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.桂林市環保科研所，廣西桂林 541002)

隨著移動設備的不斷發展，智能移動終端應用程序的開發也呈現了很大的發展空間。針對無線通信系統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，為以后的基站優化工作提供數據支持［1］。

結合地理信息系統(GIS)的空間數據管理、數字地形分析技術，根據實地區域信號傳播路徑，選取合理的區域電波采集點，以實現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，為以后的基站優化工作提供數據支持［3］。具體研究步驟如圖1所示。

1.2 系統架構

圖1 研究步驟

Android系統是一種以Linux為基礎的開源操作系統，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操作系統自底向上分為4層，依次為Linux內核層、運行庫層、應用程序框架層和應用程序層。本系統架構基于運行庫層、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，系統架構如圖2所示。

1.3 主要關鍵技術

本系統所涉及到的關鍵技術主要體現在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 系統架構

Android系統下的軟件開發首先需要為應用程序申請足夠的權限，以便程序執行時能夠無礙地訪問系統資源。因為空間電波信號強度的變化，屬于網絡狀態的變化，需要向系統申請網絡狀態變化監聽權限，因此需要在AndroidManifest.xml文件中為軟件申請網絡狀態改變時的使用權限，然后實現用于監聽信號強度變化事件的監聽器。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信息，通過MyPhoneStateListener類監聽空間電波信號強度的變化信息，最后通過重寫onSignalStrengthsChanged()方法來實現自己的監聽器。在實現MyPhoneStateListener之后，需要在Activity的onCreate()方法中實例化該listener并注冊系統以實現信號強度的數值顯示。

在移動通信網中，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，為后續衰減修正提供數據支持。

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絡定位技術的優點。在室外無遮蓋地區，可以利用GPS定位來獲得精確的地理空間位置。在城市地形復雜區域可以利用基站密集的優勢，利用智能化算法，實現在復雜環境下的精確定位［7］。

基于基站信號的網絡定位，首先，需要調用手機協議棧函數，獲取當前服務小區和鄰近小區的CellID;移動號碼MNC;移動國家號碼MCC;位置區碼LAC;接收信號強度指示RSSI，至少其中的三組數據;其次，通過HTTP協議，將上述的小區信息轉換成小區經緯度;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，選取三組小區的坐標信息和距離［8］，算出手機當前位置。

Android系統下，基于地圖的應用開發，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，通過調用enableCompass()方法打開指南針進行位置方向的顯示，調用enableMyLocation()方法顯示當前位置信息。接著調用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城市道路環境和自身最優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。在城市道路環境中，采取Floyd算法實現最佳路徑的搜索［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，實現野外最短可達路徑的判斷。

算法實現，首先初始化起點—終點“距離”矩陣D，矩陣中的值dij表示節點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。然后固定節點k，把所有i到j且經過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點，在PC機上滿足城市道路交通網的情況下，建立模型實現最佳路徑的求解，仿真得到各節點的地理空間位置，實現信號采集路徑的最佳匹配。

2 系統運行結果

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，來實現系統應用程序的設計。軟件客戶端主要實現4個功能:1)采樣點當前位置經緯度的定位;2)采樣點位置的空間與外界環境數據獲取;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，提供采集點地理環境數據，實現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據與環境數據，統計各基站信號衰減情況，為基站覆蓋優化提供決策支持依據。

利用手機終端，數據采集人員對小區中基站信號覆蓋范圍內的信號強度信息與空間環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 電波場強與空間環境監測(截圖)

其中，Map部分中的當前位置顯示能夠根據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，系統能夠根據要求進行位置圖層的切換，以實現地理空間環境的直觀顯示。當點擊軟件中的Map＆Signal按鈕時，系統能夠對當前空間中的空間電波信號強度和空間位置經緯度信息進行一次實時記錄，以滿足后續基站優化工作的數據查找與計算要求。

根據需求用戶可以通過3G網絡實時地把系統采集到的數據上傳到網絡終端的服務器上，實現多地點實時數據匯總。同時根據用戶上傳的實時多點數據，基站優化人員可以在任何一臺具有網絡的計算機終端上，下載系統實時數據，結合GIS的空間數據管理、數字地形分析技術實現數據的分析提取，最終結合適當的信號衰減與信號傳播模型，通過仿真建立基站信號覆蓋范圍分布圖［10－11］。當前基站所發射信號的覆蓋范圍如圖4所示。基站覆蓋范圍內的區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，所測基站未能實現區域范圍內電波信號的完全覆蓋。為實現區域范圍內電波信號的覆蓋，可以根據實際需求，抬高基站的坐地位置，實現高空電波信號的傳輸;同時可以在信號無覆蓋區域，建立分布式小功率基站，實現小范圍的信號傳播覆蓋。

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

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，實現了信號強度采集、城市環境空間信息采集和數據匯總等功能，具有便攜、數據傳輸速度快、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，基站優化人員能夠結合適當的電波衰減傳播模型，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，具有較好的開放性和兼容性。

4 展望

作為一個典型案例，該系統已經在“基于GIS技術的無線電信號覆蓋優化系統”項目中得到了初步的應用。在實際應用過程中，系統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，能夠為基站優化人員提供準確的數據信息，有著良好的開發和應用價值。當然作為仍處于開發測試階段的應用系統，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，本系統僅對單一的3G網絡中的電波信號進行檢測提取，對于國內不同的3G網絡，仍需對系統進行進一步的優化完善，來擴大測試范圍。同時對于電池續航以及Android系統穩定性等問題，需研究提出相應的解決方案，以便提高測試系統自身的適應性和穩定性。

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