一种室内无线网络覆盖问题区域定位的方法

摘要

本发明公开了一种室内无线网络覆盖问题区域定位的方法，步骤如下：构建目标场景的室内外联合三维空间结构模型，场景包括目标建筑物的室内三维场景以及目标建筑周边的室外三维场景；记录并保存目标场景能够接收到的无线接入设备的信息；建立目标建筑物的无线指纹数据库；在无线接入设备的网络侧，收集普通用户设备UE上报的无线测量报告MR，对无线测量报告MR进行分析，初步判断出现问题的普通用户设备UE所处的位置；指纹识别数据预处理；指纹识别判断普通用户设备UE所处的具体位置信息；本发明利用用户的测量报告和建筑物内的室内信号指纹数据库，不需要网络维护人员现场测量，便可精确定位出室内网络覆盖的问题区域，定位出发生故障的网络器件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种室内无线网络覆盖问题区域定位的方法，属于移动通信领域的室内无线 网络维护领域。

背景技术

在以语音通信为主的2G时代，依靠室外宏基站便能完成室内覆盖。随着无线通信技术的 发展，室内数据业务的增多，室内无线信号变得越来越重要，室内分布式系统成为解决室内 无线网络覆盖最主要的形式之一，室内无线通信网络变得越来越复杂，2G/3G/LTE/WiFi等多 种网络制式共存，升级和维护现有复杂室内无线网络，快速定位室内覆盖盲区和问题器件， 变得越来越困难。传统的室内无线网络维护和升级方法，主要根据用户投诉，维护人员现场 测量，寻找覆盖盲区和问题器件，不仅费时费力，也无法实时监控室内无线网络的运行状态。

通过普通用户设备(UE，User Equipment)向网络侧上报的无线测量报告（MR, Measurement Report）可以实时反映无线网络的运行状态，因为无线测量报告MR是通信过程 中网络了解UE状态的手段，也是网络实现资源调度和管理的依据，在无线接入失败、进入覆 盖盲区、切换到其它小区时，UE都会通过控制面的无线资源控制(RRC，Radio Resource Control) 信令，向网络侧上报无线测量报告MR。无线测量报告MR中包含了众多的网络参数信息，包 括时间信息，服务小区的小区标识(Cell ID)和参考信号接收功率(RSRP，Reference  Signal Received Power)、参考信号接收质量(RSRQ，Reference Signal Received Quality)， 以及邻小区的Cell ID和RSRP、RSRQ等信息。利用无线测量报告MR监测无线网络运行状 态给无线网络的维护带来了极大的方便。为了能够更有效的检测无线网络运行状态，长期演 进(LTE，Long Term Evolution)提出了使用UE来自动的上报网络优化所需的各种参数， 在发生网络问题时，比如接入失败，进入覆盖盲区等，UE不管处于在线或离线状态都能自动 记录相关的网络参数并通过无线测量报告MR上报网络侧。

利用UE的测量报告代替人工现场测量为定位无线网络问题带来了很大的方便，然而，无 线测量报告中只记录了发生问题的小区，并没有记录发生问题的具体位置。对于建设有室分 系统的网络，通常一套室分系统有多个无源器件和多个发射天线组成，当UE接收到的来自同 一个室分系统不同发射天线发送的无线信号时，在网络侧看来它们都是来自同一个小区，这 就给利用UE的测量报告定位室分系统覆盖盲区和问题器件带来了新的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决所述问题，提供一种室内无线网络覆盖问题区域定位的方法， 它具有快速定位室内无线网络的覆盖盲区和问题器件的优点，该方法综合利用用户的测量报 告和建筑物内的室内信号指纹数据库，不需要网络维护人员现场测量，便可精确定位出室内 网络覆盖的问题区域，定位出发生故障的网络器件。

为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案：

一种室内无线网络覆盖问题区域定位的方法，具体步骤如下：

步骤（1）：构建目标场景的室内外联合三维空间结构模型，所述场景包括目标建筑物的 室内三维场景以及目标建筑周边的室外三维场景；

步骤（2）：记录并保存目标场景能够接收到的无线接入设备的信息；

步骤（3）：建立目标建筑物的无线指纹数据库；

步骤（4）：在无线接入设备的网络侧，收集普通用户设备UE上报的无线测量报告MR， 对无线测量报告MR进行分析，初步判断出现问题的普通用户设备UE所处的位置；

步骤（5）：指纹识别数据预处理：对所述步骤(3)中所述的无线指纹数据库和步骤（4） 中收集到的所述无线测量报告MR数据信息进行预处理；

步骤（6）：指纹识别判断普通用户设备UE所处的具体位置信息：计算根据步骤（5）中 预处理后的无线测量报告MR数据记录与根据步骤（5）中预处理后的无线指纹数据库中的数 据记录的均方差，将计算得到的所有的均方差与设定阈值的进行比较分析，进一步得到普通 用户设备的位置信息，从而判断出普通用户设备属于正常区间切换状态或出现故障状态。

所述步骤（1）的具体步骤如下：将目标建筑物CAD格式的建筑物图纸转化为建筑物三维 空间结构模型，将建筑物周边的GIS地图转化为室外三维空间结构模型，将目标建筑物的室 内三维空间结构模型与建筑周边的室外三维空间结构模型联合组成场景的室内外联合三维空 间结构模型。

所述步骤（2）的无线接入设备包括无线通信基站（NodeB）或无线局域网接入点（Access  Point，AP）；

所述步骤（2）的所述无线接入设备的信息包括每一个无线接入设备所对应的发射天线数 据，所述发射天线数据包括发射天线个数，发射天线所在的具体位置信息、发射天线的信号 频率、发射天线的发射功率、发射天线的三维辐射参数和发射天线的倾角。

所述步骤（3）的具体步骤如下：

步骤（3-1）：在目标建筑物的室内选取若干测试点现场测量并记录所选测试点的实测无 线信号指纹信息，所述实测无线信号指纹信息是指所述步骤（2）的无线接入设备发射的无线 接入设备标示信息和实际的无线信号强度信息；

