CN106358228B - 一种wifi室内定位系统中无效ap的动态检测与过滤方法 - Google Patents

一种wifi室内定位系统中无效ap的动态检测与过滤方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，包括检测和过滤两部分：(1)检测：在WIFI室内定位服务器的网关部分接收、存储并转发与定位信息RSSI相关的UDP报文，选择在每天室内定位需求较少的时间段，通过对于当天的UDP报文进行解析，以无线设备的MAC地址为唯一标识，聚集同一设备的定位报文数量及无线设备与AP的连接情况，自动生成当天无效AP表，并以一定策略动态更新全局无效AP表。(2)过滤：以全局无效AP表为依据，在网关部分过滤掉无效AP的UDP报文，筛选出可用于定位的报文发给WIFI室内定位引擎。本发明解决了原WIFI室内定位系统存储的无效数据多，定位引擎计算压力大的问题，减轻了数据的物理存储压力和定位及基于位置的行为分析的计算压力。

Description

一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法
技术领域
本发明属于WIFI室内定位领域，更具体地说，涉及一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法。
背景技术
近年来，随着移动设备的增多和无线定位技术的快速发展，基于位置的服务(Location Based Service，简称LBS)越来越与人们的工作和生活息息相关。全球定位系统在室外能够提供很好的定位精度，但在高楼密布的城市中尤其是室内由于卫星信号不能穿透建筑物，到达室内的信号有限且较弱而导致无法定位。人平均80％的时间在室内，因此“移动互联网服务的最后一百米”成为大家研究的热点。目前常用的室内定位技术有WIFI、蓝牙、红外线、RFID、ZigBee和超声波等。
随着移动电子设备的急剧增长，基于802.11协议的无线局域网技术得到迅速的普及和发展，无线接入点(Access Point，简称AP)也广泛分布于家庭、校园、医院、办公场所和地下停车场等地方。支持WIFI的终端也越来越多，智能手机、个人掌上电脑、笔记本电脑等手持设备也均内置无线网卡，这为WIFI定位提供了必要的物质条件和技术支持，使得基于WIFI的室内定位技术成为可能。
目前常用的室内定位方法有基于TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Differenceof Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、三角定位和位置指纹定位法等，由于这几种算法中位置指纹定位法以普适性和高效性得到了广泛的应用。位置指纹定位方法的定位流程是定位服务器接收AP或者移动设备发送来的定位原始数据和定位请求，由定位引擎通过一定的搜索匹配算法匹配位置指纹信息，结合室内地图资源，将定位结果返回给定位请求者。在实际应用中，由于AP之间主动广播和接收beacon帧和物理环境不可控等因素，定位服务器会接收到的很大一部分信号强度数据为无效报文数据，即系统内部自身AP之间的信号强度数据和系统外部AP的信号强度数据，该类数据量约占数据总量的70％以上，极大浪费了物理存储资源和实时计算资源，导致定位引擎计算压力大，定位响应不及时的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服目前WIFI室内定位无效报文多，存储的无效数据多，定位引擎计算压力大，定位请求响应不及时的问题，提供了一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，这种方法能够有效动态检测出无效AP，在定位服务器的网关部分及时将无效数据过滤掉，避免定位引擎进行无效计算，提高移动设备定位请求的响应及时行。
本发明的技术解决方案：一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，实现步骤如下：
