一种面向复杂城市电磁环境的三维频谱态势补全方法与流程

本发明涉及无线电地图生成，尤其涉及一种面向复杂城市电磁环境的三维频谱态势补全方法。

背景技术：

1、随着无线通信行业快速发展，无线电、雷达等电子设备形成了动态、复杂、多维的电磁环境，多元化的无线数据传输业务导致用频设备增加、用频冲突概率激增。为了合理分配频谱资源，以保障各用频单元的业务与控制信号在传输过程中获得安全可靠的无线通信链路，需要构建可以反映在不同维度空间的接收信号强度分布的无线电地图（radioenvironment map, rem），以实现电磁环境的可视化与精细化管理。

2、现有rem构建方法主要为模型驱动和数据驱动两类。模型驱动的方法依靠电磁传播理论，用先验的知识来推测出目标地区频谱状态分布，但很难创建出普遍适用的信号传播模型，且容易受到城市等复杂背景中非视距传播的影响。数据驱动方法借助空间插值或者机器学习技术，从稀疏的测量集中重建完整的信号图，传统的空间插值法如kriging、idw等受到传感器部署密度与定位精度影响，在稀疏监测网络中容易出现过平滑的问题，而典型的gan、gnn等机器学习技术对于采样点的空间分布和测量噪音的存在表现出强敏感性。大多数现有研究集中于二维rem构建，随着空-空-地一体化网络的发展，频谱情况已从二维空间扩展到三维空间，单一水平切片的二维频谱地图已无法准确描述立体空间内的电磁态势。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种面向复杂城市电磁环境的三维频谱态势补全方法，可依据稀疏监测数据和城市地图信息补全三维频谱态势，为认知无线电频谱共享、基站布局选址和低空场景中的三维无线电环境地图构建提供数据基础。

2、技术方案：一种面向复杂城市电磁环境的三维频谱态势补全方法，包括以下步骤：

3、获取按水平网格和高度层组织的完整三维频谱态势训练数据；

4、根据目标区域的建筑物空间分布生成三维建筑物掩码和用于标识可采样网格的有效性掩码，在水平面的可采样网格中生成二维采样掩码，将二维采样掩码沿高度维广播并与有效性掩码结合，得到三维采样掩码及与其对应的稀疏三维频谱态势；

5、分别对同一高度层的稀疏三维频谱态势、三维采样掩码和三维建筑物掩码进行特征提取和层内融合，并对不同高度层的层内融合特征进行跨高度层融合，得到条件特征；

6、对完整三维频谱态势训练数据加噪，以所加入的噪声作为监督目标，基于条件特征和加噪后的完整三维频谱态势训练噪声预测网络；

7、按照与训练阶段相同的条件特征生成方式处理目标区域的实际稀疏三维频谱态势、实际采样位置和建筑物空间分布，以随机噪声张量为起点，利用训练后的噪声预测网络在条件特征约束下执行反向去噪，输出完整三维频谱态势。

