CN103702338B - 一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法
技术领域
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案：
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。
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。
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：
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。
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；
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；
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。
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。
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）；
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。
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；
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）。
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）：
（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，dh)(1≤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：
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LMATT(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），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，在数据库中查找出的材质Mj所对应频率的透射、衍射和反射损耗参数；则第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和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（dB）；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（mW），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的无线信号强度，假设Pi是第i个接收点的信号强度(dBm)；Pt
是无线信号发射天线的发射功率(dBm)；Gt和Gr分别为无线信号发射天线和接收点的天
线增益（dBi），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
（4-7）分别选择所述无线接入设备的其它发射天线，重复步骤（4-1）到步骤（4-6）即可获得所述无线接入设备到达测试点i的所有发射天线发射的信号场强，选择强度最强的一个作为i点接收到的该无线接入设备的信号场强。
（4-8）分别选择不同的测试点，重复步骤（4-1）到步骤（4-7）即可分别获得所述无线接入设备的发射天线在所有测试点的无线信号场强。
所述步骤（5）的校正三维射线跟踪传播模型的参数的过程是指利用模拟退火算法调整建筑物材质无线传播损耗参数的过程。
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，Np是材质校正中测试点的个数；
（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(α)：用于控制退火过程中的温度冷却速率，设置tn+1=tn*g(α)，通常g(α)取值范围为0.9～0.99，优选的，所述g(α)=0.95，tn为n次退火之后的温度；
（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)，当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)，由此可知，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tf，当退火温度达到最低温度时，则退火过程结束，设置tf=0.01摄氏度；
（vii）当代价函数小于该最小值Wmin时，说明已经取得了足够好的建筑物材质无线传播损耗参数，则退火过程结束，设置Wmin=5；
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（5-1）-（5-8）：
（5-1）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)；
（5-2）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；
（5-3）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)；
（5-4）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（5-6）；
（5-5）如果ΔW≥0，则计算exp(-ΔW/tn)的值，如果exp(-ΔW/tn)大于一个0到1内的随机生成数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；
（5-6）判断步骤（5-3）-步骤（5-6）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（5-7）；否则转入步骤（5-3），进行下一次内循环步骤（5-3）-步骤（5-6）；
（5-7）判断步骤（5-3）-步骤（5-8）的外循环是否结束：当温度降低到tf以下或者代价函数的值小于了最小值Wmin时，结束外循环，模拟退火算法结束；否则进行步骤（5-8）；
（5-8）根据温度衰减函数降低退火温度，跳回步骤（5-3）开始下一轮的内循环步骤（5-3）-步骤（5-6）；
