趙　瑾，張　琳

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京　100876)

移動網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量室內(nèi)測試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

趙瑾，張琳

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100876)

目前4G無線網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋范圍的擴大，越來越多的人使用移動網(wǎng)絡(luò)進行上網(wǎng)，用戶的感知度也隨著移動網(wǎng)絡(luò)改善慢慢變好的同時對網(wǎng)絡(luò)的要求也越來要高。在這種前提下，室內(nèi)場所移動網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量也就成為運營商和用戶關(guān)注的主要區(qū)域。本文研究實現(xiàn)了室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分布測試的系統(tǒng)，研究了基于Android的移動網(wǎng)絡(luò)測試的實現(xiàn)以及行人航跡推算實現(xiàn)室內(nèi)定位的技術(shù)，對室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進行評估和實現(xiàn)。使用設(shè)計的系統(tǒng)準(zhǔn)確測試室內(nèi)環(huán)境的移動網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，并且收集測試數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理分析，得到室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分布情況。

移動網(wǎng)絡(luò)速度；室內(nèi)定位；行人航跡推算

本文著錄格式：趙瑾，張琳. 移動網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量室內(nèi)測試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J]. 軟件，2016，37（9）：12-16

0　引言

目前，伴隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及，移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展十分迅速，用戶對使用移動網(wǎng)絡(luò)進行上網(wǎng)的體驗的要求也在逐步提升。人們在室內(nèi)度過大量時間，所以室內(nèi)移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量也成為人們關(guān)心的主要區(qū)域。國內(nèi)外也出現(xiàn)了各式各樣的測試軟件，包括國外的SpeedTest[1]國內(nèi)UNOtest[2]，這些都是測速方面比較成熟的軟件，在國內(nèi)外都有比較大的使用量。它們評價網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的指標(biāo)主要包括上下行速率和時延指標(biāo).網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的呈現(xiàn)與地理位置息息相關(guān)，但是這些軟件針對室外場所GPS定位。也有人提出針對移動網(wǎng)絡(luò)測試開放性的平臺Mobilyzer[3]，搜集用戶測試網(wǎng)速的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合Google地圖給出網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分布圖。相比較之前的研究課題研究方向室內(nèi)移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋相關(guān)的研究，創(chuàng)新地提出在室內(nèi)這一特殊的不容易獲得地理位置的場所對移動網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的覆蓋進行研究。

在本文中，實現(xiàn)基于智能手機的可控室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試平臺，并提供直觀室內(nèi)移動網(wǎng)絡(luò)速度的分布。采用航位推算算法來解決室內(nèi)由于沒有GPS信號和其它室內(nèi)定位基礎(chǔ)設(shè)施造成的室內(nèi)定位問題。提出通過廣泛的實驗分析提出系統(tǒng)的可能性和局限性。通過多次實驗，證明該系統(tǒng)是實用和有效的在室內(nèi)環(huán)境中提供用戶的位置信息。

1　可控室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試平臺實現(xiàn)

可控室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試平臺是基于Android平臺開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)測試和行人航位推算的室內(nèi)定位技術(shù)的結(jié)合。在本節(jié)中，給出系統(tǒng)實現(xiàn)框架。如圖1所示，Android客戶端程序包括兩部分：移動網(wǎng)絡(luò)速度測試和室內(nèi)定位。兩部分與服務(wù)器合作，分別完成測試任務(wù)和室內(nèi)定位任務(wù)?；趯W(xué)習(xí)的大量的標(biāo)準(zhǔn)化文件和成熟的網(wǎng)速測試軟件，選擇了三個最有代表性的參數(shù)作為評價移動網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)，其中包括平均上行網(wǎng)絡(luò)速度，平均下行網(wǎng)絡(luò)速度，網(wǎng)絡(luò)延遲。為了模擬用戶上網(wǎng)過程，選擇HTTP協(xié)議作為測試方案設(shè)計Android客戶端應(yīng)用程序；選擇行人航位推算（PDR）算法作為解決室內(nèi)定位方案。智能手機通常裝備有慣性傳感器，其中用于定位的最重要的是三軸加速度計，三軸磁力計和三軸陀螺儀。利用傳感器的原始數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用到的步伐檢測和航向估計算法中。

圖1　室內(nèi)移動網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)框架Fig.1　framework of indoor network measurement

