CN102781049A - 基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法，它涉及一种室内无线定位与室外无线定位无缝切换方法，具体涉及一种基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法，以解决现有室内无线定位与室外无线定位不能无缝切换的问题，方法的具体步骤为：步骤一、设置交叠区；步骤二、选择参数：根据不同定位系统选取不同的参数参与代价函数运算；步骤三、设定权重；步骤四、门限或滞留时间的确定；步骤五、代价函数的比较。本发明用于无线电定位技术中室内无线定位与室外无线定位间的无缝切换。

Description

基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法

技术领域

本发明涉及一种室内无线定位与室外无线定位无缝切换方法，具体涉及一种基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法，属于无线电技术领域。

背景技术

目前的无线电定位技术主要根据应用环境不同而分为室内定位和室外定位两种。室外定位服务主要是由全球卫星导航系统(GNSS)提供，目前已经相当成熟。而在室内定位技术方面，经过多年发展，也已接近成熟。目前比较主流的研究方向包括在多种短距无线通信体制下，如WLAN、Bluetooth、ZigBee等，基于接收信号强度(RSS)的指纹定位技术；基于TOA的路基定位技术，比如塔康导航、locata系统；基于RFID的室内定位技术以及基于UWB的室内定位技术等。近期的研究逐渐呈现出多种传感器联合，多种系统融合的趋势，可以预见，在将来的室内定位或者城市环境下的定位服务中，各种体制的定位系统将会根据不同的需求而共存甚至走向融合互用。

而在未来的实际应用中，用户必然要求基于位置信息的服务(LBS)不会随着位置的变化而中断，这就要求对用户的定位服务可以在室内外两种环境下平滑的切换，以保证定位服务无缝覆盖。

由于室内定位技术并未完全投入实用，定位服务尚未覆盖到室内，所以目前的研究很少关注到多种异构定位系统间的切换问题。但可以预见，当室内定位技术成熟后，形如室内、室外两种环境间的切换这样的切换问题将成为实现无缝定位服务的进程中不可回避的问题。

以室内外定位系统的切换为例，目前能够区分室内外环境的物理量主要有GNSS卫星信号强度、GNSS可见星数量、室内定位节点信号强度、测试向量与指纹图的欧式距离等。

图1和图2给出了一个简单室内环境周边的室内定位节点信号强度和测试向量与指纹图的欧式距离的分布情况。图中方框表示建筑物的墙体，圆圈表示室内定位系统的发射机位置。

图1中颜色越深的部分表示信号强度越弱，图2中颜色深的部分表示检测到的RSS向量与指纹图的欧式距离越小。从图中可以看出，两者虽然在室内外环境间存在一定区分度，但区分边界模糊，区分能力较差。上面给出的仅是在理想环境下的软件仿真结果，在真实的室内应用环境中，建筑物的复杂程度远高于上面的方针环境，信号的衰减情况也更为复杂，其对室内外环境的区分能力也随之降低。

GNSS信号强度由于建筑物结构不同对GNSS信号的衰减也不同，故其区分度受环境影响较大。并且在楼宇边缘或拐角处，由于楼体的遮挡，接收机虽能接受到足够强的GNSS信号，但却无法接受到足够的可见星进行定位。

GNSS可见星有着较好的室内外环境区分度，但在窗口、门口等室内环境下接收机仍然可以接收到GNSS信号，但此时在室内环境下并不适合使用GNSS定位。

可见多数情况下，对单一物理量的观测并不能够非常可靠的确定用户采信的定位系统。

发明内容

本发明的目的是为解决现有室内无线定位与室外无线定位不能无缝切换的问题，进而提供一种基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法的具体步骤为：

步骤一、设置交叠区

(1)、交叠区的空间设定：交叠区的设定具体是如下条件：保证用户在进入定位系统信号覆盖区，就可以接收到该定位系统广播的信号，并且典型用户的运动速度穿过交叠区所需的时间要大于下载定位所需信息的时间，以使用户在进入目标定位系统时已经完整地下载了定位所需的数据；

