人员可以在各种硬件平台利用o p e n g l 进行图形软件开发。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 1o p e n g l 体系结构 一个完整的窗口系统的o p e n g l 图形处理系统的结构为：最底层为图形硬件， 第二层为操作系统，第三层为窗口系统，第四层为o p e n g l ，第五层为应用软件【1 9 】， 如图3 2 所示。 i 应用软件 + i o p e n g l l 窗口系统 + i 操作系统 + l 图形硬件 图3 - 2o p e n g l 图形处理系统的层次结构 由于o p e n g l 是一个与平台无关的三维图形接口，操作系统必须提供像素格 式管理和渲染环境管理。在w i n d o w sn t 上，o p e n g l 的实现是基于c l i e n t s e r v e r 模式的，应用程序发出o p e n g l 命令，由动态链接库o p e n g l 3 2 d 1 1 接收和打包后， 发送到服务器端得w i n s r v d l l ，然后由它通过d d i 层发往视频显示驱动程序。 o p e n g l n t 的体系结构如图3 3 所示。 图3 - 3o p e n g l n t 体系结构 1 4 第3 章软件仿真平台开发相关技术 3 2 2o p e n g l 开发库的基本组成 o p e n g l 的开发组件由3 大部分组成： ( 1 ) 函数的说明文件。西h 、g l u h 、g l u t h 、g l a u x h 。 ( 2 ) 静态链接库文件。g l u 3 2 1 i b 、g l u t 3 2 1 i b 、g l a u x 1 i b 、o p e n g l 3 2 1 i b 。 ( 3 ) 动态链接库文件。9 1 u d l l 、g l u 3 2 d l l 、g l u t d l l 、g l u t 3 2 d l l 、o p e n g l 3 2 d 1 1 。 o p e n g l 包含2 0 0 多个库函数，都按一定的格式来命名，这些函数大致可以分 为6 类： ( 1 ) o p e n g l 核心库。包含1 1 5 个函数，函数名前缀为西。这些函数用于常 规的、核心的图形处理。 ( 2 ) o p c n g l 实用库。包含4 3 个函数，函数名前缀为g l u 。这部分函数通过 调用核心库的函数，为开发者提供相对简单的用法，实现一些较为复杂的操作。 如坐标变换等。 ( 3 ) o p e n g l 辅助库。包含3 1 个函数，函数名前缀为a u x 。这部分函数提供 窗口管理、输入输出处理以及绘制一些简单的三维物体。 ( 4 ) o p e n g l 工具库。包含大约3 0 多个函数，函数名前缀为g l u t 。这部分函 数主要提供基于窗口的工具。 ( 5 ) w i n d o w s 专用库。包含1 6 个函数，函数名前缀为w 西。这部分函数主要 用于连接o p e n g l 和w i n d o w s 9 5 n t ，以弥补o p e n g l 在文本方面的不足。 ( 6 ) w i n 3 2a p i 函数库。包含6 个函数，函数名无专用前缀。这部分函数主 要用于处理像素存储格式和双帧缓存。这6 个函数将替换w i n d o w sg d i 中原有的 同样的函数。 在这6 大类的函数中，核心库、实用库、工具库可以在所有o p e n g l 平台上 运行，辅助库不能在所有o p e n g l 平台上运行，w i n d o w s 专用库和w i n 3 2a p i 函 数库则只能用于、聃n d o w s 9 5 9 踟盯环境中。 3 3f d t d 算法 目前，电磁仿真工具软件中，应用的最为广泛的算法有：时域有限差分算法 ( f d t d ) 、矩量法( m o m ) 、有限元法( f e m ) 。f d t d 算法不同于其他算法，它 以差分原理为基础，直接从概括电磁场普遍规律的麦克斯韦方程出发，将其转换 为差分方程组，在一定体积内和一段时间上对连续电