建筑物材质无线传播损耗参数数据库的建立和校正方法与流程

本发明涉及一种建筑物材质无线传播损耗参数数据库的建立和校正方法，属于通信领域的电波传播预测的技术领域。

背景技术：
无线网络规划设计领域中通常需要运用无线传播模型来预测无线信号的传播和损耗，无线传播损耗的精确预测，可以为选择基站位置、天线发射功率及频率提供很好的基础，通过传播损耗预测，人们可以有效地确定信号场强、信噪比、载干比等。无线传播模型，是一组用于表示给定环境中无线电传播特性的数学表达式、图表或算法。一般说来，无线传播模型可以是经验模型(又称统计模型)，也可以是理论模型(也称确定模型)，或是二者的组合(又称半经验模型)。经验模型主要基于测量结果，根据场景模型及场景内每种材质的透射、衍射和反射的损耗值，得出一个特定场景模型的预测公式，因此经验模型预测速度快，但是计算结果的准确性往往受到传播损耗参数的准确性，预测场所与经验场景的拟合程度等多种因素制约，计算结果的准确度往往不能保证。而理论模型则基于电波传播现象的基本原理，理论模型需要知道每种材质的导电性，等，进而才能通过相关的公式计算出反射系数等，因此理论模型预测结果比较准确，但是计算耗时，半经验传播模型，由于兼具了经验模型的快速性和理论模型的准确性而受到越来越多的重视。基于建筑物材质参数数据库信息和射线跟踪算法的传播模型是一种半经验传播模型。由于材质损耗数据库的准确性直接影响了无线传播模型预测的准确性，因此建立一个建筑物材质损耗参数数据库对于经验和半经验传播模型显得十分必要，而现实中通常无法准确的确定室内建筑每种材质的属性参数：反射、衍射和透射损耗参数，因此有必要根据实地测量的数据对建筑物材质损耗参数数据库进行适时的调整，进而不断地完善建筑物材质损耗参数数据库。模拟退火算法是基于MoteCarlo迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理退火过程与组合优化之间的相似性。模拟退火算法由一较高初温开始，利用具有概率突跃性的Metropolis抽样策略在待选解组合中进行随机搜索，伴随温度不断下降重复抽样过程，最终得到问题的全局最优解，适用解决大规模组合优化问题。

技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种建筑物材质无线传播损耗参数数据库的建立和校正方法。本发明通过建立一个建筑材质无线传播损耗参数数据库，运用射线跟踪技术跟踪射线从发射源到接收点的路径，根据射线通过建筑物材质的穿透、衍射和反射损耗值，预测出射线到达目标位置的场强和多径信息。由于射线跟踪传播模型在预测场强的时候保存了到达每个点的多条路径射线的传播信息(多径信息)，因此在进行材质库损耗参数调整的时候不需要重新计算多径信息。材质参数校正模块根据已有的多径信息，运用模拟退火算法对材质库进行调整，调整的目的是最小化仿真和测量的均方差(RMSE)。本发明的技术方案如下：一种建筑物材质无线传播损耗参数数据库的建立和校正方法，包括步骤如下：(1)初步建立建筑物材质无线传播损耗参数数据库：提取现有建筑物材质的无线传播损耗参数，所述无线传播损耗参数数据库中包括建筑物材质类型、厚度、无线信号在该建筑物材质中的穿透损耗参数、反射损耗参数、衍射损耗参数；比如，在建筑物材质无线传播损耗参数数据库中建立一条厚水泥墙的无线传播损耗参数，该参数包括：建筑物材质类型：水泥；厚度：25cm；无线信号频率范围被划分为9个频带，每个频带的无线信号分别在该建筑物材质中的穿透损耗值、反射损耗值、衍射损耗值；例如，在第9频带的无线信号，其范围：2.4GHz-2.6GHz，该频率范围的无线信号在水泥墙的穿透损耗值为23.64dB、反射损耗值为6.00dB、衍射损耗值为21.07dB；由于本发明的主要应用领域为无线信息通信，无线通信的主要发射频率为800MHz到2.6GHz的范围，将所述800MHz到2.6GHz的无线信号的发射频率范围分为1-9个频带，其中，频带1为800MHz到1GHz；频带2为1GHz到1.2GHz；频带3为1.2GHz到1.4GHz；频带4为1.4GHz到1.6GHz；频带5为1.6GHz到1.8GHz；频带6为1.8GHz到2GHz；频带7为2GHz到2.2GHz；频带8为2.2GHz到2.4GHz；频带9为2.4GHz到2.6GHz。