CN102711245B - 室内环境下wlan区域内两阶段匹配定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内环境下WLAN区域定位的两阶段选举匹配方法。在每个定位周期中，系统搜集每个运动节点到各无线接入点的RSSI值，通过选举产生该周期匹配的区域，作为初步的定位结果，然后结合任意的稳定定位机制可实现区域判定。该方法首先利用RSSI值对区域进行选举，得到待选区域集合，且信号较少时倾向于选出较多的区域，反之亦然；然后在定位稳定机制得到的可信区域基础上，基于区域拓扑结构选择这些待选区域的最近公共祖先作为本次比对的结果。本发明中的两阶段选举法考虑了信号的筛选作用与区域间的连通关系，提高了区域匹配的准确度。

Description

室内环境下WLAN区域内两阶段匹配定位方法

技术领域

本发明涉及一种室内环境下WLAN区域定位的两阶段选举匹配方法，具体涉及一种用于室内环境基于WLAN进行区域定位时RSSI值搜集不稳定的区域匹配算法，可作为任意定位平滑稳定机制的基础。

背景技术

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。GPS是目前应用最为广泛的定位技术。当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。

使用WLAN进行室内定位是一个性价比很高的选择，无需特别添加基础设施。无线局域网络（WLAN）包括若干个已知自身物理位置信息的无线接入点(Access Point，AP)和若干个移动节点，所述移动节点周期性地发送信号探测包，所述无线接入点根据接收到的信号探测包计算RSSI信息或跳数信息，并将RSSI信息发送给定位服务器，所述定位服务器根据各无线接入点提供的信息，获得移动节点的定位位置。进行室内定位时，移动节点可以为待定位人员或物体携带的一个具有WiFi通信功能的定位标签，为降低系统成本，该标签可只具有上行信道，周期性发送信标探测帧。由于无线信号的不稳定，且WLAN中难以准确测量时间与距离，因此无法使用传统的卫星定位系统中的基于测距的集合方法来定位。学术界和工业界大多倾向于使用基于信号特征比对的方法。

文献[Honkavirta V，Perala T，Ali-Loytty S，et al.A comparativesurvey of WLAN location fingerprinting methods.Proc WorkshopPositioning，Navig.Commun.，WPNC，Hannover，Germany，2009:243-251]总结了近年来这一类方法的进展。这类方法一般分为离线和在线两个阶段。离线阶段，将定位标签放置在采样点上，采集一段时间的信号，获得各采样点的信号特征（如信号接收强度指示RSSI的平均值等）。在线阶段，通过比较实时获取的信号与各采样点的信号特征，得出移动节点位于某个采样点附近的定位结果。其中，比对方法分为两大类，第一类方法获得移动节点位于某个采样点的确定结果，第二类方法获得移动节点位于各个采样点的概率。

在实际应用中，由于干扰和环境遮挡等原因，很难获得稳定、同步、完整的RSSI值集合，因此往往需要对几个定位周期的比对结果进行综合分析后得出一个平滑稳定的定位结果。传统的区域匹配算法在每个周期收到不同个数的RSSI值时，总是用相同的机制产生匹配区域，而没有考虑到RSSI值越少，对区域的区分度越小的事实。

发明内容

本发明目的在于提供一种室内环境下WLAN区域内的两阶段选举匹配定位方法，它能有效的结合定位平滑稳定机制，利用实际的RSSI测值与区域间的连通关系，得到更合理的匹配结果；使用较小的平滑稳定窗口得到稳定度较高的定位结果，从而提高定位灵敏度。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案如下：

一种室内环境下WLAN区域内两阶段匹配定位方法，采用的无线局域网络（WLAN）包括若干个无线接入点(Access Point，AP)和若干个移动节点，所述移动节点周期性地发送信号探测包，所述无线接入点根据接收到的信号探测包获取移动节点的RSSI信息，并将RSSI信息发送给定位服务器，所述定位服务器根据各无线接入点提供的信息，获得移动节点的定位位置，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）在实际定位环境下，将定位环境划分为若干个区域，根据区域之间的连通关系建立一个区域连通图；区域作为图结构中的顶点，若两个区域在实际定位环境中是相邻且连通的，则区域连通图中它们之间有边相连；

