CN104581619B - 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定位方法及装置，该方法应用于无线网络设备上，该无线网络设备包括天线选择开关以及至少三个天线，该方法包括：通过控制天线选择开关从预设天线组中选择下一个天线作为当前工作天线；其中该天线组包括至少三个天线；通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文；根据待定位STA针对该定位报文返回的应答报文确定待定位STA在当前工作天线下的位置参数，并判断天线组中是否有尚未选择的天线，如果是则返回天线控制单元处理，否则，结束流程。相对于现有技术而言，本发明无需网络拥有者为了定位需求而部署大量AP，极大程度地节约了AP部署的成本。

Description

一种无线终端定位方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线终端定位方法及对应的装置。

背景技术

无线局域网WLAN在近十年来取得了巨大的发展，从家庭的小型应用到商场、公共场所以及工业企业的大规模组网，WLAN正在帮助人们更方便地接入到网络中来。在一些大型室内部署应用中，WLAN除了满足用户接入网络承担转发用户报文的业务外。人们还希望WLAN能够对无线终端进行方便快捷的定位，这种技术对于很多人来说是极有价值的，比如在商城中跟踪客户感兴趣的商店，从而了解客流分布等信息，再比如说，驾驶者可以借助商场提供的定位功能方便快捷地找到自己的车辆。在传统的WLAN定位技术中，仍然有很多困难与挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种无线终端定位装置，应用于无线网络设备上，该无线网络设备包括天线选择开关以及至少三个天线，其中该装置包括：天线控制单元、定位控制单元以及定位采集单元，其中：

天线控制单元，用于通过控制天线选择开关从预设天线组中选择下一个天线作为当前工作天线；其中该天线组包括至少三个天线；

定位控制单元，用于通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文；

定位采集单元，用于根据待定位STA针对该定位报文返回的应答报文确定待定位STA在当前工作天线下的位置参数，并判断天线组中是否有尚未选择的天线，如果是则结束流程，否则返回天线控制单元处理。

本发明还提供一种无线终端定位方法，应用于无线网络设备上，该无线网络设备包括天线选择开关以及至少三个天线，该方法包括如下步骤：

步骤A、通过控制天线选择开关从预设天线组中选择下一个天线作为当前工作天线；其中该天线组包括至少三个天线；

步骤B、通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文；

步骤C、根据待定位STA针对该定位报文返回的应答报文确定待定位STA在当前工作天线下的位置参数，并判断天线组中是否有尚未选择的天线，如果是则结束流程，否则返回天线控制单元处理。

相对于现有技术而言，本发明无需网络拥有者为了定位需求而部署大量AP，极大程度地节约了AP部署的成本。

附图说明

图1是本发明示例性一种实施方式中无线定位装置逻辑结构以及硬件环境原理图。

图2是图1所示本发明示例性一种实施方式中无线定位方法的处理流程图。

图3是本发明与常规定位技术在组网上对比效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

在常规的实现方案中，WLAN对无线终端STA的定位一般是利用三个或多于三个的AP(Access Point，无线接入点)来感知无线终端的位置参数。这里所说的位置参数通常是AP根据信号强度或其他参数间接表征的。在获得多个位置参数之后，由于AP的位置是已知的，因此根据三角定位算法解至少一个三元方程组就可以计算出STA的位置。在定位这一应用需求中，若要想对STA进行更为定位越精确，则需要部属的AP越多；从另一方面说，若要实现WLAN覆盖的区域中没有或者很少的定位死角，则同样需要部署更多的AP。与家用AP不同，企业级AP通常由于更高的设计指标，其成本相对比较高昂，部署更多的AP无疑会给使用者(比如某商场)带来了很大的网络部署成本压力。从另一方面来说，WLAN(或者说无线网络)的本职业务是承载用户上网报文，AP数量过多会给业务部署的管理带来了很大的压力。众所周知，若一个WLAN中部署的AP越多，则信道规划等管理工作越复杂，AP之间干扰的问题会给管理员的工作带来很大的挑战。再者，WLAN感知STA的位置参数是通过普通的业务报文(也称为数据报文)交互来提取的额外信息，这种提取方式一定程度上会随着业务报文在发送/接收层面上的调制方式或频宽而变化，这些变化会导致采集到的位置参数的可靠度/精准度发生变化，比如说调制方式的变化可能会导致抗干扰能力发生变化，进而导致信号强度、交互延迟等位置参数在采集精度上的变化，这些物理层的变化是软件层面不可能控制的，因此对定位应用来说，这些变化同样是挑战。