所述校正三维射线跟踪传播模型的参数的过程是指根据不同的移动通信网络标准（不同的网络标准使用不同的无线信号频率）分别校正不同频率下建筑物材质无线传播损耗参数，形成不同频率下的无线传播模型参数。
所述步骤（7）以建筑空间楼层面积为依据，在建筑物每层楼内，在一个特定的曲面内（例如：1米高水平面），以一定的采样密度（例如：1个/平方米），确定采样点个数和采样点位置。以所述步骤（6）中理论计算的无线接入设备在三维空间中的无线信号强度信息为依据，获得一个采样点处的无线信号强度信息，将该点所处的位置信息、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。以同样的方法获得所述每一个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。
当发生改变的无线接入设备较少时，由于信息的冗余，比如环境中有6个无线接入设备，其中一个发生了变化，继续利用其它5个未发生变化设备的无线信号指纹数据库，这样也可以暂时不更新无线指纹数据库。
本发明的有益效果：
1本发明可以应用于各种移动通信网络（即无线广域网络），例如，全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）网络、通用分组无线业务（GeneralPacket Radio Service，GPRS）网络、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）网络、CDMA2000网络、宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）网络、长期演进（Long Term Evolution，LTE）网络或全球微波接入互操作性（WorldInteroperability for Microwave Access，WiMAX）网络，本发明还可以应用于各种无线局域网络，例如，无线无线局域（Wireless Fidelity，简称WiFi）网络或其他无线通信网络。
2.采用这种方法建立的无线信号指纹数据库，利用了少量的测量结果对目标场景的传播模型参数进行了校正，应用校正后的传播模型参数重新预测场景的无线信号强度信息，可以获得更为准确的预测结果，从而保证了无线信号指纹数据库的准确性。
3.采用这种方法建立的无线信号指纹数据库，在三维空间场景模型没有改变，无线信号发射天线发射频率没有改变，发射天线其它参数信息发生变化时（如发射天线数量改变、位置改变、功率改变、倾角改变），只需要更新发射天线参数数据，重新利用之前校正好的传播模型参数进行预测，即可完成无线信号指纹数据库的更新。
4.采用这种方法建立的无线信号指纹数据库，在三维空间场景模型没有改变，场景中的无线信号发射天线频率发生改变时（如，新建了某一制式的无线网络），不需要重新建立三维空间模型，只需要校正在新频率下场景的无线传播模型参数，利用校正好的传播模型参数进行预测，即可完成无线信号指纹数据库的更新。
5.在未来4G、5G网络大规模应用时，无线网络接入设备信息自组织更新将非常频繁，无线信号指纹数据库的更新也将非常频繁，应用这种方法更新无线信号指纹数据库，只需要重新保存无线接入设备信息并利用射线跟踪传播模型算法重新计算无线网络覆盖场强，而传统方法每次改变都需要大量人工现场测量，费时费力，这种无线信号指纹数据库的建立方法在未来4G、5G网络大规模应用时，相比传统方法更为简便易行，也将变得更加有利。
6.采用这种方法建立的无线信号指纹数据库的大小，用户可以根据实际应用对精度的需求任意调整，无线信号指纹数据库中数据点的位置，用户也可以根据实际应用的需要任意选择，例如，数据点可以在一个水平面内选择，可以在一个垂直面内选择，或者在任意曲面上选择。
附图说明
图1为无线信号指纹数据库的快速建立过程；
图2为无线信号指纹数据库的结构信息；
图3为三维建筑第二层发射天线位置信息；
图4为三维建筑内30个测试位置信息；
图5为无线信号指纹数据库结构信息图；
图6为点i可以接收到的左侧WCDMA天线发射的三条射线传播路径示意图；
图7为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
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
利用本发明所述的一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法对一个5层（每层建筑面积600平米）的目标建筑物建立室内无线信号指纹数据库。所述五层的目标建筑物每层的结构相同。
如图2是根据目标建筑物CAD图纸构建的目标建筑物一层的三维空间模型的平面结构，每个楼层的三维空间建筑数据包括楼层的垂直层高为3米、楼层的水平面积600平米(楼层长50米，宽12米)、楼层的建筑材质数据、建筑材质的无线传播损耗参数数据。
如图1所示，一种快速建立室内无线信号指纹数据库的方法，该方法包括如下步骤：
（1）提取需要建立室内无线信号指纹数据库的目标建筑物的三维空间建筑数据：根据目标建筑物的CAD格式图纸，按照现有建模技术，将所述CAD格式图纸分楼层进行三维空间建模，并单独保存每个楼层的三维空间建筑数据，所述三维空间建筑数据包括楼层的垂直层高、楼层的水平面积、楼层的建筑材质数据和楼层的布局结构数据，如图2所示，每个楼层的三维空间建筑数据包括楼层的垂直层高为3米、楼层的水平面积600平米(楼层长50米，宽12米)、楼层的建筑材质数据、建筑材质的无线传播损耗参数数据。
本发明能够应用于各种室内三维建筑场景、室内外联合三维场景。例如：机场、车站、商场、体育场、隧道、校园、住宅小区等。
（2）记录并保存步骤（1）所述建筑物内可接收到无线接入设备信息，本实施例建筑物内有WCDMA系统和WiFi无线局域网，所述WCDMA系统为通过无线接入设备(NodeB)提供信号源的室内分布式系统，系统在每层楼内设有3个发射天线，共有15个发射天线；所述WiFi无线局域网在每层楼设有1个接入点（AP），共有5个网接入点，分别记录WCDMA室内分布式系统和WiFi接入点在建筑物内的发射天线数据。所述发射天线数据包括每一个发射天线在建筑物内的具体位置信息、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、发射天线的倾角。如图3所示为建筑物第二层的3个WCDMA发射天线（分别记为Tx21，Tx22，Tx23）和一个WiFi发射天线（WF2）的位置信息。所述WCDMA的发射天线的发射功率为20dBm、发射天线的信号频率为2100MHz，发射天线均为增益为3dBi的全向辐射天线，发射天线下倾角5度。所述WiFi接入点发射天线的发射功率为15dBm、发射天线的信号频率为2400MHz，发射天线均为增益为3dBi的全向辐射天线，发射天线下倾角5度。
