專利名稱：一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的實現方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線網絡規劃領域，特別涉及一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型實現方法及系統。
背景技術：
無線傳播模型的產生來源于蜂窩網無線網絡規劃時預測信干比的需要。無線傳播模型最直接的作用就是用來預測路徑損耗進而估計接收信號電平，所以無線傳播模型的準確與否直接影響小區覆蓋半徑選取的合理性。對于CDMA系統，無線傳播模型準確與否更是直接與蜂窩系統的通信容量有關。目前無線傳播模型的獲取方法主要有3種。第一種方法是直接使用Hata、 C0ST-231等傳統的標準無線傳播模型，但是3G網絡規劃對路徑損耗的預測精度有更高的要求，而上述的傳播模型已無法滿足當前的需求；第二種方法是通過架設發射機采用連續波測量法收集距離和接收功率等數據，再結合電子地圖和站址信息對目標區域進行校正得到該區域無線傳播模型；第三種方法是在已有一定數量的傳播模型的前提下，通過對目標區域的地物類型進行分析，建立模型庫，從已有的傳播模型中選取。目前，我國大部分地區都有蜂窩無線通信網覆蓋，運營商在前期的建網過程中已具備一定的傳播模型積累，甚至已有完備的模型庫，對于網絡規劃已不再需要耗費大量的人力、物力和時間，因此采用第三種方法顯得更為有效和實際。對于第三種方法，即基于模型庫的方法需要考慮如何根據已有的傳播模型生成適合目標區域的傳播模型。人工選擇的方法由于具有主觀性且工作量大，不利于使用。一種直觀的使用模型庫的方法是基于選擇的方法。選擇的依據有很多，例如依據電子地圖中各地物類型所占百分比。無線傳播模型主要反映的是電磁波在無線傳播環境的場強特性，所以模型不僅依賴于地物類型的百分比，更依賴于地物類型的分布。另外，完全依靠基于選擇的方法直接從已有模型庫中選擇一個模型作為目標區域的傳播模型也是不恰當的，因為可能會出現目標區域的地物類型分布與模型庫中所有已知無線傳播模型的地物類型分布都不太相似的情況，在這種情況下選擇任何一個已知無線傳播模型都會帶來難以估計的誤差。

發明內容
本發明提供一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的實現方法，使得不需要使用傳統的校正方法而直接使用現有的模型庫得到目標區域的無線傳播模型。此外，本發明還提供了一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的生成系統。為了實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案a、一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的實現方法，該方法包括將已知無線傳播模型組成傳播模型庫；
b、計算已知無線傳播模型所對應的灰度矩陣下標i代表第i個無線傳播模型；C、計算目標區域的灰度矩陣Y ；d、尋找&與Y相似度的最大值，如果大于設定的閾值，則將此&對應的傳播模型作為目標區域的傳播模型，否則執行步驟e ；e、基于加權平均算法求解灰度矩陣τΡ并計算τ、和灰度矩陣Y的相似度，如果相似度大于設定閾值，將τ、所對應的無線傳播模型作為目標區域的無線傳播模型，否則考慮下一個加權灰度矩陣繼續執行步驟e。根據本發明一優選實施例，在步驟a中，模型庫中的模型所代表的典型場景屬于地形或者建筑風格較為單一的場景，且這些場景對應的電子地圖形狀皆為矩形。根據本發明一優選實施例，在步驟b中，模型庫已知傳播模型對應的灰度矩陣Xi 的生成具體方法如下bl、依據所選無線傳播模型的電子地圖，確定該模型地物類型和對應的路徑損耗值；b2、考慮不同的地物類型對應不同的路徑損耗值，將路徑損耗值的大小映射為圖像中灰度值的大小，路徑損耗大的區域映射為灰度圖像深色的區域，路徑損耗小的區域映射為灰度圖像淺色的區域；b3、設該模型庫最大的地形路徑損耗值對應為灰度值255，最小的地形路徑損耗值對應為灰度值0，并求得其他地形對應的灰度值；b4、設定已知無線傳播模型的電子地圖分辨率為mXn，然后設定比例尺rl、r2用于確定灰度矩陣的大小，并由此得到灰度矩陣&。