步骤（3-2）：获取所述步骤（3-1）所选取的测试点的理论上的无线信号指纹信息，所述 理论上的无线信号指纹信息包括无线接入设备标示信息和理论上的无线信号强度信息，所述 理论上的无线信号强度信息通过三维射线跟踪传播模型算法计算获取；

步骤（3-3）：根据所述步骤（3-1）实测的与步骤（3-2）理论计算的无线信号强度信息 的不同，校正三维射线跟踪传播模型的参数；

步骤（3-4）：利用校正后的三维射线跟踪传播模型的参数，重新计算所述步骤（2）所述 无线接入设备在步骤（1）所述的室内外联合三维空间结构模型的无线信号强度信息；

步骤（3-5）：以建筑空间楼层面积为依据，在建筑物每层楼内，在设定的高度平面，以 设定的采样密度，确定采样点个数和采样点位置；将一个采样点所处的位置信息、该位置的 无线接入设备的标示信息及所对应的步骤（3-4）中计算的该采样点的无线信号强度信息数据 组成一条数据记录，保存在无线信号指纹数据库中；以同样的方法获得其他所有采样点的无 线信号指纹数据记录，形成无线信号指纹数据库。

所述步骤（3-1）的若干测试点的位置根据建筑物模型的复杂程度、建筑物大小、现场测 量的难易程度选择；测试点位置之间有距离间隔，保证不同的无线信号指纹数据信息能够区 分；

所述步骤（3-2）的无线接入设备标示信息从无线接入设备的参数中读取，所述理论上的 无线信号强度信息通过三维射线跟踪传播模型算法计算获取。

所述步骤（3-2）的具体步骤如下：

步骤（3-2-1）：根据发射天线和接收点的位置，确定由发射天线发射的射线到达接收点i 的所有传播路径：N为发射天线到接收点i的传播路径的总数；

步骤（3-2-2）：计算每条传播路径在自由空间的传播损耗，其中第k条路径在自由空间 传播的损耗值为L_P(f，d_k)(1≤k≤N)，f是信号频率（MHz），d_k是第k条路径在自由空间传 输的距离(km)；则第k条路径在自由空间的损耗值(dB)在不考虑透射、反射和衍射现象的情 况下，其计算公式表示如下：

L_P(f，d_k)=20log10(f)+20log10(d_k)+32.45

步骤（3-2-3）：计算每条传播路径受建筑物材质影响的损耗，其中L_MAT(f)是第k条路径 上由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数， 第j种材质表示为M_j（1≤j≤T），δt，δd，δr分别为第k条路径上的无线信号与建筑材质是 否存在透射、衍射、反射的关系系数，L_t(f，M_j)，L_d(f，M_j)，L_r(f，M_j)分别是在建筑材质无线传播损耗参数数据库中：无线信号频率为f 时，在数据库中查找出的材质M_j所对应频率的透射、衍射和反射损耗参数；则第k条路径上 由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和L_MAT(f)的计算公式表示如下：

$L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right)=\underset{j=1}{\overset{T}{\Sigma }}(\mathrm{\delta t}*L_t(f,M_j)+\mathrm{\delta d}*L_d(f,M_j)+\mathrm{\delta r}*L_r(f,M_j))$

步骤（3-2-4）：计算每条传播路径的传播损耗L(f，d_k)，计算公式表示如下：

L(f，d_k)=L_P(f，d_k)+L_MAT(f)

步骤（3-2-5）：计算到达第i点的N条射线传播路径的损耗总和为PL（dB）；由于每条射 线传播路径的能量是线性关系，计算多条传播路径的损耗可以通过先叠加每条射线能量（mW）， 然后取平均，再将能量值转化为路损值；所述PL的计算公式表示如下：

$\mathrm{PL}=10\lg \left(\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left({10}^{\frac{L(f,d_k)}{10}}\right)\right)$

步骤（3-2-6）：计算接收点i的无线信号强度，假设P_i是第i个接收点的信号强度(dBm)； P_t是无线信号发射天线的发射功率(dBm)；G_t和G_r分别为无线信号发射天线和接收点的天线 增益（dBi），则第i个接收点的信号强度P_i的计算公式表示如下：

P_i=P_t-PL+G_t+G_r；

步骤（3-2-7）：分别选择所述无线接入设备的其它发射天线，重复步骤（3-2-1）到步骤 （3-2-6）即可获得所述无线接入设备到达测试点i的所有发射天线发射的信号场强，选择强 度最强的一个作为i点接收到的该无线接入设备的信号场强。

步骤（3-2-8）：分别选择不同的测试点，重复步骤（3-2-1）到步骤（3-2-7）即可分别 获得所述无线接入设备的发射天线在所有测试点的无线信号场强。

所述步骤（3-3）的校正三维射线跟踪传播模型的参数的过程是指利用模拟退火算法调整 建筑物材质无线传播损耗参数的过程。

所述利用模拟退火算法调整建筑物材质无线传播损耗参数之前，需要定义以下参数：

（i）代价函数，定义模拟退火算法的代价函数为第i接收点处的测得信号强度O_i与理论 无线信号场强P_i的均方误差W，公式表示为因此上述代价函数W只 和P_i有关，而P_i只和建筑物材质损耗参数相关，N_P是材质校正中测试点的个数；

（ii）初始温度为t₀，定义模拟退火算法的初始温度t₀=1000摄氏度；

（iii）温度衰减函数g(α)：用于控制退火过程中的温度冷却速率，设置t_n+1=t_n*g(α)， 通常g(α)取值范围为0.9～0.99，优选的，所述g(α)=0.95，t_n为n次退火之后的温度；

（iv）马尔科夫链长度L，即为在温度t_n内，建筑物材质无线传播损耗参数调整的最大次 数，当达到最大值时，跳出该温度t_n内的循环，设置L=300次；

（v）转移概率函数：当退火到t_n温度时，当1<m≤L时，第m次，调整建筑材质无线传 播损耗参数，迭代计算出的代价函数W记为W(n,m)，当W(n,m)比第m-1次迭代计算出来的代 价函数W(n,m-1)低时，即ΔW=W(n,m)-W(n,m-1)<0时，则无条件转移接收调整后的建筑材质 无线传播损耗参数的值为当前解；

