一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，步骤如下：建立目标建筑物的室内外联合的三维场景模型，预测三维空间的无线信号场强信息，在目标建筑物内，选择少量测试点进行人工现场测量并记录无线信号强度信息，根据现场实际测量的无线信号强度信息与通过三维射线跟踪传播模型理论计算的无线信号强度信息的不同，校正三维射线跟踪传播模型参数，通过校正后的三维射线跟踪传播模型参数预测并建立室内外联合的三维场景模型的无线信号指纹数据库。本发明具有快速建立室内无线信号指纹数据库的优点。
【专利说明】一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，属于移动通信的电磁波传播预测领域。
【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的发展，多种无线通信网络共存的局面越来越突出，通常，用户在一个位置都可以接收到多个无线接入设备发出的无线信号，合理利用多个无线接入设备发出的无线信号，建立一个室内无线信号指纹数据库不仅可以应用于判断无线通信网络的室内弱覆盖区域、定位室外宏基站和室内分布式系统的问题器件、分析无线网络干扰等无线网络优化和维护领域，还可以应用于室内定位与导航等其它应用领域。然而，现有的建立无线信号指纹数据库的方法大多依靠人工现场测量，对于大型场景和复杂网络，这一过程非常繁琐，特别是当网络接入设备的数量和位置发生变化时，需要重新测量，费时费力。
[0003]中国发明专利(申请号201310244665.2，专利名称:基于射线跟踪传播模型的室内无线信号预测方法)，利用该专利的技术方案可以快速预测三维空间的无线信号场强，但是，该发明没有提到建立一个室内无线信号指纹数据库的方法。
[0004]中国发明专利(申请号201310244863.9，专利名称:建筑物材质无线传播损耗参数数据库的建立和校正方法)，该专利虽然提到了利用实际测量的三维空间无线信号场强校正建筑物材质无线传播损耗参数数据库，从而校正射线跟踪传播模型参数的方法，但是，该发明专利也没有提到利用校正的传播模型参数建立一个室内无线信号指纹数据库的方法。
[0005]中国论文《室内指纹定位算法中的Radio map重构技术》中提到了一种重构Radiomap (Radio map指无线信号指纹)数据库的方法，通过对指纹地图进行异常数据去除，结合传播模型对Radio map进行区域的划分，能够减少室内定位运算的时间和数据库的容量，但是，该文章没有提到Radio map数据库的建立和采集方法。
[0006]中国硕士论文《室内Radio-map建立方法和性能分析》提出了基于奇异点过滤的网格插值Radio-map生成算法，该方法可以减少传统方法一半工作量的前提下，有效保持数据库的准确度。但是，减少一半工作量仍然有很大的工作量，特别是当网络接入设备的数量和位置发生变化时，该方法需要重新进行Radio-Map数据库的测量。
[0007]总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是:如何快速建立室内无线信号指纹数据库。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了解决所述问题，提供一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，它具有快速建立室内无线信号指纹数据库的优点。
[0009]为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，步骤如下:建立目标建筑物的室内外联合的三维场景模型，预测三维空间的无线信号场强信息，在目标建筑物内，选择少量测试点进行人工现场测量并记录无线信号强度信息，根据现场实际测量的无线信号强度信息与通过三维射线跟踪传播模型理论计算的无线信号强度信息的不同，校正三维射线跟踪传播模型参数，通过校正后的三维射线跟踪传播模型参数预测并建立室内外联合的三维场景模型的无线信号指纹数据库。
[0011]所述无线信号指纹数据库包括多条无线信号指纹数据记录，每条所述无线信号指纹数据记录包括该条无线信号指纹数据记录的地理位置信息，以及该地理位置上能够接收到的一个或多个无线接入设备的标示信息和信号强度信息。
[0012]一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，具体步骤如下:
[0013]步骤(I):构建目标场景的室内外联合三维空间结构模型，所述场景包括目标建筑物的室内三维场景以及目标建筑周边的室外三维场景；
[0014]步骤(2):记录并保存目标场景能够接收到的无线接入设备的信息；