(2)构建目标建筑物的三维空间模型矢量，包括目标建筑物大小、位置、结构及目标建筑物内的建筑物材质；并将建筑物内的建筑物材质与步骤(1)所述建筑物材质无线传播损耗参数数据库中的建筑物材质相对应；将目标建筑物的2维矢量数据转化为三维空间矢量；(3)在目标建筑物内选取若干个测试位置作为测试点，现场测量并记录所选测试位置的无线信号场强值，对于每一个测试点i∈[1，NP]，其中，NP是总测试点数，Oi是在第i个测试点实测的信号强度；(4)将步骤(3)中的每个测试点的实测的无线信号场强值Oi，i∈[1，NP]，按照每个测试点的坐标位置与步骤(2)中所述的目标建筑物的三维空间模型矢量相对应；利用射线跟踪传播模型算法计算所述步骤(3)中所选取的测试点i坐标位置的理论无线信号场强信息，并保存测试点的多径信息，所述的多径信息即为由无线信号发射天线到接收点的多条无线信号的传播路径信息，计算理论无线信号场强具体步骤如(4.1)-(4.6)：(4.1)根据发射天线和接收点的位置，确定由发射天线发射的射线到达接收点i的所有传播路径：N为发射天线到接收点i的传播路径的总数；(4.2)计算每条传播路径在自由空间的传播损耗，其中第k条路径在自由空间传播的损耗值为LP(f，dk)，f是信号频率，dk是第k条路径在自由空间传输的距离；则第k条路径在自由空间的损耗值在不考虑建筑材质对其的透射、反射和衍射损耗现象的情况下，其计算公式表示如下：LP(f，dk)＝20log10(f)+20log10(dk)+32.45，(4.3)计算每条传播路径受建筑物材质影响的损耗，其中LMAT(f)是第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的损耗总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数，δt，δd，δr分别为第k条路径上的无线信号与建筑材质是否存在透射、衍射、反射的关系系数，Lt(f，Mj)，Ld(f，Mj)，Lr(f，Mj)分别是在建筑材质无线传播损耗参数数据库中：无线信号频率为f时，根据f的取值落入的频带1到频带9的范围，在数据库中查找出的材质Mj所相应频带的透射、衍射、反射损耗参数；则第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的损耗总和LMAT(f)的计算公式表示如下：(4.4)计算每条传播路径的传播损耗L(f，dk)，计算公式表示如下：L(f，dk)＝LP(f，dk)+LMAT(f)，(4.5)计算到达第i点的N条射线传播路径的损耗总和为PL；由于每条射线传播路径的能量是线性关系，计算多条传播路径的损耗可以通过先叠加每条射线能量，然后取平均，再将能量值转化为路损值；所述PL的计算公式表示如下：(4.6)计算接收点i的信号强度，其中Pi是第i个接收点的信号强度；Pt是无线信号发射天线的发射功率；Gt和Gr分别为无线信号发射天线和接收点的天线增益，则第i个接收点的信号强度Pi的计算公式表示如下：P1＝Pt-PL+Gt+Gr，(5)运用模拟退火算法调整建筑物材质无线传播损耗参数之前，需要定义以下参数：(i)代价函数，定义模拟退火算法的代价函数为第i接收点处的测得信号强度Oi与理论无线信号场强Pi的均方误差W，公式表示为因此上述代价函数W只和Pi有关，而Pi只和建筑物材质损耗参数相关；(ii)初始温度为t0，定义模拟退火算法的初始温度t0＝1000摄氏度；(iii)温度衰减函数g：用于控制退火过程中的温度冷却速率，设置tn+1＝tn*g，通常g取值范围为0.9～0.99，优选的，所述g＝0.95；(iv)马尔科夫链长度L，即为在温度tn内，建筑物材质无线传播损耗参数调整的最大次数，当达到最大值时，跳出该温度tn内的循环，设置L＝300次；(v)转移概率函数：当退火到tn温度时，当1<m≤L时，第m次，调整建筑材质无线传播损耗参数