所述步驟b4，不同的無線傳播模型生成的灰度矩陣&大小應一致，具體包括b41、所選擇的電子地圖的大小一致；b42、通過選擇合適的比例尺，使各灰度矩陣的長度一致，寬度也一致。根據本發明一優選實施例，在步驟c中，目標區域對應的灰度矩陣Y的生成具體方法如下Cl、依據目標區域的電子地圖，確定目標區域對應的地物類型及其路徑損耗值；c2、將目標區域電子地圖中路徑損耗值映射為圖像中的灰度值，路徑損耗大的區域映射為灰度圖像深色的區域，路徑損耗小的區域則映射為灰度圖像淺色的區域；c3、已知模型庫最大的地形路徑損耗值對應為灰度值255，最小的地形路徑損耗值對應為灰度值0，求得目標區域所有地形路徑損耗值對應的灰度值；c4、設定目標區域電子地圖分辨率為MXN，然后設定比例尺Rl、R2用于確定灰度矩陣的大小，并由此得到灰度矩陣Y。所述步驟c4，生成的灰度矩陣的大小應和模型庫中無線傳播模型對應的灰度矩陣一致，具體包括c41、將目標區域的電子地圖向周圍區域外擴形成矩形；c42、設定比例尺Rl、R2，使目標區域的灰度矩陣大小和模型庫中已知模型對應的灰度矩陣大小一致；c43、若目標區域的電子地圖的大小比模型庫中已知傳播模型的電子地圖大若干倍以上，則將目標區域進行分片，分片后使得各片區的電子地圖的大小和模型庫中已知模型對應的電子地圖接近，同時對分片后的各片區重復步驟c41、c42。根據本發明一優選實施例，在步驟e中，灰度矩陣&由模型庫無線傳播模型對應的灰度矩陣\、\、X3加權平均得到，\、\、X3選擇依據方法如下el、設定閾值，讀取步驟d相似度的計算結果，將小于閾值的相似度對應的無線傳播模型除去；e2、將模型庫剩下的模型進行分組，統計各電子地圖中所占比重最大的地物類型， 將統計結果相同的模型歸為一組；e3、統計占目標區域電子地圖比重最大的3種地物類型；e4、分別從此3種地物類型對應的3個無線傳播模型分組中各取一個傳播模型，按相似度從大到小的順序選取，從而確定對應的灰度矩陣Xp &、x3。根據本發明一優選實施例，在步驟e中，確定加權平均所需的灰度矩陣&、X2、X3 后，需要在一定約束范圍內尋找最優的權值，使加權平均得到的灰度矩陣τ、和γ的相似度達到最大。所述基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的生成系統包括無線傳播模型庫模塊，該模塊用于存儲典型場景下校正得到的已知無線傳播模型的參數以及對應的矩形電子地圖和路徑損耗信息；模型庫灰度矩陣生成模塊，該模塊將電子地圖的路徑損耗值和圖像中的灰度值映射后，形成灰度矩陣；目標區域灰度矩陣生成模塊，該模塊具有將目標區域外擴成矩形區域以及將過大的電子地圖分片的功能，然后將目標區域各地形的路徑損耗值映射成圖像中的灰度值，形成灰度矩陣；基于選擇的傳播模型實現模塊，該模塊將導入的目標區域灰度矩陣和模型庫灰度矩陣做相似度運算，搜索出最大的相似度然后和模塊預先設定的閾值作比較，對于大于閾值的情況，直接導出最為相似的已知無線傳播模型，需要特別說明的是，基于選擇的方式屬于加權平均的一種特殊情況，此時參與加權平均的對象個數為1個，權值也為1 ；基于加權平均的傳播模型實現模塊，該模塊直接導出基于選擇的傳播模型實現模塊的結果，若無結果則開啟加權平均功能，從加權灰度矩陣和目標區域灰度矩陣相似度計算的結果中選取最優加權矩陣，和預先設定的閾值作比較，對于大于閾值的情況輸出加權后的無線傳播模型作為目標區域無線傳播模型。根據本發明一優選實施例，所述無線傳播模型庫模塊還包含擴充子模塊，一旦出現某目標區域和模型庫內所有模型地物類型分布相似度過低，小于設定閾值的情況，將該目標區域作為典型場景之一進行傳統的模型校正，然后存入無線傳播模型庫模塊。