[0015]步骤(3):在目标建筑物的室内选取少量测试点现场测量并记录所选测试点的实测无线信号指纹信息，所述实测无线信号指纹信息是指所述步骤(2)的无线接入设备发射的无线接入设备标示信息和无线信号强度信息；
[0016]步骤(4):获取所述步骤(3)所选取的测试点的理论上的无线信号指纹信息，所述理论上的无线信号指纹信息包括无线接入设备标示信息和理论上的无线信号强度信息，所述理论上的无线信号强度信息通过三维射线跟踪传播模型算法计算获取；
[0017]步骤(5):根据所述步骤(3)实测的与步骤(4)理论计算的无线信号强度信息的不同，校正三维射线跟踪传播模型的参数；
[0018]步骤(6):利用校正后的三维射线跟踪传播模型的参数，重新计算所述步骤(2)所述无线接入设备在步骤(I)所述的室内外联合三维空间结构模型的无线信号强度信息；
[0019]步骤(7):以建筑空间楼层面积为依据，在建筑物每层楼内，在设定的高度平面，以设定的采样密度，确定采样点个数和采样点位置；将一个采样点所处的位置信息、该位置的无线接入设备的标示信息及所对应的步骤(6)中计算的该采样点的无线信号强度信息数据组成一条数据记录，保存在无线信号指纹数据库中；以同样的方法获得其他所有采样点的无线信号指纹数据记录，形成无线信号指纹数据库。
[0020]当步骤(I)的室内外联合三维空间结构发生变化时，需要利用所述步骤(I)-步骤
(7)重新计算并更新无线信号指纹数据库；
[0021]当步骤(2)中的无线接入设备的发射天线频率发生变化时(比如在该区域建设新的制式的无线网络、原有制式无线网络扩频)，需要重新利用步骤(2)-步骤(7)重新计算并更新无线信号指纹数据库；
[0022]当步骤(2)中的无线接入设备的发射天线频率外的其它参数发生改变时，需要重新利用所述步骤(6)和步骤(7)重新计算并更新无线信号指纹数据库，所述其它参数包括发射天线数量、发射天线位置、发射功率、发射天线三维辐射参数、发射天线倾角。
[0023]所述步骤(I)的具体步骤如下:将目标建筑物CAD格式的建筑物图纸转化为建筑物三维空间结构模型，将建筑物周边的GIS地图转化为室外三维空间结构模型，将目标建筑物的室内三维空间结构模型与建筑周边的室外三维空间结构模型联合组成场景的室内外联合三维空间结构模型，记录并保存三维空间结构模型数据，所述三维空间结构模型数据包括建筑物的大小、布局结构、建筑材质和建筑材质的无线传播损耗参数。
[0024]所述步骤(2)的无线接入设备包括无线通信基站(NodeB)或无线局域网接入点(Access Point, AP)；
[0025]所述步骤(2)的所述无线接入设备的信息包括每一个无线接入设备所对应的发射天线数据，所述发射天线数据包括发射天线个数，发射天线所在的具体位置信息、发射天线的信号频率、发射天线的发射功率、发射天线的三维辐射参数和发射天线的倾角。
[0026]所述步骤(3)的少量测试点的位置根据建筑物模型的复杂程度、建筑物大小、现场测量的难易程度选择；测试点位置之间有距离间隔，保证不同的无线信号指纹数据信息能够区分；
[0027]所述步骤(4)的无线接入设备标示信息从无线接入设备的参数中读取，所述理论上的无线信号强度信息通过三维射线跟踪传播模型算法计算获取。具体步骤如(4-1) - (4-8)。
[0028]利用射线跟踪传播模型算法预测出目标建筑物内一个接收点接收到的某一个发射天线的信号强度，具体步骤如(4-1)- (4-6):
[0029](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；
[0030](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，dh) (I ^ k ^ N), f是信号频率(MHz)，dk是第k条路径在自由空间传输的距离(km);则第k条路径在自由空间的损耗值(dB)在不考虑透射、反射和衍射现象的情况下，其计算公式表示如下:
[0031 ] Lp (f, dk) =201ogl0 (f) +201ogl0 (dk) +32.45
[0032](4-3)计算每条传播路径受建筑物材质影响的损耗，其中LmTT(f)是第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数，第j种材质表示为Mj (1< j<T)，5t, 5d, 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，
【权利要求】
1.一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是，步骤如下:建立目标建筑物的室内外联合的三维场景模型，预测三维空间的无线信号场强信息，在目标建筑物内，选择少量测试点进行人工现场测量并记录无线信号强度信息，根据现场实际测量的无线信号强度信息与通过三维射线跟踪传播模型理论计算的无线信号强度信息的不同，校正三维射线跟踪传播模型参数，通过校正后的三维射线跟踪传播模型参数预测并建立室内外联合的三维场景模型的无线信号指纹数据库。