步骤一：在室内定位需求设定的时间段，每天进行自动筛选，生成当天无效设备表和当天可信设备表；
步骤二：在数据库或者文件中动态维护三张数据表，所述三张数据表为可信设备表、无效AP表和疑似AP表，所述可信设备表存储曾经连接过WIFI室内定位系统的全部设备的MAC地址，通过判断连接状态位来维护此表，此表允许动态添加，初始状态为空；所述无效AP表存储确信是无效AP的MAC地址，通过判断是否连接WIFI室内定位系统及通信条数判断，此表允许添加和删除，初始状态为空或者手动添加的MAC地址；所述疑似AP表存储疑似是无效AP表的MAC地址，通过判断连接状态为未连接时，数据条数达到设定阈值会记入此表，初始状态为空；将当天无效设备表添加到疑似AP表中，将当天可信设备表添加到可信设备表中，并更新时间戳标记；
步骤三：再次动态维护疑似AP表，将疑似AP表中部分项转移至无效AP表中，并在疑似AP表中删除此项；将出现在疑似AP表的设备标识更新到无效AP表中，并更新时间戳标记；
步骤四：以所述三张数据表为依据，进行数据筛选，清洗当天原始数据，完成后删除原始数据，保存清洗后数据；
步骤五：实时过滤接收到的无线定位报文。
所述步骤一中，在室内定位需求设定的时间段，每天进行自动筛选过程如下：
(1)在每天设定的时间段，依次读入每条记录的UDP报文，并进行MAC地址、是否连接IsAssociated字段和RSSI强度的字段解析；
(2)通过是否连接IsAssociated字段判断是否与WIFI室内定位系统连接；如果连接则此设备的MAC地址为确信MAC地址，添加到可信设备表，生成当天可信设备表；
(3)如果未连接则进行后续的每隔设定统计时段的数据量统计，如果一个设备24小时都在线并且没有与WIFI室内定位系统连接，则认为是无效AP；
(4)进行没有与WIFI室内定位系统连接的设备全天的数据统计，如果大于预定阈值，则认为是当天无效AP，生成当天无效设备表。
所述步骤二中，动态维护可信数据表实现为：
(1)取出可信数据表存储到相应结构体中；
(2)遍历步骤一中的可信数据表，以设备唯一标识MAC为KEY，比对是否存在于可信设备表中，存在则进行(3)，否则进行(4)；
(3)存在则更新可信设备表VALUE，将连接天数加1，最近连接时间更新为该天，转到步骤(5)；
(4)不存在则向可信设备表中插入一条数据，KEY为该MAC地址，VALUE为1，最近连接时间为该天；
(5)将更新后的可信设备表存回数据库作为最新可信数据表。
所述步骤二中，动态维护疑似AP表步骤实现如下：
(1)取出最新的可信数据表和疑似AP表；
(2)以可信数据表的KEY为依据，判断步骤一中生成的当天无效设备表中的MAC地址是否存在于KEY中，存在则进行(3)，否则直接进行(4)；
(3)存在则删除当天无效设备表中该项；
(4)生成新的当天无效设备表，遍历该表；
(5)判断UDP报文数据条数是否大于阈值并且RSSI均值大于-95dB；如果上述判断不成立，则丢弃该项；如果上述判断成立，则检查是否该MAC地址存在于疑似AP表中，如果在疑似AP表中存在，则疑似AP表中对应项连接天数加1，添加当天的时间戳标记，如果在疑似AP表中不存在，则在疑似AP表中增加以该MAC地址为主键的项，连接天数置1，添加当天时间戳标记。
所述判断UDP报文数据条数是否大于阈值并且RSSI大于-95dB的过程为：
(1)打开手机全天24小时实验测试，统计手机在未连接AP的情况下每天与AP之间的Beacon帧广播通信数据条数，根据自由空间路径损耗模型得出信号强度-95dB的报文不具有定位可信性，则在统计中去除信号强度-95dB以下的UDP报文，连续多天测量，数据条数在2500-3500区间内波动；
(2)已知一个无效AP的MAC地址，统计无线定位系统中接收到的该无效AP的Beacon帧的数据条数；连续多天测量，已知的无效AP由于在2.4GHz和5GHz频段的各个信道上主动扫描，则服务器网关部分每天接收到的Beacon帧能达到5万条以上；
