CN103428852A - 一种无线终端定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线终端STA定位方法及装置，应用于无线局域网WLAN中的无线控制器AC上，其中该AC用于管理WLAN中多个无线接入点AP，该方法包括以下步骤：向待定位STA的关联AP发送采集控制指令，该采集控制指令用于指示该关联AP向待定位的STA发送信标测量请求BMRQ；通过AC的下行接口获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数，其中N为自然数；在N大于或等于3时，根据N个AP与待定位STA之间的信号强度参数以及N个AP的位置计算待定位STA的位置。相较于现有技术，本发明实现成本低，兼容性好，且能够大幅度降低用户组网部署成本。

Description

一种无线终端定位方法及装置

技术领域

本发明涉及数据通信领域，尤其涉及无线局域网中无线终端定位方法及装置。

背景技术

GPS以及北斗等卫星定位系统解决了室外终端定位的问题，目前这些定位系统已经在军用以及民用市场取得了广泛的应用。然而受制于卫星信号穿透能力等客观问题，目前这些卫星定位系统无法在室内环境中灵活使用。随着无线局域网技术的发展和在世界范围内的广泛应用，其开始承担起室内定位的任务。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种无线终端STA定位装置，应用于无线局域网WLAN中的无线控制器AC上，其中该AC用于管理WLAN中多个无线接入点AP，该装置包括：采集发起单元、采集解析单元以及定位计算单元，其中：

采集发起单元，用于向待定位STA的关联AP发送采集控制指令，该采集控制指令用于指示该关联AP向待定位的STA发送信标测量请求BMRQ；

采集解析单元，用于通过AC的下行接口获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数，其中N为自然数；

定位计算单元，用于在N大于或等于3时，根据N个AP与待定位STA之间的信号强度参数以及N个AP的位置计算待定位STA的位置。

本发明还提供一种无线终端STA定位方法，应用于无线局域网WLAN中的无线控制器AC上，其中该AC用于管理WLAN中多个无线接入点AP，该方法包括以下步骤：

步骤A、向待定位STA的关联AP发送采集控制指令，该采集控制指令用于指示该关联AP向待定位的STA发送信标测量请求BMRQ；

步骤B、通过AC的下行接口获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数，其中N为自然数；

步骤C、在N大于或等于3时，根据N个AP与待定位STA之间的信号强度参数以及N个AP的位置计算待定位STA的位置。

相较于现有技术，本发明能够主动根据定位需要获得计算STA位置的无线信号强度参数，并且是建立在对既有标准机制的重新利用上，实现成本低，兼容性好，且能够大幅度降低用户组网部署成本。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中无线终端定位装置的逻辑结构以及硬件环境示意图。

图2是本发明一种实施方式无线终端定位的典型应用场景图。

图3是本发明一种实施方式中无线终端定位方法的处理流程图。

图4是本发明另一种实施方式中无线终端定位方法的处理流程图。

图5是本发明中BMRQ报文的部分格式示意图。

图6是本发明中BMRP报文的部分格式示意图。

具体实施方式

在无线局域网（以下简称WLAN）定位技术中，位于控制层面的设备（比如AC）首先通过不同接入点AP监听同一个无线终端STA发出的无线信号，通过信号强度参数（比如RSSI）确定其距离。当监听到同一个SAT的AP数量大于等于三台时，由于AP的位置是固定的，且对于控制层面而言是已知的，因此可以通过三点定位算法通过解一个三元方程来计算出STA的位置，并可在地图或者任意一个参考体系中对该位置进行标注。在实际实现的时候，若监听到STA的AP数量多于3个，则定位精度通常会更高。

以上描述了一种理论上的实现方法。但是结合网络运行的实际来看，当STA关联到某个WLAN内某个AP后，其通常只会在自身工作的信道上收发数据报文；而几乎不会主动在其他信道发送数据报文。为了能够得到STA的信号强度参数，AP必须能够监听到STA发送的无线信号；为了满足这个要求，可以采用两种方式来实现。

一种实现方式是在WLAN中部署大量监听AP，这些监听AP专门提供不同信道的监听服务，获取STA的信号强度参数，由于监听AP并不实际为STA提供网络接入服务，因此其可以随意变化自身的工作信道。另一种实现方式是多个工作AP均工作在同一信道，这样一来很多工作AP都能感知到STA的信号强度参数。