2.如权利要求1所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是，具体步骤如下: 步骤(1):构建目标场景的室内外联合三维空间结构模型，所述场景包括目标建筑物的室内三维场景以及目标建筑周边的室外三维场景； 步骤(2):记录并保存目标场景能够接收到的无线接入设备的信息； 步骤(3):在目标建筑物的室内选取少量测试点现场测量并记录所选测试点的实测无线信号指纹信息，所述实测无线信号指纹信息是指所述步骤(2)的无线接入设备发射的无线接入设备标示信息和实际的无线信号强度信息； 步骤(4):获取所述步骤(3)所选取的测试点的理论上的无线信号指纹信息，所述理论上的无线信号指纹信息包括无线接入设备标示信息和理论上的无线信号强度信息，所述理论上的无线信号强度信息通过三维射线跟踪传播模型算法计算获取； 步骤(5):根据所述步骤(3)实测的与步骤(4)理论计算的无线信号强度信息的不同，校正三维射线跟踪传播模型的参数； 步骤(6):利用校正后的三维射线跟踪传播模型的参数，重新计算所述步骤(2)所述无线接入设备在步骤(1)所述的室内外联合三维空间结构模型的无线信号强度信息； 步骤(7):以建筑空间楼层面积为依据`，在建筑物每层楼内，在设定的高度平面，以设定的采样密度，确定采样点个数和采样点位置；将一个采样点所处的位置信息、该位置的无线接入设备的标示信息及所对应的步骤(6)中计算的该采样点的无线信号强度信息数据组成一条数据记录，保存在无线信号指纹数据库中；以同样的方法获得其他所有采样点的无线信号指纹数据记录，形成无线信号指纹数据库。
3.如权利要求1或2所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是，所述无线信号指纹数据库包括多条无线信号指纹数据记录，每条所述无线信号指纹数据记录包括该条无线信号指纹数据记录的地理位置信息，以及该地理位置上能够接收到的一个或多个无线接入设备的标示信息和信号强度信息。
4.如权利要求2所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是， 当步骤(1)的室内外联合三维空间结构发生变化时，需要利用所述步骤(1)-步骤(7)重新计算并更新无线信号指纹数据库。
5.如权利要求2所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是， 当步骤(2)中的无线接入设备的发射天线频率发生变化时，需要重新利用步骤(2)-步骤(7)重新计算并更新无线信号指纹数据库； 当步骤(2)中的无线接入设备的发射天线频率外的其它参数发生改变时，需要重新利用所述步骤(6)和步骤(7)重新计算并更新无线信号指纹数据库，所述其它参数包括发射天线数量、发射天线位置、发射功率、发射天线三维辐射参数、发射天线倾角。
6.如权利要求2所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是， 所述步骤(1)的具体步骤如下:将目标建筑物CAD格式的建筑物图纸转化为建筑物三维空间结构模型，将建筑物周边的GIS地图转化为室外三维空间结构模型，将目标建筑物的室内三维空间结构模型与建筑周边的室外三维空间结构模型联合组成场景的室内外联合三维空间结构模型，记录并保存三维空间结构模型数据，所述三维空间结构模型数据包括建筑物的大小、布局结构、建筑材质和建筑材质的无线传播损耗参数。
7.如权利要求2所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是， 所述步骤(2)的无线接入设备包括无线通信基站或无线局域网接入点。
8.如权利要求2所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是， 所述步骤(2)的所述无线接入设备的信息包括每一个无线接入设备所对应的发射天线数据，所述发射天线数据包括发射天线个数，发射天线所在的具体位置信息、发射天线的信号频率、发射天线的发射功率、发射天线的三维辐射参数和发射天线的倾角。
9.如权利要求2所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，其特征是， 所述步骤(3)的少量测试点的位置根据建筑物模型的复杂程度、建筑物大小、现场测量的难易程度选择；测 试点位置之间有距离间隔，保证不同的无线信号指纹数据信息能够区分。
【文档编号】H04W16/22GK103702338SQ201310724675
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】张 杰, 秦春霞, 赖智华, 武玉花 申请人:山东润谱通信工程有限公司