CN101697641B - 对符合ieee 802.11协议的无线设备进行定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法，该定位方法通过在IEEE 802.11MAC协议中添加信号强度分布信息，并通过存储在无线接入点中的Radio-map信息，来获得无线接入点中当前没有802.11设备的地理位置信息，通过获得的地理位置信息实现对802.11设备的当前位置定位。本发明方法解决了在运行一段时间后的无线局域网中，对后来添加的无线接入点或者私装接入点进行的地理位置定位，同时本发明的方法能够对802.11设备的具体位置不清、覆盖率统计困难等问题进行有效管理。

Description

对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法

技术领域

本发明涉及一种对无线设备的定位方法，更特别地说，是指一种基于Radio-map信息，对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法。在本发明的定位方法中，将符合IEEE 802.11协议通信的无线设备记为802.11设备。

背景技术

802.11协议是IEEE最初制定的一个无线局域网标准。

无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)是现代计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络，传输媒介一般是无线电波。

Radio-map是指在目标区域里按照一定的间隔距离确定若干采样点，形成一个采样点的网格，并将每个点所测得的信号强度连同其位置信息一同保存在数据库里，这些信息就叫Radio-map。

随着无线网络密度的提高，网络质量也会伴随着故障点的增多而下降，导频污染、邻频干扰、切换掉线、信号盲区的增多，导致投诉量的不断提升，直接影响了运营商在广大用户中的形象。为了进一步提高无线网络运行质量，网络管理员(NetworkAdministrator，NA)需要借助协议分析仪(Protocol Analyzer，PA)实地考察目标区域的802.11设备(主要包括有无线接入点、无线用户终端)情况，以了解目标区域中有哪些802.11设备正在运行，以及在何处运行，获得这些信息后才能进一步采取行动，比如拆除私装的无线接入点(Access Point，AP)、在适当的位置添加无线接入点。目前NA在目标区域所使用的PA并没有有关802.11设备的地理位置信息，即使探测出异常情况(比如探测出私装的AP)，NA也不知道这个私装AP安装在什么位置，阻碍了私装AP的顺利拆除以及AP的部署优化。

发明内容

为了方便网络管理员(NA)对802.11设备的有效管理及位置的优化部署，本发明提出一种基于Radio-map对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法。该定位方法通过在IEEE 802.11 MAC协议中添加信号强度分布信息，并通过存储在无线接入点(PA)中的Radio-map信息，来获得无线接入点(PA)中当前没有802.11设备的地理位置信息，通过获得的地理位置信息实现对802.11设备的当前位置定位。本发明方法解决了在运行一段时间后的无线局域网中，对后来添加的无线接入点(PA)或者私装接入点进行的地理位置定位，同时本发明的方法能够对802.11设备的具体位置不清、覆盖率统计困难等问题进行有效管理。

本发明提出一种基于Radio-map对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法，首先通过管理员端(Manager)在任意采样点sp_j上对无线信号强度进行采集n(100＜n≤200)次后，并将所得到的无线信号强度信息I_j＝<l_j，AP_area，S，p(S|l_j)>存储在数据库中；然后利用该数据库中的数据构建出Radio-map；最后在Radio-map中应用概率-定位策略确定出候选位置l′。

所述的概率-定位策略的执行步骤有：

执行步骤一：管理员端Manager扫描目标区域中的802.11设备

通过管理员端Manager内置的无线网卡，扫描目标区域的802.11设备，包括无线接入点AP和无线用户端Sta，此时可以得到扫描到的所有802.11设备的Mac地址信息；然后，管理员端Manager可以从扫描得到的所有802.11设备中选定一个或几个可疑目标作为定位目标；最后根据定位的结果拆除私装的无线接入点或者在选定位置添加无线接入点；

执行步骤二：管理员端向目标802.11设备发送定位请求帧

由管理员端Manager向802.11设备发送定位请求帧，其中Type＝11的帧表示定位帧，SubType＝0000表示定位请求帧；Address1＝DA表示目的端MAC地址，定位请求帧的目的端是待定位的802.11设备；Address2＝SA表示发送端MAC地址，定位请求帧的发送端是管理员端；定位请求帧的帧体为空；

执行步骤三：目标802.11设备回复定位响应帧

接收到定位请求帧的802.11设备将探测所有它所能探测到的无线接入点的接收信号强度RSSI，然后按照RSSI从大到小的顺序将无线接入点的MAC地址和RSSI封装到定位响应帧中；Type＝11的帧表示定位帧，SubType＝0001表示定位响应帧；Address1＝DA表示目的端MAC地址，定位响应帧的目的端是管理员端；Address2＝SA表示发送端MAC地址，定位响应帧的发送端是待定位的802.11设备；

