一種利用wifi場強進行離去角度估計的定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法，包括：(1)發送節點使用恒定的發送功率，分時發送若干個定向的廣播信號并進行旋轉切換，不同波束上的信號通過網絡標識符SSID來進行區分；(2)待測節點檢測到各方向上發送的廣播信號，并分別記錄場強信息，通過場強的分布情況來估計自身相對于發送節點的離去角度（包括方位角θ和俯仰角）；(3)在實際應用背景下，待測節點結合發送節點的位置與自身相對發送節點的離去角度估計進行位置估計。本發明根據離去角度估計最終實現節點的位置估計，具有精度高，設備簡單以及運算復雜度低的優點。
【專利說明】一種利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及WIFI定位方法，特別是涉及利用WIFI場強特征進行角度估計的較高精度的定位。
【背景技術】
[0002]WIFI是一種無線數據通信方法，可以將個人電腦、手持設備(如PAD、手機)等終端以無線方式互相連接，目前已經獲得廣泛應用。在無線網絡中無線節點的位置信息十分重要，GPS以及移動通信中的TDOA定位系統需要在待測節點配備專門的接收機(GPS接收機或超聲信號接收機)，會受到成本、功耗的限制，而且GPS接收機不能在室內工作。現有的無線網絡定位方法大致可分為與距離無關的定位算法和基于距離的定位算法。與距離無關的定位算法利用相鄰節點的連通性進行粗略位置估計，往往精度不高；對于利用信號強度測量距離的算法，已有研究表明，角度估計比距離估計噪聲要小，能提供更高的定位精度；
[0003]現有的無線AP采用全向天線發送信號，在功率受限的情況下，可以覆蓋的范圍比較小，而目前WIFI定位的思路主要是利用空間WIFI指紋，分為離線測試和在線定位兩個階段，在待測空間對采樣點進行場強測量并記錄到數據庫，通過檢測待測節點處的場強與數據庫信息進行匹配定位。這種方法利用場強的分布來表征信道特性，然而由于接入點強度、位置的變化，或者定位空間信道的時變性(如商場中人流)的影響，空間WIFI指紋會發生變化，這就需要經常性的在空間中采樣場強信息以對數據庫進行更新，給實際應用帶來不便。

【發明內容】

[0004]為了避免上述現有技術的不足，本發明給出了一種利用待測節點采樣WIFI場強信息進行離去角度估計的定位方法。其核心在于，根據場強分布特性，使用簡單的算法實現離去角度估計進而實現節點的位置估計，解決了基于距離定位算法精度低的問題，同時避免了使用空間WIFI指紋技術中數據庫的建立和更新過程，而且這種分布式的位置估計與網絡中節點的密度無關，定位網絡具有很好的可擴展性。
[0005]為達到以上述目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的:
[0006]一種利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0007](I)發送節點發送信號:網絡架構的搭建至少使用一個發送節點，各發送節點配備以一定時隙間隔進行波束旋轉切換的定向天線，并且使其中一根定向天線主波束方向豎直向下，其他定向天線以同一傾角斜向下均勻地圍成一周。波束切換部分由基帶處理、D/A變換、控制部分和射頻發送部分構成:
[0008]其中，基帶處理根據IEEE802.11協議的Beacon (信標)信號幀結構，構造多個廣播Beacon信號數據幀，通過網絡標識符SSID字段給各幀配置不同的SSID，并按照協議規范分別進行CRC (循環冗余校驗碼)校驗、擴頻、加擾處理，得到發送數據序列，最終完成基帶信號調制，生成對應的基帶數據；
[0009]D/A變換對基帶數據進行D/A變換，上變頻到射頻后使用定向天線發送；使不同網絡標識符的Beacon信號對應不同的波束方向，將空間劃分為若干虛擬區域，利用控制信號來控制波束的切換以及選擇各波束方向上對應的發送數據，最終以恒定的功率在各個方向上發送帶有不同SSID的廣播Beacon信號。
[0010](2)待測節點估計離去角度:首先將發送節點的位置、各發送方向對應的Beacon信號的SSID以及天線方向圖數據信息存儲到待測節點，諸如手機、PC終端，網絡中的待測節點在工作模式下進行采樣，接收射頻信號并利用自身的收發模塊對其進行下變頻處理，監聽并記錄各個SSID對應信號的RSSI (接收信號強度指示)，根據各RSSI取值估計離去角度；