本发明提供一种新的无线定位方法来解决上述挑战。请参考图1所示，以软件配合实现为例，在本发明示例性实施方式中提供一种无线定位装置，本发明并不排除其他诸如硬件或这软硬件结合的实现方式。该装置应用于无线网络设备(以下仅以AP为例进行说明)上，包括定位启动单元、天线控制单元、定位控制单元、定位采集单元以及定位计算单元。从硬件角度来看，该AP包括CPU、内存、射频收发模块、非易失性存储器、天线选择开关以及由至少三个天线构成的天线组。所述射频收发模块通常是射频芯片。所述天线组连接所述天线选择开关，所述天线选择开关连接于射频收发模块。所述CPU从非易失性存储器中读取相应的计算机程序到内存中运行形成所述定位装置，参见图2所示，该定位装置在运行过程中执行如下处理流程。

步骤101，定位启动单元在定位触发条件满足时启动一次定位流程；

步骤102，天线控制单元通过控制天线选择开关从预设天线组中选择下一个天线作为当前工作天线；

步骤103，定位控制单元通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文；

步骤104，定位采集单元根据待定位STA针对该定位报文返回的应答报文确定待定位STA在当前工作天线下的位置参数并输出该位置参数，并判断天线组中是否有尚未选择的天线，如果是则返回步骤102，否则结束流程。

对于AP而言，定位触发条件可以是来自管理侧的指令，比如来自AC的控制指令；也可能是一些预设的触发条件，比如周期性定位这样的触发条件；当然也可能是其他预设的触发条件。对于AP而言，无论是哪种定位触发，其均需要知晓待定位的STA，因为通过AP接入的STA数量可能不止一个。通常来说需要知道STA的MAC地址，这样AP才可以通过与待定位STA交互报文的方式来感知STA的位置参数。

一旦确定了一个待定位的STA，在这一次定位操作中，本发明依靠当前AP本身即可采集到定位所需的位置参数。如前所述一个天线组中包括三个或更多的天线。天线本身可以是等效全向天线，也可以是定向天线，通常建议采用相同型号的天线，或者性能参数相当的天线。在本发明中，AP将轮流选择天线组中的天线作为当前工作天线，值得注意的是，本发明所说的天线组是指从控制层面来定义的，比如说整个AP可能包括6个天线，但是天线控制单元只选择其中3个天线轮流作为当前工作天线，也就是说此时天线组只包括3个天线，当然天线控制单元也可以将AP所有的天线都作为候选对象，那么此时天线组就包括6个天线。对于AP上多个天线位置的选择来说，在满足其他关键设计指标的前提下，天线通过馈线尽量分布在不同物理位置上,天线之间的最小间距通常不低于最小定位精度。在一种优选的实施方式中，无线网络设备可以包括一个或者多个馈线接口，天线组中的天线可以通过馈线连接到该馈线接口上来。使用馈线连接的方式可以将天线分布到更为广泛的物理区域上去。