，迭代计算出的代价函数W，记为W(n,m)比第m-1次迭代计算出来的代价函数W(n,m-1)低时，即ΔW＝W(n,m)-W(n,m-1)<0时，则无条件转移接收调整后的建筑材质无线传播损耗参数的值为当前解；当ΔW＝W(n,m)-W(n,m-1)≥0，则以所定义的转移概率函数接收调整后的建筑材质无线传播损耗参数的值为当前解；其中，定义该转移概率函数为exp(-ΔW/tn)，转移概率函数是ΔW的减函数，当ΔW越高时，转移概率函数越小，接收新解为当前解得概率就越小；(vi)最低温度tmin，当退火温度达到最低温度时，则退火过程结束，设置tmin＝0.01摄氏度；(vii)当代价函数小于该最小值Wmin时，说明已经取得了建筑物材质无线传播损耗参数，则退火过程结束，设置Wmin＝5；(6)利用模拟退火算法对建筑物材质进行无线传播损耗参数校正的方法，包括步骤(6-1)-(6-8)：(6-1)选取起始点并初始化，定义起始温度为t0，一组建筑材质无线传播损耗参数的起始值为数据库中的默认值，包括固定发射频率下对应建筑材质的透射损耗参数、衍射损耗参数和反射损耗参数，记为材质参数矩阵M(0，0)；(6-2)首先，设置温度tn＝t0，所述材质参数矩阵为M(n，m)＝M(0，0)，计算代价函数W，将W记为W(0,0)：表示在温度为t0时，材质参数矩阵为M(0，0)时的代价函数；(6-3)对所述材质参数矩阵的一个元素，即一个材质的3种损耗参数：透射损耗参数、衍射损耗参数和反射损耗参数之一进行一个随机扰动，产生一个新的材质参数矩阵M(n，m)，其中1<m≤L，计算代价函数W(n,m)，计算ΔW＝W(n,m)-W(n,m-1)；(6-4)如果ΔW<0，则接受调整后的材质参数矩阵M(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解，进行步骤(6-6)；(6-5)如果ΔW≥0，则计算exp(-ΔW/tn)的值，如果exp(-ΔW/tn)大于0到1内的一个随机生成数random(0,1]，即exp(-ΔW/tn)>random(0,1]，则接受调整后的材质参数矩阵M(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解；否则不接受调整后的材质参数矩阵M(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解，保持原来的材质矩阵M(n，m-1)中所有参数不变；(6-6)判断步骤(6-3)-步骤(6-6)的内循环是否结束：当内循环次数大于L时，跳出内循环进行步骤(6-7)；否则转入步骤(6-3)，进行下一次内循环步骤(6-3)-步骤(6-6)；(6-7)判断步骤(6-3)-步骤(6-8)的外循环是否结束：当温度降低到tmin以下或者代价函数的值小于最小值Wmin时，结束外循环，模拟退火算法结束；否则进行步骤(6-8)；(6-8)根据温度衰减函数降低退火温度，跳回步骤(6-3)开始下一轮的内循环步骤(6-3)-步骤(6-6)；(7)将校正后的建筑材质无线传播损耗参数更新至建筑材质无线传播损耗参数数据库中，完成对建筑材质无线传播损耗参数数据库的更新。本发明的优势在于：本发明所述的建筑物材质无线传播损耗参数数据库的建立和校正方法，通过(1)创建建筑物材质无线传播损耗参数数据库；(2)构建目标建筑物的三维空间模型，(3)在建筑物内选取若干个测试点，实地测量获得测试点的无线信号强度信息；(4)利用建筑物的结构和建筑材质无线传播损耗参数数据库的信息，根据建筑物内的室内分布系统模型，利用改进的射线跟踪传播模型预测上述测试点的无线信号强度信息；(5)利用模拟退火算法调整建筑物无线传播损耗参数数据库，使得预测值与测量值的均方误差最小，得到更为准确和完善的建筑物材质无线传播损耗参数数据库。附图说明图1是发明所述方法的流程图；图2是本发明利用模拟退火算法调整建筑材质无线传播损耗参数的流程图。具体实施方式下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。如图1、2所示。