[0011](3)待測節點估計位置:在單個發送節點的情況下，通過已知的發送節點的位置信息與步驟(2)中的離去角度估計結果，在球坐標系下，待測節點位于以發送節點為起點的射線上，結合實際情況，如待測節點距離地面的高度，便可估計待測節點的位置；在多個發送節點的情況下，分別經過各個發送節點確定待測節點所在的射線，計算各射線交點即為節點位置估計值。
[0012]上述方法中，在根據各RSSI取值估計離去角度的過程中，對于四周的定向天線對應的信號，選擇取值最大的兩個RSSI，即為相鄰天線上對應信號的場強，計算相對值(求比值)，通過與水平方向圖中場強的分布進行匹配便能估計待測節點相對于發送節點的方位角Θ ;選擇取值最大的一個RSSI值與豎直向下方向對應信號的RSSI，求比值并與垂直方向圖匹配可估計俯仰角,。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0014]1.該方法中待測節點僅利用配備單天線系統的無線通信設備進行定位，不需要對待測節點添加硬件設備(如GPS接收機或超聲信號接收機)，降低了硬件成本和定位系統的復雜度。
[0015]2.該方法僅利用信號視距分量的離去角度信息進行定位，比基于RSSI測量距離的算法具有更高的定位精度，減小了定位誤差。
[0016]3.分布式定位系統具有較好的擴展性和實用性。發送節點架構好以后，在網絡的覆蓋范圍內，各待測節點獨立地測量接收信號進行自身位置計算，不需要收發同步，發送節點也不需要對待測節點進行協調，系統工作的復雜度不隨節點數目的增加而增加，適合于節點密度大(如大型商場、博物館等)的場合使用。
[0017]4.待測節點在定位過程中只接收信號，不發送信號，因此節點的位置等用戶隱私信息可以很好的被保護。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為根據離去角度定位方法的原理圖，在大地坐標系中，兩發送節點的位置坐標分別為(X1, Yi, Z1), (x2, y2, Z2),根據RSSI分布分別估計出待測節點S相對于兩發送節點的離去角度(0肩，從而可以確定S的位置坐標(X，y, z) ο
[0019]圖2為發送節點配備九根定向天線時的水平方向圖。
[0020]圖3為發送節點配備九根定向天線時的垂直方向圖。
【具體實施方式】[0021]以下結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0022]一種利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法，包括下述步驟:
[0023](I)發送節點發送信號:根據圖1所示的定位原理圖，網絡中包括兩個發送節點a和b，位置坐標分別為(Xl，yi，Zl)和(x2，y2，z2)，各發送節點上分別裝配九根定向天線，負責在九個波束上發送不同SSID的802.11協議射頻Beacon信號。定向天線的結構完全相同，擺放方式為:使其中一根定向天線主波束方向豎直向下，另外八根定向天線以水平方向間夾角45° (圖2)斜向下傾角60° (圖3)均勻地圍成一周。
[0024]根據IEEE802.11協議的Beacon幀結構，為兩個發送節點a，b分別構造SSID為a0, a1；...，a8和b0,bv...，b8的數據幀，并按照協議規范分別進行CRC校驗、擴頻、加擾等處理生成數據序列，使用IMbits/s的符號速率，進行DBPSK調制，生成對應的基帶數據；對各基帶數據進行D/A變換，上變頻后在2.412GHz頻率使用定向天線進行發送，通過控制信號選擇不同的基帶數據，分九個時隙間隔進行定向天線的旋轉切換和發送數據的選擇。在第I個時隙內，發送節點a在波束豎直向下的定向天線上發送SSID為％的信號，發送節點b在波束豎直向下的定向天線上發送SSID為Idci的信號；在第2~9個時隙內，發送節點a從0°對應的定向天線開始，按逆時針方向依次在四周的八根定向天線上發送SSID為B1, a2,…，a8的信號，發送節點b從O。對應的定向天線開始，按逆時針方向依次在四周的八根定向天線上發送SSID為Id1, b2,…，b8的信號。
