基于GIS和Android便攜式無線信號場強采集儀設計

萬 航，許 睿，黃小雪，李 林，謝志文

(1.桂林電子科技大學，廣西桂林 541004;2.桂林市環(huán)?？蒲兴?，廣西桂林 541002)

隨著移動設備的不斷發(fā)展，智能移動終端應用程序的開發(fā)也呈現(xiàn)了很大的發(fā)展空間。針對無線通信系統(tǒng)中無線信號傳輸過程的衰減問題，提出了一種基于GIS和Android的便攜式無線信號場強采集儀設計，該設計結合GPS與基站定位技術能夠準確地給出用戶當前的地理位置，同時能夠實時地對當前位置的電波信號強度進行檢測提取，為以后的基站優(yōu)化工作提供數(shù)據(jù)支持［1］。

結合地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)字地形分析技術，根據(jù)實地區(qū)域信號傳播路徑，選取合理的區(qū)域電波采集點，以實現(xiàn)對空間位置和空間電波強度的精確采集［2］。

1 研究方法

1.1 技術路線

基于GIS和Android的便攜式無線信號場強采集儀設計，結合Android軟件開發(fā)原理，通過電波信號強度與空間距離的轉換關系，對空間中的無線電波進行精確的采集，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

圖1 研究步驟

Android系統(tǒng)是一種以Linux為基礎的開源操作系統(tǒng)，主要用于便攜設備。它采用軟件堆層(software stack)(又名軟件疊層)的架構［4－6］。Android操作系統(tǒng)自底向上分為4層，依次為Linux內(nèi)核層、運行庫層、應用程序框架層和應用程序層。本系統(tǒng)架構基于運行庫層、應用層和應用程序層進行設計，軟件采用C/S架構，主要由客戶端和服務器端組成，系統(tǒng)架構如圖2所示。

1.3 主要關鍵技術

本系統(tǒng)所涉及到的關鍵技術主要體現(xiàn)在3個方面:基站信號強度的獲取、用戶當前所在空間位置的獲取以及信號采集路徑的最佳匹配方案。

1)基站信號強度的獲取

圖2 系統(tǒng)架構

Android系統(tǒng)下的軟件開發(fā)首先需要為應用程序申請足夠的權限，以便程序執(zhí)行時能夠無礙地訪問系統(tǒng)資源。因為空間電波信號強度的變化，屬于網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，需要向系統(tǒng)申請網(wǎng)絡狀態(tài)變化監(jiān)聽權限，因此需要在AndroidManifest.xml文件中為軟件申請網(wǎng)絡狀態(tài)改變時的使用權限，然后實現(xiàn)用于監(jiān)聽信號強度變化事件的監(jiān)聽器。使用TelephonyManager訪問設備的通話通信服務相關信息，最后在應用程序中使用TelephonyManager類提供的listen方法來獲取通話通信服務信息以及狀態(tài)信息，通過MyPhoneStateListener類監(jiān)聽空間電波信號強度的變化信息，最后通過重寫onSignalStrengthsChanged()方法來實現(xiàn)自己的監(jiān)聽器。在實現(xiàn)MyPhoneStateListener之后，需要在Activity的onCreate()方法中實例化該listener并注冊系統(tǒng)以實現(xiàn)信號強度的數(shù)值顯示。

在移動通信網(wǎng)中，電波信號強度會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)，模擬計算采集點信號衰減值與實測值對應記錄，為后續(xù)衰減修正提供數(shù)據(jù)支持。

2)空間位置的獲取

用戶當前所在空間位置的獲取采用混合無線輔助GPS定位技術，該技術結合了基于GPS的精確定位技術和基于基站的網(wǎng)絡定位技術的優(yōu)點。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。在城市地形復雜區(qū)域可以利用基站密集的優(yōu)勢，利用智能化算法，實現(xiàn)在復雜環(huán)境下的精確定位［7］。

基于基站信號的網(wǎng)絡定位，首先，需要調(diào)用手機協(xié)議棧函數(shù)，獲取當前服務小區(qū)和鄰近小區(qū)的CellID;移動號碼MNC;移動國家號碼MCC;位置區(qū)碼LAC;接收信號強度指示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值轉換成相應的距離;最后，運用三角定位算法，選取三組小區(qū)的坐標信息和距離［8］，算出手機當前位置。