当ΔW=W(n,m)-W(n,m-1)≥0，则以所定义的转移概率函数接收调整后的建筑材质无线传 播损耗参数的值为当前解；

其中，定义该转移概率函数为exp(-ΔW/t_n)，由此可知，转移概率函数是ΔW的减函数， 当ΔW越高时，转移概率函数越小，接收新解为当前解得概率就越小；

（vi）最低温度t_f，当退火温度达到最低温度时，则退火过程结束，设置t_f=0.01摄氏度；

（vii）当代价函数小于该最小值Wmin时，说明已经取得了足够好的建筑物材质无线传 播损耗参数，则退火过程结束，设置Wmin=5；

步骤（3-3）的具体步骤如下：

步骤（3-3-1）：选取起始点并初始化，定义起始温度为t₀，一组建筑材质无线传播损耗参 数的起始值为数据库中的默认值，包括固定发射频率下对应建筑材质的透射损耗参数、衍射 损耗参数和反射损耗参数，记为材质参数矩阵M_(0，0)；

步骤（3-3-2）：首先，设置温度t_n=t₀，所述材质参数矩阵为M_(n，m)=M_(0，0)，计算代价 函数W，将W记为W(0,0)：表示在温度为t₀时，材质参数矩阵为M_(0，0)时的代价函数；

步骤（3-3-3）：对所述材质参数矩阵的一个元素，即一个材质的3种损耗参数（透射损 耗参数、衍射损耗参数和反射损耗参数）之一进行一个随机扰动，产生一个新的材质参数矩 阵M_(n，m)，其中1<m≤L，计算代价函数W(n,m)，计算ΔW=W(n,m)-W(n,m-1)；

步骤（3-3-4）：如果ΔW<0，则接受调整后的材质参数矩阵M_(n，m)为建筑材质无线传播 损耗参数的新解，进行步骤（3-3-6）；

步骤（3-3-5）：如果ΔW≥0，则计算exp(-ΔW/t_n)的值，如果exp(-ΔW/t_n)大于一个0 到1内的随机生成数random(0,1]，即exp(-ΔW/t_n)>random(0,1]，则接受调整后的材质参 数矩阵M_(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解；否则不接受调整后的材质参数矩阵 M_(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解，保持原来的材质矩阵M_(n，m-1)中所有参数不变；

步骤（3-3-6）：判断步骤（3-3-3）-步骤（3-3-6）的内循环是否结束：当内循环次数大 于L时，跳出内循环进行步骤（3-3-7）；否则转入步骤（3-3-3），进行下一次内循环步骤（3-3-3） -步骤（3-3-6）；

步骤（3-3-7）：判断步骤（3-3-3）-步骤（3-3-8）的外循环是否结束：当温度降低到t_f以 下或者代价函数的值小于了最小值Wmin时，结束外循环，模拟退火算法结束；否则进行步骤 （3-3-8）；

步骤（3-3-8）：根据温度衰减函数降低退火温度，跳回步骤（3-3-3）开始下一轮的内循 环步骤（3-3-3）-步骤（3-3-6）；

所述校正三维射线跟踪传播模型的参数的过程是指根据不同的移动通信网络标准（不同 的网络标准使用不同的无线信号频率）分别校正不同频率下的建筑物材质无线传播损耗参数， 形成新的无线传播模型参数。

所述步骤（3-5）以建筑空间楼层面积为依据，在建筑物每层楼内，在一个特定的高度平 面（例如：1米高），以一定的采样密度（例如：1个/平方米），确定采样点个数和采样点位 置。以所述步骤（3-4）中理论计算的无线接入设备在三维空间中的无线信号强度信息为依据， 获得一个采样点处的无线信号强度信息，将该点所处的位置信息、该位置的无线接入设备的 标示信息及所对应的无线信号强度信息数据组成一条数据记录，保存在无线信号指纹数据库 中。以同样的方法获得所述每一个采样点的无线信号指纹数据记录，形成无线信号指纹数据 库。

所述步骤（4）的收集普通用户设备UE上报的无线测量报告MR，是指收集普通用户设备 UE与室内无线网络断开连接并试图切换到其它室外宏基站覆盖的小区时的无线测量报告MR；

所述步骤（4）的无线测量报告MR中包括当前服务小区（又称源小区）标示、服务小区 的参考信号功率、服务小区的邻小区参考信号功率，试图切换到的目标小区标示和目标小区 参考信号功率信息。

所述步骤（4）的对无线测量报告MR进行分析是指利用普通用户设备UE切换的目标小区 的室外宏基站的发射天线所在的坐标位置信息，初步判断出普通用户设备UE所在的位置区域。

所述初步判断的依据为：

假设UE切换的目标小区的室外宏基站编号为Cdi的发射天线所在的坐标位置为 NCdi(X_Cdi,Y_Cdi,Z_Cdi)，其中X_Cdi、Y_Cdi、Z_Cdi分别表示Cdi天线所在位置在三维空间的x、y、z 轴坐标，该室内无线网络周边有编号分别为C1,C2,…,Cdm（di∈[1,…dm]）的室外基站发射 天线，这些室外基站发射天线所在的位置坐标分别为 NC1(X_C1,Y_C1,Z_C1),NC2(X_C2,Y_C2,Z_C2),NCdm(X_Cdm,Y_Cdm,Z_Cdm)，UE所在的位置坐标为UE （x,y,z）（0<x<X,0<y<Y,0<z<Z），其中X,Y,Z是目标建筑物三维空间的坐标轴上的最大位置， 为UE可能在建筑物中的位置划分为如下三个区域：

区域1，UE切换到室外宏基站Cdi的最大可能区域，则在区域1内，对于任意一个dp， dp≠di，1≤dp≤dm，都满足如下条件：

$\sqrt{{(x-X_{\mathrm{Cdi}})}^2+{(y-Y_{\mathrm{Cdi}})}^2+{(z-Z_{\mathrm{Cdi}})}^2}<\sqrt{{(x-X_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(y-Y_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(z-Z_{\mathrm{Cdp}})}^2}$