实施例一种建筑物材质无线传播损耗参数数据库的建立和校正方法，包括步骤如下：(1)初步建立建筑物材质无线传播损耗参数数据库：提取现有建筑物材质的无线传播损耗参数，所述无线传播损耗参数数据库中包括建筑物材质类型、厚度、无线信号在该建筑物材质中的穿透损耗参数、反射损耗参数、衍射损耗参数；在本实施例中，在建筑材质无线传播损耗参数数据库加入了水泥、玻璃、木材、砖、石膏、塑料共6种建筑材质，将800MHz～2.6GHz的频率空间划分为9个频带，分别记录对应于该频带的无线信号，其穿透、反射、衍射损耗；由于本发明的主要应用领域为无线信息通信，无线通信的主要发射频率为800MHz到2.6GHz的范围，将所述800MHz到2.6GHz的无线信号的发射频率范围分为1-9个频带，其中，频带1为800MHz到1GHz；频带2为1GHz到1.2GHz；频带3为1.2GHz到1.4GHz；频带4为1.4GHz到1.6GHz；频带5为1.6GHz到1.8GHz；频带6为1.8GHz到2GHz；频带7为2GHz到2.2GHz；频带8为2.2GHz到2.4GHz；频带9为2.4GHz到2.6GHz。(2)构建目标建筑物的三维空间模型矢量，包括目标建筑物大小、位置、结构及目标建筑物内的建筑物材质；并将建筑物内的建筑物材质与步骤(1)所述建筑物材质无线传播损耗参数数据库中的建筑物材质相对应；将目标建筑物的2维矢量数据转化为三维空间矢量；(3)在目标建筑物内选取若干个测试位置作为测试点，现场测量并记录所选测试位置的无线信号场强值，对于每一个测试点i∈[1，NP]，其中，NP是总测试点数，Oi是在第i个测试点实测的信号强度；(4)将步骤(3)中的每个测试点的实测的无线信号场强值Oi，i∈[1，NP]，按照每个测试点的坐标位置与步骤(2)中所述的目标建筑物的三维空间模型矢量相对应；利用射线跟踪传播模型算法计算所述步骤(3)中所选取的测试点i坐标位置的理论无线信号场强信息，并保存测试点的多径信息，所述的多径信息即为由无线信号发射天线到接收点的多条无线信号的传播路径信息，计算理论无线信号场强具体步骤如(4.1)-(4.6)：(4.1)根据发射天线和接收点的位置，确定由发射天线发射的射线到达接收点i的所有传播路径：N为发射天线到接收点i的传播路径的总数；(4.2)计算每条传播路径在自由空间的传播损耗，其中第k条路径在自由空间传播的损耗值为LP(f，dk)，f是信号频率，dk是第k条路径在自由空间传输的距离；则第k条路径在自由空间的损耗值在不考虑建筑材质对其的透射、反射和衍射损耗现象的情况下，其计算公式表示如下：LP(f，dk)＝20log10(f)+20log10(dk)+32.45，(4.3)计算每条传播路径受建筑物材质影响的损耗，其中LMAT(f)是第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的损耗总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数，δt，δd，δr分别为第k条路径上的无线信号与建筑材质是否存在透射、衍射、反射的关系系数，Lt(f，Mj)，Ld(f，Mj)，Lr(f，Mj)分别是在建筑材质无线传播损耗参数数据库中：无线信号频率为f时，根据f的取值落入的频带1到频带9的范围，在数据库中查找出的材质Mj所相应频带的透射、衍射、反射损耗参数；则第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的损耗总和LMAT(f)的计算公式表示如下：(4.4)计算每条传播路径的传播损耗L(f，dk)，计算公式表示如下：L(f，dk)＝LP(f，dk)+LMAT(f)，(4.5)计算到达第i点的N条射线传播路径的损耗总和为PL；由于每条射线传播路径的能量是线性关系，计算多条传播路径的损耗可以通过先叠加每条射线能量，然后取平均，再将能量值转化为路损值；所述PL的计算公式表示如下：(4.6)计算接收点i的信号强度，其中Pi是第i个接收点的信号强度；Pt是无线信号发射天线的发射功率；Gt和Gr分别为无线信号发射天线和接收点的天线增益，则