Android系統(tǒng)下，基于地圖的應用開發(fā)，可以通過My-LocationOverlay類來獲取并顯示當前的位置和方向。My-LocationOverlay類是一個專門設計用來在MapView中顯示當前位置和方向的類。使用MyLocationOverlay類時需要在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限。代碼首先需要構造MyLocationOverlay對象，通過調(diào)用enableCompass()方法打開指南針進行位置方向的顯示，調(diào)用enableMyLocation()方法顯示當前位置信息。接著調(diào)用runOnFirstFix()方法并另起一線程用于后臺獲取當前位置信息，當位置確定后調(diào)用MapController對象的animateTo()方法移動到當前位置。最后通過將構造好的MyLocationOverlay對象添加到Map-View上，以實現(xiàn)最終的顯示工作。

3)信號采集路徑的最佳匹配

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

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

2 系統(tǒng)運行結果

本文人機交互界面的設計采用Android SDK提供的布局控件，以及Google提供的高級應用控件，來實現(xiàn)系統(tǒng)應用程序的設計。軟件客戶端主要實現(xiàn)4個功能:1)采樣點當前位置經(jīng)緯度的定位;2)采樣點位置的空間與外界環(huán)境數(shù)據(jù)獲取;3)當前位置信號強度的檢測;4)從服務器獲取采樣點路徑預判。軟件服務器端，提供采集點地理環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)目標基站的信號衰減模擬計算，同時能夠收集并記錄上傳采集點信號強度數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各基站信號衰減情況，為基站覆蓋優(yōu)化提供決策支持依據(jù)。

利用手機終端，數(shù)據(jù)采集人員對小區(qū)中基站信號覆蓋范圍內(nèi)的信號強度信息與空間環(huán)境信息進行了多點實時采集與匯總，部分測試結果如圖3所示。

圖3 電波場強與空間環(huán)境監(jiān)測(截圖)

其中，Map部分中的當前位置顯示能夠根據(jù)用戶的實際測量位置，進行實時的跟蹤定位，當點擊Map中的“我”當前位置按鈕時，系統(tǒng)能夠根據(jù)要求進行位置圖層的切換，以實現(xiàn)地理空間環(huán)境的直觀顯示。當點擊軟件中的Map＆Signal按鈕時，系統(tǒng)能夠對當前空間中的空間電波信號強度和空間位置經(jīng)緯度信息進行一次實時記錄，以滿足后續(xù)基站優(yōu)化工作的數(shù)據(jù)查找與計算要求。

根據(jù)需求用戶可以通過3G網(wǎng)絡實時地把系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡終端的服務器上，實現(xiàn)多地點實時數(shù)據(jù)匯總。同時根據(jù)用戶上傳的實時多點數(shù)據(jù)，基站優(yōu)化人員可以在任何一臺具有網(wǎng)絡的計算機終端上，下載系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，結合GIS的空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)字地形分析技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析提取，最終結合適當?shù)男盘査p與信號傳播模型，通過仿真建立基站信號覆蓋范圍分布圖［10－11］。當前基站所發(fā)射信號的覆蓋范圍如圖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。

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

測試和初步應用效果表明:該系統(tǒng)設計合理、便攜、界面操作簡單，且不受有線網(wǎng)絡的限制，初步應用中的穩(wěn)定性和準確性較好，較為適合在基站建設過程中獲取數(shù)據(jù)信息。

3 結論

圖4 信號覆蓋范圍

圖5 直線高程地貌(截圖)

本文所述的基于GIS和Android的便攜式信號場強采集儀，實現(xiàn)了信號強度采集、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、操作簡單和信息采集多樣化等特點。用戶能夠對空間地理信息和空間電波信息進行實時多地的采集、上報和匯總，同時，基站優(yōu)化人員能夠結合適當?shù)碾姴ㄋp傳播模型，對基站電波信號的覆蓋范圍進行實時仿真。方案中采用了Android智能手機操作系統(tǒng)，具有較好的開放性和兼容性。

4 展望

作為一個典型案例，該系統(tǒng)已經(jīng)在“基于GIS技術的無線電信號覆蓋優(yōu)化系統(tǒng)”項目中得到了初步的應用。在實際應用過程中，系統(tǒng)能夠對檢測點的空間地理信息和空間電波信息進行準確實時的提取，能夠為基站優(yōu)化人員提供準確的數(shù)據(jù)信息，有著良好的開發(fā)和應用價值。當然作為仍處于開發(fā)測試階段的應用系統(tǒng)，其本身還存在一些問題，需要進一步的改進和完善才能更好地滿足用戶的實際需求。

目前，本系統(tǒng)僅對單一的3G網(wǎng)絡中的電波信號進行檢測提取，對于國內(nèi)不同的3G網(wǎng)絡，仍需對系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化完善，來擴大測試范圍。同時對于電池續(xù)航以及Android系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，需研究提出相應的解決方案，以便提高測試系統(tǒng)自身的適應性和穩(wěn)定性。

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