区域3，UE切换到室外宏基站di的最小可能区域，在区域3内，对于任意一个dp，dp ≠di，1≤dp≤dm，都满足如下条件：

$\sqrt{{(x-X_{\mathrm{Cdi}})}^2+{(y-Y_{\mathrm{Cdi}})}^2+{(z-Z_{\mathrm{Cdi}})}^2}>\sqrt{{(x-X_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(y-Y_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(z-Z_{\mathrm{Cdp}})}^2}$

区域2，UE切换到室外宏基站Cdi的一般性区域，不属于区域1和区域3的其它区域。

比如，假设建筑物是一个长方体有A、B、C、D、E、F六个面（E、F为上下面），如果UE 试图切换到A面的室外宏基站，A面的室外宏基站距离建筑物A面最近，距离建筑物C面最 远，则可以认为UE在建筑物的A面的可能性最大，也有可能是与A相邻的B或D面，UE 在A对面C面的可能性最小。

所述步骤（5）的预处理包括根据MR测量报告中接收到的邻小区参考信号功率，形成一 个MR测量报告无线信号指纹，该MR无线信号指纹中的信息不包括UE当前服务的室内无线网 络所属小区。同时根据MR测量报告中的邻小区信息，删除步骤（3）中所述无线信号指纹数 据库中含有的MR测量报告中没有的小区信息，即删除无用信息，形成一个新的无线信号指纹 数据库。

具体步骤如下：

步骤(5-1)：从步骤（4）中所述的MR测量报告中提取当前小区的邻小区参考信号功率， 当前小区的邻小区可能包含了步骤（4）中所述的编号为1,2,…,dm的室外小区中的全部或者 部分小区，假设测量报告中的邻小区信息中有dn个室外基站发射天线的信息（1≤dn≤dm）， 则利用接收到的dn个邻小区的信号强度信息，形成一个新的无线信号指纹信息，该无线信号 指纹信息可以表示为E（E₁,E₂,…,E_dn）。

步骤（5-2）：从步骤（3）中建立的无线信号指纹数据库中，选择与（5-1）中所述的dn 个邻小区的小区标示相同的小区，删除不属于dn个邻小区的小区标示信息和小区无线信号强 度信息，形成一个新的无线信号指纹数据库，数据库中的每条数据记录有dn个小区的无线信 号强度信息，UE在坐标(x,y,z)位置理论上可以接收到的无线信号指纹记录记为E_xyz(E_xyz1,E _xyz2,…,E_xyzdn)。

所述步骤（6）的比较分析步骤如下：

步骤（6-1）：根据步骤（5-1）从MR测量报告中预处理得到的无线信号指纹信息E （E₁,E₂,…,E_dn）和步骤（5-2）从无线信号指纹数据库中预处理得到的无线信号指纹信息进行 比较,计算无线信号指纹数据库中每一个坐标位置（x,y,z）的无线信号指纹E_xyz(E_xyz1,E_xyz2,…,E _xyzdn)与（E₁,E₂,…,E_dn）的均方误差det（x,y,z）。

$\det (x,y,z)=\sqrt{{(E_{\mathrm{xyz}1}-E_1)}^2+{(E_{\mathrm{xyz}2}-E_2)}^2+...+{(E_{\mathrm{xyzdn}}-E_{\mathrm{dn}})}^2}$步骤(6-2)：根据 det(x,y,z)与提前设定的阈值det进行比较，判断用户位置：

步骤（6-2-1）：当小于det的位置只有一个时，认为det所在位置附近的室内无线网络 发生了故障；

步骤（6-2-2）：当小于det的位置不存在时，认为UE的切换为正常切换，即用户由室内 到达室外，不存在室内无线网络故障；

步骤（6-2-3）:当小于det的位置不止一个时，联合利用步骤（4）中的UE所在位置区 域进行判断，分别为落在区域1、区域2、区域3的位置的det（x,y,z）值乘以一个系数det1、 det2、det3，生成了一个校正的Det（x,y,z）,利用Det（x,y,z）重新判断，其中 （det1<det2<det3）,优选的（det1=1，det2=2，det3=3）。

落在区域1：Det(x,y,z)=det(x,y,z)*det1；

落在区域2：Det(x,y,z)=det(x,y,z)*det2；

落在区域3：Det(x,y,x)=det(x,y,z)*det3；

选择Det(x,y,z)的最小的一个位置，认为该位置的室内无线网络发生了故障。

本发明的有益效果：

1所述无线指纹数据库的建立过程可以采用以下三种方法建立：1）人工大量测量的方法， 此方法优点是建立指纹数据库的精确度有保证，主要取决于测量设备的精度，主要缺点是建 立过程复杂，特别是对于大型场景，当三维空间环境改变，无线接入设备改变时都需要重新 测量；2）通过传播模型预测的方法，此方法建立指纹数据库的优点是建立过程快，维护简单， 缺点是指纹数据库的精度很难保证，主要取决于传播模型与实际场景的匹配程度；3）通过少 量测量加大量预测的方法，此方法通过少量测量点校正传播模型参数，保证了传播模型与实 际场景的匹配度，应用校正的传播模型大量预测其余点，能快速建立一个可靠的指纹数据库。

2所述普通用户设备UE与室内无线网络断开连接试图切换到室外宏基站小区，可能发生 在UE从室内走出到达室外时，也有可能是发生在室内无线网络故障的区域，利用本发明的技 术方案，可以判断出UE是离开室内到室外还是室内无线网络发生了故障。

3本发明中根据普通用户设备UE的测量报告MR获得小区的邻小区信号强度信息，适用 于根据测量报告进行小区切换的各种移动通信网络（即无线广域网络），例如，全球移动通信 系统（Global System for Mobile Communications，GSM）网络、通用分组无线业务 （General Packet Radio Service，GPRS）网络、码分多址（Code Division Multiple Access， CDMA）网络、CDMA2000网络、宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access， WCDMA）网络、长期演进（Long Term Evolution，LTE）网络或全球微波接入互操作性（World  Interoperability for Microwave Access，WiMAX）网络。

4.本发明利用普通用户设备发送的测量报告，从网络侧收集测量报告，不需要人工现场 测量，可以根据用户需要灵活掌握收集测量报告的时间和收集测量报告的频率，另外，本发 明的技术方案不需要添加额外的测试设备，具有节约成本的优势。