[0025](2)待測節點估計離去角度:首先將發送節點的位置、各發送方向對應Beacon信號的SSID以及天線方向圖數據信息存儲到待測節點，待測節點使用自身的無線收發功能接收廣播Beacon信號，在每個時隙內進行采樣并記錄場強，一個周期后得到兩組RSSI值RSSIai, RSSIbi, i=0 , I,…8。由于發送節點處于散射體的高空，其發射信號的多徑成分往往被限制在一個很小的角度范圍內，因此可忽略多徑效應的影響，認為只有一個主波束方向，即只考慮信號的視距分量，所以經過九個時隙后，從RSSIa1~RSSIa8中選擇兩個最大的值，即為四周相鄰兩根定向天線上對應信號的場強，記最大值和次大值分別為RSSIa1, RSSIar通過求比值得到相對值RSSIai/RSSIaj，記SSID為aD Bj的信號對應定向天線的水平方向圖中歸一化場強的分布分別為Ε&Ι(Θ’)，Ε%(Θ’)，對不同的Θ’取值計算比值Ea1P’)/Eaj( Θ ’)，取RSSIa1ZiRSSIaj與EaJ Θ ’)/Ea^ Θ ’)誤差平方最小時對應的Θ ’為待測節點相對于發送節點a的方位角估計值Θ工，即:
[0026]θχ = arg min J[RSSial/RSSktj — Eal (θ')/Eaj {(? J
[0027]類似地，計算最大值RSSIa1與RSSIatl的相對值，并記SSID為aD a0的信號對應定向天線的垂直方向圖中歸一化場強的分布分別為％卜對不同的取值計算
比值M (爐，則待測節點相對于發送節點a的俯仰角估計值為:
[0028]
? arg min | RSSIai /RSSfan 一 EalJ
[0029]同樣地，可得到待測節點相對于發送節點b的離去角度估計值(疼，) ◎[0030](3)待測節點估計位置:根據待測節點離去角度估計值朽)，結合已
知的發送節點位置(Udz1)和(x2，y2，z2)，得到待測節點位置估計的方程組為
[0031]
【權利要求】
1.一種利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法，其特征在于，包括下述步驟: (O發送節點發送信號:網絡架構的搭建至少使用一個發送節點，各發送節點配備以一定時隙間隔進行波束旋轉切換的定向天線，并且使其中一根定向天線主波束方向豎直向下，其他定向天線以同一傾角斜向下均勻地圍成一周，其中波束切換部分由基帶處理、D/A變換、控制部分和射頻發送部分構成； 其中，基帶處理根據IEEE802.11協議的Beacon信號幀結構，構造多個廣播Beacon信號數據幀，通過網絡標識符SSID字段給各幀配置不同的SSID，并按照協議規范分別進行CRC校驗、擴頻、加擾處理，得到發送數據序列，最終完成基帶信號調制，生成對應的基帶數據； D/A變換將基帶數據進行D/A變換，上變頻到射頻后使用定向天線發送；為了使不同標識符的Beacon信號對應不同的波束方向，將空間劃分為若干虛擬區域，利用控制信號來控制波束的切換以及選擇各波束方向上對應的發送數據，最終以恒定的功率在各個方向上發送帶有不同SSID的廣播Beacon信號； (2)待測節點估計離去角度:首先將發送節點的位置、各發送方向對應的Beacon信號的SSID以及天線方向圖數據信息存儲到待測節點，諸如手機、PC終端，網絡中的待測節點在工作模式下進行采樣，接收射頻信號并利用自身的收發模塊對其進行下變頻處理，監聽并記錄各個SSID對應信號的RSSI，根據各RSSI取值估計離去角度； (3)待測節點估計位置:在單個發送節點的情況下，通過已知的發送節點的位置信息與步驟(2)中的離去角度估計結果，在球坐標系下，待測節點位于以發送節點為起點的射線上，結合實際情況，如待測節點距離地面的高度，便可估計待測節點的位置；在采用多個發送節點的情況下，分別經過各個發送節點確定待測節點所在的射線，計算各射線交點即為節點位置估計值。
2.如權利要求1所述的利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法，其特征在于，步驟(2)所述的根據各RSSI取值估計離去角度的具體方法是，對于四周的定向天線對應的信號，選擇取值最大的兩個RSSI，即為相鄰天線上對應信號的場強，計算比值，通過與水平方向圖中場強的分布進行匹配便能估計待測節點相對于發送節點的方位角Θ ;選擇取值最大的一個RSSI值與豎直向下方向對應信號的RSSI，求比值并與垂直方向圖匹配估計俯仰角爐。
【文檔編號】H04W4/04GK103945331SQ201410078906
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】王文杰, 王波, 張渭樂, 李騖, 董建云 申請人:西安交通大學