基于仿真修正与残差传播的无线电地图外推方法及系统

本发明涉及无线通信地图构建，具体涉及基于仿真修正与残差传播的无线电地图外推方法及系统。

背景技术：

1、无线电地图能够直观表征目标区域内接收信号强度、参考信号接收功率等无线传播参数的空间分布规律，是无线网络规划、覆盖盲区排查、干扰抑制、室内高精度定位、通信网络迭代优化的核心基础数据。传统无线电地图构建依赖全域逐点实地采样，需要投入大量人力、测试设备与时间成本，对于密闭室内、高危工业区域、权限受限封闭空间等无法进入的场景完全不具备实施条件。为降低实地采样工作量，行业先后衍生出空间插值、深度学习数据驱动、射线追踪仿真三类主流无线电地图构建方案，但三类方案均存在固有缺陷：纯空间插值仅依靠点位空间距离推算未知区域信号，无法适配墙体隔断、房间分区带来的信号突变；cnn、图神经网络等数据驱动模型高度依赖足量、均匀且与目标场景匹配的训练样本，采样稀疏、存在大面积无样本连续缺失区域时极易发生过拟合、泛化能力骤降；射线追踪仿真可输出全域完整信号先验，但仿真参数与真实环境存在全局尺度偏移，同时墙体材质、局部遮挡会造成仿真与实测间的空间非均匀局部误差，仅采用统一缩放、偏移修正无法消除分区局部偏差。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本技术公开了基于仿真修正与残差传播的无线电地图外推方法及系统；其所述基于仿真修正与残差传播的无线电地图外推方法，包括以下步骤：

2、获取目标区域的建筑结构信息、发射端位置信息及局部实测数据，并基于所述建筑结构信息和所述发射端位置信息进行无线传播仿真，得到覆盖全区域的仿真数据；

3、根据所述局部实测数据的空间分布，将所述目标区域划分为已测区域和待外推区域，所述待外推区域由一个或多个连续缺失区域组成；

4、利用所述已测区域内的实测数据与对应位置的仿真数据构建线性修正模型，对全区域的所述仿真数据进行修正，得到修正后仿真数据；

5、计算所述已测区域内各实测点处的实测值与对应的修正后仿真值之间的差值，得到仿真-实测残差；

6、基于所述建筑结构信息和所述发射端位置信息，提取表征无线信号传播特性的传播状态特征，所述传播状态特征包括结构可见状态、直连线穿墙数量以及空间分区关系中的至少一种；

7、以所述已测区域内的仿真-实测残差为约束，综合空间邻近关系、所述传播状态特征的相似度以及修正后功率差异构建图模型，通过残差传播算法将所述仿真-实测残差从所述已测区域传播至所述待外推区域，得到所述待外推区域的估计残差；

8、将所述待外推区域的估计残差叠加至对应的修正后仿真数据上，并与所述已测区域的实测数据组合，生成所述目标区域的无线电地图。

9、优选的，预先在目标区域内布设均匀网格形式的若干参考点，所有参考点共同构成目标区域完整采样网格；仅部分参考点采集得到局部实测数据，对应形成已测区域；未采集到局部实测数据的参考点按照空间相邻关系聚类形成连续缺失区域，全部连续缺失区域共同构成待外推区域，满足、；单个连续缺失区域由至少两个空间相邻、无有效局部实测数据的待外推参考点组成；

10、所述无线传播仿真的执行过程包括：基于建筑结构信息搭建仿真场景，在仿真场景内录入发射端位置、频段、发射功率、天线参数、传播模型参数，采用射线追踪算法遍历全部参考点计算得到各参考点对应的仿真数据。

11、优选的，所述线性修正模型为全局统一线性变换模型，模型表达式为：

12、

13、式中，为参考点编号，为第个参考点的仿真数据，为第个参考点修正后仿真数据，为尺度系数，为全局偏置项；

14、以已测区域全部参考点的修正后仿真数据与实测数据平方误差最小为优化目标求解尺度系数、偏置项，优化目标公式为：

15、

16、式中，为第个参考点采集的实测数据，代表第个参考点属于已测区域；

17、将求解得到的尺度系数、偏置项代入线性修正模型，遍历目标区域全部参考点完成全域仿真数据修正。

18、优选的，所述仿真-实测残差仅针对已测区域内具备实测数据的参考点计算，残差计算公式为：

19、

20、式中，为第个实测参考点对应的仿真-实测残差；

21、所述仿真-实测残差用于表征线性修正后仿真数据与真实环境之间由墙体材料、局部遮挡、设备响应差异、多径扰动带来的局部数值偏差，全部已测参考点对应的残差共同组成残差数据集。

