CN109164409A - 一种基于4g室内网络无源天线实现定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4G室内网络无源天线实现定位的方法，在无源天线反射板上内嵌定位模组，该定位模组包括供电模组和网络模组，所述供电模组包括射频接收模块、整流稳压滤波模块、可充电电池模块，所述网络模组包括WIFI模块、射频发射模块；所述射频接收模块接收无线电波能量，再通过整流稳压滤波模块将环境低频段电磁波转换为电流；所述可充电电池模块用于向WIFI模块供电；所述射频发射模块通过WIFI模块以定时广播模式向周围发送自己特有的ID，待定位移动终端接收到ID后，进行定位计算，实现定位。

Description

一种基于4G室内网络无源天线实现定位的方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种基于4G室内网络无源天线实现定位的方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展和数据处理能力的提高，基于位置的服务成为具有发展潜力的。

移动互联网业务之一，无论在室内和还是室外的环境下，快速准确地获得待定位移动终端的位置信息和提供位置服务的需求变得日益迫切。

与此同时，各行业的定位服务市场同样发展迅速，定位服务需求量迅速增长。通过室内定位技术实现室内精准导航，大数据分析、个性化营销、人员管理、物品管理、社交网络等业务。但由于GPS卫星定位具有需要在相对空旷、高层建筑不密集的地方才能比较精确的定位，而且在户内无法使用，耗电量较高的特点。

以WIFI为代表的无线局域网技术是目前世界上部署最广泛的室内无线网络基础设施。大部分智能手机、平板电脑以及笔记本电脑都安装了WIFI无线网卡并通过连接WiFi网络登入互联网。因此，WIFI定位看做一种利用普适设备而非专用设备(需要单独铺设信号发生器)。对于一个已经部署好WIFI网络的建筑，如果采用WIFI定位技术，其定位基础设施已经部署完成，定位目标终端就是普通的智能手机、平板电脑以及笔记本电脑，因此整体定位系统的部署难度低，成本也低。由于WIFI的广泛普及，WIFI定位技术已成为目前室内定位的绝对主流。

现阶段室内广泛利用的WIFI网络进行定位，虽然可以弥补GPS在建筑密集或者室内应用的限制，但是由于WIFI室内布放节点少，造成室内定位精度不准确。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，充分利用已有传统4G室分天线点位密度高的优势，提供一种基于4G室内网络无源天线实现定位的方法，包括：在室内无源天线反射板上内嵌定位模组，所述定位模组包括供电模组和网络模组，所述供电模组包括射频接收模块、整稳压滤波模块、可充电电池模块，所述网络模组包括WIFI模块、射频发射模块；

其中，所述射频接收模块包括线圈Lr、线圈Cr、整流桥、滤波电感L和滤波电容C，所述线圈Lr和Cr组成LC网络，线圈Lr和Cr采用磁性材质制作接收低频段电磁波能量，经过整流桥和滤波电感L、滤波电容C得到平稳的直流电源，从而作为可充电电池模块的充电电源；所述LC网络要和发送的电磁波空间处于谐振状态，这样接收的线圈置于发射无线信号的交变磁场中时，接收电路中交流电与发送电路中的交流电共振，从而达到最大的拾取能量。

所述可充电电池模块用于向WIFI模块供电；

所述射频发射模块通过WIFI模块的PCB板载天线以定时广播模式向周围发送自己的ID(基本服务集标识符,简称ID)，该ID对应定位模组MAC地址，待定位移动终端接收到ID后，采用基于信号强度法RSSI(Received Signal Strength Indication，缩写RSSI)三点定位及基于RSSI指纹定位方法进行定位计算，实现定位。

所述可充电电池模块采用锂离子电池向WIFI模块供电，可充电电池模块包括锂离子电池充电控制器，所述锂离子电池充电控制器将充电过程划分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止，在不同阶段采用不同的的充电电流或者电压：