(3)由于未连接的手机与非本系统AP的通信条数分别为3500条和5万条左右，则区分度明显，阈值可在1-3万之间选取，故阈值也较好选取；在没有任何系统损耗的情况下，自由空间的路径损耗模型公式：
其中PLF(d)为自由空间的路径损耗，Gt表示发射机的天线增益，Gr表示接收机的接收增益，λ表示电波波长，d表示距离，n表示路径损耗指数，其在不同环境下的取值为：在室外-自由空间内的路径损耗指数为2；在室外-城市环境的路径损耗指数为2.7-5；在室外-视距传播的路径损耗指数为1.6-1.8；在室外-有障碍物的路径损耗模型为4-6。
环境 路径损耗指数
室外-自由空间 2
室外-城市环境 2.7-5
室外-视距传播 1.6-1.8
室外-有障碍物 4-6
所述步骤二中，动态维护无效AP表步骤如下：
(1)重新取出最新疑似AP表和无效AP表，以设备MAC地址作为KEY，以记录时间LIST作为VALUE存储到MAP结构体中；
(1)对于每一个KEY，计算其VALUE中元素个数N；
(2)如果N大于10，则将此MAC地址移动到无效AP表中，清除疑似AP表中该项；
(3)重新存回最新的疑似AP表和无效AP表。
所述步骤三中，将出现在疑似AP表的设备标识更新到无效AP表的过程是：根据时间戳标记将出现在疑似AP表中的MAC地址的次数大于门限值的认为是无效MAC地址，添加到无效AP表中，并从疑似AP表中删除；门限值初始值为10次，可根据想要过滤通信量的需求程度手动修改此门限值，即想要过滤更多通信量，则减小此门限值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有技术方案无无效AP检测与过滤方法或只能人工设置一些已知的无效AP，只能在程序启动初始化时手工设置，无法动态改变，故该发明具有首创性；
(2)极大减轻了原始数据存储压力；通过进行在网关接受部分未使用该方法和使用该方法的对比实验，选用其中一周的完整数据，实验数据结果如下：
实验日期编号 未使用该方法所存储的原始数据 使用该方法所存储的原始数据
1 3.57G 132M
2 3.68G 136M
3 4.05G 150M
4 3.92G 145M
5 3.45G 128M
6 3.55G 131M
7 3.68G 133M
故该无效AP的动态检测与过滤方法检测及过滤效果明显；
(3)由于在网关接收部分能够及时的检测出无效AP，过滤掉大量的无效报文数据，故能极大地减轻定位及基于位置的行为分析的计算压力。
附图说明
图1为计算当天可信设备表和无效设备表流程图；
图2为WIFI室内定位系统结构图。
具体实施方式
如图1、2所示为例，说明本发明的实现步骤：
1.如图1所示，每天在室内定位需求较少的时间段启动自动筛选程序，生成当天无效设备表、当天可信设备表。
a.每天凌晨2点自动启动筛选程序，首先初始化存储未连接系统的数据条数Map<String,Integer>，Key为UDP报文中解析出的MAC地址，Value为该MAC地址对应的数据条数，初始化已连接该系统的MAC地址表List<String>，用来存储该天确认连接过本系统的MAC地址，然后依次读入每条记录的UDP报文并进行MAC地址、是否连接(IsAssociated)、RSSI强度等解析；
b.通过IsAssociated字段判断是否与本系统连接，如果连接则此MAC地址为确信MAC地址，添加到可信设备表，不再进行后续步骤的UDP报文数据量统计；
c.未连接则进行后续的每十分钟一个统计时段的数据量统计，如果一个设备24小时都在线并且没有与系统连接，则认为为无效AP；
d.进行没有与系统连接的设备全天的数据统计，如果大于预定阈值，则认为是当天无效AP；
2.在数据库或者文件中动态维护可信数据表。
a.取出可信数据表存储到相应变量中；
b.遍历步骤一中的可信数据表，以设备唯一标识MAC为KEY，比对是否存在于可信设备表中，存在则进行c，否则进行d；
c.存在则更新可信设备表VALUE，将连接天数加1，最近连接时间更新为该天，转到步骤e；
d.不存在则向可信设备表中插入一条数据，KEY为该MAC地址，VALUE为1，最近连接时间为该天；