5.本发明联合利用室外基站发射天线的位置信息和用户测量报告信息判断可能发生故障 的网络区域，可以得到更为准确的判断结果。

附图说明

图1为室内无线网络覆盖问题区域定位过程；

图2为建筑物室内结构三维俯视图及其周边三维建筑俯视图；

图3为三维建筑室内天线位置、室外宏基站位置示意图；

图4为应用少量测量加大量预测的方法建立的无线信号指纹数据库图；

图5为i点可以接收到的左侧WCDMA天线发射的三条射线传播路径示意图；

图6为模拟退火算法调整建筑材质无线传播损耗参数的流程图；

图7.室外基站C1可能切换的区域划分图；

图8预处理后的无线信号指纹数据库结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

利用本发明所述的一种室内无线网络覆盖问题区域定位的方法对一个建筑物内的室内分 布式系统网络的覆盖盲区和问题器件进行定位。所述建筑物共有五层，每层结构相同。区域 内建设有WCDMA网络，其中，建筑物内WCDMA网络通过室内分布式系统覆盖，建筑物外WCDMA 网络通过室外宏基站覆盖，室内分布式系统与室外宏基站属于不同的小区。

需要说明的是本发明的技术方案，不仅限于WCDMA网络，还可以应用于其它一种或多种 无线广域网络的组合。

如图1所示，一种室内无线网络覆盖问题区域定位的方法，该方法包括如下步骤：

（1）构建场景的室内外联合三维空间结构模型。所述场景包括一个五层建筑物的室内三 维场景以及建筑周边的室外三维场景。按照现有建模技术将建筑物CAD格式的建筑物图纸转 化为建筑物三维空间结构模型，将建筑物周边的GIS地图转化为室外三维空间结构模型，将 目标建筑物的室内三维空间结构模型与建筑周边的室外三维空间结构模型联合组成场景的室 内外联合三维空间结构模型。本实施例中的目标建筑的室内三维场景数据包括：楼层的垂直 层高3米、楼层的水平面积600平米、楼层的建筑材质包括砖墙、水泥墙和木门、楼层布局。 建筑周边的室外三维空间结构模型包括：室外模型的位置、室外模型的高度，室外模型的外 表面结构。如图2所示。

本发明的技术方案可以应用于各种室内三维建筑场景、室内外联合三维场景。例如：机 场、车站、商场、体育场、隧道、校园、住宅小区等。

（2）记录并保存步骤（1）所述建筑物内可接收到无线接入设备信息，本实施例建筑物 内有WCDMA室内分布式系统，所述WCDMA室内分布式系统发射天线属于同一无线小区，每层 楼内设有3个发射天线，共有15个发射天线，在室内分布式系统设备未发生故障时，用户在 建筑内通过室内分布式系统提供服务，同时可以接收到建筑物外四个宏基站小区发送的信号， 室内分布式系统为主小区，室外小区为邻小区。记录室内分布式系统天线和室外宏基站天线 的发射天线数据，所述发射天线数据包括每一个室内发射天线在建筑物内的具体位置信息、 室外发射天线所在的位置信息、发射天线的信号频率、发射天线的发射功率、发射天线的三 维辐射参数、发射天线倾角。本实施例中的室内发射天线模型包括：发射天线所在水平位置， 发射天线所在垂直高度为2.4米的天花板上方，发射天线为3dBi的全向辐射天线，发射天线 的发射功率为20dBm，发射天线信号频率为2100MHz，发射天线下倾角5度。本实施例中的室 外发射天线模型包括：发射天线所在的水平位置，发射天线所在的垂直高度30米、发射天线 为定向板状天线、发射天线的发射功率为46dBm，发射信号频率为2100MHz，发射天线下倾角 10度。如图3所示为三维建筑结构图及建筑物第一层室内天线位置，室外宏基站位置示意图， 需要说明的是，室外宏基站与室内建筑的距离非实际距离，因为实际距离比较远不方便在这 里表示。

（3）建立目标建筑物的无线指纹数据库信息。所述无线指纹数据库的建立过程可以采用 以下三种方法建立：1）人工大量测量的方法，此方法优点是建立指纹数据库的精确度有保证， 主要取决于测量设备的精度，主要缺点是建立过程复杂，特别是对于大型场景，当三维空间 环境改变，无线接入设备改变时都需要重新测量；2）通过传播模型预测的方法，此方法建立 指纹数据库的优点是建立过程快，维护简单，缺点是指纹数据库的精度很难保证，主要取决 于传播模型与实际场景的匹配程度；3）通过少量测量加预测的方法，此方法通过少量测量点 校正传播模型参数，保证了传播模型与实际场景的匹配度，应用校正的传播模型大量预测其 余点，能快速建立一个可靠的指纹数据库。详见发明专利：一种快速建立室内无线信号指纹 数据库的方法。

本实施例中采用方法3），通过少量测量加预测的方法，建立目标建筑物的无线指纹数据 库信息。本实施例中建筑物内可以收到四个室外WCDMA小区和一个室内分布式系统小区的无 线信号，每个无线信号指纹数据包括所述5个小区的小区标示和小区接收到的参考信号强度。 如图4为N个位置的无线信号指纹组成的无线信号指纹数据库的结构图。

建立目标建筑物的无线信号指纹数据库的具体步骤如（3-1）到（3-5）：

步骤（3-1）：在目标建筑物的室内选取30个测试点现场测量并记录所选测试点的实测无 线信号指纹信息，所述实测无线信号指纹信息是指所述步骤（2）的无线接入设备发射的无线 接入设备标示信息和实际的无线信号强度信息；

步骤（3-2）：获取所述步骤（3-1）所选取的测试点的理论上的无线信号指纹信息，所述 理论上的无线信号指纹信息包括无线接入设备标示信息和理论上的无线信号强度信息，所述 理论上的无线信号强度信息通过三维射线跟踪传播模型算法计算获取；