执行步骤四：管理员端通过概率-定位策略确定候选位置l′

管理员端解析接收到的定位响应帧，得到无线信号强度向量称为在线-向量S′＝{s₁′，s₂′，......，s_k′}，然后依据贝叶斯概率关系 $p(l_{\mathrm{real}}=l^{\&prime;}|S^{\&prime;})=\frac{p\left(S^{\&prime;}\right|l_{\mathrm{real}}=l^{\&prime;})\&times;p(l_{\mathrm{real}}=l^{\&prime;})}{p\left(S^{\&prime;}\right)}$ 得到候选位置l′；最后从该候选位置l′中找出p(l_real＝l′|S′)的最大值。

本发明的方法能够解决目前PA中没有802.11设备的地理位置信息、对802.11设备的具体位置不清、覆盖率统计困难等问题，进而实现对802.11设备的有效管理。

附图说明

图1是在一个目标区域中802.11设备的分布示意图。

图2是本发明对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的流程图。

图3是本发明扩展后的IEEE 802.11 MAC协议帧结构。

图3A是本发明扩展后的IEEE 802.11 MAC协议帧中定位响应帧帧体结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：

参见图1所示，在一个目标区域内包括有多个无线接入点、多个采样点、多个无线用户端和一个管理员端(Manager)。其中，无线接入点(AP)、管理员端(Manager)和无线用户端(Sta)属于802.11设备。

为了方便网络管理员(NA)对802.11设备的有效管理及位置的优化部署，本发明是一种基于Radio-map对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法。该定位方法通过在IEEE 802.11 MAC协议中添加信号强度分布信息，并通过存储在PA(协议分析仪)中的Radio-map对802.11设备的当前位置进行定位，以解决目前PA中没有802.11设备的地理位置信息、对802.11设备的具体位置不清、覆盖率统计困难等问题，进而实现对802.11设备的有效管理。

在本发明中，IEEE 802.11 MAC协议的结构如图3所示，其中在FrameControl(帧控制)字段中的Type(第3和第4个比特)规定了该帧的类型，两个比特的Type共能表示四种类型，但目前只使用三种类型的802.11 MAC帧(管理帧：Type＝00，控制帧：Type＝01，数据帧：Type＝10)，所以可以规定Type＝11的帧表示定位帧，而SubType＝0000表示定位请求帧，SubType＝0001表示定位响应帧。对于定位响应帧帧体的结构如图3A所示，接收到定位请求帧的802.11设备将探测所有它所能探测到的AP个数以及其接收信号强度RSSI，然后按照RSSI从大到小的顺序将AP的MAC地址和RSSI封装到定位响应帧中。至于帧头的其它部分，Type＝11的帧表示定位帧，SubType＝0001表示定位响应帧；Address1＝DA表示目的端MAC地址，定位响应帧的目的端是管理员端；Address2＝SA表示发送端MAC地址，定位响应帧的发送端是待定位的802.11设备。

参见图2所示，在本发明中，通过管理员端Manager来创建Radio-map，然后管理员端Manager向802.11设备发送定位请求帧LF_REQ，对接收到LF_REQ的802.11设备则回复一个定位响应帧LF_RE，最后管理员端Manager依据概率-定位策略获得目标区域的802.11设备的位置。

在本发明中，多个无线接入点按照集合表达形式为AP_area＝{ap₁，ap₂，……，ap_k}，ap₁表示目标区域中的第1个无线接入点，ap₂表示目标区域中的第2个无线接入点，ap_k表示目标区域中的第k个无线接入点，k表示目标区域中无线接入点的个数。

在本发明中，多个采样点按照集合表达形式为SP＝{sp₁，sp₂，…sp_j…，sp_m}，sp₁表示第1个采样点，sp₂表示第2个采样点，sp_j表示第j个采样点(也称为任意一个采样点，1≤j≤m)，sp_m表示第m个采样点。

在本发明中，多个无线用户端按照集合表达形式为STA＝{sta₁，sta₂，……，sta_a}。

在本发明中，应用管理员端Manager来创建Radio-map所执行的步骤为：

创建步骤一：确定目标区域，并设置采样点

在本发明中，目标区域可以选取一幢大楼的各层。而在每一楼层中按照2米～5米的间隔进行采样点的设置，目标区域内所有采样点位置的集合记为L＝{l₁，l₂，…，l_j，…，l_m}，l_j表示采样点sp_j的位置。该位置l_j中包括有楼宇名B、楼层F、坐标(x_j，y_j)，记为l_j＝<B，F，(x_j，y_j)>。