e.将更新后的可信设备表存回数据库作为最新可信数据表；
3.在数据库或者文件中动态维护疑似AP表。
a.取出最新的可信数据表和疑似AP表；
b.以可信数据表的KEY为依据，判断步骤一中生成的当天无效设备表中的MAC地址是否存在于KEY中，存在则进行c，否则直接进行d；
c.存在则删除当天无效设备表中该项；
d.生成新的当天无效设备表，遍历该表；
e.判断UDP报文数据条数是否大于阈值并且RSSI大于-95dB；
4.在数据库或者文件中动态维护无效AP表。
a.重新取出最新疑似AP表和无效AP表，以设备MAC地址作为KEY，以记录时间LIST作为VALUE存储到MAP结构体中；
b.对于每一个KEY，计算其VALUE中元素个数N；
c.如果N大于10，则将此MAC地址移动到无效AP表中，清除疑似AP表中该项；
d.重新存回最新的疑似AP表和无效AP表；
5.以这三张表为依据，进行当天在磁盘上存储的UDP报文进行筛选，将存在于可信设备表中的数据重新存到新的文件，将存在于无效AP表中的数据忽略，不进行复制到新文件的操作，根据接收到报文的时间戳判断开始结束时间，每10分钟的数据为一个文件；以此方法清洗当天原始数据，清洗完成后删除原始数据，保存清洗后数据，此数据为确认有效数据，以备日后对原始数据重新利用；
6.如图2所示，在系统的网关部分，接收来自WIFI室内定位系统的原始报文数据并进行对应字段的解析，首先系统读取最新生成的三张表格，以此为依据，首先判断实时接收到UDP报文的源MAC地址是否存在于可信设备表中，若存在则不再进行判断而直接通过网关进行后续定位计算；若不存在于可信设备表中则判断此源MAC地址是否存在于无效AP表中，若存在则丢弃，若不存在则通过网关进行后续定位计算。并将能够通过网关部分的UDP报文原始数据记录到原始文件中，以备第二天进行新一轮的疑似AP表、可信设备表、无效AP表的自动更新。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在室内定位需求设定的时间段，每天进行自动筛选，生成当天无效设备表和当天可信设备表；
步骤二：在数据库或者文件中动态维护三张数据表，所述三张数据表为可信设备表、无效AP表和疑似AP表，所述可信设备表存储曾经连接过WIFI室内定位系统的全部设备的MAC地址，通过判断连接状态位来维护此表，此表允许动态添加，初始状态为空；所述无效AP表存储确信是无效AP的MAC地址，通过判断是否连接WIFI室内定位系统及通信条数判断，此表允许添加和删除，初始状态为空或者手动添加的MAC地址；所述疑似AP表存储疑似是无效AP表的MAC地址，通过判断连接状态为未连接时，数据条数达到设定阈值会记入此表，初始状态为空；将当天无效设备表添加到疑似AP表中，将当天可信设备表添加到可信设备表中，并更新时间戳标记；
步骤三：再次动态维护疑似AP表，将疑似AP表中部分项转移至无效AP表中，并在疑似AP表中删除此项；将出现在疑似AP表的设备标识更新到无效AP表中，并更新时间戳标记；
步骤四：以所述三张数据表为依据，进行数据筛选，清洗当天原始数据，完成后删除原始数据，保存清洗后数据；
步骤五：实时过滤接收到的无线定位报文；
所述步骤二中，动态维护可信数据表实现为：
(11)取出可信数据表存储到相应结构体中；
(12)遍历步骤一中的可信数据表，以设备唯一标识MAC为KEY，比对是否存在于可信设备表中，存在则进行(13)，否则进行(14)；
(13)存在则更新可信设备表VALUE，将连接天数加1，最近连接时间更新为该天，转到步骤(15)；
(14)不存在则向可信设备表中插入一条数据，KEY为该MAC地址，VALUE为1，最近连接时间为该天；
(15)将更新后的可信设备表存回数据库作为最新可信数据表；
所述步骤二中，动态维护疑似AP表步骤实现如下：
(21)取出最新的可信数据表和疑似AP表；
(22)以可信数据表的KEY为依据，判断步骤一中生成的当天无效设备表中的MAC地址是否存在于KEY中，存在则进行(23)，否则直接进行(24)；
(23)存在则删除当天无效设备表中该项；
