一种稀疏采集条件下频谱地图构建方法

技术领域

本发明涉及一种频谱地图的构建方法，具体涉及一种城市环境下稀疏采集条件下的频谱地图构建方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

电磁频谱地图的构建主要分为两种技术，即基于监测数据的电磁频谱地图构建和基于传播模型的电磁频谱地图构建，其中，基于监测数据的电磁频谱地图构建技术需要通过稀疏采集的监测数据构建高覆盖度的频谱地图，因此，频谱地图质量依赖于监测数据采集的密度和分布。由于在无线电监测数据采集场景下，无论通过无人机还是车载设备，采集的监测数据量均十分有限，难以覆盖整个城市环境，另外，由于监测设备在空间上分布的稀疏性与不均匀，导致内插算法获取的电磁分布在空间上仍然存在模糊区与盲区。基于传播模型的电磁频谱地图构建技术根据传播模型以及地理信息参数计算出模型频谱数据，由于传播模型本身的精度，未知因素的作用以及不确定的初始条件，会导致模型预测的频谱数据偏离现实。

综上，现有的电磁频谱地图构建方法得到的城市电磁频谱地图的频谱数据不准确或电磁频谱地图存在模糊区与盲区，导致电磁频谱地图准确率低，频谱数据偏离现实。

发明内容

本发明为了解决现有的电磁频谱地图构建方法得到的城市电磁频谱地图的频谱数据不准确或电磁频谱地图存在模糊区与盲区，导致电磁频谱地图准确率低，频谱数据偏离现实的问题，进而提出了一种稀疏采集条件下频谱地图构建方法。

本发明采取的技术方案是：

它包括以下步骤：

S1、采集城市某区域内各设备采集点的电磁频谱场强数据，利用克里金插值法对各设备采集点的电磁频谱场强数据进行扩充，得到电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域；

S2、对电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域进行栅格化划分，得到每个栅格的电磁频谱强度；

S3、利用电波传播距离、电波频率、某区域地形和示向度评估扩充后的覆盖区域与盲区的关系，再利用基于D-S证据理论的多源数据融合技术将覆盖区域和盲区进行融合，得到某区域完整的覆盖区域及其对应的电磁频谱强度，即得到了城市某区域的频谱地图。

进一步地，S1中利用克里金插值法对各设备采集点的电磁频谱场强数据进行扩充，具体过程为：

假设在城市某区域内采集的某设备采集点的监测数据为z

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其中，

进一步地，权重系数λ

进一步地，S2中对电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域进行栅格化划分，得到每个栅格的电磁频谱强度，具体过程为：

设定一个栅格的尺寸为100米*100米，根据栅格对电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域进行划分，针对每个栅格内采集到的电磁频谱强度计算其平均值，作为所述栅格的电磁频谱强度。

进一步地，S3中利用电波传播距离、电波频率、某区域地形和示向度评估扩充后的覆盖区域与盲区的关系，再利用基于D-S证据理论的多源数据融合技术将覆盖区域和盲区进行融合，得到某区域完整的覆盖区域及其对应的电磁频谱强度，具体过程为：

将所有覆盖区域的栅格P组合为一个集合Ω，对于任何一个栅格P均有一个基本概率分配m(P)，m(P)∈[0,1]，且满足：

其中，

假设覆盖区域和盲区内共有N个发射源，基于传播模型，结合电波传播距离、电波频率、某区域地形和示向度，计算每个发射源在覆盖区域和盲区中每个栅格的电磁频谱强度，并构建盲区中某个栅格与覆盖区域中所有栅格的基本概率分配m

其中，x

根据Dempster合成规则

其中，K为自定义的归一化参数；

在覆盖区域M个栅格中选取与盲区某个栅格信任度最高的w个栅格，将w个栅格作为与盲区某个栅格关联的覆盖区域的栅格，采用加权K近邻法，计算盲区某个栅格的电磁频谱强度，即

其中，y

有益效果：

由于监测设备采集的监测数据量十分有限，且监测数据间离散分布，所以本发明先利用克里金插值法对各监测设备采集的电磁频谱场强数据进行扩充，得到电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域。定义栅格的尺寸，对覆盖区域进行栅格化划分，得到每个栅格的电磁频谱强度。采用合理的栅格化内插算法，对离散采集的监测数据进行覆盖扩充，从而提高频谱地图的覆盖率。利用电波传播距离、电波频率、某区域地形和示向度评估扩充后的覆盖区域与盲区或模糊区的关系，再利用基于D-S证据理论的多源数据融合技术将覆盖区域和盲区或模糊区进行融合，得到某区域完整的覆盖区域及其对应的电磁频谱强度。基于D-S证据理论的多源数据融合技术通过考虑传播距离、频率、地形以及示向度等信息，对监测覆盖区域与盲区或者模糊区的关联情况进行评估，完成对频谱地图数据模糊区与盲区的数据补全。本发明融合了监测设备采集的频谱数据以及传播模型预测的频谱数据，以获得相对准确的目标区域电磁环境数据，提高了电磁频谱地图的准确率。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是离散的监测数据示意图；