第i个接收点的信号强度Pi的计算公式表示如下：Pi＝Pt-PL+Gt+Gr，(5)运用模拟退火算法调整建筑物材质无线传播损耗参数之前，需要定义以下参数：(i)代价函数，定义模拟退火算法的代价函数为第i接收点处的测得信号强度Oi与理论无线信号场强Pi的均方误差W，公式表示为因此上述代价函数W只和Pi有关，而Pi只和建筑物材质损耗参数相关；(ii)初始温度为t0，定义模拟退火算法的初始温度t0＝1000摄氏度；(iii)温度衰减函数g：用于控制退火过程中的温度冷却速率，设置tn+1＝tn*g，通常g取值范围为0.9～0.99，优选的，所述g＝0.95；(iv)马尔科夫链长度L，即为在温度tn内，建筑物材质无线传播损耗参数调整的最大次数，当达到最大值时，跳出该温度tn内的循环，设置L＝300次；(v)转移概率函数：当退火到tn温度时，当1<m≤L时，第m次调整建筑材质无线传播损耗参数，迭代计算出的代价函数W，记为W(n,m)比第m-1次迭代计算出来的代价函数W(n,m-1)低时，即ΔW＝W(n,m)-W(n,m-1)<0时，则无条件转移接收调整后的建筑材质无线传播损耗参数的值为当前解；当ΔW＝W(n,m)-W(n,m-1)≥0，则以所定义的转移概率函数接收调整后的建筑材质无线传播损耗参数的值为当前解；其中，定义该转移概率函数为exp(-ΔW/tn)，转移概率函数是ΔW的减函数，当ΔW越高时，转移概率函数越小，接收新解为当前解得概率就越小；(vi)最低温度tmin，当退火温度达到最低温度时，则退火过程结束，设置tmin＝0.01摄氏度；(vii)当代价函数小于该最小值Wmin时，说明已经取得了建筑物材质无线传播损耗参数，则退火过程结束，设置Wmin＝5；(6)利用模拟退火算法对建筑物材质进行无线传播损耗参数校正的方法，包括步骤(6-1)-(6-8)：(6-1)选取起始点并初始化，定义起始温度为t0，一组建筑材质无线传播损耗参数的起始值为数据库中的默认值，包括固定发射频率下对应建筑材质的透射损耗参数、衍射损耗参数和反射损耗参数，记为材质参数矩阵M(0，0)；(6-2)首先，设置温度tn＝t0，所述材质参数矩阵为M(n，m)＝M(0，0)，计算代价函数W，将W记为W(0,0)：表示在温度为t0时，材质参数矩阵为M(0，0)时的代价函数；(6-3)对所述材质参数矩阵的一个元素，即一个材质的3种损耗参数:透射损耗参数、衍射损耗参数和反射损耗参数之一进行一个随机扰动，产生一个新的材质参数矩阵M(n，m)，其中1<m≤L，计算代价函数W(n,m)，计算ΔW＝W(n,m)-W(n,m-1)；(6-4)如果ΔW<0，则接受调整后的材质参数矩阵M(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解，进行步骤(6-6)；(6-5)如果ΔW≥0，则计算exp(-ΔW/tn)的值，如果exp(-ΔW/tn)大于0到1内的一个随机生成数random(0,1]，即exp(-ΔW/tn)>random(0,1]，则接受调整后的材质参数矩阵M(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解；否则不接受调整后的材质参数矩阵M(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解，保持原来的材质矩阵M(n，m-1)中所有参数不变；(6-6)判断步骤(6-3)-步骤(6-6)的内循环是否结束：当内循环次数大于L时，跳出内循环进行步骤(6-7)；否则转入步骤(6-3)，进行下一次内循环步骤(6-3)-步骤(6-6)；(6-7)判断步骤(6-3)-步骤(6-8)的外循环是否结束：当温度降低到tmin以下或者代价函数的值小于最小值Wmin时，结束外循环，模拟退火算法结束；否则进行步骤(6-8)；(6-8)根据温度衰减函数降低退火温度，跳回步骤(6-3)开始下一轮的内循环步骤(6-3)-步骤(6-6)；(7)将校正后的建筑材质无线传播损耗参数更新至建筑材质无线传播损耗参数数据库中，完成对建筑材质无线传播损耗参数数据库的更新。