(24)生成新的当天无效设备表，遍历该表；
(25)判断UDP报文数据条数是否大于阈值并且RSSI均值大于-95dB；如果上述判断不成立，则丢弃该项；如果上述判断成立，则检查是否该MAC地址存在于疑似AP表中，如果在疑似AP表中存在，则疑似AP表中对应项连接天数加1，添加当天的时间戳标记，如果在疑似AP表中不存在，则在疑似AP表中增加以该MAC地址为主键的项，连接天数置1，添加当天时间戳标记。
2.根据权利要求1所述的一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，其特征在于：所述步骤一中，在室内定位需求设定的时间段，每天进行自动筛选过程如下：
(1)在每天设定的时间段，依次读入每条记录的UDP报文，并进行MAC地址、是否连接IsAssociated字段和RSSI强度的字段解析；
(2)通过是否连接IsAssociated字段判断是否与WIFI室内定位系统连接；如果连接则此设备的MAC地址为确信MAC地址，添加到可信设备表，生成当天可信设备表；
(3)如果未连接则进行后续的每隔设定统计时段的数据量统计，如果一个设备24小时都在线并且没有与WIFI室内定位系统连接，则认为是无效AP；
(4)进行没有与WIFI室内定位系统连接的设备全天的数据统计，如果大于预定阈值，则认为是当天无效AP，生成当天无效设备表。
3.根据权利1所述的一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，其特征在于：所述判断UDP报文数据条数是否大于阈值并且RSSI大于-95dB的过程为：
(1)打开手机全天24小时实验测试，统计手机在未连接AP的情况下每天与AP之间的Beacon帧广播通信数据条数，根据自由空间路径损耗模型得出信号强度-95dB的报文不具有定位可信性，则在统计中去除信号强度-95dB以下的UDP报文，连续多天测量，数据条数在2500-3500区间内波动；
(2)已知一个无效AP的MAC地址，统计无线定位系统中接收到的该无效AP的Beacon帧的数据条数；连续多天测量，已知的无效AP由于在2.4GHz和5GHz频段的各个信道上主动扫描，则服务器网关部分每天接收到的Beacon帧能达到5万条以上；
(3)由于未连接的手机与非本系统AP的通信条数分别为3500条和5万条左右，则区分度明显，阈值可在1-3万之间选取，故阈值也较好选取；在没有任何系统损耗的情况下，自由空间的路径损耗模型公式：
其中PLF(d)为自由空间的路径损耗，Gt表示发射机的天线增益，Gr表示接收机的接收增益，λ表示电波波长，d表示距离，n表示路径损耗指数，其在不同环境下的取值为：在室外-自由空间内的路径损耗指数为2；在室外-城市环境的路径损耗指数为2.7-5；在室外-视距传播的路径损耗指数为1.6-1.8；在室外-有障碍物的路径损耗模型为4-6。
4.根据权利要求1所述的一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，其特征在于：所述步骤二中，动态维护无效AP表步骤如下：
(1)重新取出最新疑似AP表和无效AP表，以设备MAC地址作为KEY，以记录时间LIST作为VALUE存储到MAP结构体中；
(2)对于每一个KEY，计算其VALUE中元素个数N；
(3)如果N大于10，则将此MAC地址移动到无效AP表中，清除疑似AP表中该项；
(4)重新存回最新的疑似AP表和无效AP表。
5.根据权利要求1所述的一种WIFI室内定位系统中无效AP的动态检测与过滤方法，其特征在于：所述步骤三中，将出现在疑似AP表的设备标识更新到无效AP表的过程是：根据时间戳标记将出现在疑似AP表中的MAC地址的次数大于门限值的认为是无效MAC地址，添加到无效AP表中，并从疑似AP表中删除；门限值初始值为10次，可根据想要过滤通信量的需求程度手动修改此门限值，即想要过滤更多通信量，则减小此门限值。
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