圖1是本發明所述的無線傳播模型生成系統的示意框圖；圖2是本發明所述的無線傳播模型的實現方法流程圖；圖3是本發明所述已知無線傳播模型對應的灰度矩陣\的生成方法流程圖；圖4是本發明所述目標區域對應的灰度矩陣Y的生成方法流程圖；圖5為采用選擇和加權平均的方法得到目標區域無線傳播模型的流程具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。圖1是本發明所述的無線傳播模型生成系統的示意框圖。如圖1所示，該系統可以利用已有的無線傳播模型庫產生貼近真實傳播環境的無線傳播模型。該系統包括無線傳播模型庫模塊11，模型庫灰度矩陣生成模塊12，目標區域灰度矩陣生成模塊13，基于選擇的傳播模型實現模塊14，基于加權平均的傳播模型實現模塊15。無線傳播模型庫模塊11用于記錄已知的無線傳播模型以及它們對應的矩形電子地圖，其中電子地圖需要包括地物類型的信息和每個地物類型對應的路徑損耗的信息，并且該模塊記錄的模型數量是可增加的，該模塊還具有擴充子模塊111。擴充子模塊111用于記錄新的無線傳播模型，由于模型庫剛建立，涉及的地物類型可能比較單一，目標區域的地物類型在電子地圖的分布和模型庫已知模型對應的地物類型分布存在不相似的情況，需要將經過傳統方法校正得到的目標區域無線傳播模型存入模型庫，豐富模型庫模型的種類，并擴大模型庫的適用范圍。所述無線傳播模型庫模塊11記錄的電子地圖如果不是矩形，需要重新考慮電子地圖的覆蓋范圍，根據已知無線傳播模型對應的測試數據，新的電子地圖在滿足矩形的條件下必須覆蓋所有的測試數據，這樣保證了電子地圖的矩形形狀，同時也保證了對應的無線傳播模型參數不變。模型庫灰度矩陣生成模塊12將電子地圖的路徑損耗值和圖像中的灰度值映射后，產生已知無線傳播模型灰度矩陣&，矩陣中的每一元素大小均和該元素對應的地形有關。目標區域灰度矩陣生成模塊13將目標區域各地形的路徑損耗值映射成圖像中的灰度值，形成目標區域灰度矩陣Y。所述目標區域灰度矩陣生成模塊13對目標區域不是矩形區域的情況進行處理， 將目標區域向周圍區域外擴形成矩形，另一個功能是相對于模型庫的已知傳播模型而言， 將過大的目標區域進行分片，使每一片區的大小和模型庫已知傳播模型對應的區域大小接近。基于選擇的傳播模型實現模塊14將導入的目標區域灰度矩陣和模型庫灰度矩陣做相似度運算，搜索出最大的相似度然后和模塊預先設定的閾值β ！作比較，對于大于閾值 β ！的情況，直接導出最為相似的已知無線傳播模型。基于加權平均的傳播模型實現模塊15直接導出基于選擇的傳播模型實現模塊的結果，若模塊14無輸出結果則開啟加權平均功能，從加權灰度矩陣和目標區域灰度矩陣相似度計算的結果中選取最優加權矩陣，和預先設定的閾值日2作比較，對于大于閾值日2的情況輸出加權后的無線傳播模型作為目標區域無線傳播模型。圖2是所述的無線傳播模型的實現方法流程圖。如圖2所示，該流程包括步驟201，將一些典型場景下校正得到的已知無線傳播模型組成傳播模型庫，庫中的模型可對其他場景的模型起到參考作用。步驟202，根據無線傳播模型庫中已知的傳播模型所對應的電子地圖生成灰度矩陣&，下標i代表模型庫中的第i個已知傳播模型，灰度矩陣&起到模板的作用，每一個灰度矩陣對應一個無線傳播模型。步驟203，對于要建立無線傳播模型的目標區域，計算該區域對應的灰度矩陣Y。步驟204，基于選擇的方式確定目標區域的無線傳播模型，具體做法為，在模型庫中尋找&與Y相似度的最大值Rmax，如果大于設定的閾值，則將該\對應的傳播模型作為目標區域的傳播模型。步驟205，判斷步驟204是否成功選定目標區域的無線傳播模型，是則直接結束本流程，否則執行步驟206。步驟206，基于加權平均算法確定目標區域的無線傳播模型，具體做法為，采用加權平均算法求解灰度矩陣下標j代表滿足所設條件集合c的元素標號，并計算τ、和灰度矩陣υ的相似度R' j,如果R' j大于設定閾值β 2，則將τ、所對應的無線傳播模型作為目標區域的無線傳播模型，如果出現小于或者等于的情況，考慮滿足集合c的下一個加權灰度矩陣，重復執行步驟206。請參見圖3，圖3是所述模型庫中無線傳播模型對應的灰度矩陣\的生成方法流程圖。如圖3所示，該流程包括在步驟301，依據所選無線傳播模型的電子地圖，確定該模型地物類型和地物類型的路徑損耗值。在步驟32，考慮不同的路徑損耗值對應的灰度值，將路徑損耗值的大小映射為圖像中灰度值的大小，路徑損耗大的區域映射為灰度圖像深色的區域，路徑損耗小的區域映射為灰度圖像淺色的區域。在步驟303，設模型庫已知模型對應的電子地圖分辨率為mXn，然后設定比例尺為 rl、r2。在步驟304，設該模型庫地物類型最大的路徑損耗值對應為灰度值255，最小的路徑損耗值對應為灰度值0，電子地圖各點對應的灰度值為