在t0～t1时间段为涓流充电阶段，涓流充电用来先对完全放电的电池进行预充电，即恢复性充电，此时采用0.1C的恒定电流对电池进行充电；

当电池电压上升到涓流充电阀值(一般为0.1C)以上时，提高充电电流进行恒流充电，在t1～t2时间段为恒流充电阶段，此阶段充电的电流在0.2C至1C之间；

在t2时间电池电压达到4.2V时开始恒压充电，在t2～t3时间段为恒压充电阶段，直至充电电流减小到0.02C才截止充电。

所述采用基于信号强度法RSSI三点定位及基于RSSI指纹定位方法进行定位计算，实现定位，具体包括如下步骤：

步骤1，采样终端实时从定位模组WIFI模块接收Beacon帧，获取采样终端RSSI值、定位模组的ID值(由于发送beacon帧就会有信号强度，这样就可以获取RSSI值，下发的beacon帧中会包含定位模组的ID地址)；

步骤2，采样终端将收集的定位模组ID、采样终端RSSI值、采样终端的MAC值(采样终端MAC地址终端是直接可以获取的)通过4G网络上传到定位引擎(定位引擎为置于网络后台的定位服务器)；

步骤3，定位引擎将采样终端物理位置与定位模组的RSSI值绑定，形成RSSI指纹库；

步骤4，待定位移动终端采集定位报文，将采集的定位报文上传到定位引擎，定位报文包括待定位移动终端的RSSI值；

步骤5，定位引擎根据确定性指纹匹配算法、三点定位算法，输出待定位移动终端当前的物理位置。

步骤5包括如下步骤：

步骤5-1，场强预处理：采用滤波算法对步骤1中采样终端接收的数据进行滤波处理，去除奇异点，使信号强度更加平稳，同时加入信号补偿处理，补偿丢包的信号强度值；最终得到预处理后的信号强度值；

步骤5-2：预处理好的信号强度值与RSSI指纹库值采用最近邻法(NearestNeighborhood,NN)进行匹配，选取与待定位移动终端距离最小的3个采样点的位置坐标；

步骤5-3：通过3个采样点的位置坐标，采用三点定位算法，计算出待定位移动终端的位置；

步骤5-4：定位修正：将人每秒运动速度阀值设定为speed(考虑精准定位，该值取0.7m/s)，等待t时间后再次对待定位移动终端进行定位，得到另一位置值，前后得到的两个位置值之间的距离Dis如果满足Dis≤t*speed，则输出t时间后定位得到的待定位移动终端位置，如不满足，返回步骤5-2重新选择3个采样点。

步骤5-3包括如下步骤：

步骤5-3-1，设定信号经过自由空间到达距离R处的信号接收端，信号发射端和信号接收端之间没有任何障碍物，信号沿直线传播，发射信号的功率为P_t，则接收到的功率Pr与发射功率P_t之间的关系如下：

其中，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益，λ为信号波长，公式中的Pr在无线接收端中作为RSSI值给出，通过测量RSSI，结合已知的P_t、G_t、G_r、λ值，从而计算出距离R；

步骤5-3-2，根据三点定位方法解算出待定位移动终端的位置坐标：已知三个采样点的位置坐标分别为p1(0,0)，p2(x2,0)，p3(x3,y3)，且待定位移动终端距离已知三个采样点p1(0,0)，p2(x2,0)，p3(x3,y3)的距离分别为R1,R2,R3，以p1(0,0)为圆心、R1为半径的圆记为A，以p2(x2,0)为圆心、R2为半径的圆记为B，以p3(x3,y3)为圆心、R3为半径的圆记为C，A、B、C相交产生的公共区域记为D；

步骤5-3-3，计算出公共区域D的3个交点坐标Ci(x_ci,y_ci)，x_ci表示第i个交点Ci的横坐标，y_ci表示第i个交点Ci的纵坐标，i＝1,2,3；