(2)、交叠区定位的建立：用户在交叠区内应能够同时得到两种定位系统提供的位置信息，以保证位置信息不中断；

步骤二、选择参数，根据不同定位系统选取不同的参数参与代价函数运算，由于定位切换需要在异构的定位系统间进行，对于不同的定位系统需要选择不同的参数来构成代价函数；

步骤三、设定权重，将各定位系统中选中的参数代入如下代价函数中：

${\mathrm{Score}}_j=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}\·V_{\mathrm{ij}}$

其中j代表可以提供定位服务的定位系统，j＝1时，代表GNSS系统；j＝2时，代表基于WLAN的指纹定位系统；j＝3时，代表基于Bluetooth的指纹定位系统；j＝4时，代表基于ZigBee的指纹定位系统；j＝5时，代表基于RFID的定位系统；j＝6时，代表基于TOA定位的路基定位系统。

Score_j为定位系统j的代价函数值，i为该系统下所选取的参数的编号，V_ij为定位系统j中经步骤二中所述的各相关参数，W_ij为各参数对应的权重系数，并且为使各系统间的代价函数存在可比性，代价函数要满足式：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}{V}_{\mathrm{ij}\max }=1$

权重系数的确定为如下过程：

(1)、在已确定的交叠区内进行实地测量，并将测量结果数据与实际位置建立映射；

(2)、将实测数据代入所述代价函数中，参与运算的参数为定值，而权重系数为变量，此时，代价函数值与空间位置间建立对应关系；

(3)、改变该代价函数公式中的权重系数，使代价函数值在各定位系统服务区的边缘处具有较好的区分能力，使代价函数形成一个规则且符合切换区的空间分布，该分布的建立过程通过遍历的方式来实现；

步骤四、门限或滞留时间的确定

当目标系统的代价函数值与当前系统的代价函数值之差高于某一门限时进行切换或在一定的滞留时间下，当目标系统的代价函数值在一定时间内持续高于当前系统代价函数值时进行切换；

门限或滞留时间的确定在实际应用环境下通过测试得出，测试过程如下：

(1)、将接收机置于两个定位系统的分界线上；

(2)、根据用户对乒乓效应的容忍程度确定一个“单位时间内的跳变次数”；

(3)、测试中不断变换滞留时间或比较门限，当满足在一定时间内跳变次数小于单位时间内的跳变次数时，便可确定滞留时间或比较门限；

(4)、多次测量，求均值；

步骤五、代价函数的比较

在用户进行定位服务切换的过程中，将接收机实测得到的参数分别带入到相邻两个定位系统的代价函数中，通过比较相邻两个定位系统间代价函数值的差值的大小，如果相邻两个定位系统间代价函数值的差值高于一个门限时，此时，向代价函数值高的定位系统切换，否则继续比较相邻两个定位系统间代价函数值的差值的大小。

本发明的有益效果是：本发明根据综合室内定位系统多种物理量为多种异构的定位系统设计了代价函数，通过各系统代价函数值的比较来判断定位服务向哪个定位系统切换，本发明基于代价函数的切换方法对室内无线定位与室外无线定位间的切换边界得到了很好的区分，本发明解决了室内无线定位与室外无线定位不能无缝切换的问题。

附图说明

图1是背景技术中提供的简单室内环境周边的室内定位节点信号强度分布(基于WLAN的指纹定位系统)，图2是背景技术中提供的简单室内环境周边的室内指纹图的欧式距离分布(基于WLAN的指纹定位系统)，图3是本发明交叠区建立过程示意图(图中1-交叠区，2-其中一个定位系统的信号覆盖区，3-其中一个定位系统的服务区，4-另一个定位系统的信号覆盖区，5-另一个定位系统的服务区，6-用户完成数据的下载区)，图4是本发明的实施例中室内无线定位与室外无线定位的系统服务区的区域示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图3说明本实施方式，本实施方式的基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法的具体步骤为：

