CN103945331A - 一种利用wifi场强进行离去角度估计的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用WIFI场强进行离去角度估计的定位方法，包括：(1)发送节点使用恒定的发送功率，分时发送若干个定向的广播信号并进行旋转切换，不同波束上的信号通过网络标识符SSID来进行区分；(2)待测节点检测到各方向上发送的广播信号，并分别记录场强信息，通过场强的分布情况来估计自身相对于发送节点的离去角度（包括方位角θ和俯仰角）；(3)在实际应用背景下，待测节点结合发送节点的位置与自身相对发送节点的离去角度估计进行位置估计。本发明根据离去角度估计最终实现节点的位置估计，具有精度高，设备简单以及运算复杂度低的优点。

Description

一种利用WIFI场强进行离去角度估计的定位方法

技术领域

本发明涉及WIFI定位方法，特别是涉及利用WIFI场强特征进行角度估计的较高精度的定位。

背景技术

WIFI是一种无线数据通信方法，可以将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接，目前已经获得广泛应用。在无线网络中无线节点的位置信息十分重要，GPS以及移动通信中的TDOA定位系统需要在待测节点配备专门的接收机（GPS接收机或超声信号接收机），会受到成本、功耗的限制，而且GPS接收机不能在室内工作。现有的无线网络定位方法大致可分为与距离无关的定位算法和基于距离的定位算法。与距离无关的定位算法利用相邻节点的连通性进行粗略位置估计，往往精度不高；对于利用信号强度测量距离的算法，已有研究表明，角度估计比距离估计噪声要小，能提供更高的定位精度；

现有的无线AP采用全向天线发送信号，在功率受限的情况下，可以覆盖的范围比较小，而目前WIFI定位的思路主要是利用空间WIFI指纹，分为离线测试和在线定位两个阶段，在待测空间对采样点进行场强测量并记录到数据库，通过检测待测节点处的场强与数据库信息进行匹配定位。这种方法利用场强的分布来表征信道特性，然而由于接入点强度、位置的变化，或者定位空间信道的时变性（如商场中人流）的影响，空间WIFI指纹会发生变化，这就需要经常性的在空间中采样场强信息以对数据库进行更新，给实际应用带来不便。

发明内容

为了避免上述现有技术的不足，本发明给出了一种利用待测节点采样WIFI场强信息进行离去角度估计的定位方法。其核心在于，根据场强分布特性，使用简单的算法实现离去角度估计进而实现节点的位置估计，解决了基于距离定位算法精度低的问题，同时避免了使用空间WIFI指纹技术中数据库的建立和更新过程，而且这种分布式的位置估计与网络中节点的密度无关，定位网络具有很好的可扩展性。

为达到以上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种利用WIFI场强进行离去角度估计的定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）发送节点发送信号：网络架构的搭建至少使用一个发送节点，各发送节点配备以一定时隙间隔进行波束旋转切换的定向天线，并且使其中一根定向天线主波束方向竖直向下，其他定向天线以同一倾角斜向下均匀地围成一周。波束切换部分由基带处理、D/A变换、控制部分和射频发送部分构成：

其中，基带处理根据IEEE802.11协议的Beacon（信标）信号帧结构，构造多个广播Beacon信号数据帧，通过网络标识符SSID字段给各帧配置不同的SSID，并按照协议规范分别进行CRC（循环冗余校验码）校验、扩频、加扰处理，得到发送数据序列，最终完成基带信号调制，生成对应的基带数据；

D/A变换对基带数据进行D/A变换，上变频到射频后使用定向天线发送；使不同网络标识符的Beacon信号对应不同的波束方向，将空间划分为若干虚拟区域，利用控制信号来控制波束的切换以及选择各波束方向上对应的发送数据，最终以恒定的功率在各个方向上发送带有不同SSID的广播Beacon信号。

（2）待测节点估计离去角度：首先将发送节点的位置、各发送方向对应的Beacon信号的SSID以及天线方向图数据信息存储到待测节点，诸如手机、PC终端，网络中的待测节点在工作模式下进行采样，接收射频信号并利用自身的收发模块对其进行下变频处理，监听并记录各个SSID对应信号的RSSI（接收信号强度指示），根据各RSSI取值估计离去角度；