步骤5-3-4，将该公共区域D近似为三角形，此三角形重心坐标为待定位移动终端的位置坐标为：横坐标X＝Σ(x_ci)/3，纵坐标Y＝Σ(y_ci)/3，i＝1,2,3。

所述待定位移动终端调用内部的WIFI模块，实时扫描终端周围的特有的ID场强信息后，通过4G网络上传定引擎进行定位计算。

所述待定位移动终端实时展现最新位置给用户。

所述射频接收模块兼容4G频段。

有益效果：采用无源天线内置定位模组，可以提高室内定位用户精度，利用精准的定位，通过终端内置地图可以实现室内导航的应用；通过映射定位模组的ID实现在待定位移动终端上的精准营销；同时利用移动终端有无收到特定定位模组ID号可以监测定位无源天线的故障点和弱覆盖区域，提升室内网络覆盖优化工作效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为无线供电接收电路。

图2为分级定电流充电法充电曲线图。

图3为三点定位理论实现。

图4为三点定位实际实现。

图5为RSSI指纹定位方法。

图6为定位引擎计算过程。

图7为替换定位天线示意图。

图8为定位天线内部结构图。

图9为定位模组逻辑功能图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种基于4G室内网络无源天线实现定位的方法，包括：在室内无源天线反射板上内嵌定位模组，该定位模组小巧，充分利用室内原有室内天线点位位置，实施精准定位，定位模组包括供电模组和网络模组，所述供电模组包括射频接收模块、整稳压滤波模块、可充电电池模块，所述网络模组包括WIFI模块、射频发射模块；

其中，所述射频接收模块如图1所示，线圈Lr和Cr组成LC网络。线圈采用磁性材质制作接收低频段电磁波波能量，采用基于电磁感应的方式，接收无线能量经过整流桥和滤波电感L、滤波电容C得到平稳的直流电源，作为可充电电池模块的充电电源，要求接收到的频率与发送频率保持一致，因此Lr和Cr组成的网络要和发送的电磁波空间处于谐振状态，这样接收的线圈置于发射无线信号的交变磁场中时，接收电路中交流电与发送电路中的交流电共振，从而达到最大的拾取能量。

所述可充电电池模块采用锂离子电池用于向WIFI模块供电，锂离子电池的充电特性与其他二次充电特性完全不同。因此，在充电过程中必须严格遵循锂离子电池自身的特性曲线工作。电压比额定值小于0.1V就会导致充电不足，约少15％左右的电量。电压比额定值大0.1V又会引起过充，影响电池的安全性能。工业上锂离子电池充电电压标准为：便携设备电压达到4.2V；大功率储备电池4.1V。锂离子电池的充电电流必须瞬时值＜5C,平均值＜1.2C，充电电压都不能超过4.275V。

本充电电池模组采用新型的锂离子电池充电控制器，提供高级线性充电管理功能。采用分级定电流充电法，根据电池充电过程中不同充电阶段的特性，将充电过程划分为几个阶段，在不同阶段采用不同的的充电电流或者电压，主要分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止，充电特征如图2所示。在t0(0时)～t1(0.2h)时间段为涓流充电阶段，涓流充电用来先对完全放电的电池进行预充电，也称恢复性充电，此时采用0.1C的恒定电流对电池进行充电；当电池电压上升到涓流充电阀值以上时，提高充电电流进行恒流充电，在t1(0.2h)～t2(1h)时间段为恒流充电阶段，恒流充电时的电流并不要求十分精确，此阶段充电的电流在0.2C至1C之间；在t2时间电池电压达到4.2V时开始恒压充电，在t2(1h)～t3(3h)时间段为恒压充电阶段，直至充电电流减小到0.02C才截止充电，电压达到4.2V后充电必须在几个小时完成，不能任意延长。所述射频发射模块通过WIFI模块以定时广播模式向周围发送自己的ID，该ID对应定位模组MAC地址，待定位移动终端接收到ID后，采用基于信号强度法RSSI三点定位及基于RSSI指纹定位方法进行定位计算，实现定位。