然而在WLAN中部署大量专用于监听的AP，这会导致监听AP与工作AP的比例通常会达到2:3，甚至更高的比例。如前所述，监听AP通常无法向工作AP那样为STA提供网络接入服务，这种实现方案无疑会增加用户网络部署的成本。另一种实现方式是在一个连续区域内将N个（通常为大于或等于3的自然数）AP工作在同一信道。假设用户网络需要在10个信道上提供网络接入服务，假设N为4，此时该连续区域需要部署40个AP。多个AP工作在相同的信道上，这会导致这几个AP互相之间的干扰通常比较严重。如果要想在一定程度上改善信道冲突而引发相互干扰的问题，此时组网方案通常需要采用高密覆盖High-Density方式来实现，但这样组网部署成本通常较高。

本发明提供一种成本较低且兼容性较好的定位解决方案来解决目前遭遇到的困境和挑战。请参考图1，以计算机程序实现为例，在一种优选的实施方式中，本发明提供一种STA定位装置，该装置作为一个计算机程序运行在无线控制器AC。AC在硬件层面上通常包括CPU、内存、非易失性存储器以及网络业务相关的硬件等。CPU可以将从非易失性存储器中将该装置对应的计算机程序加载到内存中运行形成该装置。在逻辑层面上，该装置包括：采集发起单元、采集分析单元以及定位计算单元。请进一步参考图2，图2是本发明实现所需的一种典型的WLAN组网图。该WLAN包括AC以及若干AP。请综合参考图1、图2以及图3，在该STA定位装置在运行过程中执行如下处理流程。

步骤101，采集发起单元向待定位STA的关联AP发送采集控制指令，该采集控制指令用于指示该关联AP向待定位的STA发送信标测量请求（Beacon Measurement Request，BMRQ）；

步骤102，采集解析单元通过AC的下行接口获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数，其中N为自然数；

步骤103，定位计算单元在N大于或等于3时，根据N个AP与待定位STA之间的信号强度参数以及N个AP的位置计算待定位STA的位置。

在分布式WLAN中，其通常采用AC+Fit AP的组网结构，所谓Fit AP（瘦AP）其是相对与传统的胖AP（Fat AP）而言的。与FAT AP不同的是，Fit AP上绝大部分控制层面的处理都被集中到AC上了，比如密钥协商以及认证等等控制业务通常都在AC上进行处理；对于一些控制报文，AP通常也会通过其与AC预先建立的隧道（比如CAPWAP隧道）上送给AC进行处理。在这样的架构中，AC是整个组网的核心，从AC的角度可以看到整个WLAN的运行状况。

在一些规模化的WLAN中，在STA接入网络时，其可能根据STA内置的算法规则在多个可以侦听到的AP中选择一个合适的AP接入网络。接入过程可以包括与AP之间的链路认证以及关联操作，接下来再通过AC完成身份认证和密钥协商等，以便顺利接入网络。STA接入网络之后，AC作为管理的核心，其上通常会保存着AP与STA的关联关系表。请参考表1的示意。也就是说在AC上可以明确知道某个STA与哪个AP相关联，或者说是通过哪个AP接入网络进行数据通信的。表1中仅仅是各个AP与STA标识的示例，实际实现过程中可能会采用每个STA的MAC地址来标识STA，采用AP的BSSID（通常是AP的MAC地址）来标识AP。值得注意的是，一个物理AP设备上有可能会存在多个AP，本发明并不局限于一个物理可见的AP，而是从AC管理的AP这个视角来衡量的。