步骤（3-3）：根据所述步骤（3-1）实测的与步骤（3-2）理论计算的无线信号强度信息 的不同，校正三维射线跟踪传播模型的参数；

步骤（3-4）：利用校正后的三维射线跟踪传播模型的参数，重新计算所述步骤（2）所述 无线接入设备在步骤（1）所述的室内外联合三维空间结构模型的无线信号强度信息；

步骤（3-5）：以建筑空间楼层面积为依据，在建筑物每层楼内，在设定的高度平面，以 设定的采样密度，确定采样点个数和采样点位置；将一个采样点所处的位置信息、该位置的 无线接入设备的标示信息及所对应的步骤（3-4）中计算的该采样点的无线信号强度信息数据 组成一条数据记录，保存在无线信号指纹数据库中；以同样的方法获得其他所有采样点的无 线信号指纹数据记录，形成无线信号指纹数据库。

所述步骤（3-1）的30个测试点的位置根据建筑物模型的复杂程度、建筑物大小、现场 测量的难易程度选择；测试点位置之间有距离间隔，保证不同的无线信号指纹数据信息能够 区分；

所述步骤（3-2）的无线接入设备标示信息从无线接入设备的参数中读取，所述理论上的 无线信号强度信息通过三维射线跟踪传播模型算法计算获取。具体步骤如（3-2-1）到（3-2-9）。

利用射线跟踪传播模型算法预测出目标建筑物内一个采样接收点接收到的某一个发射天 线的信号强度，具体步骤如（3-2-1）-（3-2-6）：

（3-2-1）根据室内分布式系统中左WCDMA无线发射天线和接收点i的位置，确定由室内 分布式系统左WCDMA无线发射天线发射的射线到达接收点i的所有传播路径：其中包括N=3 条射线传播路径，射线路径a、射线路径b、射线路径c；如图5所示。

其中射线路径a为经水泥墙反射、穿透水泥墙后到达接收点i；射线路径b穿透水泥墙 和砖墙后到达接收点i；射线路径c为穿透木门、穿透砖墙、经水泥墙反射到达接收点i；

（3-2-2）计算每条传播路径在自由空间的传播损耗，上述射线路径a、射线路径b、射 线路径c的路线长度分别为6.6米、5.2米和7.1米，无线信号的发射频率为2.1GHz；

其中第k条路径在自由空间传播的损耗值为L_P(f,d_k)(1≤k≤3)，f是无线信号频率（MHz）， d_k是第k条路径在自由空间传输的距离(km)；则第k条路径在自由空间的损耗值(dB)在不考 虑透射、反射和衍射现象的情况下，其计算公式表示如下：

L_P(f，d_k)=20log10(f)+20log10(d_k)+32.45

根据L_P(f，d_k)=20log10(f)+20log10(d_k)+32.45，计算出上述a、b、c三条射线路径 的在自由空间的损耗分别为：55.29dB、53.21dB、55.92dB。

（3-2-3）计算每条射线路径受建筑物材质影响的损耗，其中L_MAT(f)是第k条路径上由 建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和；T为目标建筑物内所有建筑材质的总数，第j 种材质表示为M_j（1≤j≤T），δt，δd，δr分别为第k条路径上的无线信号与建筑材质是否存 在透射、衍射、反射的关系系数，L_t(f，M_j)，L_d(f，M_j)，L_r(f，M_j)分别是在建筑材质无线传播损耗参数数据库中：无线信号频率为f 时，在数据库中查找出的材质M_j所对应频带的透射、衍射和反射损耗参数；则第k条路径上 由建筑材质引起的透射、反射和衍射的衰落总和L_MAT(f)的计算公式表示如下：

$L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right)=\underset{j=1}{\overset{T}{\Sigma }}(\mathrm{\delta t}*L_t(f,M_j)+\mathrm{\delta d}*L_d(f,M_j)+\mathrm{\delta r}*L_r(f,M_j))$

据建筑材质无线传播损耗参数数据库中，无线信号频率为2.1GHz时，砖墙、水泥墙、 木门的透射损耗分别为6.77dB、20.25dB、4.44dB，水泥墙的反射损耗为6dB，根据公式 $L_{\mathrm{MAT}}\left(f\right)=\underset{j=1}{\overset{T}{\Sigma }}(\mathrm{\delta t}*L_t(f,M_j)+\mathrm{\delta d}*L_d(f,M_j)+\mathrm{\delta r}*L_r(f,M_j)),$路径a的损耗为水泥墙的反射损 耗加水泥墙的透射损耗；路径b的损耗为水泥墙的透射损耗加砖墙的透射损耗；路径c的损 耗为木门透射损耗加砖墙透射损耗加水泥墙反射损耗；计算出上述a、b、c三条射线路径受 建筑物材质影响的损耗，分别为：26.25dB、27.02dB、17.21dB；

（3-2-4）计算每条射线路径的传播损耗L(f，d_k)，计算公式表示如下：

L(f,d_k)=L_P(f,d_k)+L_MAT(f)

根据公式L(f,d_k)=L_P(f,d_k)+L_MAT(f)，计算出上述a、b、c三条射线路径到达接受点i 的传播损耗L(f,d_k)分别为，81.54dB、80.23dB、73.13dB。

（3-2-5）计算到达第i点的N=3条射线传播路径的损耗总和为PL（dB）；由于每条射线 路径的能量是线性关系，计算多条传播路径的损耗可以通过先叠加每条射线能量（mW），然后 取平均，再将能量值转化为路损值；所述PL的计算公式表示如下：

$\mathrm{PL}=10\lg \left(\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left({10}^{\frac{L(f,d_k)}{10}}\right)\right)$

计算上述三条射线径总的损耗得出PL=79.52dB。

（3-2-6）计算接收点i的无线信号强度，假设P_i是第i个接收点的信号强度(dBm)；P_t是无线信号发射天线的发射功率(dBm)；G_t和G_r分别为无线信号发射天线和接收点的天线增 益（dBi），则第i个接收点的信号强度P_i的计算公式表示如下：

P_i=P_t-PL+G_t+G_r

由于步骤（2）记载了无线发射天线和接收点i的天线增益均为3dBi，无线发射天线的 发射功率为20dBm，则根据公式P_i=P_t-PL+G_t+G_r，计算出接收点i处的无线信号场强P_i=-53.52dBm；

