CN107003377B - 用于经由超级区的交叉的细化定位的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于经由交叉的细化分区的系统和方法。具体地，以不同方式将基于区的定位系统的锚定节点（200）划分成多个超级区（40、50），其中，划分超级区的不同方式可以是相互正交，可能具有部分重叠。针对划分超级区（40、50）的每个方式，基于用户分区方法来选择最可能的候选超级区。然后，将所识别超级区的交叉（42）取作要定位的移动节点的最终定位结果。

Description

用于经由超级区的交叉的细化定位的方法和系统

技术领域

本发明涉及适配于使用具有锚定节点网格的基于区的方法的定位方法和系统领域，诸如但不限于，用于其中每个照明器装配有无线电收发机的照明系统的室内定位系统。这些无线电收发机充当用于移动节点（诸如由用户携带的设备）的定位的参考点（被称为锚定节点）。

背景技术

在自由场情况下，假设发射单元的发射功率是已知的，可以使用无线电传播模型来根据接收信号强度计算两个无线电单元之间的距离。当存在多个无线电锚定点（即，具有已知位置的无线电单元）时，可以借助于三边测量使用接收信号强度来估计无线电单元的位置。

室内定位系统正在变得越来越流行，具有诸如用户导航、目标广告、地理围栏等之类的大量应用。然而，三边测量方法的准确度在不能被视为自由场的环境（即包含与无线电信号相交互且可以对无线电信号造成失真的结构的任何环境）中由于无线电传播模型中的大的模糊性而受限。典型的非自由场情况是建筑物的内部，其中，墙壁、地板、家具和各种物理结构以基本上不同于自由场情况的复杂方式与无线电信号相交互。

然而，可以通过使用在无线电单元与无线电锚定点之间接收到的信号强度相对于在非自由场环境中在射频（RF）域中操作的多个无线电锚定点对单个无线电单元进行定位。

典型的室内定位系统可以包括至少三个组件。首先，存在要定位的一个或多个目标移动设备，称为移动节点。第二组件是已知位置的一组参考点，称为锚定节点。第三组件是用以计算移动节点相对于锚定节点的相对位置的计算实体，称为定位引擎。

实际上，如例如在WO2014/083494A2中描述的，基于区的方法的性能取决于每个区的锚定节点的数目。每个区中的锚定点越多，可以实现的分区结果越好。然而，给定诸如室内环境中的照明网络的照明器之类的锚定节点的密度，每个区的尺寸进而变大。因此，定位结果的分辨率由于每个区的扩大尺寸而受损。此副作用是非常不期望的，这是因为任何典型的室内定位系统的目的是以高分辨率实现定位结果。

为了以较高准确度分辨率针对基于区的方法获得可靠的室内定位性能，期望的是增加锚定节点的空间密度，这导致附加的系统成本和复杂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善的定位系统和方法，借助于该系统和方法可以在没有任何附加系统成本和复杂性的情况下实现改善的室内定位性能。

通过权利要求1所述的装置、权利要求7所述的无线电设备、权利要求9所述的定位系统、权利要求11所述的照明网络、权利要求12所述的方法以及权利要求13所述的计算机程序产品来达到此目的。

因此，用至少两个不同方式将锚定节点划分成多个超级区以获得至少两个不同类型的超级区，其中，针对每个类型的超级区，基于用于目标节点与超级区内的锚定节点之间的链路的平均接收信号质量而选择单个超级区，并且其中，将不同类型的所选超级区的交叉取作用于移动节点的最终分区结果。从而，可以在不增加锚定节点的密度的情况下获得细化的用户定位结果。每个超级区仍由多个锚定节点组成，使得仍执行在空间中对接收信号质量求平均的操作，这导致可靠的分区结果。通过取已识别超级区的交叉（例如，在正交方向上），获得较小的区，这导致定位结果的更高分辨率，而不损害分区性能的可靠性。如果替代地以不重叠方式划分锚定节点，使得每个区对应于较小数目的锚定节点，则仍可以获得相同的区分辨率，但是以损失用于获得分区结果的较高可靠性的空间求平均的益处为代价。

根据第一选项，选择单元可以适配于通过对属于超级区的锚定节点的无线电链路的接收到的相应信号强度或质量信息求平均来计算用于每个已识别超级区的单个超级区信号强度或质量。因此，可以通过针对属于每个超级区的锚定节点的相应链路获得的信号强度或质量值的简单求平均处理，来保持提出的改善的基于区的定位方法的低的处理负担。