8、进一步地，获取按水平网格和高度层组织的完整三维频谱态势训练数据，包括：

9、获取目标区域的历史完整三维频谱态势数据，或者利用仿真软件获得目标区域的经验完整三维频谱态势数据；

10、按照预设水平网格分辨率对完整三维频谱态势数据进行水平网格划分，并在垂直方向选取多个高度层，形成以两个水平维度和一个高度维度组织的完整三维频谱态势张量；

11、对多个完整三维频谱态势张量进行组合，得到完整三维频谱态势训练数据。

12、进一步地，根据目标区域的建筑物空间分布生成三维建筑物掩码和有效性掩码，包括：

13、从目标区域的三维地图信息中提取建筑物空间分布，按照完整三维频谱态势训练数据对应的水平网格和高度层，对建筑物空间分布进行网格化处理；

14、分别对各高度层中被建筑物占据的网格和未被建筑物占据的网格进行区分标记，得到三维建筑物掩码；

15、根据三维建筑物掩码对各网格进行有效性判断，将未被建筑物占据的网格标记为有效网格，将被建筑物占据的网格标记为无效网格，得到有效性掩码。

16、进一步地，得到三维采样掩码及与其对应的稀疏三维频谱态势，包括：

17、根据预设采样率在水平面随机选取水平采样位置，根据被选取的水平采样位置生成二维采样掩码；

18、将二维采样掩码沿高度维广播至各高度层，得到广播采样掩码，将广播采样掩码与有效性掩码逐元素相乘，以排除各高度层中被建筑物占据的网格，得到三维采样掩码；

19、根据三维采样掩码对完整三维频谱态势训练数据进行掩蔽，得到稀疏三维频谱态势。

20、进一步地，得到条件特征，包括：

21、对于每一高度层，分别对该高度层的稀疏三维频谱态势、三维采样掩码和三维建筑物掩码堆叠为三通道张量，再通过独立的卷积块进行特征提取，得到对应高度层的层内融合特征；

22、将不同高度层的层内融合特征沿通道维度拼接，并对拼接后的特征依次进行通道压缩和空间特征提取，得到融合不同高度层信息且与加噪后的完整三维频谱态势的噪声特征通道数相匹配的条件特征。

23、进一步地，噪声预测网络包括结构化高度融合子网络和u-net主干网络；

24、结构化高度融合子网络用于执行层内融合和跨高度层融合，得到条件特征；

25、对加噪后的完整三维频谱态势进行卷积特征提取，得到噪声特征，将条件特征与噪声特征逐元素相加得到融合特征，并将融合特征输入u-net主干网络；

26、u-net主干网络包括编码器、瓶颈层和解码器，编码器和解码器分别包括多个分辨率层级，并在至少一个分辨率层级设置注意力机制。

27、进一步地，训练噪声预测网络，包括：

28、从完整三维频谱态势训练数据中选取完整三维频谱态势，并将高斯噪声逐步添加至选取的完整三维频谱态势，形成前向扩散过程中的加噪三维频谱态势；

29、将加噪三维频谱态势对应的条件特征、加噪三维频谱态势和扩散时间步输入噪声预测网络，得到预测噪声；

30、根据预测噪声与加入完整三维频谱态势的高斯噪声之间的均方误差确定训练损失，并根据训练损失迭代调整噪声预测网络的网络参数，直至训练损失满足收敛条件。

31、进一步地，利用训练后的噪声预测网络在条件特征约束下执行反向去噪，包括：

32、生成与待输出的完整三维频谱态势具有相同空间形状的高斯随机噪声张量，并将高斯随机噪声张量作为反向去噪的初始含噪张量；

33、按照预设步长递减扩散时间步，在每个扩散时间步将当前含噪张量、当前扩散时间步和条件特征输入训练后的噪声预测网络，得到当前扩散时间步的预测噪声；

34、根据当前含噪张量、预测噪声和当前扩散时间步对应的累计噪声保留比例，确定当前扩散时间步的去噪数据估计值；

35、在未达到终止时间步时，根据去噪数据估计值、预测噪声和下一扩散时间步对应的累计噪声保留比例，生成下一扩散时间步的含噪张量；在达到终止时间步时，将得到的去噪数据作为完整三维频谱态势输出。

36、本发明还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现上述的面向复杂城市电磁环境的三维频谱态势补全方法。

37、本发明还提供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上述的面向复杂城市电磁环境的三维频谱态势补全方法。

38、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的面向复杂城市电磁环境的三维频谱态势补全方法。

39、有益效果：本发明根据目标区域的建筑物空间分布确定可采样网格，在水平面生成二维采样掩码并沿高度维广播形成三维采样约束，使稀疏观测位置与复杂城市环境中的建筑物分布及实际采集方式相匹配；通过对各高度层的稀疏频谱态势、采样掩码和建筑物掩码进行层内融合，并对不同高度层的层内融合特征进行跨高度层融合，能够分别提取各高度平面的水平空间特征及不同高度层之间的垂直关联特征；进一步将形成的条件特征与噪声特征融合，使实际稀疏观测信息和建筑物空间约束直接参与噪声预测及反向去噪过程，从而在无需依赖发射机位置和功率信息的情况下，实现复杂城市电磁环境中缺失频谱态势数据的三维补全。