图3是经过克里金插值处理的监测数据示意图；

图4是D-S证据理论的示意图；

图5是D-S证据理论数据融合流程图；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种稀疏采集条件下频谱地图构建方法，它包括以下步骤：

S1、采集城市某区域内各设备采集点的电磁频谱场强数据，利用克里金插值法对各设备采集点的电磁频谱场强数据进行扩充，得到电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域。

监测数据主要是通过监测站、车辆、无人机搭载的监测设备采集的，在无线电监测数据采集场景下，上述监测设备通常只能覆盖城市目标区域少量的离散区域，即目标区域中各点的电磁频谱场强数据之间离散分布，而离散化的监测数据采集点难以有效支撑信号源定位、频谱地图态势分析等关键应用，因此，基于上述离散化的监测数据，需要对未覆盖的目标区域进行覆盖扩充，离散化的城市监测数据区域如图2所示。

电磁频谱场强重构技术是针对采集的稀疏的电磁频谱场强数据进行覆盖扩充的关键技术，电磁频谱场强重构技术主要包括高斯内插、线性内插、克里金插值等算法。克里金插值法(Kriging)是依据协方差函数对随机过程或随机场进行空间建模和预测(插值)的回归算法。在特定的随机过程，例如，固有平稳过程中，克里金插值法能够给出最优的线性无偏估计，因此，它在地统计学中也被称为空间最优无偏估计器。相对传统的高斯内插、线性内插等算法，克里金插值法在数据网格化的过程中考虑了描述对象的空间相关性质，使得插值精度更加合理、精确。所以本发明利用克里金插值法对目标区域中离散的各点的电磁频谱场强数据进行扩充，以扩大覆盖区域，经过克里金插值法扩充的电磁频谱场强数据区域如图3所示。

假设在城市某区域内采集的某设备采集点的监测数据为z

其中，

克里金插值法是用空间上所有已知点的数据加权求和估计未知点的值，但权重系数并非距离的倒数，而是能够满足点(x

S2、对电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域进行栅格化划分，得到每个栅格的电磁频谱强度，具体过程为：

针对城市环境，设定一个栅格P的尺寸为100米*100米，根据栅格对电磁频谱场强数据扩充后的覆盖区域进行等面积的栅格化划分，针对每个栅格内采集到的电磁频谱强度，系统计算其平均值，作为该栅格的电磁频谱强度。

S3、利用电波传播距离、电波频率、某区域地形和示向度评估扩充后的覆盖区域与盲区(模糊区)的关系，再利用基于D-S证据理论的多源数据融合技术将覆盖区域和盲区(模糊区)进行融合，得到某区域完整的覆盖区域及其对应的电磁频谱强度，即得到了城市某区域的频谱地图，具体过程为：

由于监测设备在时空上分布的稀疏性以及密度不均匀，导致插值后的监测数据仍然具有盲区(模糊区)。针对盲区(模糊区)内的某一个栅格，本发明通过D-S证据理论融合多发射源信息判断该栅格与覆盖区域栅格的关系。

首先，将所有覆盖区域的栅格P组合为一个完备的集合Ω，其中，各个栅格相互独立。对于覆盖区域内的任何一个栅格P均有一个基本概率分配m(P)，m(P)∈[0,1]，且满足：

其中，m(P)表示对P的精确信任程度；

其次，假设覆盖区域和盲区(模糊区)内共有N个发射源，基于传播模型，结合电波传播距离、电波频率、某区域地形和示向度，计算每个发射源在覆盖区域和盲区(模糊区)中每个栅格的电磁频谱强度，并构建盲区(模糊区)中某个栅格与覆盖区域中所有栅格的基本概率分配m

其中，x

然后，根据Dempster合成规则计算：

其中，K为自定义的归一化参数。

最后，在覆盖区域M个栅格中选取与盲区(模糊区)某个栅格信任度最高的w个栅格，w个栅格在覆盖区域中为任意位置，没有约束。将w个栅格作为与盲区(模糊区)某个栅格关联的覆盖区域的栅格。采用加权K近邻法，计算盲区(模糊区)某个栅格的电磁频谱强度，即

其中，y