创建步骤二：构建Radio-map

管理员端Manager在任意采样点sp_j上对无线信号强度进行采集n(100＜n≤200)次后，并将所得到的无线信号强度信息I_j＝<l_j，AP_area，S，p(S|l_j)>存储在数据库中。其中，l_j表示采样点sp_j的位置，AP_area＝<ap₁，ap₂，……，ap_k>表示在目标区域中所有无线接入点的集合，离线无线信号强度向量S＝<s₁，s₂，......，s_k>表示ap₁，ap₂，……，ap_k的无线信号强度分别为s₁，s₂，......，s_k，p(S|l_j)表示采样点位置l_j处接收到离线-向量S的概率。

在本发明中的目标区域内，采用与执行步骤二相同的处理方式进行其它采样点的添加，并统计每个接入点的信号强度，按照统计值计算每个信号强度的概率，将每个采样点信息存入数据库，这就构建了一个用于概率-定位策略进行定位的Radio-map。

参见图1所示，假设目标区域中有四个无线接入点，记为AP₁、AP₂、AP₃和AP₄；两个无线用户端Sta1和Sta2，一个管理员端Manager。首先管理员NA在目标区域选择若干个采样点，并且每一个采样点在目标区域中只有一个唯一位置。

以第一个采样点sp₁为例，该第一个采样点sp₁的附近可以探测到四个无线接入点AP₁、AP₂、AP₃和AP₄，则第一个采样点sp₁在Radio-map中的存储情况为下表所示：

采样点位置	无线接入点	接收信号强度	概率
				l1	AP1	-50dBm	32％
l1	AP1	-52dBm	68％
				l1	AP2	-48dBm	100％
l1	AP3	-65dBm	10％
				l1	AP3	-68dBm	60％
l1	AP3	-70dBm	30％
				l1	AP4	-80dBm	80％
l1	AP4	-83dBm	20％

在本发明中，应用管理员端Manager来定位802.11设备所执行的步骤为：

执行步骤一：管理员端Manager扫描目标区域中的802.11设备

通过管理员端Manager内置的无线网卡，扫描目标区域的802.11设备，包括无线接入点AP和无线用户端Sta，此时可以得到扫描到的所有802.11设备的Mac地址等信息，这是普通PA既有的功能。然后，管理员端Manager可以从扫描得到的所有802.11设备中选定一个或几个可疑目标(比如私装AP)作为定位目标，称为目标802.11设备。最后根据定位的结果迅速采取相应的措施，比如拆除私装的无线接入点(Access Point，AP)、在适当的位置添加无线接入点。

执行步骤二：管理员端向目标802.11设备发送定位请求帧

如图2所示，为得到802.11设备的地理位置，由管理员端Manager向802.11设备发送定位请求帧，其中Type＝11的帧表示定位帧，SubType＝0000表示定位请求帧；Address1＝DA表示目的端MAC地址，定位请求帧的目的端是待定位的802.11设备；Address2＝SA表示发送端MAC地址，定位请求帧的发送端是管理员端；定位请求帧的帧体为空。

执行步骤三：目标802.11设备回复定位响应帧

接收到定位请求帧的802.11设备将探测所有它所能探测到的无线接入点(总数设为k)的接收信号强度RSSI，然后按照RSSI从大到小的顺序将无线接入点的MAC地址和RSSI封装到定位响应帧中，定位响应帧的帧体部分如附图2A所示。至于帧头的其它部分，Type＝11的帧表示定位帧，SubType＝0001表示定位响应帧；Address1＝DA表示目的端MAC地址，定位响应帧的目的端是管理员端；Address2＝SA表示发送端MAC地址，定位响应帧的发送端是待定位的802.11设备。