步骤一、设置交叠区

(1)、交叠区的空间设定：交叠区的设定具体是如下条件：保证用户在进入定位系统信号覆盖区，就可以接收到该定位系统广播的信号，并且典型用户的运动速度穿过交叠区所需的时间要大于下载定位所需信息的时间，以使用户在进入目标定位系统时已经完整地下载了定位所需的数据；

(2)、交叠区定位的建立：用户在交叠区内应能够同时得到两种定位系统提供的位置信息，以保证位置信息不中断；

步骤二、选择参数，根据不同定位系统选取不同的参数参与代价函数运算，由于定位切换需要在异构的定位系统间进行，对于不同的定位系统需要选择不同的参数来构成代价函数；

步骤三、设定权重，将各定位系统中选中的参数代入如下代价函数中：

${\mathrm{Score}}_j=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}\·V_{\mathrm{ij}}$

其中j代表可以提供定位服务的定位系统，j＝1时，代表GNSS系统；j＝2时，代表基于WLAN的指纹定位系统；j＝3时，代表基于Bluetooth的指纹定位系统；j＝4时，代表基于ZigBee的指纹定位系统；j＝5时，代表基于RFID的定位系统；j＝6时，代表基于TOA定位的路基定位系统；

Score_j为定位系统j的代价函数值，i为该系统下所选取的参数的编号，V_ij为定位系统j中经步骤二中所述的各相关参数，W_ij为各参数对应的权重系数，并且为使各系统间的代价函数存在可比性，代价函数要满足式：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}{V}_{\mathrm{ij}\max }=1$

权重系数的确定为如下过程：

(1)、在已确定的交叠区内进行实地测量，并将测量结果数据与实际位置建立映射；

(2)、将实测数据代入所述代价函数中，参与运算的参数为定值，而权重系数为变量，此时，代价函数值与空间位置间建立对应关系；

(3)、改变该代价函数公式中的权重系数，使代价函数值在各定位系统服务区的边缘处具有较好的区分能力，使代价函数形成一个规则且符合切换区的空间分布，该分布的建立过程通过遍历的方式来实现；

步骤四、门限或滞留时间的确定

当目标系统的代价函数值与当前系统的代价函数值之差高于某一门限时进行切换或在一定的滞留时间下，当目标系统的代价函数值在一定时间内持续高于当前系统代价函数值时进行切换；

门限或滞留时间的确定在实际应用环境下通过测试得出，测试过程如下：

(1)、将接收机置于两个定位系统的分界线上；

(2)、根据用户对乒乓效应的容忍程度确定一个“单位时间内的跳变次数”；

(3)、测试中不断变换滞留时间或比较门限，当满足在一定时间内跳变次数小于单位时间内的跳变次数时，便可确定滞留时间或比较门限；

(4)、多次测量，求均值；

步骤五、代价函数的比较

在用户进行定位服务切换的过程中，将接收机实测得到的参数分别带入到相邻两个定位系统的代价函数中，通过比较相邻两个定位系统间代价函数值的差值的大小，如果相邻两个定位系统间代价函数值的差值高于一个门限时，此时，向代价函数值高的定位系统切换，否则继续比较相邻两个定位系统间代价函数值的差值的大小。

本实施方式步骤一中典型用户的运动速度穿过交叠区是指典型用户以最快的速度和最短的距离穿过交叠区，本实施方式的步骤一中的交叠区，即用户在此区完成切换。

本实施方式的步骤一中为实现定位服务的无缝切换，相邻定位系统的无线电信号必然要存在一定的交叠区，同时根据相关技术规范的要求，工程设计中是允许这样的交叠区出现的。在此交叠区内，各定位系统会各自给出一个定位结果。

本实施方式步骤一中所述交叠区1为其中一个定位系统的服务区3和另一个定位系统的服务区5的交集区，交叠区1以外的定位系统的信号覆盖区(2，4)与定位系统的服务区(3，5)交集处为用户完成数据的下载区6。

本发明所说的切换过程即在交叠区内合理的对这些定位结果进行取舍。此外对于室内外切换场景，交叠区即为室内外定位服务的切换区，对于指纹定位系统，位于室外的切换区内也要进行指纹图的采集；对于RFID定位系统，也同样需要布设射频标签。