（2）在各区域中心放置移动节点，保持其位置不变，各无线接入点采集一段时间的RSSI测量值，统计得到各区域的RSSI特征，如各无线接入点测得移动节点在该区域内RSSI测值的变化范围；

（3）在每个定位周期中，搜集各无线接入点对移动节点的RSSI测量值；若某AP的RSSI测值在某区域的关于该无线接入点的RSSI变化范围内，则为此区域投一票；在该周期内搜集的RSSI值都投过票后，统计得票最多的区域，形成待选区域集合；

（4）视上一周期机制输出的结果为可信区域，以可信区域为根依据广度优先方法构建生成树；首先选择待选区域中在生成树上离根节点区域最近的区域，然后再选择这些区域的最近公共祖先节点，作为本次定位的区域匹配结果。

传统的区域匹配方法大多未考虑RSSI值采集的不完整，RSSI值越多，区分度越好，接收到较少的RSSI值和较多的RSSI值时不应该产生同样区分度的结果。本发明的方法包括以下步骤：

（1）在实际定位环境下，所述系统将定位环境划分为有代表性的区域（如房间、走廊等都可视为一个区域），根据区域之间的连通关系建立一个区域连通图；区域作为图结构中的顶点，若两个区域在实际中是相邻且连通的，则区域连通图中它们之间有边相连；

（2）在各区域中心放置移动节点，保持其位置不变，各AP采集一段时间的RSSI测量值，统计得到各区域的RSSI特征，如各AP测得移动节点在该区域内RSSI测值的变化范围；

（3）在每个定位周期中，搜集各AP对移动节点的RSSI测量值，若某AP的RSSI测值在某区域的关于该AP的RSSI变化范围内，则为此区域投一票；在该周期内搜集的RSSI值都投过票后，统计得票最多的区域，称之为待选区域集合；

（4）视上一周期定位机制输出的结果为可信区域，以可信区域为根依据广度优先方法构建生成树。首先选择待选区域中那些在生成树上离根节点区域最近的区域，然后再选择他们的最近公共祖先节点，作为本次定位的区域匹配结果。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明所提供的室内环境下WLAN区域定位的两阶段选举匹配方法，它通过定位周期内搜集的RSSI值选择适量的待选区域集合，合理利用了RSSI值的区域区分度，同时还利用了区域间的连通关系在待选区域集合中选出最合理的一个区域。

通过两阶段选举，本发明同时反映了定位中实时的RSSI值与实际环境连通性这两个要素，能更好地适应各个周期RSSI值数目变化的情况，结合定位平滑稳定机制时使用更小的时间窗口，从而获得较好的定位灵敏度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的结构布置图；

图2为本发明实施例的一次定位结果的平滑演示图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

如图1和图2所示，本实施例在如图1所示的楼宇平层内放置12个AP设备，随后在五楼的楼道内和房间内划分了13个定位区域并选择了13个采样点（图中用圆圈表示）来采集RSSI信号，图中的连线表示定位移动节点只会在这些连线组成的轨迹上移动。经过一段时间(本实施例为30分钟)的采样准备，计算出每个采样点上相对于每个AP节点的RSSI值变化范围。

本实施例进行室内环境下WLAN区域定位的两阶段选举匹配方法，采用的WLAN网络包括若干AP和若干个移动节点，所述移动节点周期性地发送信号探测包，所述AP根据接收到的信号探测包获取移动节点的RSSI值，定位服务器综合各AP信息，计算出移动节点的定位位置。

移动节点位置的计算采用了一种基于生成树的平滑稳定机制，即在离线阶段划分地图区域，每个区域使用静置的移动节点采集RSSI值，定位服务器对此进行统计获得各区域的RSSI变化范围，在线阶段时，根据实时收集的RSSI值与各区域RSSI变化范围的比对，选举产生待选区域集合，然后在生成树上根据区域拓扑结构选择区域匹配结果，使用多个周期的区域匹配结果平滑得到定位显示结果。具体方法包括以下步骤：

步骤1：在实际定位环境下，所述系统将应用环境（或地图）划分为有代表性的区域，根据区域之间的连通关系建立一个区域连通图。其中，区域作为图的顶点，若两个区域在实际中是相邻连通的，则区域连通图中两区域的对应顶点之间有边相连，如图1所示。