22、优选的，两两参考点间传播状态相似度通过下式计算：

23、

24、其中传播状态差异；

25、、分别为发射端至参考点、的空间距离，、为结构可见状态，、为直连线穿墙数量，、为空间分区关系，为指示函数，、为归一化参数，、、、分别为权重系数。

26、优选的，所述图模型以每个参考点作为独立图节点，仅空间邻域内的图节点之间建立连接边，两节点间连接权重计算公式为：

27、；

28、式中，、为参考点、的空间坐标，为空间距离尺度参数，为功率差尺度参数。

29、优选的，采用图拉普拉斯平滑算法求解待外推区域全部图节点的估计残差，构建残差平滑优化目标：

30、；

31、式中，为观测约束权重，为已测参考点已知残差，为图平滑约束强度，为目标全域；

32、将优化目标转换为矩阵形式后求解闭式解：，为观测约束权重对角矩阵，为图拉普拉斯矩阵，为图邻接矩阵对应的度矩阵。

33、基于仿真修正与残差传播的无线电地图外推系统，用于执行任一项所述的无线电地图外推方法，包括：

34、数据获取模块，通过获取目标区域的建筑结构信息、发射端位置信息及局部实测数据，并基于所述建筑结构信息和所述发射端位置信息进行射线追踪无线传播仿真，输出覆盖全区域所有参考点的仿真数据；

35、区域划分模块，根据局部实测数据在参考点上的分布，划分得到已测区域与由若干连续缺失区域组成的待外推区域；

36、仿真修正模块，提取已测区域内同参考点的实测数据与仿真数据，构建并求解全局线性修正模型，对全域仿真数据统一修正得到修正后仿真数据；

37、残差计算模块，遍历已测区域所有参考点，依据实测数据与修正后仿真数据计算得到各点仿真-实测残差，生成残差数据集；

38、特征提取模块，结合建筑墙体坐标、发射端与参考点几何位置，提取各参考点的结构可见状态、直连线穿墙数量、空间分区关系传播状态特征；

39、残差传播模块，以残差数据集为约束，结合空间邻近、传播状态相似度、修正后功率差异构建加权图模型，通过图拉普拉斯平滑算法求解待外推区域各参考点的估计残差；

40、地图生成模块，将待外推区域各参考点的估计残差叠加至对应修正后仿真数据，拼接待外推区域预测数据与已测区域实测数据，输出完整目标区域无线电地图。

41、一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述的基于仿真修正与残差传播的无线电地图外推方法。

42、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现任一项所述的基于仿真修正与残差传播的无线电地图外推方法。

43、相对于现有技术，本技术的技术方案具有以下技术效果：

44、本发明根据全域无线传播仿真数据构建完整空间先验，配合局部实测数据搭建全局线性修正模型，统一校准仿真数据整体尺度与数值偏移，让仿真输出的信号分布趋势贴合真实通信环境，为后续残差计算与区域外推提供基准数据，完整保留目标区域全空间信号变化规律，无需额外补充全域采样样本。

45、本发明分离全局尺度偏差与局部环境残差，单独计算各实测点位仿真实测残差，精准提取墙体材质、局部遮挡、设备响应等因素带来的局部数值差异，形成独立残差数据集，将全局修正无法消除的空间分布偏差单独量化，为待外推区域信号补偿提供精准的局部误差依据。

46、本发明提取结构可见状态、直连线穿墙数量、空间分区关系多维传播特征，量化不同点位无线传播环境差异，根据特征计算传播状态相似度，结合空间距离与仿真功率差异构建加权图模型，实现残差传播过程的物理约束，让残差传递匹配建筑隔断带来的信号衰减规律。

47、本发明采用图拉普拉斯平滑算法求解待外推区域残差，将约束后的残差叠加至修正仿真数据完成全域地图拼接，完整融合仿真全局趋势与实测局部真实偏差，自动适配大面积连续缺失区域的信号推算，输出覆盖全部目标空间且符合建筑传播规律的完整无线电地图。

48、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

49、根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。