（3）待测节点估计位置：在单个发送节点的情况下，通过已知的发送节点的位置信息与步骤（2）中的离去角度估计结果，在球坐标系下，待测节点位于以发送节点为起点的射线上，结合实际情况，如待测节点距离地面的高度，便可估计待测节点的位置；在多个发送节点的情况下，分别经过各个发送节点确定待测节点所在的射线，计算各射线交点即为节点位置估计值。

上述方法中，在根据各RSSI取值估计离去角度的过程中，对于四周的定向天线对应的信号，选择取值最大的两个RSSI，即为相邻天线上对应信号的场强，计算相对值（求比值），通过与水平方向图中场强的分布进行匹配便能估计待测节点相对于发送节点的方位角θ；选择取值最大的一个RSSI值与竖直向下方向对应信号的RSSI，求比值并与垂直方向图匹配可估计俯仰角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该方法中待测节点仅利用配备单天线系统的无线通信设备进行定位，不需要对待测节点添加硬件设备（如GPS接收机或超声信号接收机），降低了硬件成本和定位系统的复杂度。

2.该方法仅利用信号视距分量的离去角度信息进行定位，比基于RSSI测量距离的算法具有更高的定位精度，减小了定位误差。

3.分布式定位系统具有较好的扩展性和实用性。发送节点架构好以后，在网络的覆盖范围内，各待测节点独立地测量接收信号进行自身位置计算，不需要收发同步，发送节点也不需要对待测节点进行协调，系统工作的复杂度不随节点数目的增加而增加，适合于节点密度大（如大型商场、博物馆等）的场合使用。

4.待测节点在定位过程中只接收信号，不发送信号，因此节点的位置等用户隐私信息可以很好的被保护。

附图说明

图1为根据离去角度定位方法的原理图，在大地坐标系中，两发送节点的位置坐标分别为(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂)，根据RSSI分布分别估计出待测节点S相对于两发送节点的离去角度从而可以确定S的位置坐标(x,y,z)。

图2为发送节点配备九根定向天线时的水平方向图。

图3为发送节点配备九根定向天线时的垂直方向图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种利用WIFI场强进行离去角度估计的定位方法，包括下述步骤：

（1）发送节点发送信号：根据图1所示的定位原理图，网络中包括两个发送节点a和b，位置坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，各发送节点上分别装配九根定向天线，负责在九个波束上发送不同SSID的802.11协议射频Beacon信号。定向天线的结构完全相同，摆放方式为：使其中一根定向天线主波束方向竖直向下，另外八根定向天线以水平方向间夹角45°（图2）斜向下倾角60°（图3）均匀地围成一周。

根据IEEE802.11协议的Beacon帧结构，为两个发送节点a,b分别构造SSID为a₀,a₁,…,a₈和b₀,b₁,…,b₈的数据帧，并按照协议规范分别进行CRC校验、扩频、加扰等处理生成数据序列，使用1Mbits/s的符号速率，进行DBPSK调制，生成对应的基带数据；对各基带数据进行D/A变换，上变频后在2.412GHz频率使用定向天线进行发送，通过控制信号选择不同的基带数据，分九个时隙间隔进行定向天线的旋转切换和发送数据的选择。在第1个时隙内，发送节点a在波束竖直向下的定向天线上发送SSID为a₀的信号，发送节点b在波束竖直向下的定向天线上发送SSID为b₀的信号；在第2～9个时隙内，发送节点a从0°对应的定向天线开始，按逆时针方向依次在四周的八根定向天线上发送SSID为a₁,a₂,…,a₈的信号，发送节点b从0°对应的定向天线开始，按逆时针方向依次在四周的八根定向天线上发送SSID为b₁,b₂,…,b₈的信号。