所述采用基于信号强度法RSSI三点定位，包括：通过信号接收端(例如：移动Android终端以及PC端)测得接收功率Pr，通过传播模型公式，计算出节点间的距离，根据三点定位方法解算出待定位移动终端的位置坐标，具体包括如下步骤：

设定信号经过自由空间到达距离R处的信号接收端，信号发射端和信号接收端之间没有任何障碍物，信号沿直线传播，发射信号的功率为P_t，则接收到的功率Pr与发射功率P_t之间的关系如下：

其中，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益，λ为信号波长，R为距离。公式中的Pr在无线接收端中作为RSSI值给出，通过测量RSSI，结合已知的P_t、G_t、G_r、λ值，从而计算出距离R。

理论实现方式：

已知三个点位置坐标P1(0,0)，P2(x2,0)，P3(x3,y3)及待定位移动终端相距已知点的距离分别为R1,R2,R3，则待定位移动终端必然位于以已知点位圆心距离R1/R2/R3半径的圆上，三个圆公共交点即是待定位移动终端位置，如图3所示。

求解此方程组P(x,y)即是待定位移动终端坐标：

实际实现方式：

由于外界环境的影响，信号强度产生扰动，方程相交于一点的理想情况基本不会出现，故多数情况下是相交于同一区域内，将此区域近似为三角形，取三角形区域的重心作为待定位移动终端的坐标，如图4所示。

具体算法：

1)已知三个点的位置坐标p1(0,0)，p2(x2,0)，p3(x3,y3)，且待定位移动终端距离已知点的距离分别为R1,R2,R3。

2)计算出公共区域的3个交点坐标Ci(x_ci,y_ci),i＝1,2,3；

3)将该区域近似为三角形，此三角形重心坐标被认为是待定位移动终端的位置坐标X＝Σ(x_ci)/3，Y＝Σ(y_ci)/3，i＝1,2,3。

所述基于RSSI指纹定位方法包括：

对定位的特定环境进行抽象和形式化，在采样阶段，选取若干个参考位置，记录下每个参考位置的信号特征，每个信号特征对应一个唯一的物理位置，令参考位置“指纹”R:R＝(rssi1、rssi2、rssi3、……、rssip)，对应的MAC地址为M＝(mac1、mac2、mac3、……macp)式中p为参考位置通信范围内搜索到的定位模组数。rssip为接收到来自第p个定位模组的RSSI值，macp为第p个定位模组的MAC地址。并用一个数据库把这些信息集成在一起。在定位阶段，获取待定位位置的信号特征A：A＝(rssi1、rssi2、rssi3、……、rssiq)通过最近邻法(Nearest Neighborhood,NN)基本算法将信号特征A与数据库中的参考位置信号特征进行比对，然后通过三点定位、位置修正等最终计算出待定位置的物理位置。如图5所示：

步骤1：采样终端实时从定位模组接收Beacon帧，获取多个定位模组与采样终端的MAC、RSSI及与采样终端相对位置；

步骤2：采样终端收集的信息，通过4G网络上传到定位引擎；

步骤3：定位引擎生成终端物理位置与多个定位模组采集RSSI值绑定，形成RSSI指纹库；

步骤4：定位终端实时定位，将采集定位报文(包含RSSI)上传到定位引擎；

步骤5：定位引擎根据匹配搜索算法(指纹匹配算法、三点定位，位置修正等)，输出终端当前的物理位置。

位置场强“指纹”：终端物理位置(x,y)场强值的对应的关联的量化信息。核心是位置特征数据库和匹配规则，本质是一种模式识别方法。

定位引擎的具体计算，如图6所示：

步骤1：场强预处理，由于接收信号强度受各种因素干扰而引起不稳定性，为了排除测量RSSI值导致的定位误差，在进行定位算法计算之前，有必要对RSSI值进行预处理。在预处理阶段，由于信号强度可以近似认为服从正态分布，首先采用滤波算法对信号强度进行滤波处理，以去除一些奇异点，使信号强度更加平稳，同时、加入信号补偿处理，补偿丢包的信号强度值；