（3-2-7）重复步骤（3-2-1）到步骤（3-2-6）可以计算出，WCDMA室内分布式系统的其 它发射天线在i点处产生的场强均小于-53.52dBm，因为15个WCDMA室内分布式系统发射天 线属于同一个无线接入设备，因此接收点i处可以接收到的室内分布式系统的无线信号场强 为-53.52dBm。

（3-2-8）重复步骤（3-2-1）到（3-2-7）可以计算出，其它四个WCDMA室外宏基站发 射天线在该点产生的信号场强。

（3-2-9）分别选择不同的测试点，重复步骤（3-2-1）到步骤（3-2-8）即可分别获得所 述无线接入设备的发射天线在所有测试点的无线信号场强。

所述步骤（3-3）的校正三维射线跟踪传播模型的参数的过程是指利用模拟退火算法调整 建筑物材质无线传播损耗参数的过程。

运用模拟退火算法调整建筑物材质无线传播损耗参数之前，需要定义以下参数：

（i）代价函数，定义模拟退火算法的代价函数为第i接收点处的测得信号强度O_i与 理论无线信号场强P_i的均方误差W，公式表示为因此上述代价函 数W只和P_i有关，而P_i只和建筑物材质损耗参数相关，N_P是材质校正中测试点的个数， N_P=30；

（ii）初始温度为t₀，定义模拟退火算法的初始温度t₀=1000摄氏度；

（iii）温度衰减函数g(α)：用于控制退火过程中的温度冷却速率，设置 t_n+1=t_n*g(α)，通常g(α)取值范围为0.9～0.99，优选的，所述g(α)=0.95，t_n为n次 退火之后的温度；

（iv）马尔科夫链长度L，即为在温度t_n内，建筑物材质无线传播损耗参数调整的最 大次数，当达到最大值时，跳出该温度t_n内的循环，设置L=300次；

（v）转移概率函数：当退火到t_n温度时，当1<m≤L时，第m次，调整建筑材质无 线传播损耗参数，迭代计算出的代价函数W记为W(n,m)，当W(n,m)比第m-1次迭代计算 出来的代价函数W(n,m-1)低时，即ΔW=W(n,m)-W(n,m-1)<0时，则无条件转移接收调整 后的建筑材质无线传播损耗参数的值为当前解；

当ΔW=W(n,m)-W(n,m-1)≥0，则以所定义的转移概率函数接收调整后的建筑材质无 线传播损耗参数的值为当前解；

其中，定义该转移概率函数为exp(-ΔW/t_n)，由此可知，转移概率函数是ΔW的减函 数，当ΔW越高时，转移概率函数越小，接收新解为当前解得概率就越小；

（vi）最低温度t_f，当退火温度达到最低温度时，则退火过程结束，设置t_f=0.01摄氏 度；

（vii）当代价函数小于该最小值Wmin时，说明已经取得了足够好的建筑物材质无线传 播损耗参数，则退火过程结束，设置Wmin=5；

利用模拟退火算法对建筑物材质进行无线传播损耗参数校正的方法，包括步骤（3-3-1） -（3-3-8）：如图6所示。

（3-3-1）选取起始点并初始化，定义起始温度为t₀，一组建筑材质无线传播损耗参数的 起始值为数据库中的默认值，包括固定发射频率下对应建筑材质的透射损耗参数、衍射损耗 参数和反射损耗参数，记为材质参数矩阵M_(0，0)；

（3-3-2）首先，设置温度t_n=t₀，所述材质参数矩阵为M_(n，m)M_(0，0)，计算代价函数W， 将W记为W(0,0)：表示在温度为t₀时，材质参数矩阵为M_(0，0)时的代价函数；

（3-3-3）对所述材质参数矩阵的一个元素，即一个材质的3种损耗参数（透射损耗参数、 衍射损耗参数和反射损耗参数）之一进行一个随机扰动，产生一个新的材质参数矩阵M_(n，m)， 其中1<m≤L，计算代价函数W(n,m)，计算ΔW=W(n,m)-W(n,m-1)；

（3-3-4）如果ΔW<0，则接受调整后的材质参数矩阵M_(n，m)为建筑材质无线传播损耗参 数的新解，进行步骤（3-3-6）；

（3-3-5）如果ΔW≥0，则计算exp(-ΔW/t_n)的值，如果exp(-ΔW/t_n)大于一个0到1内 的随机生成数random(0,1]，即exp(-ΔW/t_n)>random(0,1]，则接受调整后的材质参数矩阵 M_(n，m)为建筑材质无线传播损耗参数的新解；否则不接受调整后的材质参数矩阵M_(n，m)为建 筑材质无线传播损耗参数的新解，保持原来的材质矩阵M_(n，m-1)中所有参数不变；

（3-3-6）判断步骤（3-3-3）-步骤（3-3-6）的内循环是否结束：当内循环次数大于L时， 跳出内循环进行步骤（3-3-7）；否则转入步骤（3-3-3），进行下一次内循环步骤（3-3-3）- 步骤（3-3-6）；

（3-3-7）判断步骤（3-3-3）-步骤（3-3-8）的外循环是否结束：当温度降低到t_f以下或 者代价函数的值小于了最小值Wmin时，结束外循环，模拟退火算法结束；否则进行步骤 （3-3-8）；

（3-3-8）根据温度衰减函数降低退火温度，跳回步骤（3-3-3）开始下一轮的内循环步骤 （3-3-3）-步骤（3-3-6）；

所述校正三维射线跟踪传播模型的参数的过程是指根据不同的移动通信网络标准（不同 的网络标准使用不同的无线信号频率）分别校正不同频率下的建筑物材质无线传播损耗参数， 形成新的无线传播模型参数。

所述步骤（3-5）以建筑空间楼层面积为依据，在建筑物每层楼内，在一个特定的高度平 面（例如：1米高），以一定的采样密度（例如：1个/平方米），确定采样点个数和采样点位 置。以所述步骤（3-4）中理论计算的无线接入设备在三维空间中的无线信号强度信息为依据， 获得一个采样点处的无线信号强度信息，将该点所处的位置信息、该位置的无线接入设备的 标示信息及所对应的无线信号强度信息数据组成一条数据记录，保存在无线信号指纹数据库 中。以同样的方法获得所述每一个采样点的无线信号指纹数据记录，形成无线信号指纹数据 库。