针对每一次选择到的当前工作天线，AP将通过该工作天线发送定位报文给STA，STA通常会对该类定位报文进行应答。其中所谓定位报文，实质是与数据无关的报文，也可以称为业务无关报文，是指报文中没有STA实际对外通信数据的报文，比如说Null数据报文以及各种请求类控制报文。其中请求类控制报文可以包括RTS报文、Authentication报文、Action类报文等等。在本发明提供的示例性实施方式中，以定位报文为请求类控制报文为例进行说明。所谓请求类的控制报文是指需要STA应答的控制报文，也可以理解为交互式的控制报文，因为只有STA向AP发送报文，AP才能通过接收信号强度或其他方式来确定位置参数。值得注意的是，在其他文献中，可能将非数据报文又区分为管理报文与控制报文，而本发明的区分标准是非数据报文都统称为控制报文。本领域普通技术人员可以理解的是，那种STA不会回应的控制报文在本发明中显然是不适用的。以最为通用的RTS报文为例，AP向STA发送RTS报文时，STA会相应响应一个CTS报文。使用RTS报文与CTS报文组合的好处是可以不必关心STA是否与AP关联上了。

在其他实施方式中，可以区分STA的关联状态来发送不同的定位报文。假设待定位的STA没有关联到AP上，那么AP可以发送Authentication报文。STA收到该报文后会向AP回应Ack报文，并向AP发送Deauthentication报文。如果待定位的STA与AP关联了，那么AP可以发送Null数据报文或者Action类报文。通过以上描述可以看出，AP可以通过报文交互过程获得无线终端的信号强度、交互延迟；而功率衰减，则可以通过TPC(发送功率控制)机制获得。通常情况下，信号强度、交互延迟以及功率衰减这些参数中的一个或者多个可以作为STA的位置参数，根据位置参数以及当前天线的位置坐标，可以得到STA在当前工作天线下的位置范围。

在三角定位计算过程中，计算STA在当前工作天线下的位置范围时，AP的定位计算单元可以根据当前工作天线的位置坐标和上述参数计算无线终端的位置范围。一种常见的方式是通过采样比照来进行。在本AP安装在某一个具体定位区域后，事先要在本AP要覆盖的范围内等距采样若干位置点，采样点间距根据定位精度来确定，记录下每个点上STA的位置参数。那么，实时测量得到的无线终端位置参数可以比照事先采样点，这样就可以确定无线终端的位置范围。另一种方法是通过计算来进行。以一根天线为例，无论是等效全向天线，还是定向天线，首先要获得该天线在各个方向的增益；然后将实时测量得到的无线终端位置参数，扣除天线增益、馈线衰减、实际环境中的障碍物衰减等因素的影响，再根据信号传输的理论距离曲线，计算出无线终端的距离；最后根据该天线的位置坐标，得到无线终端的位置范围。当然信号传输的理论曲线，也可以根据实际环境通过采样来获得，这样得到的曲线能够使得定位结果更精确。本发明并不关注计算过程的具体实现，更多计算实现方案可以参考现有技术。

以图1为例，在一次定位的过程中，假设AP依次选择天线1、天线2以及天线3。在选择天线1时，AP向待定位的STA发送请求类控制报文，在收到STA返回的应答类控制报文时获取该STA的位置参数并输出，这里的位置参数是相对于天线1而言的。接下来切换到天线2上执行相同的操作，完成后再切换到天线3上执行相同的操作。在取得三个天线下的位置参数输出之后，根据三个位置参数即可计算出待定位STA的位置。在优选的方式中AP的定位计算单元可以根据上述位置参数以及各个天线的位置计算出STA的位置。如果天线组中天线数量大于3个，那么可以使用多个三角定位的计算结果的平均值作为最终STA的位置。值得注意的是AP获得多个天线下的位置参数之后并不一定需要自身完成位置计算，也可以将这些位置参数输出给定位服务器或者AC，由定位服务器或者AC完成定位计算。在实现时，AP可以将位置参数与天线之间的对应关系通过私有的控制报文上报给定位服务器或者AC。