表1

管理者出于安全或其他任何管理需要，其会通过AC来定位某个其关心的STA，该STA称为待定位STA。对于一个待定位STA，其通常是已经接入网络的STA，其会通过关联AP收发数据报文，因此与该STA关联的AP通常有较大的可能性能够获取自身接收该STA无线信号的信号强度参数。AC从关联AP获得该信号强度参数就可以知道该STA与关联AP的距离，但获得待定位STA与一个AP之间的距离是不足以完成定位的。在过往的实现方式中，监听AP存在的根本原因是工作AP不能随意切换信道，否则会导致与工作AP关联的STA失去网络服务。假设某个工作AP在信道5上提供服务，而待定位的STA工作在信道8上，则该工作AP无法接收到STA发送的任何无线报文。此时只能依靠网络中监听AP，AC可以控制多个监听AP监听信道8上的无线报文，一旦收到待定位STA的无线报文，监听AP会上报AC其接收待定位STA无线信号的信号强度参数。这样AC就可以通过N个信号强度参数来计算待定位STA的位置，当前前提是N要大于等于3。但是在本发明中，并不需要用户刻意添加任何新的监听AP，如果用户网络中此前已经部署了监听AP也不影响本发明的实现。以下通过两种典型的详细实施方式中阐述本发明的技术优势。

在一种实施方式中，AP与STA之间的信号强度参数是由AP上报的，请参考图4所示，本实施方式包括以下交互及处理过程。

步骤201，对于待定位STA，采集发起单元会向该待定位STA的关联AP发送采集控制指令，在采集控制指令中携带指定信道参数以及指定BSSID参数作为AP发送BMRQ的参数；并指示AC管理的所有AP上报其接收该待定位STA无线信号的信号强度参数；其中该指定信道参数表征STA支持的全部信道，该指定BSSID参数为广播BSSID；

步骤202，关联AP收到AC的采集控制指令，相应地向该STA发送BMRQ报文，在BMRQ报文中对应位置填入所述指定信道参数以及指定BSSID参数；

步骤203，待定位STA在接收到BMRQ报文后，其内的协议栈会相应根据BMRQ报文携带的指定信道参数以及指定BSSID参数确定其需要在自身支持全部信道上以广播的方式发送Probe Request报文；

步骤204，每个接收到广播Probe Request报文的AP将接收此报文时的信号强度参数通过定位控制报文上报给AC；

步骤205，采集解析单元解析每个AP发送的定位控制报文，获取其中携带的AP接收STA无线信号的信号强度参数；

步骤206，定位计算单元在信号强度参数的数量大于或等于3时，根据各个上报信号强度参数的AP的位置以及各个信号强度参数计算出待定位STA的位置。

在本实施方式中，AC在发起对于某个STA进行定位时，其首先通过802.11k提供的信标测量机制来触发待定位STA主动在其支持的全部信道上发送报文，STA会相应主动变更信道来发送报文，这样一来WLAN中很多工作在不同信道的AP（无论是工作AP还是监听AP）都能收到这个广播ProbeRequest报文，进而能够获得接收该报文的信号强度参数。根据IEEE的标准文档，802.11k定义的信标测量机制其原本的作用是为了让AC能够更加妥善地进行关联AP选择、漫游服务和传输功率控制。以关联AP选择为例，在该应用中，AC通常控制AP向STA发送BMRQ请求，STA会报告其能够通信的AP的各种参数，AC对比当前的各个AP的负载情况，AC根据各个AP当前负载和信号强度综合选择一个最适合STA的AP，进而实现每个AP被合理利用起来，在网络负载均衡和STA使用体验上取得较佳的均衡。请参考图2所示，假设STA可以接入AP1、AP2、AP3以及AP4，假设其中AP2信号最好，STA通常会优先选择通过AP2接入，但是此时有可能AP2上的负载已经很严重的，STA在AP2上并不能获得最佳的网络体验。通过信标测量机制，通过AC最终可以发现AP4是最适合STA的，其会引导STA与AP4进行关联。