步骤2：预处理好的信号强度值与RSSI指纹库值采用NN算法进行匹配，选取与待定位移动终端距离最小的3个采样点的位置坐标；

步骤3：通过3个采样点的位置坐标，采用三点定位算法，计算出待定位移动终端的位置；

步骤4：基于位移的修正，输出正确的待定位移动终端位置；

由于受人体、环境等因素干扰，接收信号强度经常出现波动。虽然信号滤波处理在一定程度上能够消除信号抖动的影响，但是定位结果还是会出现漂移现象。为了使定位结果更符合人的运动实际情况，需要消除错误的位置抖动。由于人的运动速度有限，理论上每秒运动速度会小于一个阀值，设定为speed,则当前定位位置与上一次的定位位置之间的距离Dis应满足Dis≤t*speed,式中，t为两次定位之间的时间差。理论上，speed,应该小于0.7m/s。speed,可以根据实际情况而设定，由于不同的人可能有不同的移动速度，因此可以根据当前定位系统的精度要求，对于细粒度的定位系统，speed可以设定位一个较小值；相反，则可以设定为一个较大的值。

所述待定位移动终端内置APP软件调用内部的WIFI模块，实时扫描终端周围的特有的ID场强信息后，APP软件利用在待定位移动终端内置的传感器本地进行定位计算，或者通过4G网络上传定位引擎进行定位计算。

所述待定位移动终端通过APP实时展现最新位置给用户。

所述射频接收模块兼容4G频段。

所述可充电电池模块为锂电池并包含充电管理功能。

本发明替换现有的室内无源天线，如图7所示。在传统的无源天线1上内嵌定位模组3，如图8所示，将定位模组3内嵌置于铝制反射板2上，图8中4为单锥振子，该模组内置低频段接收天线模块，接收无线电波能量，通过整流稳压滤波模块将环境低频段电磁波转换为电流，可充电锂离子电池可以提供大约40mAh容量，充电时间约1.2小时，具体见表1测算方式，电池给WiFi模块持续供电，通过定时广播模式向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的APP会根据ID采取一些行动。

表1

ID通过4G网络上传后台定位服务器与终端的内置地图实现精准导航、上报弱覆盖区域等业务。因此定位原理采用WIFI使用的基于RSSI三点定位和基于RSSI指纹定位方法，采用基于待定位移动终端的定位方式，定位计算由待定位移动终端完成，通过手机APP软件调用手机内部WIFI模块，实时扫描手机周围的热点，APP软件在手机本地进行位置计算，或通过4G网络上传定位服务器进行计算，APP软件实时展现最新位置给用户。定位模组逻辑功能如图9所示。

定位模组分为供电模组和网络模组两块：

供电模组包括：射频接收模块(兼容4G频段)、整流稳压滤波模块、可充电电池模块(锂离子电池和充电管理功能)；

网络模组包括：WIFI模块、射频发射模块(2.4/5.8GHz)。

本发明提供了一种基于4G室内网络无源天线实现定位的方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种基于4G室内网络无源天线实现定位的方法，其特征在于，在室内无源天线反射板上内嵌定位模组，所述定位模组包括供电模组和网络模组，所述供电模组包括射频接收模块、整稳压滤波模块、可充电电池模块，所述网络模组包括WIFI模块、射频发射模块；

其中，所述射频接收模块包括线圈Lr、线圈Cr、整流桥、滤波电感L和滤波电容C，所述线圈Lr和Cr组成LC网络，线圈Lr和Cr采用磁性材质制作接收低频段电磁波能量，经过整流桥和滤波电感L、滤波电容C得到平稳的直流电源，从而作为可充电电池模块的充电电源；