执行步骤四：管理员端通过概率-定位策略确定候选位置l′

管理员端解析接收到的定位响应帧，得到无线信号强度向量称为在线-向量S′＝{s₁′，s₂′，......，s_k′}，表示ap₁，ap₂，……，ap_k的无线信号强度分别为s₁′，s₂′，......，s_k′。此时，由贝叶斯概率的公式 $p(l_{\mathrm{real}}=l^{\&prime;}|S^{\&prime;})=\frac{p\left(S^{\&prime;}\right|l_{\mathrm{real}}=l^{\&prime;})\&times;p(l_{\mathrm{real}}=l^{\&prime;})}{p\left(S^{\&prime;}\right)}$ 可知候选位置。该候选位置是指从位置集合L中寻找位置l′使得p(l_real＝l′|S′)达到最大值。p(l_real＝l′|S′)表示接收到无线信号强度向量为S′的条件下实际位置l_real为候选位置l′的概率，p(S′|l_real＝l′)表示实际位置l_real为待定位置l′的条件下无线信号强度向量为S′的概率，p(l_real＝l′)表示实际位置l_real为待定位置l′的的概率，p(S′)表示无线信号强度向量为S′的概率。

由于802.11设备的位置是随机的，因此p(l_real＝l′)是一个常量；而p(S′)不依赖于具体位置，因此它也作为一个常量来处理。所以上述公式p(l_real＝l′|S′)≥p(l_real＝l_j|S′)(j＝1，2，......，m)可以变换为p(S′|l_real＝l′)≥p(S′|l_real＝l_j)(j＝1，2，......，m)，即p(S′|l′)≥p(S′|l_j)(j＝1，2，......，m)。这就是说，确定候选位置即从位置集合L中寻找位置l′使得p(S′|l′)达到最大值，p(S′|l′)表示采样点位置l′处接收到在线-向量S′的概率。这样就确定好了一个候选位置l′。

为了更加精确的对目标802.11设备进行定位，一般将选取多个候选位置进行加权平均关系 $l_{\mathrm{res}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{\mathrm{cc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}(p\left(S^{\&prime;}\right|l_i^{\&prime;})\&times;l_i^{\&prime;})}{\underset{i=1}{\overset{\mathrm{cc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\left(S^{\&prime;}\right|l_i^{\&prime;})}$ 的处理，从而得到最后的定位结果

l_res，cc表示候选位置个数，且cc(1≤cc≤5)，l_i′表示第i个候选位置，1≤i≤cc。

在本发明中，概率-定位策略的伪代码为：

p_max＝0；

for(i＝1；i≤cc；i++)

{

  for(each l_j∈L)

    if(p(S′|l_j)＞p_max)then

        {

             p_max＝p(S′|l_j)；

             l′＝l_j；

             p(S′|l′)＝p(S′|l_j)；

        }

    l_i′＝l′；

    p(S′|l_i′)＝p(S′|l′)；

    L＝L-l_i′；

}

$l_{\mathrm{res}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{\mathrm{cc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}(p\left(S^{\&prime;}\right|l_i^{\&prime;})\&times;l_i^{\&prime;})}{\underset{i=1}{\overset{\mathrm{cc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\left(S^{\&prime;}\right|l_i^{\&prime;})}.$

在本发明中的字母的物理意义为：

NA	表示网络管理员，为Network Administrator的缩写。
		PA	表示协议分析仪，为Protocol Analyzer的缩写。
Manager	表示管理员端。
		lreal	表示管理员端Manager所在电子地图中的实际位置，简称实际位置。
STA＝{sta1，sta2，……，staa}	表示无线用户端构成的集合，简称用户端集合。sta1表示第1个无线用户端，sta2表示第2个无线用户端，staa表示第a个无线用户端。
		SP＝{sp1，sp2，…spj…，spm}	表示采样点构成的集合，简称采样点集合。sp1表示第1个采样点，sp2表示第2个采样点，spj表示第j个采样点(也称为任意一个采样点，1≤j≤m)，spm表示第m个采样点。
L＝{l1，l2，…，lj，…，lm}	表示采样点的位置集合，l1表示第1个采样点的位置，l2表示第2个采样点的位置，lj表示第j个采样点的位置(也称为任意采样点位置，1≤j≤m)，lm表示第m个采样点的位置。
		l′∈L	表示采样点位置集合L中的某个位置，称为候选位置。
lres	表示多个候选位置l′的加权平均值，称为定位结果。
		AParea＝{ap1，ap2，……，apk}	表示在目标区域中所有无线接入点的集合，简称为接入点集合。ap1表示目标区域中的第1个无线接入点，
	ap2表示目标区域中的第2个无线接入点，apk表示目标区域中的第k个无线接入点，k表示目标区域中无线接入点的个数。
		S′＝<s1′，s′2，......，sk′>	表示在线无线信号强度向量，简称为在线-向量。s1′表示ap1的在线无线信号强度，s2′表示ap2的在线无线信号强度，sk′表示apk的在线无线信号强度。
S＝<s1，s2，......，sk>	表示离线无线信号强度向量，简称为离线-向量。s1表示ap1的离线无线信号强度，s2表示ap2的离线无线信号强度，sk表示apk的离线无线信号强度。
		p(S′)	表示接收到在线-向量S′的概率。
p(S)	表示接收到离线-向量S的概率。
		p(S|lj)	表示任意采样点位置lj处接收到离线-向量S的概率。
p(S′|lj)	表示任意采样点位置lj处接收到在线-向量S′的概率。
		p(lreal＝l′|S′)	表示接收到在线-向量S′的条件下实际位置lreal为候选位置l′的概率。
p(S′|lreal＝l′)	表示实际位置lreal为待定位置l′的条件下，接收到在线-向量S′的概率。
		p(S′|l′)	表示候选位置l′处接收到在线-向量S′的概率。
p(lreal＝l′)	表示实际位置lreal为待定位置l′的概率。