2　行人航跡推算研究

2.1行人航跡推算室內(nèi)定位算法概述

行人航位推算（PDR）算法是基于對用戶所確定的初始位置的相對定位的一種方法。利用傳感器的原始數(shù)據(jù)，并直接將其應(yīng)用到我們的步驟檢測和航向估計算法。文章中，通過手機加速度傳感器提供的數(shù)據(jù)進行對行人步伐和步長的檢測，此外，采用融合算法處理由磁力和積累陀螺儀數(shù)據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，以確定行人行走的方向，圖2是算法整體實現(xiàn)框架。

圖2　行人航跡推算室內(nèi)定位框架Fig.2　framework of pedestrians dead reckoning

2.2行人航跡推算算法實現(xiàn)

2.2.1坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

旋轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)表達式是許多技術(shù)應(yīng)用的一個關(guān)鍵課題。特別是在物理學(xué)模擬，游戲編程或幾何傳感器數(shù)據(jù)的處理。由于手機有不同的坐標(biāo)系。為了描述相對于手機局部坐系（LCS）標(biāo)在地理坐標(biāo)系（GCS）傳感器任意方向的矢量的分量，必須進行坐標(biāo)變換。

2.2.2步伐檢測

根據(jù)前文提到的內(nèi)容，行人在行走過程中，加速度計三軸的輸出波形具有周期性。并且加速度波形的周期性與當(dāng)加速度計所在的坐標(biāo)系的行人行進方向有關(guān)。具體來說,假設(shè)加速度計的Y軸是行人運動的正方向，X軸是垂直行人運動方向,也就是行人的側(cè)面方向，Z軸是重力加速度的方向，那么X，Y， Z軸的波形在行人運動的過程中都具有周期性。且Z軸的波形周期性最明顯。步頻可以基于行走期間垂直加速度的周期性信號來檢測。但是由于手機姿態(tài)的不確定性，Z軸的加速度分量會被分散到加速度的其他三個軸上所以有必要將手機局部坐標(biāo)系（LCS）下的加速度投射到地理坐標(biāo)系（GCS）下的加速度，以獲得Z軸的加速度。

其中常數(shù)分量g表示地球重力加速度（9.8m/s2）。在實際情況中，加速度的原始數(shù)據(jù)噪聲很大。因此，我們對原始數(shù)據(jù)進行低通濾波:

圖3　加速度預(yù)處理效果Fig.3　Acceleration pretreatment

為了檢測步頻，使用峰值檢測算法，如下判斷集來檢測用戶步頻使用如下判斷集（5）（6）（7）三個判斷條件來檢測用戶步頻：

2.2.3步長估計

不同行人的步長不是完全相同的，即使是相同的人，步長行走過程中顯著地變化。采用動態(tài)模型表示加速度幅度和步長之間的關(guān)系：

2.2.4方向估計

在沒有GPS信號的環(huán)境中，方向估計已被識別的方向上的最大的問題。手機上的慣性測量單元IMU可以幫助解決這個問題，但受制于在室內(nèi)環(huán)境中的各種干擾，例如，周圍的磁場的干擾，磁力不能提供精確的方向估算；當(dāng)使用者行走或在拐角轉(zhuǎn)彎后陀螺的累加錯誤。因此，分析的方向是該系統(tǒng)中的最重要的功能和模塊。融合磁力計和陀螺儀測量的方向角度來估算最終的行人行走方向。為了獲得可靠的前進方向，提出的融合算法，算法關(guān)鍵概念是在不同的條件下選擇按磁力計和陀螺儀或者是陀螺儀提供的航向，從而提供準(zhǔn)確的行人行走方向提出。在估計航向方向的四個判斷條件如下，根據(jù)在不同條件下來計算當(dāng)前方向：