本实施方式的步骤二中的V_ijmax为定位系统j中经步骤二中所述的各相关参数的最大值；步骤二中根据不同系统选取不同的物理量参与代价函数运算。由于定位服务切换需要在异构的定位系统间进行，对于不同的定位系统需要选择不同的物理量来构成代价那函数。在指纹定位系统中可以引入信号强度、检测RSS向量与指纹图间的欧式距离等参量构成代价函数；在GNSS系统中可以选择GNSS信号强度、GNSS可见星数量，可见星DOP(几何精度因子)等参数；在基于TOA的陆基三角学定位系统中，定位系统信号强度、可见基站数量、可见基站DOP等参数可以构成代价函数；在基于RFID(射频识别)的定位系统中可以引入信号强度作为切换代价函数的参量。同时用户指向该定位系统服务区方向的速度分量也可以量化成一个参数参与代价函数的运算，用户当前定位结果与目标定位系统服务区之间的距离也是反映是否需要进行切换的依据，亦可代入代价函数的运算中，当前定位系统的定位精度和目标定位系统的定位精度也可以带入代价函数。

在代价函数的构建中，不同系统所选择的参数不同，代价函数也会有所不同，即便是同类的系统，在实际应用中，也可能根据不同需要而选择不同的部分参数构成代价函数，从一个到全部，而非一定采用全部参数，目的是在切换速度、定位精度、计算量等方面求得平衡。

由于大多数定位系统都具有一定的信息传递能力，具体应用中每个系统所采用的参数具体情况可以由定位系统本身广播给附近用户。而在一些不具备信息传递能力的定位系统，比如RFID技术中，可以通过公共通信网络，根据用户的大致位置告知用户附近定位服务系统的参数选用情况。需要指出的是GNSS虽具备信息传递能力，但其传递的信息对地理不敏感，对于不同的地理环境，代价函数的设定可能不同，采用卫星传递该信息并不方便，同时GNSS信息帧结构已经确定，加入新内容势必造成导致较大的成本提高，所以，GNSS系统也属于这种情况。

步骤三中同一系统中，权重值的分配应使对室内外环境区分度高的物理量应得到较重的加权，区分能力较低的物理量得到较低的加权。比如在GNSS系统中，可见星数量的区分度相对较高，可以将其权重值设定在0.7～0.9之间，而GNSS信号强度的区分能力较低，其权重值即可设置在0.2以下。

即便是同类的定位系统，在不同的使用环境下，权重值也是根据具体情况变化的。不同的应用中选取的物理量不同，当选取物理量较少时，单个物理量对应的权重值较大，当物理量较多时，单个权重值较小。

权重系数的最终确定是根据具体应用环境中的实测数据优化得到的，不同应用环境下同一物理量对是内外环境的区分度是有所不同的，比如同样是GNSS信号强度，在混凝土结构的建筑物内外，信号强度相差30dB，而在木质结构的建筑物内，信号仅衰减十几dB，因此在不同的环境下，应为同一物理量配置不同的权重以反映场景变化。

本实施方式的步骤四中在切换过程中，倾向于使用代价函数更高的定位服务。但当用户处在两系统代价函数相等的情况下时，由于噪声或信号飘移会导致两个系统代价函数间的大小关系频繁的变化，这种现象我们称之为乒乓效应。