Claims (2)

1.一种对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法，其特征在于：首先通过管理员端在任意采样点sp_j上对无线信号强度采集了n次，其中100＜n≤200次，并将所得到的无线信号强度信息I_j＝<l_j，AP_area，S，p(S|l_j)>存储在数据库中；然后利用该数据库中的数据构建出Radio-map；最后在Radio-map中应用概率-定位策略确定出候选位置l′；

所述的无线信号强度信息I_j＝<l_j，AP_area，S，p(S|l_j)>中，l_j表示任意采样点位置，AP_area表示在目标区域中所有无线接入点的集合，S表示离线无线信号强度向量，p(S|l_j)表示l_j处接收到S的概率；

所述的概率-定位策略的执行步骤有：

执行步骤一：管理员端Manager扫描目标区域中的802.11设备

通过管理员端Manager内置的无线网卡，扫描目标区域的802.11设备，包括无线接入点AP和无线用户端Sta，此时可以得到扫描到的所有802.11设备的Mac地址信息；然后，管理员端Manager可以从扫描得到的所有802.11设备中选定一个或几个可疑目标作为定位目标；最后根据定位的结果拆除私装的无线接入点或者在选定位置添加无线接入点；

执行步骤二：管理员端向目标802.11设备发送定位请求帧

由管理员端Manager向802.11设备发送定位请求帧，其中Type＝11的帧表示定位帧，SubType＝0000表示定位请求帧；Address ＝DA表示目的端MAC地址，定位请求帧的目的端是待定位的802.11设备；Address2＝SA表示发送端MAC地址，定位请求帧的发送端是管理员端；定位请求帧的帧体为空；

执行步骤三：目标802.11设备回复定位响应帧

接收到定位请求帧的802.11设备将探测所有它所能探测到的无线接入点的接收信号强度RSSI，然后按照RSSI从大到小的顺序将无线接入点的MAC地址和RSSI封装到定位响应帧中；Type＝11的帧表示定位帧，SubType＝0001表示定位响应帧；Address1＝DA表示目的端MAC地址，定位响应帧的目的端是管理员端；Address2＝SA表示发送端MAC地址，定位响应帧的发送端是待定位的802.11设备；

执行步骤四：管理员端通过概率-定位策略确定候选位置l′

管理员端解析接收到的定位响应帧，得到无线信号强度向量称为在线-向量S′＝{s₁′，s₂′，......，s_k′}，然后依据贝叶斯概率关系 

得到候选位置l′；最后从该候选位置l′中找出p(l_real＝l′|S′)的最大值；

s₁′表示第一个无线接入点ap₁的在线无线信号强度；

s₂′表示第二个无线接入点ap₂的在线无线信号强度；

s_k′表示第k个无线接入点ap_k的在线无线信号强度；

p(l_real＝l′|S′)表示接收到无线信号强度向量为S′的条件下实际位置l_real为候选位置l′的概率；

p(S′|l_real＝l′)表示实际位置l_real为待定位置l′的条件下无线信号强度向量为S′的概率；

p(l_real＝l′)表示实际位置l_real为待定位置l′的概率；

p(S′)表示无线信号强度向量为S′的概率。

2.根据权利要求1所述的对符合IEEE 802.11协议的无线设备进行定位的方法，其特征在于：为了更加精确的对目标802.11设备进行定位，一般将选取多个候选位置进行加权平均关系

的处理，从而得到更精确的定位结果l_res；

cc表示候选位置个数，且1≤cc≤5；

l_i′表示第i个候选位置，1≤i≤cc；

p(S′|l′_i)表示在第i个候选位置l_i′处接收到在线-向量S′的概率。 

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