萬 航，許 睿，黃小雪，李 林，謝志文

(1.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林 541004;2.桂林市環(huán)保科研所，廣西桂林 541002)

隨著移動(dòng)設(shè)備的不斷發(fā)展，智能移動(dòng)終端應(yīng)用程序的開發(fā)也呈現(xiàn)了很大的發(fā)展空間。針對(duì)無線通信系統(tǒng)中無線信號(hào)傳輸過程的衰減問題，提出了一種基于GIS和Android的便攜式無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)采集儀設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)合GPS與基站定位技術(shù)能夠準(zhǔn)確地給出用戶當(dāng)前的地理位置，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)當(dāng)前位置的電波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)提取，為以后的基站優(yōu)化工作提供數(shù)據(jù)支持［1］。

結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)字地形分析技術(shù)，根據(jù)實(shí)地區(qū)域信號(hào)傳播路徑，選取合理的區(qū)域電波采集點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間位置和空間電波強(qiáng)度的精確采集［2］。

1 研究方法

1.1 技術(shù)路線

基于GIS和Android的便攜式無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)采集儀設(shè)計(jì)，結(jié)合Android軟件開發(fā)原理，通過電波信號(hào)強(qiáng)度與空間距離的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對(duì)空間中的無線電波進(jìn)行精確的采集，為以后的基站優(yōu)化工作提供數(shù)據(jù)支持［3］。具體研究步驟如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 研究步驟

Android系統(tǒng)是一種以Linux為基礎(chǔ)的開源操作系統(tǒng)，主要用于便攜設(shè)備。它采用軟件堆層(software stack)(又名軟件疊層)的架構(gòu)［4－6］。Android操作系統(tǒng)自底向上分為4層，依次為L(zhǎng)inux內(nèi)核層、運(yùn)行庫(kù)層、應(yīng)用程序框架層和應(yīng)用程序?qū)?。本系統(tǒng)架構(gòu)基于運(yùn)行庫(kù)層、應(yīng)用層和應(yīng)用程序?qū)舆M(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件采用C/S架構(gòu)，主要由客戶端和服務(wù)器端組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

1.3 主要關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:基站信號(hào)強(qiáng)度的獲取、用戶當(dāng)前所在空間位置的獲取以及信號(hào)采集路徑的最佳匹配方案。

1)基站信號(hào)強(qiáng)度的獲取

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

Android系統(tǒng)下的軟件開發(fā)首先需要為應(yīng)用程序申請(qǐng)足夠的權(quán)限，以便程序執(zhí)行時(shí)能夠無礙地訪問系統(tǒng)資源。因?yàn)榭臻g電波信號(hào)強(qiáng)度的變化，屬于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，需要向系統(tǒng)申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化監(jiān)聽權(quán)限，因此需要在AndroidManifest.xml文件中為軟件申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變時(shí)的使用權(quán)限，然后實(shí)現(xiàn)用于監(jiān)聽信號(hào)強(qiáng)度變化事件的監(jiān)聽器。使用TelephonyManager訪問設(shè)備的通話通信服務(wù)相關(guān)信息，最后在應(yīng)用程序中使用TelephonyManager類提供的listen方法來獲取通話通信服務(wù)信息以及狀態(tài)信息，通過MyPhoneStateListener類監(jiān)聽空間電波信號(hào)強(qiáng)度的變化信息，最后通過重寫onSignalStrengthsChanged()方法來實(shí)現(xiàn)自己的監(jiān)聽器。在實(shí)現(xiàn)MyPhoneStateListener之后，需要在Activity的onCreate()方法中實(shí)例化該listener并注冊(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)值顯示。

在移動(dòng)通信網(wǎng)中，電波信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨傳播距離的增加而變化，這種變化在自由空間中的傳播模型為

式中:k為路徑衰減因子，在2～5之間;d為距離信源的距離，單位為km;f為頻率，單位為MHz。根據(jù)式(1)，模擬計(jì)算采集點(diǎn)信號(hào)衰減值與實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)記錄，為后續(xù)衰減修正提供數(shù)據(jù)支持。

2)空間位置的獲取

用戶當(dāng)前所在空間位置的獲取采用混合無線輔助GPS定位技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了基于GPS的精確定位技術(shù)和基于基站的網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。在室外無遮蓋地區(qū)，可以利用GPS定位來獲得精確的地理空間位置。在城市地形復(fù)雜區(qū)域可以利用基站密集的優(yōu)勢(shì)，利用智能化算法，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的精確定位［7］。