但是在本发明中，本发明利用BMRQ请求来促使待定位STA（比如图2中的STA1）主动发送Probe Request报文，以解决定位过程中待定位STA周围的工作AP无法“听到”待定位STA的问题。STA在哪些信道上发送什么样的报文是根据BMRQ中的指定信道参数和指定BSSID参数来确定的。由于AP发送的BMRQ中所携带的指定信道参数（通常是255）表示STA支持的全部信道，而BSSID参数为广播BSSID（比如全F的地址）。请参考图2，假设AP2是STA1的关联AP，其工作在信道6；而AP1、AP3以及AP4相应工作在信道5、7、8。正常情况下，AP1、AP3以及AP4无法接收到STA1的无线信号。但是由于STA1收到了BMRQ，其会在BMRQ中指定的信道（事实上是AC最初指定的）上都发送Probe Request报文。如果AC指定了所有信道，则STA1不仅仅会在信道5、7、8上广播一个Probe Request报文，还会在其他信道上广播Probe Request报文。相应地STA1周围可以与该STA1通信的AP都能够收到该Probe Request报文，假设AP1、AP3以及AP4与STA1距离比较近，则它们也都能收到Probe Request报文。此时AP1-4这四个AP都能够因为收到STA1发送的Probe Request报文而获得接收STA1的信号强度参数，而AP5-8则因为距离较远而无法收到这个报文。以信号强度是RSSI为例，AP1-4可以分别通过定位控制报文向AC上报各自针对STA1获得的RSSI，此时AC可以获得四个接收STA1无线信号的RSSI，由于上报RSSI的AP1-4的位置是已知的，因此AC可以根据四个RSSI以及AP1-4的位置计算出STA1的相对位置。由此可以见，本发明对BMRQ请求进行合理的重新利用，触发STA主动在多个信道上主动发送Probe Request报文，这样STA周围客观上有能力与STA通信的AP就能够收到Probe Request报文，进而知道所述定位计算的基础参数RSSI。当然RSSI仅仅是一个示例，其是目前最流行的参数；而其他任何私有或者标准新发展出的信号强度参数都可以加以利用，这些信号强度参数只要能换算为对应的距离均可加以利用，比如RCPI这样的参数。

在本实施方式中，对于参与协助定位的AP1、AP3、AP4而言，其只需要能够获得其接收STA1无线信号的RSSI即可，并不需要AP1、AP3、AP4能够向STA1发送无线报文。这就意味着AP1、AP3、AP4可以是工作AP，也可以是只能收不能发的监听AP，也就是说本发明对于用户网络中部署的AP并无要求。用户过往在网络中部署的任何类型的AP均可适用。但是本实施方式给用户提供了更低成本更高效率的组网选择：首先，用户可以减少甚至不部署监听AP；其次，对于每一个工作AP来说，其工作信道用户可以根据业务需要进行规划，完全没有必要因为定位需求的存在而将大量距离较近的AP设置在相同的信道上工作，这对于减少干扰和冲突而言意义显著。

以上实施方式中，AC一方面通过AP触发待定位STA主动发送报文来帮助AP获得RSSI，另一方面AC需要指示AP及时上报对应的RSSI，也就是说AC要进行两种控制。在第二种实施方式中，AC并不需要进行两种控制，一方面AC仍然需要向步骤101或步骤202那样控制AP发送BMRQ。但是在本实施方式中，AC可以不用AP进行协助，AP与待定位STA之间的信号强度参数是由STA上报的，此时STA上报的是其接收AP无线信号的RSSI。在前一个实施方式中AP上报的AP与待定位STA之间的信号强度参数是该AP接受待定位STA信号的RSSI，本实施方式中待定STA上报的AP与待定位STA之间的信号强度参数是该待定位STA接收AP信号的RSSI。两种信号强度参数都可以使用，只是观察角度和基准有不同而已。

请参考图5所示，BMRQ的报文格式中会携带上多个待测信道以及广播BSSID。在BMRQ的触发下，STA会在每个待测信道上广播一份Probe Request报文，在收到AP返回的Probe Request报文之后，会通过AP发送的ProbeResponse报文来收集各个AP的各种可用参数，然后生成一个信标测量报告（Beacon Measurement Report，BMRP）报文发送给AP。由于BMRP报文是协议报文，因此AP会通过CAPWAP隧道透传给AC处理。请参考图6所示，BMRP中会包括有STA接收各个AP无线信号的RSNI（通常与RSSI是相同的）。请参考表2所示，AC在接收到BMRP之后，可以从其中获取到STA接收各个AP无线信号的RSSI，这里的RSSI同样可以表征AP与STA之间的距离。定位计算单元同样可以利用三个以上的RSSI以及对应的AP的位置计算出STA当前的位置。