根据可以与第一选项组合的第二选项，交叉类型的超级区可以被配置成在正交方向上延伸。交叉超级区的此类正交布置导致基于简单的行列结构来简单直接确定交叉区域的优点。

根据可以与上述第一或第二选项组合的第三选项，链路的信号强度或质量信息可以包括RSSI值。RSSI值在无线通信系统中是容易可用的，使得可以容易地实现提出的基于区的定位方法。

根据可以与上述第一至第三选项中的任一项组合的第四选项，交叉类型的超级区可以被配置成部分地相互重叠。在其中无线电单元位于超级区的边界附近且定位系统关于无线电单元位于其中的超级区并不确定的情况下，可以使用此类重叠面积。然后，定位系统可以将无线电系统定位至作为较小超级区区域的重叠区域，从而有效地增强空间分辨率。

根据可以与上述第一至第四选项中的任一项组合的第五选项，可以将识别、选择和交叉单元包括在局部化单元中，该局部化单元被配置为用于执行操作和计算以导出无线电单元的估计位置的可编程处理单元。此选项提供在改变条件或环境的情况下可以被重编程的高度灵活的局部化单元的优点。作为示例，超级区的数目、尺寸和地理分布可以适配于系统变化或环境变化。

应注意的是可以基于具有分立硬件组件、集成芯片或芯片模块的布置的分立硬件电路或者基于被存储在存储器中、写入计算机可读介质上或者从网络（诸如因特网）下载的软件例程或程序控制的信号处理设备或芯片来实现上述装置。

应理解的是权利要求1的装置、权利要求7的无线电设备、权利要求9的定位系统、权利要求11的照明网络、权利要求12的方法和权利要求13的计算机程序产品可以具有与特别地如在从属权利要求中定义的类似和/或相同的优选实施例。

应理解的是本发明的优选实施例还可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任何组合。

本发明的这些及其它方面根据下文中描述的实施例将是显而易见的，并且将参考该实施例来阐明。

附图说明

在以下各图中：

图1示出了根据第一实施例的局部化装置的示意性框图；

图2示出了根据第一实施例的第一选项的示意性系统架构，其中，目标无线电单元接收到由锚定节点发送的无线电信号；

图3示出了根据第一实施例的第二选项的示意性系统架构，其中，锚定节点接收到由目标无线电单元发送的无线电信号；

图4示出了垂直方向上的超级区定义的示例；

图5示出了水平方向上的超级区定义的示例；

图6示出了基于所选垂直和水平超级区的交叉的最终分区结果的示例；以及

图7示出了根据第二实施例的基于区的定位程序的流程图。

具体实施方式

现在基于用于室内系统的定位系统来描述本发明的实施例，所述定位系统在已知位置处具有多个无线电锚定点或锚定节点，以用于对具有未知位置的无线电单元或移动节点进行定位。

根据各种实施例，基于区的方法被用于局部化或定位，其中，在室内系统中提供了锚定节点的稠密网格。特别感兴趣的是室内照明系统，其中，每个照明器装配有无线电收发机。在此类系统中，可以针对移动节点与每个锚定节点之间的链路获得接收信号强度指示符（RSSI）值或其它信号质量指示符。然而，应注意的是由移动节点在每个锚定点发送无线电信号时获得RSSI值，还是每个锚定节点在移动节点发送无线电信号的同时获得RSSI值无关紧要。由于无线电传播性质的随机性质，所获得的RSSI值也具有随机性质。

通过在时间和空间两者上对相当数目的RSSI值或其它信号质量指示符求平均来实现可靠的定位结果。可以通过确定来自不同传输信号（例如，分组）的多个RSSI的平均来完成每个链路在时间上求平均。为了在空间域中实现求平均操作，将多个相邻锚定节点分组在一起而形成区。然后通过针对目标移动节点和区内的锚定节点之间的所有可能链路取RSSI值的平均获得每个区的平均RSSI值。基于区的方法底层的原理则是每个区选择最大RSSI值，并且将目标移动节点定位到锚定节点的所选区的地理范围内。

根据各种实施例，用基于区的方法获得目标移动节点的位置，其中，锚定节点以至少两个不同方式被划分成多个超级区，以获得至少两个不同类型的超级区。然后，应用两步分区方法，其中，针对每个类型的超级区，基于用于移动节点与超级区内的锚定节点之间的链路的平均RSSI值来选择单个超级区，并且然后将不同类型的所选超级区的交叉取作用于目标移动节点的最终分区结果。