基于基站信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)定位，首先，需要調(diào)用手機(jī)協(xié)議棧函數(shù)，獲取當(dāng)前服務(wù)小區(qū)和鄰近小區(qū)的CellID;移動(dòng)號(hào)碼MNC;移動(dòng)國(guó)家號(hào)碼MCC;位置區(qū)碼LAC;接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI，至少其中的三組數(shù)據(jù);其次，通過HTTP協(xié)議，將上述的小區(qū)信息轉(zhuǎn)換成小區(qū)經(jīng)緯度;然后，通過無線電波路徑損耗理論公式，將RSSI值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的距離;最后，運(yùn)用三角定位算法，選取三組小區(qū)的坐標(biāo)信息和距離［8］，算出手機(jī)當(dāng)前位置。

Android系統(tǒng)下，基于地圖的應(yīng)用開發(fā)，可以通過My-LocationOverlay類來獲取并顯示當(dāng)前的位置和方向。My-LocationOverlay類是一個(gè)專門設(shè)計(jì)用來在MapView中顯示當(dāng)前位置和方向的類。使用MyLocationOverlay類時(shí)需要在AndroidManifest.xml中添加允許獲取粗略位置，以及允許獲取精確位置的權(quán)限。代碼首先需要構(gòu)造MyLocationOverlay對(duì)象，通過調(diào)用enableCompass()方法打開指南針進(jìn)行位置方向的顯示，調(diào)用enableMyLocation()方法顯示當(dāng)前位置信息。接著調(diào)用runOnFirstFix()方法并另起一線程用于后臺(tái)獲取當(dāng)前位置信息，當(dāng)位置確定后調(diào)用MapController對(duì)象的animateTo()方法移動(dòng)到當(dāng)前位置。最后通過將構(gòu)造好的MyLocationOverlay對(duì)象添加到Map-View上，以實(shí)現(xiàn)最終的顯示工作。

3)信號(hào)采集路徑的最佳匹配

信號(hào)采集路徑的最佳匹配方案實(shí)際上就是根據(jù)城市道路環(huán)境和自身最優(yōu)化目標(biāo)采取合適的算法，在一個(gè)仿真步長(zhǎng)里完成最佳路徑的尋找問題。在城市道路環(huán)境中，采取Floyd算法實(shí)現(xiàn)最佳路徑的搜索［9］，在野外通過改進(jìn)Floyd算法，以高程變化值作為可達(dá)性判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)野外最短可達(dá)路徑的判斷。

算法實(shí)現(xiàn)，首先初始化起點(diǎn)—終點(diǎn)“距離”矩陣D，矩陣中的值dij表示節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的“距離”，若i到j(luò)無路可走，dij就為無窮大，此時(shí)dii為0。然后固定節(jié)點(diǎn)k，把所有i到j(luò)且經(jīng)過k的“距離”找出來，當(dāng)dik+dkj較小時(shí)，dik+dkj就是最短距離。用最佳路徑矩陣P(初始值pij=i)接收k值，pij=k表示從i到j(luò)的最佳路徑中，離j點(diǎn)最近的上一個(gè)點(diǎn)為k。最后從矩陣P中得出最佳路徑上的節(jié)點(diǎn)，在PC機(jī)上滿足城市道路交通網(wǎng)的情況下，建立模型實(shí)現(xiàn)最佳路徑的求解，仿真得到各節(jié)點(diǎn)的地理空間位置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集路徑的最佳匹配。

2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

本文人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)采用Android SDK提供的布局控件，以及Google提供的高級(jí)應(yīng)用控件，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。軟件客戶端主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能:1)采樣點(diǎn)當(dāng)前位置經(jīng)緯度的定位;2)采樣點(diǎn)位置的空間與外界環(huán)境數(shù)據(jù)獲取;3)當(dāng)前位置信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè);4)從服務(wù)器獲取采樣點(diǎn)路徑預(yù)判。軟件服務(wù)器端，提供采集點(diǎn)地理環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基站的信號(hào)衰減模擬計(jì)算，同時(shí)能夠收集并記錄上傳采集點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各基站信號(hào)衰減情況，為基站覆蓋優(yōu)化提供決策支持依據(jù)。