相较于常规的定位方式而言，本发明中由于AP发送的报文是STA根据标准要求需要应答的控制报文，因此即便待定位的STA没有与AP关联，其同样会发送应答类控制报文进行响应，因此定位过程不受STA连接状态的影响。进一步来说，由于定位参考点是同一个AP上的多个天线，因此不会出现定位参考点不足的情况。请参考图3所示，假设网络左侧是现有技术的实现方式，此时可以与待定位STA通信的AP一共有2个，AP2以及AP3，AP4到AP6都因为距离待定位STA太远而无法与其通信，因此由于定位参考点不足3个而导致STA定位会失败。反观图3右侧实施本发明的AP1，其上的多个天线由于部署在同一台AP上，因此只要任意一个天线可以与STA通信，则其他所有天线基本都可以与该STA通信。在本发明中，运营者或者说网络所有者不再需要为了定位这种应用而额外部署更多的AP，不仅仅降低了网络部署过程中设备采购的成本，更进一步降低了网络部署过程中无线规划与管理的成本。

在优选的方式中，考虑到很多AP或其他工业设备都工作在2.4G这个频段，因此在遇到瞬时的干扰或其他负面影响时，定位精度会受到较大的影响。为了尽可能地提升定位的精度，本发明中AP在每一个工作天线上都发送多个请求类控制报文，这样STA收到之后会相应发送同样数量且与之对应的应答类控制报文，也就是说AP在当前工作天线下可以获得多个位置参数，将这些位置参数平均之后得到一个平均位置参数作为当前工作天线下的位置参数。由于在一个天线下进行了多次测量可以有效降低干扰引发的位置测量误差，有利于精度的提高。

值得注意的是，现有技术中也是通过接收STA发送的报文来确定位置参数的，但是现有技术中是纯被动的方式，因此其无法通过多次测量来获得一个平均位置参数，因为STA发送业务报文的间隔是不确定的，业务报文是STA对外通信的报文，完全由STA自身控制，而STA在发送多个报文期间可能移动了较远的距离，因此无法得到一个可信的平均位置参数。由于本发明采用主动发送请求类控制报文的方式，因此可以在很短的时间内连续发送多个请求类控制报文，比如每隔5毫秒就发送一个请求类控制报文，从而能够在极短的时间内得到多个位置参数。由于本发明中整个过程是AP主动发起的，因此时间是可控的。而由于发送的控制报文通常比较短，通常只有几十个字节，因此整个定位所需交互时间非常短，即便STA正在移动，对定位精度的影响也非常有限。此外发送多个请求类控制报文还可以避免单个报文丢失而引发无法确定位置参数的问题，其测量位置参数的可靠性又进一步获得了提高。

进一步来说，考虑到STA的移动性，为了获得较高的定位精度，在定位触发条件满足时，定位控制单元可以启动一个定时器，在定时器超时的时候还未获得位置参数可以直接退出上述处理流程。这个定时器的大小可以根据定位精度要求来确定，通常在毫秒这样的量级，比如100毫秒。当然这个时间的大小与AP需要定位多少STA也有关系。从一种简单的设计上看，假设AP在100毫秒内定位10个STA，若其中两个STA在100毫秒到达时还没有获得位置参数，则针对这两个STA的定位就暂时结束了。

在优选的实施方式中，由于本发明中多个定位参考点是一个AP上的多个天线，因此从这些天线上发送报文所使用的指定发送参数也可以设置为相同。所述指定发送参数的选择是基于开发者的开发定义的，通常可以包括发射功率、编码方式、调制方式以及频宽中的一种或者多种指定发送参数。由于一次定位过程中，在每个天线上使用的指定发送参数都相同，因此就避免了发送层面上的调制方式等参数的变化对定位所产生的负面影响。在优选的实施方式中，指定调制方式采用最具抗干扰能力的方式，比如在WLAN系统中，16QAM要比64QAM要更抗干扰，DBPSK调制方式要比CCK调制方式更抗干扰。值得注意的是，这里所说的选定发送参数相同是指一次定位过程中，各个天线所使用的选定发送参数相同，在不同的定位过程中则未必完全相同。