表2

两种实施方式中AC都是通过下行接口从控制通道上接收到AP与待定位STA之间的信号强度参数的。这两种实施方式各有特点，后一种实施方式无需AP协助，比较简洁。但在第一中实施方式的兼容性和性能变现更好，因为用户的网络中可能已经存在监听AP，而监听AP除了可以服务传统定位应用，也可以服务其他类型的应用，有其存在的一定理由，只不过用户实施本发明以后可以减少监听AP的部署，但已经存在的监听AP没有必要拆除。在这样的事实基础上，假设待定位STA周围有能力与其通信的AP中除了当前的关联AP是工作AP之外其余全部是监听AP（比如图2中AP1、AP3和AP4都是监听AP），那么后一种实施方式将无法实现定位，因为监听AP不会响应STA发出的广播Probe Request，待定位STA只能收到来自关联AP的ProbeResponse报文，因此待定位STA的BMRP报文中只能携带一个接收AP（也就是关联AP）无线信号的RSSI，这将导致定位无法完成。但在前一个实施方式中，这些监听AP会上报其接收待定位STA无线信号的RSSI，显然这种实施方式能够更好利用网络当前既有的资源。

以上描述了AC如何获取到AP与待定位STA之间信号强度参数的两种实现方式。进一步来说，对于AC而言，除了根据管理员指定的方式，单次对单个或多个STA进行定位应用之外，在本发明中还可以实现定期对一个或多个STA进行自动定位的功能。在这种实施方式中，采集发起单元可以定期从AP与STA的关联关系表中选择一个或者多个STA作为待定位STA，针对每个待定位STA，向其关联AP发送BMRP。这种方式对于需要观察STA活动轨迹，尤其是其活动规律具有较佳的意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种无线终端STA定位装置，应用于无线局域网WLAN中的无线控制器AC上，其中该AC用于管理WLAN中多个无线接入点AP，该装置包括：采集发起单元、采集解析单元以及定位计算单元，其特征在于：

采集发起单元，用于向待定位STA的关联AP发送采集控制指令，该采集控制指令用于指示该关联AP向待定位的STA发送信标测量请求BMRQ；

采集解析单元，用于通过AC的下行接口获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数，其中N为自然数；

定位计算单元，用于在N大于或等于3时，根据N个AP与待定位STA之间的信号强度参数以及N个AP的位置计算待定位STA的位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述信号强度参数为RSSI。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控制采集指令中携带有指定信道参数以及BSSID参数作为AP发送BMRQ的参数，其该指定信道参数表征STA全部支持的信道，该BSSID参数为广播BSSID。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述采集发起单元进一步用于指示AC管理的所有AP上报其接收该待定位STA无线信号的信号强度参数；所述采集解析单元获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数具体为：解析每个AP发送的定位控制报文获取其中携带的该AP接收该STA无线信号的信号强度参数。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述采集解析单元获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数具体为：从待定位STA发送过来的信标测量报告BMRP中获得STA接收N个AP信号的信号强度参数。

6.如权利要求1所述的装置，所述采集发起单元，进一步用于将管理员指定的STA作为待定位STA；或者定期从AP与STA的关联关系表中选择选择已经与AP关联的STA作为待定位STA。

7.一种无线终端STA定位方法，应用于无线局域网WLAN中的无线控制器AC上，其中该AC用于管理WLAN中多个无线接入点AP，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤A、向待定位STA的关联AP发送采集控制指令，该采集控制指令用于指示该关联AP向待定位的STA发送信标测量请求BMRQ；

步骤B、通过AC的下行接口获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数，其中N为自然数；

步骤C、在N大于或等于3时，根据N个AP与待定位STA之间的信号强度参数以及N个AP的位置计算待定位STA的位置。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述信号强度参数为RSSI。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述采集控制指令中携带有指定信道参数以及BSSID参数作为AP发送BMRQ的参数，其该指定信道参数表征STA全部支持的信道，该BSSID参数为广播BSSID。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述步骤A进一步包括：指示AC管理的所有AP上报其接收该待定位STA无线信号的信号强度参数；

所述步骤B中获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数具体为：解析每个AP发送的定位控制报文获取其中携带的该AP接收该STA无线信号的信号强度参数。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤B中获取N个AP与待定位STA之间的信号强度参数具体为：从待定位STA发送过来的信标测量报告BMRP中获得STA接收N个AP信号的信号强度参数。

12.如权利要求7所述的方法，所述步骤A之前进一步包括：

将管理员指定的STA作为待定位STA；或者定期从AP与STA的关联关系表中选择选择已经与AP关联的STA作为待定位STA。

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