为保证不出现乒乓效应，可将当前代价函数值进行一定的提高，即仅当目标系统的代价函数与当前系统的代价函数之差高于某一门限之时，才进行切换。

另一种防止乒乓效应的手段是引入滞留时间的概念，即当目标系统的代价函数在一定时间内持续高于当前系统代价函数时方进行切换。

实施例

结合图3-图4进一步说明本发明，图4给出的是通过基于代价函数的切换方法，经过软件仿真得到的室内外切换区域示意图，室内定位使用的是基于WLAN的指纹定位系统，室外使用GPS系统。实验中模拟了一个空旷的室内环境及其周边的室外环境，室内均匀布置4个AP(无线接入点)，每个AP的发射功率为-17dBm，信号交叠区向墙外延伸10m。仿真中使用经典对数模型模拟WLAN信号的衰落，使用楼层衰减因子模型来模拟WLAN信号穿墙后的衰减。图3中黑色方框表示房间墙壁，白色圆圈表示AP位置。深色部分表示采用室内定位服务的区域，浅色部分表示使用GNSS服务的区域。房间外的深色部分即是室内外定位服务的交叠区。从图中可以看出，服务区的划分更加清晰并且更加符合房间结构，室内无线定位与室外无线定位间的切换边界得到了很好的区分，本发明基于代价函数的无缝切换方法解决了室内无线定位与室外无线定位间不能无缝切换的问题。

Claims (1)

1.基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法，其特征在于：所述基于代价函数的室内无线定位与室外无线定位的无缝切换方法的具体步骤为：

步骤一、设置交叠区

(1)、交叠区的空间设定：交叠区的设定具体是如下条件：保证用户在进入定位系统信号覆盖区，就可以接收到该定位系统广播的信号，并且典型用户的运动速度穿过交叠区所需的时间要大于下载定位所需信息的时间，以使用户在进入目标定位系统时已经完整地下载了定位所需的数据；

(2)、交叠区定位的建立：用户在交叠区内应能够同时得到两种定位系统提供的位置信息，以保证位置信息不中断；

步骤二、选择参数，根据不同定位系统选取不同的参数参与代价函数运算，由于定位切换需要在异构的定位系统间进行，对于不同的定位系统需要选择不同的参数来构成代价函数；

步骤三、设定权重，将各定位系统中选中的参数代入如下代价函数中：

${\mathrm{Score}}_j=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}\·V_{\mathrm{ij}}$

其中j代表可以提供定位服务的定位系统，j＝1时，代表GNSS系统；j＝2时，代表基于WLAN的指纹定位系统；j＝3时，代表基于Bluetooth的指纹定位系统；j＝4时，代表基于ZigBee的指纹定位系统；j＝5时，代表基于RFID的定位系统；j＝6时，代表基于TOA定位的路基定位系统；

Score_j为定位系统j的代价函数值，i为该系统下所选取的参数的编号，V_ij为定位系统j中经步骤二中所述的各相关参数，W_ij为各参数对应的权重系数，并且为使各系统间的代价函数存在可比性，代价函数要满足式：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ij}}{V}_{\mathrm{ij}\max }=1$

权重系数的确定为如下过程：

(1)、在已确定的交叠区内进行实地测量，并将测量结果数据与实际位置建立映射；

(2)、将实测数据代入所述代价函数中，参与运算的参数为定值，而权重系数为变量，此时，代价函数值与空间位置间建立对应关系；

(3)、改变该代价函数公式中的权重系数，使代价函数值在各定位系统服务区的边缘处具有较好的区分能力，使代价函数形成一个规则且符合切换区的空间分布，该分布的建立过程通过遍历的方式来实现；

步骤四、门限或滞留时间的确定

当目标系统的代价函数值与当前系统的代价函数值之差高于某一门限时进行切换或在一定的滞留时间下，当目标系统的代价函数值在一定时间内持续高于当前系统代价函数值时进行切换；

门限或滞留时间的确定在实际应用环境下通过测试得出，测试过程如下：

(1)、将接收机置于两个定位系统的分界线上；

(2)、根据用户对乒乓效应的容忍程度确定一个“单位时间内的跳变次数”；

(3)、测试中不断变换滞留时间或比较门限，当满足在一定时间内跳变次数小于单位时间内的跳变次数时，便可确定滞留时间或比较门限；

(4)、多次测量，求均值；

步骤五、代价函数的比较

在用户进行定位服务切换的过程中，将接收机实测得到的参数分别带入到相邻两个定位系统的代价函数中，通过比较相邻两个定位系统间代价函数值的差值的大小，如果相邻两个定位系统间代价函数值的差值高于一个门限时，此时，向代价函数值高的定位系统切换，否则继续比较相邻两个定位系统间代价函数值的差值的大小。

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