此外，值得注意的是，AP正常数据业务过程中如何选择天线不受影响，这只和AP的能力有关.比如支持802.11g的AP可以只用一个天线.而支持802.11n的AP可能最多使用3个天线，而且天线还可以动态选择，比如从6个中同时选3个，但不停地变化其选择的组合。

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 (20)

1.一种无线终端STA定位装置，应用于无线网络设备上，该无线网络设备包括天线选择开关以及至少三个天线，其中该装置包括：天线控制单元、定位控制单元、定位采集单元以及定位计算单元，其特征在于：

天线控制单元，用于通过控制天线选择开关从预设天线组中选择下一个天线作为当前工作天线；其中该天线组包括至少三个天线；

定位控制单元，用于通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文；

定位采集单元，用于根据待定位STA针对该定位报文返回的应答报文确定待定位STA在当前工作天线下的位置参数，并判断天线组中是否有尚未选择的天线，如果是则返回天线控制单元处理，由所述天线控制单元选择下一个天线为当前工作天线，否则，结束流程；

定位计算单元，用于根据待定位STA在所述无线网络设备的至少三个天线下的位置参数计算出待定位STA的位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位报文为与数据无关的请求类控制报文，所述应答报文为与数据无关的应答类控制报文。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述请求类控制报文为RTS报文，所述应答类控制报文为CTS报文。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无线网络设备还包括馈线接口，其中该天线组中的至少一个天线通过馈线连接到馈线接口上。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，其中各个天线之间的最小间距不低于最小定位精度。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述定位控制单元具体用于通过当前工作天线向待定位STA发送多个定位报文；

所述定位采集单元具体用于根据待定位STA返回的多个应答报文确定待定位STA的多个位置参数，并将该多个位置参数的平均值输出。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

定位启动单元，用于在确定定位触发条件满足时启动一次定位流程。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述定位启动单元，进一步用于启动具有预设时长的定时器，并在定时器超时退出本次定位流程。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在一次定位过程中，所述定位控制单元每次发送定位报文时所使用的指定发送参数是相同的。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述指定发送参数中至少包括指定调制方式参数；其中该指定调制方式为AP上最具抗干扰能力的调制方式。

11.一种无线终端STA定位方法，应用于无线网络设备上，该无线网络设备包括天线选择开关以及至少三个天线，其特征在于，该方法包括如下步骤：

通过控制天线选择开关从预设天线组中选择下一个天线作为当前工作天线；其中该天线组包括至少三个天线；

通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文；

根据待定位STA针对该定位报文返回的应答报文确定待定位STA在当前工作天线下的位置参数，并判断天线组中是否有尚未选择的天线，如果是则返回选择下一个天线作为当前工作天线，否则，结束流程；

根据待定位STA在所述无线网络设备的至少三个天线下的位置参数计算出待定位STA的位置。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述定位报文为与数据无关的请求类控制报文，所述应答报文为与数据无关的应答类控制报文。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述请求类控制报文为RTS报文，所述应答类控制报文为CTS报文。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述无线网络设备还包括馈线接口，其中该天线组中的至少一个天线通过馈线连接到馈线接口上。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述各个天线之间的最小间距不低于最小定位精度。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文具体为：通过当前工作天线向待定位STA发送多个与数据无关的请求类控制报文；

所述根据待定位STA返回的针对该定位报文的应答报文确定待定位STA在当前工作天线下的位置参数具体为：确定返回的针对定位报文的多个应答报文确定待定位STA的多个位置参数，并将该多个位置参数的平均值输出。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在确定定位触发条件满足时启动一次定位流程，然后再通过当前工作天线向待定位STA发送定位报文。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：

在确定定位触发条件满足时启动一次定位流程时，进一步启动具有预设时长的定时器，并在定时器超时时退出本次定位流程。

19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在一次定位过程中每次发送定位报文时所使用的指定发送参数是相同的。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述指定发送参数中至少包括指定调制方式参数；其中该指定调制方式为AP上最具抗干扰能力的调制方式。