利用手機(jī)終端，數(shù)據(jù)采集人員對(duì)小區(qū)中基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度信息與空間環(huán)境信息進(jìn)行了多點(diǎn)實(shí)時(shí)采集與匯總，部分測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 電波場(chǎng)強(qiáng)與空間環(huán)境監(jiān)測(cè)(截圖)

其中，Map部分中的當(dāng)前位置顯示能夠根據(jù)用戶的實(shí)際測(cè)量位置，進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤定位，當(dāng)點(diǎn)擊Map中的“我”當(dāng)前位置按鈕時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)要求進(jìn)行位置圖層的切換，以實(shí)現(xiàn)地理空間環(huán)境的直觀顯示。當(dāng)點(diǎn)擊軟件中的Map＆Signal按鈕時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)Ξ?dāng)前空間中的空間電波信號(hào)強(qiáng)度和空間位置經(jīng)緯度信息進(jìn)行一次實(shí)時(shí)記錄，以滿足后續(xù)基站優(yōu)化工作的數(shù)據(jù)查找與計(jì)算要求。

根據(jù)需求用戶可以通過3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地把系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)終端的服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯總。同時(shí)根據(jù)用戶上傳的實(shí)時(shí)多點(diǎn)數(shù)據(jù)，基站優(yōu)化人員可以在任何一臺(tái)具有網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)終端上，下載系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS的空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)字地形分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析提取，最終結(jié)合適當(dāng)?shù)男盘?hào)衰減與信號(hào)傳播模型，通過仿真建立基站信號(hào)覆蓋范圍分布圖［10－11］。當(dāng)前基站所發(fā)射信號(hào)的覆蓋范圍如圖4所示?；靖采w范圍內(nèi)的區(qū)域直線高程地貌如圖5所示。

由實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，受地形因素的影響，所測(cè)基站未能實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)電波信號(hào)的完全覆蓋。為實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)電波信號(hào)的覆蓋，可以根據(jù)實(shí)際需求，抬高基站的坐地位置，實(shí)現(xiàn)高空電波信號(hào)的傳輸;同時(shí)可以在信號(hào)無覆蓋區(qū)域，建立分布式小功率基站，實(shí)現(xiàn)小范圍的信號(hào)傳播覆蓋。

測(cè)試和初步應(yīng)用效果表明:該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、便攜、界面操作簡(jiǎn)單，且不受有線網(wǎng)絡(luò)的限制，初步應(yīng)用中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較好，較為適合在基站建設(shè)過程中獲取數(shù)據(jù)信息。

3 結(jié)論

圖4 信號(hào)覆蓋范圍

圖5 直線高程地貌(截圖)

本文所述的基于GIS和Android的便攜式信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)采集儀，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)強(qiáng)度采集、城市環(huán)境空間信息采集和數(shù)據(jù)匯總等功能，具有便攜、數(shù)據(jù)傳輸速度快、操作簡(jiǎn)單和信息采集多樣化等特點(diǎn)。用戶能夠?qū)臻g地理信息和空間電波信息進(jìn)行實(shí)時(shí)多地的采集、上報(bào)和匯總，同時(shí)，基站優(yōu)化人員能夠結(jié)合適當(dāng)?shù)碾姴ㄋp傳播模型，對(duì)基站電波信號(hào)的覆蓋范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。方案中采用了Android智能手機(jī)操作系統(tǒng)，具有較好的開放性和兼容性。

4 展望

作為一個(gè)典型案例，該系統(tǒng)已經(jīng)在“基于GIS技術(shù)的無線電信號(hào)覆蓋優(yōu)化系統(tǒng)”項(xiàng)目中得到了初步的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)能夠?qū)z測(cè)點(diǎn)的空間地理信息和空間電波信息進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的提取，能夠?yàn)榛緝?yōu)化人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，有著良好的開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然作為仍處于開發(fā)測(cè)試階段的應(yīng)用系統(tǒng)，其本身還存在一些問題，需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善才能更好地滿足用戶的實(shí)際需求。

目前，本系統(tǒng)僅對(duì)單一的3G網(wǎng)絡(luò)中的電波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)提取，對(duì)于國(guó)內(nèi)不同的3G網(wǎng)絡(luò)，仍需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化完善，來擴(kuò)大測(cè)試范圍。同時(shí)對(duì)于電池續(xù)航以及Android系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，需研究提出相應(yīng)的解決方案，以便提高測(cè)試系統(tǒng)自身的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

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