本发明不仅限于WCDMA网络和WiFi网络的组合，还可以应用于其它一种或多种无线通信网络（无线广域网络和无线局域网络）的组合。本发明的技术方案不仅适用于室内分布式系统和WiFi接入点覆盖的室内环境，也可以应用于宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝、BBU+RRU、直放站等其它多种无线覆盖形式单独或者联合完成覆盖的室内或者室内外联合场景，无线接入设备所在位置也不局限于室内，也可以在室外，例如利用室外天线所覆盖的室内空间。
（3）在建筑物第二层高度为1米的位置选择30个测试点，如图4所示，携带测试终端实地测量所选择测试位置的无线信号指纹信息，WCDMA室内分布式系统发射天线的信号来自于同一个WCDMA无线接入设备的同一个小区，因此具有相同的设备标示。每个WiFi接入点具有一个设备标示，这里假设每个WiFi接入点可以影响本层楼以及上下各一层楼，因此，在建筑物内的第二层，接收设备可以接收到一个来自WCDMA系统的信号，3个来自WiFi系统的信号，每个无线指纹数据记录中将包含4个设备标示及其对应的信号强度。如图5为所述30个测试位置的无线信号指纹数据库结构图。
本发明实施例中所涉及的测试终端可以包括但不限于个人手机、手持式频谱分析仪、个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、无线上网本、个人电脑、便携电脑等。
本发明实施例中选择第二层高度为1米的水平面，但是本发明的技术方案可以选择任意一个或多个楼层，可以选择任意一个或者多个面，可以是任意水平面、垂直面、曲面或者是他们的组合。
（4）利用射线跟踪传播模型算法，从理论上预测所述步骤（3）中所标注的30个位置的无线信号指纹数据，预测指纹数据的过程是逐个无线通信系统预测的，这里包括预测步骤（2）中所述的一个WCDMA室内分布式系统和预测一个WiFi系统的3个无线接入设备在步骤（3）中所述的30个测试点的无线信号强度信息。具体步骤如（4-1）-（4-8）。
其中，利用射线跟踪传播模型算法预测目标建筑物内一个接收点接收到的一个发射天线的信号强度的具体步骤如（4-1）-（4-6）：
（4-1）根据左WCDMA无线发射天线和接收点i的位置，确定由左WCDMA无线发射天线发射的射线到达接收点i的所有传播路径：其中包括N=3条射线传播路径，射线路径a、射线路径b、射线路径c；如图6所示。
其中射线路径a为经水泥墙反射、穿透水泥墙后到达接收点i；射线路径b穿透水泥墙和砖墙后到达接收点i；射线路径c为穿透木门、穿透砖墙、经水泥墙反射到达接收点i；
（4-2）计算每条传播路径在自由空间的传播损耗，上述射线路径a、射线路径b、射线路径c的路线长度分别为6.6米、5.2米和7.1米，无线信号的发射频率为2.1GHz；
其中第k条路径在自由空间传播的损耗值为LP(f,dk)(1≤k≤3)，f是无线信号频率（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：
Lp(f,dk)=20log10(f)+20log10(dk)+32.45
根据Lp(f,dk)=20log10(f)+20log10(dk)+32.45,，计算出上述a、b、c三条射线路径的在自由空间的损耗分别为：55.29dB、53.21dB、55.92dB。
（4-3）计算每条射线路径受建筑物材质影响的损耗，其中LMAr(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），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，在数据库中查找出的材质Mj所对应频带的透射、衍射和反射损耗参数；则第k条路径上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和LMAT(f)的计算公式表示如下：
据建筑材质无线传播损耗参数数据库中，无线信号频率为2.1GHz时，砖墙、水泥墙、木门的透射损耗分别为6.77dB、20.25dB、4.44dB，水泥墙的反射损耗为6dB，根据公式路径a的损耗为水泥墙的反射损耗加水泥墙的透射损耗；路径b的损耗为水泥墙的透射损耗加砖墙的透射损耗；路径c的损耗为木门透射损耗加砖墙透射损耗加水泥墙反射损耗；计算出上述a、b、c三条射线路径受建筑物材质影响的损耗，分别为：26.25dB、27.02dB、17.21dB；
（4-4）计算每条射线路径的传播损耗L(f,dk)，计算公式表示如下：
L(f,dk)=Lp(f,dk)+LMAT(f)
根据公式L(f,dk)=Lp(f,dk)+LMAT(f)，计算出上述a、b、c三条射线路径到达接受点i的传播损耗L(f,dk)分别为，81.54dB、80.23dB、73.13dB。
（4-5）计算到达第i点的N=3条射线传播路径的损耗总和为PL（dB）；由于每条射线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（mW），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：
计算上述三条射线径总的损耗得出PL=79.52dB。
（4-6）计算接收点i的无线信号强度，假设Pi是第i个接收点的信号强度(dBm)；Pt是无线信号发射天线的发射功率(dBm)；Gt和Gr分别为无线信号发射天线和接收点的天线增益（dBi），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
由于步骤（2）记载了无线发射天线和接收点i的天线增益均为3dBi，无线发射天线的发射功率为20dBm，则根据公式Pi=Pt-PL+Gt+Gr，计算出接收点i处的无线信号场强Pi=-53.52dBm；
（4-7）重复步骤（4-1）-（4-6）可以计算出，其它WCDMA室分系统的发射天线在i点处产生的场强均小于-53.52dBm，因为15个WCDMA发射天线属于同一个无线接入设备，因此接收点i处可以接收到的WCDMA系统的无线信号场强为-53.52dBm。
重复步骤（4-1）-（4-6）可以计算出，本层楼内的WiFi天线WF2在该点产生的信号场强。因为WiFi系统的发射天线可以影响到上下一层楼，因此需要计算第一层的WiFi天线WF1在该点产出的信号场强，第三层的WiFi天线WF3在改点产生的场强。
（4-8）重复步骤（4-1）-（4-7）可以计算出同样的方法可以计算出，图4中所选择的另外29个测试位置的一个WCDMA无线接入设备以及3个WiFi无线接入设备所产生无线信号场强。