（2）待测节点估计离去角度：首先将发送节点的位置、各发送方向对应Beacon信号的SSID以及天线方向图数据信息存储到待测节点，待测节点使用自身的无线收发功能接收广播Beacon信号，在每个时隙内进行采样并记录场强，一个周期后得到两组RSSI值RSSIa_i,RSSIb_i,i=0,1,…8。由于发送节点处于散射体的高空，其发射信号的多径成分往往被限制在一个很小的角度范围内，因此可忽略多径效应的影响，认为只有一个主波束方向，即只考虑信号的视距分量，所以经过九个时隙后，从RSSIa₁～RSSIa₈中选择两个最大的值，即为四周相邻两根定向天线上对应信号的场强，记最大值和次大值分别为RSSIa_I,RSSIa_J，通过求比值得到相对值RSSIa_I/RSSIa_J，记SSID为a_I,a_J的信号对应定向天线的水平方向图中归一化场强的分布分别为Ea_I(θ'),Ea_J(θ')，对不同的θ'取值计算比值Ea_I(θ')/Ea_J(θ')，取RSSIa_I/RSSIa_J与Ea_I(θ')/Ea_J(θ')误差平方最小时对应的θ'为待测节点相对于发送节点a的方位角估计值θ₁，即：

${\mathrm{\θ}}_1=\arg \underset{{\mathrm{\θ}}^{\′}}{\min }\left\{{[{\mathrm{RSSia}}_I/{\mathrm{RSSIa}}_J-{\mathrm{Ea}}_I\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)/{\mathrm{Ea}}_j\left({\mathrm{\θ}}^{\′}\right)]}^2\right\}$

类似地，计算最大值RSSIa_I与RSSIa₀的相对值，并记SSID为a_I,a₀的信号对应定向天线的垂直方向图中归一化场强的分布分别为对不同的取值计算比值则待测节点相对于发送节点a的俯仰角估计值为：

同样地，可得到待测节点相对于发送节点b的离去角度估计值

（3）待测节点估计位置：根据待测节点离去角度估计值结合已知的发送节点位置(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，得到待测节点位置估计的方程组为

由此可得待测节点最终的位置估计结果(x,y,z)。

Claims (2)

1.一种利用WIFI场强进行离去角度估计的定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）发送节点发送信号：网络架构的搭建至少使用一个发送节点，各发送节点配备以一定时隙间隔进行波束旋转切换的定向天线，并且使其中一根定向天线主波束方向竖直向下，其他定向天线以同一倾角斜向下均匀地围成一周，其中波束切换部分由基带处理、D/A变换、控制部分和射频发送部分构成；

其中，基带处理根据IEEE802.11协议的Beacon信号帧结构，构造多个广播Beacon信号数据帧，通过网络标识符SSID字段给各帧配置不同的SSID，并按照协议规范分别进行CRC校验、扩频、加扰处理，得到发送数据序列，最终完成基带信号调制，生成对应的基带数据；

D/A变换将基带数据进行D/A变换，上变频到射频后使用定向天线发送；为了使不同标识符的Beacon信号对应不同的波束方向，将空间划分为若干虚拟区域，利用控制信号来控制波束的切换以及选择各波束方向上对应的发送数据，最终以恒定的功率在各个方向上发送带有不同SSID的广播Beacon信号；

（2）待测节点估计离去角度：首先将发送节点的位置、各发送方向对应的Beacon信号的SSID以及天线方向图数据信息存储到待测节点，诸如手机、PC终端，网络中的待测节点在工作模式下进行采样，接收射频信号并利用自身的收发模块对其进行下变频处理，监听并记录各个SSID对应信号的RSSI，根据各RSSI取值估计离去角度；

（3）待测节点估计位置：在单个发送节点的情况下，通过已知的发送节点的位置信息与步骤（2）中的离去角度估计结果，在球坐标系下，待测节点位于以发送节点为起点的射线上，结合实际情况，如待测节点距离地面的高度，便可估计待测节点的位置；在采用多个发送节点的情况下，分别经过各个发送节点确定待测节点所在的射线，计算各射线交点即为节点位置估计值。

2.如权利要求1所述的利用WIFI场强进行离去角度估计的定位方法，其特征在于，步骤（2）所述的根据各RSSI取值估计离去角度的具体方法是，对于四周的定向天线对应的信号，选择取值最大的两个RSSI，即为相邻天线上对应信号的场强，计算比值，通过与水平方向图中场强的分布进行匹配便能估计待测节点相对于发送节点的方位角θ；选择取值最大的一个RSSI值与竖直向下方向对应信号的RSSI，求比值并与垂直方向图匹配估计俯仰角。