Clutter Lossjj - Clutter Loss - 、 g -(-=——‘1-=———)χ 255
,XJ Clutter 一 Loss醒-Clutter _ Lossmia其中，Clutter_L0SSij為電子地圖(i，j)點處對應的路徑損耗，Clutter_LoSSmin為模型庫中的最小路徑損耗，Clutter_L0Siimax為該模型庫中的最大路徑損耗，^xj代表電子地圖第i行第j列的元素的灰度值。步驟305，確定得到灰度矩陣\的大小為
WYl(mrUxnr2i) = ( — x — 」代表向下取整；其中，下標i代表第i個經典場景，下標rl、r2代表所設比例尺的數值。所述步驟305，目的是使灰度矩陣\的大小一致，具體需要所選擇的電子地圖的大小盡可能一致；通過選擇合適的比例尺rl、r2，使各灰度矩陣的長度一致，寬度也一致。步驟306，灰度矩陣&中每個元素的大小由電子地圖對應位置大小為rl Xr2的子矩陣得到，其值為子矩陣所有元素的期望值，并將所有灰度矩陣&記錄下來，方便后續步驟使用。所述步驟306，灰度矩陣\具體實現形式為
權利要求
1.一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的實現方法，其特征在于，該方法包括a、將已知無線傳播模型組成傳播模型庫；b、計算已知無線傳播模型所對應的灰度矩陣&，下標i代表第i個無線傳播模型； C、計算目標區域的灰度矩陣Y;d、尋找&與Y相似度的最大值，如果大于設定的閾值，則將此&對應的傳播模型作為目標區域的傳播模型，否則執行步驟e ；e、基于加權平均算法求解灰度矩陣τν并計算τ、和灰度矩陣Y的相似度，如果相似度大于設定閾值，將τ、所對應的無線傳播模型作為目標區域的無線傳播模型，否則考慮下一個加權灰度矩陣繼續執行步驟e。
2.根據權利要求1所述的無線傳播模型實現方法，其特征在于，所述模型庫中的模型所代表的典型場景屬于地形或者建筑風格較為單一的場景，且這些場景對應的電子地圖形狀皆為矩形。
3.根據權利要求1所述的無線傳播模型實現方法，其特征在于，所述步驟b中，模型庫已知無線傳播模型對應的灰度矩陣&的生成具體方法如下bl、依據所選無線傳播模型的電子地圖，確定該模型地物類型和對應的路徑損耗值； b2、考慮不同的地物類型對應不同的路徑損耗值，將路徑損耗值的大小映射為圖像中灰度值的大小，路徑損耗大的區域映射為灰度圖像深色的區域，路徑損耗小的區域映射為灰度圖像淺色的區域；b3、設路徑損耗和圖像的灰度值成正比，該模型庫最大的地形路徑損耗值對應為灰度值255，最小的地形路徑損耗值對應為灰度值0，并求得其他地形對應的灰度值；b4、設定已知無線傳播模型的電子地圖分辨率為mXn，然后設定比例尺rl、r2用于確定灰度矩陣的大小，并由此得到灰度矩陣&。
4.根據權利要求3所述的無線傳播模型實現方法，其特征在于，所述步驟b4中，不同的無線傳播模型生成的灰度矩陣X，大小應一致，具體包括b41、所選擇的電子地圖的大小一致；b42、通過選擇合適的比例尺，使各灰度矩陣的長度一致，寬度也一致。
5.根據權利要求1所述的無線傳播模型實現方法，其特征在于，所述步驟c當中，目標區域對應的灰度矩陣Y的生成具體方法如下Cl、依據目標區域的電子地圖，確定目標區域對應的地物類型及其路徑損耗值； c2、將目標區域電子地圖中路徑損耗值映射為圖像中灰度值，路徑損耗大的區域映射為灰度圖像深色的區域，路徑損耗小的區域則映射為灰度圖像淺色的區域；c3、已知模型庫最大的地形路徑損耗值對應為灰度值255，最小的地形路徑損耗值對應為灰度值0，求得目標區域所有地形路徑損耗值對應的灰度值；c4、設定目標區域電子地圖分辨率為MXN，然后設定比例尺Rl、R2用于確定灰度矩陣的大小，并由此得到灰度矩陣Y。