圖4　方向估計Fig.4　Heading estimation

2.2.5位置估計

根據(jù)2, 3，4小節(jié)得到的步頻事件，步長估計和行人行走方向的判斷，行人下一個位置可以依據(jù)已經(jīng)確定位置來計算，表示如下：

其中tX是t時刻的位置,stepl是步長，tθ是t時刻的方向。

3　測試平臺性能分析

在本節(jié)中，將介紹該方案中的平臺設(shè)計，其中提出了系統(tǒng)的性能與高德室內(nèi)定位技術(shù)進行比較。系統(tǒng)基于Android平臺實現(xiàn)。智能手機配有各種內(nèi)置的傳感器，諸如加速計，磁力計，陀螺儀，GPS和WiFi模塊。測試場所選取在北京的雙安商場，雙安商場的地圖位置信息可以通過高德地圖SDK獲得。結(jié)合地圖將雙安商場的移動網(wǎng)絡(luò)速度進行很好的展現(xiàn)。熱力圖能夠很好地表現(xiàn)整體的網(wǎng)絡(luò)狀況，也利于運營商全面地掌握網(wǎng)絡(luò)狀況。

在雙安商場，選擇一層樓作為測試范圍來測試移動網(wǎng)絡(luò)的速度。為了評估系統(tǒng)的的準(zhǔn)確性和設(shè)計的合理性，基于Android系統(tǒng)設(shè)計測試系統(tǒng)，并且記錄測試數(shù)據(jù)，用matlab處理數(shù)據(jù)結(jié)果，呈現(xiàn)該層樓的網(wǎng)絡(luò)狀況?；诟叩碌貓Djs sdk以及測試路線，可以的到行人初始測試位置的地理經(jīng)緯度，將通過行人航跡推算得到的相對位置轉(zhuǎn)化成地理經(jīng)緯度，并且標(biāo)記在樓層地圖上。圖5給出的是依據(jù)行人航位推測算法的定位軌跡，通過比較實際的步行軌跡和行人航位推算提供的軌跡，可以驗證，該算法是可行的。

圖5　基于高德和PDR上行網(wǎng)速測試質(zhì)量分布圖Fig.5　Uplink network test result comparison between Gaode SDK and PDR

使用Android測試app圍繞既定路線在商場內(nèi)行走，記錄測試點的上行網(wǎng)速和下行網(wǎng)速，測試點的位置。路徑上不同顏色的點代表網(wǎng)速大小，其中紅點代表的高的網(wǎng)絡(luò)速度和藍點代表的網(wǎng)絡(luò)速度較低。圖5圖6給出在雙安商場二樓4G移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能，分為上行網(wǎng)絡(luò)覆蓋和下行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。由于實際情況的限制測試點并不能夠覆蓋整個測試區(qū)域，使用空間插值算法估計沒有進行網(wǎng)絡(luò)測試的區(qū)域。不同顏色代表不同大小的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，紅色區(qū)域代表網(wǎng)速較高藍色區(qū)域代表該區(qū)域的網(wǎng)速比較低。

圖6　基于高德和PDR下行網(wǎng)速測試質(zhì)量分布圖Fig.6　Downlink network test result comparison between Gaode SDK and PDR

4　結(jié)論

文章提出可靠的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試方案并且在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)。研究了包括基于Android客戶端的測試系統(tǒng)和利用智能手機自帶的傳感器得到了可靠的室內(nèi)地理位置信息，結(jié)合這兩種研究，提供4G移動網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)狀況，并以熱圖的形式展示了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，提供運營商以室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量覆蓋情況，做出更好地改善。文章中對系統(tǒng)進行了評估，以及對該方案的可信性進行了驗證。

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Smartphone-based Indoor Pedestrian Platform for Network Measurement

ZHAO Jin, WANG Yu
(School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

With the expansion of the overall coverage of the 4G wireless network, the user's perception of the mobile network has getting better. User’s requirements on mobile network are increasingly higher. As a result, the quality of service of indoor mobile network and has become the main concern to the user and the operator of the telecommunication. Indoor network speed of rendering is closely related to geographical location. We develop propose a system to measurement indoor mobile network, and a practical indoor pedestrian dead reckoning approach to track pedestrian position providing the network speed test position. Based on the indoor position acquired by the above mentioned algorithm, we process the network quality related data to obtain distribution of the indoor network speed. The research of the paper will provide some insights for the operators and users.

Mobile network speed; Indoor positioning; Pedestrians dead reckoning

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.003

國家自然科學(xué)基金資助項目(61201149，61171098)

趙瑾(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：移動互聯(lián)網(wǎng)。

通訊聯(lián)系人: 張琳，教授，主要研究方向：車聯(lián)網(wǎng)，移動互聯(lián)網(wǎng)。