作为示例，将超级球划分成不同类型的不同方式可以相互正交，使得不同类型的超级区在正交方向上延伸。可选地，单个所考虑类型的超级区可以部分地重叠。

图1示出了具有测量单元110、识别单元120、选择单元140和交叉单元150以及两个数据库（DB1、DB2）130和160的根据第一实施例的定位系统100的示意性框图。可以用单个数据存储设备的相应查找表或存储器区域来实现所述两个数据库。测量单元110适配于选择锚定节点（图1中未示出）并测量无线电单元101与所选锚定节点之间的信号强度。测量单元110将锚定节点标识符111和相应信号强度值（例如，RSSI值）112传递至识别单元120。识别单元120适配于从第一数据库130获取对应于锚定节点标识符111的超级区的两个锚定群组类型的超级区标识符131，并且然后计算用于所获取的每个类型的超级区的锚定群组的超级区信号强度值121。超级区信号强度值121是单个值，其表示超级区的相应锚定群组的信号强度值，并且可以计算为相应超级区的锚定群组的锚定节点的信号强度值的平均。然后选择单元140从识别单元120接收不同类型的超级区标识符131和相应的计算的超级区信号强度值121，并且针对每个类型的超级区选择具有最高群组强度的超级区，其中，每个类型的所选超级区是用其超级区标识符141来识别的。最后，交叉单元150从选择单元140接收每个群组类型的超级区标识符141并确定不同类型的两个已识别超级区的交叉区域的交叉区域标识符142。基于所确定的交叉区域标识符142，交叉单元150从第二数据库160获取区域坐标161，该坐标161对应于交叉区域标识符142。检索的区域坐标161表示无线电单元101的估计位置。交叉单元150然后将区域坐标161呈现为局部化装置100的最终输出。

在图1中，可以将组合的识别、选择和交叉单元120、140、150包括在局部化单元170，该局部化单元被配置为用于执行操作和计算以根据信号强度值112和相应锚定节点标识符111导出无线电单元101的估计位置的可编程处理单元。

图2和3示出了具有四个锚定节点200₁至200₄和目标无线电单元101的两个不同实施例，其中，定位系统200的无线电锚定点和无线电单元以不同的角色充当信号强度或质量指示信号的发送者和接收者。因此，两个实施例包括图1的上述测量单元110的功能。定位系统200是在被描绘为云240的通信网络（例如，照明网络）240中提供的。

在图2的实施例中，目标无线电单元101适配于接收由锚定节点200₁至200₄发送的无线电信号，使得目标无线电单元101充当接收者且锚定节点200₁至200₄充当发送者。无线电单元101从锚定节点200₁至200₄接收具有不同信号强度或质量（在图2中用相应箭头的粗度来指示）的信号211至214。无线电单元915测量信号211—214的强度，并且将锚定节点标识符111和相应信号强度值112传递至图1的选择单元120。因此，如上文所指示的，可以将包括目标无线电单元101和所述多个锚定节点200₁至200₄的所描绘的云240解释为图1中的测量单元110的实施例。

在图3的替换实施例中，锚定节点200₁至200₄适配于从定位系统300的目标无线电单元101接收具有不同信号强度或质量（在图3中用相应箭头的粗度来指示）的无线电信号321至324。因此，在图3中，目标无线电单元101充当发送者，并且锚定节点200₁至200₄充当接收者，如在云340中描绘的。锚定节点200₁至200₄适配于从具有不同的信号强度或质量的无线电单元101接收信号321至324，并且将相应信号强度值371至374用信号通知给收集单元375，该收集单元适配于从锚定节点200₁至200₄收集信号强度值112并将信号强度值112和相应锚定节点标识符111传递至图1的选择单元120。因此，如上文所指示的，可以将收集单元175与包括目标无线电单元101和所述多个锚定节点200₁至200₄的描绘的云240的组合解释为图1中的测量单元110的实施例。

在实施例中，目标无线电单元101可以是接收由锚定节点200₁至200₄（例如，照明网络的照明器的无线电收发机）发送的无线电信号的移动电话。移动电话测量无线电信号的信号强度或质量，并且使用信号强度或质量来计算移动电话的估计位置。为此，移动电话可以包括局部化单元，其将基于不同类型的所选超级区的交叉面积或区域以及将锚定节点与不同类型的相关超级区的锚定群组相关联并将所确定交叉区域与相关区域坐标相关联的（多个）查找表或（多个）数据库来计算估计位置。