（5）根据所述步骤（3）所测量的实测值和步骤（4）中所计算的理论值对比分析，利用模拟退火算法校正传播模型参数，使得实测值与理论值的均方误差最小。利用模拟退火算法校正传播模型参数的过程是指利用模拟退火算法调整建筑物无线传播损耗参数的过程。
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，NP是材质校正中测试点的个数，NP=30；
（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(α)：用于控制退火过程中的温度冷却速率，设置tn+1=tn*g(α)，通常g(α)取值范围为0.9～0.99，优选的，所述g(α)=0.95，tn为n次退火之后的温度；
（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)，当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)，由此可知，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tf，当退火温度达到最低温度时，则退火过程结束，设置tf=0.01摄氏度；
（vii）当代价函数小于该最小值Wmin时，说明已经取得了足够好的建筑物材质无线传播损耗参数，则退火过程结束，设置Wmin=5；
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（5-1）-（5-8）：如图7所示。
（5-1）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)；
（5-2）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；
（5-3）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)；
（5-4）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（5-6）；
（5-5）如果ΔW≥0，则计算exp(-ΔW/tn)的值，如果exp(-ΔW/tn)大于一个0到1内的随机生成数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；
（5-6）判断步骤（5-3）-步骤（5-6）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（5-7）；否则转入步骤（5-3），进行下一次内循环步骤（5-3）-步骤（5-6）；
（5-7）判断步骤（5-3）-步骤（5-8）的外循环是否结束：当温度降低到tf以下或者代价函数的值小于了最小值Wmin时，结束外循环，模拟退火算法结束；否则进行步骤（5-8）；
（5-8）根据温度衰减函数降低退火温度，跳回步骤（5-3）开始下一轮的内循环步骤（5-3）-步骤（5-6）；
传播模型参数的矫正过程是指根据不同的移动通信网络标准（不同的网络标准使用不同的无线信号频率）分别校正不同频率下的无线传播模型参数。这里需要分别校正WCDMA网络（频率2100MHz）和WiFi网络（频率2400MHz）的无线传播模型参数。
（6）利用所述步骤（5）中校正后的传播模型参数，重新利用射线跟踪传播模型算法计算步骤（1）中所述5层楼的三维建筑，步骤（2）中所述一个WCDMA无线接入设备的15个发射天线和5个WiFi接入设备在该建筑内的产生的无线信号覆盖强度信息。
（7）以建筑空间楼层面积为依据（单层楼层面积600平米，5层共3000平米），以1个/平方米的采样密度，确定采样点个数为3000个，每层设置600个采样点。在每层楼内1米高的水平面内，确定采样点的位置，以所述步骤（6）中理论计算的无线接入设备的场强为依据，获得一个采样点处可以接收到的无线信号强度信息，将该点所处的位置信息、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。以同样的方法获得所述每一个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。
需要说明的是，本发明实施例中采用1个/平方米的采样密度在1米高的水平面内进行采样，确定无线信号指纹数据库，本发明的技术方案支持在任意一个或者多个面内采样，包括水平面、垂直面、曲面，支持以任意采样密度建立无线信号指纹数据库。
所述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

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；以及
所述快速建立室内无线信号指纹数据库的方法的具体步骤如下：
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；
其中，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；并且
其中，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。
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，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。
3.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，
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。
4.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，
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。
5.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，
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。
6.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，
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。
7.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，
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。
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