步骤2：在各区域中心放置移动节点，保持其位置不变，各AP采集一段时间的RSSI测值，统计得到各区域的RSSI特征。假设地图被划分为n个区域，布置了m个AP，假设AP_i测得移动节点在区域j内的RSSI值变化范围为[min_ij，max_ij]。

步骤3：在某个定位周期内，AP_i测得移动节点的RSSI值为x_i。若min_ij≤x_i≤max_ij，则称区域j得到了AP_i的一票。定位周期内搜集的每个RSSI值对所有可能的区域做RSSI值范围检测（或称投票），最终得到一个票数最高的区域集合，称为待选区域集合。

步骤4：以上一周期定位区域为根依据广度优先方法构建生成树，树构造方法如下：首先，所有与该根节点区域连通的区域作为其子节点区域加入生成树；接着，子节点区域又将尚未加入生成树的与其连通的区域作为自己的子节点区域加入生成树；以此类推，直到所有的区域都加入生成树。如图2所示，当前根节点为2时的一个生成子树。

在生成树上按如下规则从待选区域集合中选出一个区域匹配结果：(1)选取离根节点最近的一个或多个区域。各区域到根节点区域的距离用跳数来衡量，即在生成树上，该区域到根节点区域需要经过的连通边的条数。(2)如果离根节点最近的区域不止一个，则选择它们的公共祖先，并重复此过程直至只有一个区域。

在定位跟踪过程中，所有移动节点都以一定的周期（实际设为1秒）向外发送信标帧，且由于移动节点都只有发包功能而不具备收报解包功能，因此成本价格非常便宜。当网络中的AP节点收到来自移动节点的信标帧后，计算相应的RSSI值，给该RSSI值加一个AP本地的时间戳，并保存此信息。此外，AP节点也以一定的周期向网络服务器发送数据包，该数据包包含该周期内收到的所有移动节点的RSSI信息及其对应的时间戳。

当网络服务器收到来自AP的数据包后，会解包该信息，且认为AP的发包时间和网络服务器的收报时间是相同的，即忽略数据包的发送时间。因此，当解码数据包时，会把各AP的时间戳修正为网络服务器的本地时间，从而实现各个AP间的相对同步。

当对移动节点进行定位时，在当前t时刻，将收到的该移动节点的实时RSSI值分别（t-1时刻和t时刻之间收到的）和13个采样点处的RSSI值进行比对，考察各RSSI值是否在该区域采样点的RSSI值变化范围内，若在范围内，则该区域获得该RSSI值的1票。

实际中的一次投票过程如下，上一定位周期(t-1时刻)的移动节点显示位置在区域2处，则以区域2为根节点建立广度优先搜索树，其中前3层如图2所示。

当前t时刻共搜集了8个AP的RSSI值，RSSI值投票的结果如下：

则RSSI投票过后的待选区域为区域6和区域9，它们之中离根节点最近的区域为区域6、9，则选择它们的公共祖先区域5作为本周期区域匹配的结果。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种室内环境下WLAN区域内两阶段匹配定位方法，采用的无线局域网络(WLAN)包括若干个无线接入点(Access Point，AP)和若干个移动节点，所述移动节点周期性地发送信号探测包，所述无线接入点根据接收到的信号探测包获取移动节点的RSSI信息，并将RSSI信息发送给定位服务器，所述定位服务器根据各无线接入点提供的信息，获得移动节点的定位位置，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)在实际定位环境下，将定位环境划分为若干个区域，根据区域之间的连通关系建立一个区域连通图；区域作为图结构中的顶点，若两个区域在实际定位环境中是相邻且连通的，则区域连通图中它们之间有边相连；

(2)在各区域中心放置移动节点，保持其位置不变，各无线接入点采集一段时间的RSSI测量值，统计得到各区域的RSSI特征；

(3)在每个定位周期中，搜集各无线接入点对移动节点的RSSI测量值；若某AP的RSSI测值在某区域的关于该无线接入点的RSSI变化范围内，则为此区域投一票；在该周期内搜集的RSSI值都投过票后，统计得票最多的区域，形成待选区域集合；

(4)视上一周期定位机制输出的结果为可信区域，以可信区域为根依据广度优先方法构建生成树；首先选择待选区域中在生成树上离根节点区域最近的区域，然后再选择这些区域的最近公共祖先节点，作为本次定位的区域匹配结果。