在先前实施例的变体中，移动电话可以测量由锚定节点200₁至200₄发送的无线电信号211至214，但是不同于先前的实施例，移动电话可以不包括局部化单元。替代地，移动电话通过通信链路（未示出）向包括局部化单元的中央编程单元（未示出）发送测量的信号强度值111，该局部化单元根据接收到的测量信号强度值来计算估计位置。

图4和5分别地示出了以两个正交方式（例如，在垂直和水平方向上）的超级区定义的示例的图示。

针对实施例的示例的提出的超级分区方法，以两个不同且正交的方式将九个锚定节点200划分成三个超级区，其包括三个锚定节点200的相应锚定群组，即在垂直方向的第一类型的超级区40和在水平方向上的第二类型的超级区50，如在图4和5中所示。

接下来，针对如以两个不同方式定义的不同类型的每组超级区，执行独立的分区操作。例如，针对图4的垂直方向上的超级区40，可以判定目标移动节点位于对应于每个区最大平均信号强度或质量值（例如，RSSI值）的区内。作为示例，可以识别图4的最左侧超级区40。同样地，可以选择水平方向上的超级区。作为示例，可以假设识别到图5的中间超级区50。

图6示出了基于所选垂直和水平超级区的交叉的最终分区结果的示例。如上文结合图1至3所述，可以通过使用不同正交类型的所识别超级区40、50的交叉面积或区域42来获得最终分区结果。然后可以将所识别的超级区40、50的交叉区域42作为用于目标移动电话的位置的最终分区结果而输出。

提出的超级分区方法的主要优点是可以在不增加锚定节点200的密度的情况下获得细化的用户定位结果。如上所述，每个超级区仍由多个锚定节点200组成。因此，仍执行在空间上对信号强度或质量求平均的操作以实现可靠的分区结果。通过取在正交方向上的已识别超级区的交叉，获得较小的区，这导致定位结果的更高分辨率，而不损害分区性能的可靠性。如果图4至6的锚定节点200被划分成九个区，使得每个区对应于单个锚定节点，则将实现相同的区分辨率，但是将损失针对分区结果中的更高可靠性的空间求平均的益处。

应注意的是图4至6中的划分九个锚定节点200的超级区40、50的两个方式和拓扑仅仅是作为说明性实施例而提出。本发明的应用及不限于此示例性拓扑，也不限于划分超级区40、50的两个正交方式。可以使用导致较小交叉区域的任何其它划分，诸如对角线划分、圆形或椭圆形划分或者具有重叠或交叉区域的按不同类型的任何图案的任何划分。

图7示出了根据第二实施例的基于区的定位过程的流程图。

在第一步骤701中，选择具有未知位置的目标无线电单元的范围内的锚定节点，使得可以测量锚定节点与目标无线电单元之间的信号强度或质量。在后续步骤702中，使用所选锚定节点的标识符来测量目标无线电单元与无线电锚定点之间的信号强度或质量。在步骤703中，使用所获得的锚定节点标识符和相应信号强度或质量来导出锚定节点的相关超级区，并且针对每个超级区计算群组强度或质量（例如，对超级区的锚定节点的强度或质量求平均）。然后，在步骤704中，选择具有最高群组强度的每个类型的超级区。最后，在步骤705中，例如使用超级区标识符而基于查找表或算术逻辑来确定每个类型的所选超级区的交叉区域，并且将交叉区域的坐标或其它地理指示输出为目标无线电单元的估计位置。从步骤705开始返回至步骤701的箭头指示可以连续地重复定位方法。

总而言之，已描述了用于经由交叉的细化分区的方法和系统，其中，以不同的方式将基于区的定位系统的锚定节点200划分成多个超级区40、50，其中，划分超级区的不同方式可以相互正交，可能具有部分重叠。针对划分超级区40、50的每一方式，基于用户分区方法来选择最后可能的候选超级区。然后，将所识别的超级区的交叉42取作要定位的移动节点的最终定位结果，以从而在不增加锚定节点200的密度的情况下实现细化的用户定位准确度。

虽然在附图和先前的描述中示出并详细地描述了本发明，但要将此类图示和描述视为说明性或示例性而非限制性的。本发明不限于公开实施例。相关超级区的选择可以基于其它信号强度或质量指标，诸如差错率、信噪比等。提出的基于区的定位方法可以在零售、工业、待客以及室外应用中使用，或者用于基于用户位置的照明或其它控制功能。

根据对附图、本公开和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施要求保护的发明时可以理解并实现对公开实施例的其它变型。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现在权利要求中叙述的多个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。