（4）在无线接入设备的网络侧，收集UE上报的MR，分析MR，初步判断出现问题的UE 所处的位置。所述收集UE上报的MR，是指收集UE与室内无线网络断开连接试图切换到其它 室外宏基站小区前的MR，所述MR中包含了当前服务小区（又称源小区）的参考信号功率， 服务小区的邻小区参考信号功率，服务小区标示，试图切换到的目标小区参考信号功率，目 标小区标示等信息。所述分析MR包括利用UE切换的目标小区的室外宏基站所在的位置信息， 初步判断出UE所在的位置。本实施例中，目标建筑物四周有C1，C2，C3，C4四个室外宏基 站，假设UE上报的测量报告显示，UE试图切换到C1基站的发射小区，C1,C2,C3,C4四个室 外宏基站的发射天线位置坐标分别为NC1（X_C1,Y_C1,Z_C1），NC2（X_C2,Y_C2,Z_C2），NC3（X_C3,Y_C3,Z_C3）， NC4（X_C4,Y_C4,Z_C4）。

区域1，UE切换到室外宏基站C1的最大可能区域，则在区域1内，对于任意一个dp， dp≠1，2≤dp≤4，满足如下条件：

$\sqrt{{(x-X_{C1})}^2+{(y-Y_{C1})}^2+{(z-Z_{C1})}^2}<\sqrt{{(x-X_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(y-Y_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(z-Z_{\mathrm{Cdp}})}^2}$

区域3，UE切换到室外宏基站C1的最小可能区域，在区域3内，对于任意一个dp，dp ≠1，2≤dp≤4，满足如下条件：

$\sqrt{{(x-X_{C1})}^2+{(y-Y_{C1})}^2+{(z-Z_{C1})}^2}>\sqrt{{(x-X_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(y-Y_{\mathrm{Cdp}})}^2+{(z-Z_{\mathrm{Cdp}})}^2}$

区域2，UE切换到室外宏基站C1的一般性区域，不属于区域1和区域3的其它区域。

如图7为UE切换到室外宏基站C1的可能区域划分。

（5）指纹识别数据预处理。

根据步骤MR测量报告中接收到的邻小区参考信号功率，形成一个MR测量报告无线信号 指纹，该MR无线信号指纹中的信息不包括UE当前服务的室内分布式系统小区。同时根据MR 测量报告中的邻小区信息，删除步骤（3）中所述无线信号指纹数据库中含有的MR测量报告 中没有的小区信息，即删除无用信息，形成一个新的无线信号指纹数据库。

具体步骤如下：

(5-1)从步骤（4）中所述的MR测量报告中提取当前小区的邻小区参考信号功率，当前 小区的邻小区可能包含了步骤（4）中所述的4个室外小区中的全部或者部分小区，假设测量 报告中的邻小区信息中包含了C1，C2，C3，C4共4个室外基站发射天线的信息，则需要利用 接收到的4个邻小区的信号强度信息，形成一个新的无线信号指纹信息，该无线信号指纹信 息可以表示为E（E₁,E₂,E₃,E₄）。

（5-2）从步骤（3）中建立的无线信号指纹数据库中，选择与（5-1）中所述的4个邻小 区的小区标示相同的小区，删除不属于上述4个室外基站小区的小区标示信息和小区无线信 号强度信息，本实施例中，由于可以接收到4个室外基站发射天线的邻小区信息，因此不需 要删除邻小区信息，只需要删除当前所在室内分布式系统的小区标示和小区信号强度信息， 形成一个新的无线信号指纹数据库，数据库中的每条数据记录有4个小区的无线信号强度信 息，坐标(x,y,z)位置的无线信号指纹记录记为E_xyz(E_xyz1,E_xyz2,…,E_xyz4)。如图8所示。

(6）指纹识别判断UE所处的具体位置信息。根据步骤（5）中预处理的无线指纹数据记 录和MR数据记录，计算MR数据记录与无线指纹数据库中的数据记录的均方差，当小于某一 设定阈值（6dB)的均方差不止1个时，联合利用步骤（4）中初步判断的UE位置信息，再次 筛选UE的具体位置信息,所述位置信息包括UE所在楼层信息和UE在该层内的位置信息。根 据UE的位置信息，判断可能出现故障的无源设备。

（6-1）根据步骤（5-1）从MR测量报告中预处理得到的无线信号指纹信息E（E₁,E₂,E₃,E₄） 和步骤（5-2）从无线信号指纹数据库中预处理得到的无线信号指纹信息进行比较,计算无线 信号指纹数据库中每一个坐标位置（x,y,z）的无线信号指纹E_xyz(E_xyz1,E_xyz2,…,E_xyz4)与 （E₁,E₂,E₃,E₄）的均方误差det（x,y,z）。

$\det (x,y,z)=\sqrt{({(E_{\mathrm{xyz}1}-E_1)}^2+{(E_{\mathrm{xyz}2}-E_2)}^2+...+{(E_{\mathrm{xyz}4}-E_4)}^2)}$

(6-2)根据det(x,y,z)与提前设定的阈值det进行比较，这里假设优选的det=6dB，判 断用户位置：

如步骤（4）中所述，假设UE试图切换到室外宏基站C1的小区，且根据步骤（6-1）计 算出有两个位置的det（x，y,z）小于等于det，，其中有一条数据记录出现C1的区域1中， 一条数据记录出现在C1的区域2中，则可以判断为区域1中的那条数据记录所在的位置为 UE的切换位置，该位置信息在第一层靠近天线Tx1的位置，则可以判断出发生故障的室内分 布式系统为Tx1天线。

本发明实施例中所述MR数据记录和无线指纹数据库中数据记录的均方差阈值det的选择 6dB，并不是固定不变的，对于不同的场景，阈值的选择需要根据实际情况确定，较大的阈值 会将正常的室内到室外切换误报为室内无线网络设备故障，较小的阈值可能会导致室内无线 网络设备故障的漏报。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制， 所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创 造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。