6.根據權利要求5所述的無線傳播模型實現方法，其特征在于，所述步驟c4中，生成的灰度矩陣的大小應和模型庫中無線傳播模型對應的灰度矩陣一致，采用如下步驟c41、將目標區域的電子地圖向周圍區域外擴形成矩形；c42、設定比例尺Rl、R2，使目標區域的灰度矩陣大小和模型庫中已知模型對應的灰度矩陣大小一致；c43、若目標區域的電子地圖的大小比模型庫中的傳播模型對應的電子地圖大若干倍以上，則將目標區域進行分片，分片后使得各片區的電子地圖的大小和模型庫中已知模型對應的電子地圖接近，同時對分片后的各片區重復步驟c41、c42。
7.根據權利要求1所述的無線傳播模型實現方法，其特征在于，在步驟e中，灰度矩陣 Zj由模型庫無線傳播模型對應的灰度矩陣Xp X2> X3加權平均得到，X1^ X2> X3選擇依據方法如下el、設定閾值，讀取步驟d相似度的計算結果，將小于閾值的相似度對應的無線傳播模型除去；e2、將模型庫剩下的模型進行分組，統計各電子地圖中所占比重最大的地物類型，將統計結果相同的模型歸為一組；e3、統計占目標區域電子地圖比重最大的3種地物類型；e4、分別從此3種地物類型對應的3個無線傳播模型分組中各取一個傳播模型，按相似度從大到小的順序選取，從而確定對應的灰度矩陣
8.根據權利要求1所述的無線傳播模型實現方法，其特征在于，在所述步驟e當中，確定加權平均所需的灰度矩陣&、&、&后，需要在一定約束范圍內尋找最優的權值，使加權平均得到的灰度矩陣\和Y的相似度達到最大。
9.一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的生成系統，其特征在于，所述生成系統包括無線傳播模型庫模塊，該模塊用于存儲典型場景下校正得到的已知無線傳播模型的參數以及對應的矩形電子地圖和路徑損耗信息；模型庫灰度矩陣生成模塊，該模塊用于將電子地圖的路徑損耗值映射為圖像中的灰度值，生成灰度矩陣；目標區域灰度矩陣生成模塊，該模塊用于將目標區域各地形的路徑損耗值映射成圖像中的灰度值，生成灰度矩陣；同時具有將目標區域外擴成矩形區域和將目標區域對應的過大電子地圖分片的功能；基于選擇的傳播模型實現模塊，該模塊將導入的目標區域灰度矩陣和模型庫包含的各灰度矩陣做相似度運算，搜索出最大的相似度和模塊預先設定的閾值作比較，對于大于閾值的情況，直接導出相似度最大的已知無線傳播模型，需要特別說明的是，基于選擇的方式屬于加權平均的一種特殊情況，此時參與加權平均的對象個數為1個，權值也為1 ；基于加權平均的傳播模型實現模塊，該模塊直接導出基于選擇的傳播模型實現模塊的結果，若無結果則開啟加權平均功能，從加權灰度矩陣和目標區域灰度矩陣相似度計算的結果中選取最優加權矩陣，和預先設定的閾值作比較，對于大于閾值的情況輸出加權后的無線傳播模型作為目標區域無線傳播模型。
10.根據權利要求9，其特征在于，所述的無線傳播模型庫模塊還包含擴充子模塊，該模塊用于當某目標區域和模型庫內所有模型地物類型分布的相似度過低時，將該目標區域作為典型場景之一進行傳統的模型校正，然后存入無線傳播模型庫模塊。
全文摘要
本發明公開了一種基于灰度矩陣和加權平均的無線傳播模型的實現方法及系統，該方法包括a.將已知無線傳播模型組成傳播模型庫；b.計算已知無線傳播模型所對應的灰度矩陣Xi，下標i代表第i個無線傳播模型；c.計算目標區域的灰度矩陣Y；d.尋找Xi與Y相似度的最大值，如果大于設定的閾值，則將此Xi對應的傳播模型作為目標區域的傳播模型，否則執行步驟c；e.基于加權平均算法求解灰度矩陣Zj，并計算Zj和灰度矩陣Y的相似度，如果相似度大于設定閾值，將Zj所對應的無線傳播模型作為目標區域的無線傳播模型，否則考慮下一個加權灰度矩陣繼續執行步驟e。本發明解決了現有無線傳播模型校正對實測數據的依賴性的問題，降低復雜度的同時也保證結果的準確性。
文檔編號H04B17/00GK102547770SQ201210077890
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者于得水, 張殿寶, 張皎, 徐春秀, 欒林林, 武穆清, 王婷婷, 胡騫, 賀媛, 賈貴源, 趙敏, 鄒鵬, 鄭倩倩, 郭嵩 申請人:北京郵電大學