前文的描述详述了本发明的某些实施例。然而，将认识到的是无论前文在文本方面看起来有多详细，也可用许多方式来实施本发明，并且因此其不限于公开的实施例。应注意的是不应将在描述本发明的某些特征或方面时对特定术语的使用理解为暗示该术语在本文中被重新定义成局限于包括与该术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。

单个单元或设备可以实现在权利要求中叙述的多个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。

类似于图7中指示的那些或图1的方框120、140和150的那些的所述操作可以被实现为计算机程序的程序代码部件和/或专用硬件。可以在与其它硬件一起或者作为其一部分供应的适当介质（诸如光学存储介质或固态介质）上存储和/或分发计算机程序，但是其还可以以其它形式分发（诸如经由因特网或其它有线或无线电信系统）。

Claims (13)

1.一种被配置成相对于多个锚定节点（200）定位无线电单元（101）的装置，所述锚定节点（200）是具有已知位置的无线电单元，其中，所述装置包括：

识别单元（120），其用于接收所选锚定节点的识别信息和所述无线电单元（101）与所选锚定节点之间的无线电链路的相应信号强度或质量信息，并且用于针对每个所选锚定节点识别交叉类型的超级区（40；50），其中，相应类型的超级区沿着多个不同方向之中的一个相应方向延伸，每个超级区包括所述锚定节点（200）中的至少两个；

选择单元（140），其用于基于属于超级区（40；50）的锚定节点的无线电链路的接收到的相应信号强度或质量信息来针对每个所识别超级区计算分配的单个超级区信号强度或质量，并且用于针对每个类型的超级区选择具有最高超级区信号强度或质量的超级区；以及

交叉单元（150），其用于确定具有最高超级区信号强度或质量的所选超级区的交叉区域（42），并且用于导出所述交叉区域（42）的位置信息（161）作为所述无线电单元（101）的位置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，选择单元（140）适配于通过对属于所述超级区的锚定节点的无线电链路的接收到的相应信号强度或质量信息求平均来针对每个所识别超级区计算所述单个超级区信号强度或质量。

3.如权利要求1所述的装置，其中，交叉类型的超级区（40；50）被配置成在正交方向上延伸。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述链路的信号强度或质量信息包括接收到的信号强度指示符RSSI值。

5.如权利要求1所述的装置，其中，单个类型的超级区（40；50）被配置成部分地相互重叠。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述识别、选择和交叉单元（120、140、150）被包括在局部化单元（170）中，该局部化单元（170）被配置为用于执行操作和计算以便导出所述无线电单元（101）的估计位置的可编程处理单元。

7.一种包括如权利要求1所述的装置的无线电单元。

8.如权利要求7所述的无线电单元，其中，所述无线电单元（101）适配于确定所选锚定节点（200）的所述识别信息和所述无线电单元（101）与所选锚定节点（200）之间的无线电链路的相应信号强度或质量信息。

9.一种包括如权利要求1所述的装置和多个锚定节点（200）的定位系统。

10.如权利要求9所述的定位系统，还包括收集设备（375），其用于确定所选锚定节点（200）的识别信息，并用于从所选锚定节点（200）收集所述无线电单元（101）与所选锚定节点（200）之间的无线电链路的相应信号强度或质量信息。

11.一种包括如权利要求9所述的定位系统的照明网络，其中，在所述照明网络的照明器中包括锚定节点（200）。

12.一种被配置成相对于多个锚定节点（200）定位无线电单元（101）的方法，所述锚定节点（200）是具有已知位置的无线电单元，其中，所述方法包括：

接收所选锚定节点的识别信息和所述无线电单元（101）与所选锚定节点之间的无线电链路的相应信号强度或质量信息；

针对每个所选锚定节点识别（703）交叉类型的超级区，其中，相应类型的超级区沿着不同方向之中的一个相应方向延伸，每个超级区包括所述锚定节点（200）中的至少两个；

基于属于所述超级区的锚定节点的无线电链路的接收到的相应信号强度或质量信息来针对每个所识别超级区计算分配的单个超级区信号强度或质量；

针对每个类型的超级区选择（704）具有最高超级区信号强度或质量的超级区；

确定（705）具有最高超级区信号强度或质量的所选超级区的交叉区域（42）；以及

导出所述交叉区域（42）的位置信息（161）作为所述无线电单元（101）的位置。

13.一种其上存储计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备实现如权利要求12所述的方法。

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