所述可充电电池模块用于向WIFI模块供电；

所述射频发射模块通过WIFI模块以定时广播模式向周围发送自己的ID，该ID对应定位模组MAC地址，待定位移动终端接收到ID后，采用基于信号强度法RSSI三点定位及基于RSSI指纹定位方法进行定位计算，实现定位。

2.根权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可充电电池模块采用锂离子电池向WIFI模块供电，可充电电池模块包括锂离子电池充电控制器，所述锂离子电池充电控制器将充电过程划分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止，在不同阶段采用不同的的充电电流或者电压：

在t0～t1时间段为涓流充电阶段，涓流充电用来先对完全放电的电池进行预充电，即恢复性充电，此时采用0.1C的恒定电流对电池进行充电；

当电池电压上升到涓流充电阀值以上时，提高充电电流进行恒流充电，在t1～t2时间段为恒流充电阶段，此阶段充电的电流在0.2C至1C之间；在t2时间电池电压达到4.2V时开始恒压充电，在t2～t3时间段为恒压充电阶段，直至充电电流减小到0.02C才截止充电。

3.根权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用基于信号强度法RSSI三点定位及基于RSSI指纹定位方法进行定位计算，实现定位，具体包括如下步骤：

步骤1，采样终端实时从定位模组WIFI模块接收Beacon帧，获取采样终端的RSSI值、定位模组的ID值；

步骤2，采样终端将收集的定位模组ID、采样终端RSSI值、采样终端的MAC值通过4G网络上传到定位引擎；

步骤3，定位引擎将采样终端物理位置与定位模组的RSSI值绑定，形成RSSI指纹库；

步骤4，待定位移动终端采集定位报文，将采集的定位报文上传到定位引擎，定位报文包括待定位移动终端的RSSI值；

步骤5，定位引擎根据确定性指纹匹配算法、三点定位算法，输出待定位移动终端当前的物理位置。

4.根权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5包括如下步骤：

步骤5-1，场强预处理：采用滤波算法对步骤1中采样终端接收的数据进行滤波处理，去除奇异点，同时加入信号补偿处理，补偿丢包的信号强度值；最终得到预处理后的信号强度值；

步骤5-2：预处理好的信号强度值与RSSI指纹库值采用最近邻法进行匹配，选取与待定位移动终端距离最小的3个采样点的位置坐标；

步骤5-3：通过3个采样点的位置坐标，采用三点定位算法，计算出待定位移动终端的位置；

步骤5-4：定位修正：将人每秒运动速度阀值设定为speed，等待t时间后再次对待定位移动终端进行定位，得到另一位置值，前后得到的两个位置值之间的距离Dis如果满足Dis≤t*speed，则输出t时间后定位得到的待定位移动终端位置，如不满足，返回步骤5-2重新选择3个采样点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5-3包括如下步骤：

步骤5-3-1，设定信号经过自由空间到达距离R处的信号接收端，信号发射端和信号接收端之间没有任何障碍物，信号沿直线传播，发射信号的功率为P_t，则接收到的功率Pr与发射功率P_t之间的关系如下：

其中，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益，λ为信号波长，公式中的Pr在无线接收端中作为RSSI值给出，通过测量RSSI，结合已知的P_t、G_t、G_r、λ值，从而计算出距离R；

步骤5-3-2，根据三点定位方法解算出待定位移动终端的位置坐标：已知三个采样点的位置坐标分别为p1(0,0)，p2(x2,0)，p3(x3,y3)，且待定位移动终端距离已知三个采样点p1(0,0)，p2(x2,0)，p3(x3,y3)的距离分别为R1,R2,R3，以p1(0,0)为圆心、R1为半径的圆记为A，以p2(x2,0)为圆心、R2为半径的圆记为B，以p3(x3,y3)为圆心、R3为半径的圆记为C，A、B、C相交产生的公共区域记为D；

步骤5-3-3，计算出公共区域D的3个交点坐标Ci(x_ci,y_ci)，x_ci表示第i个交点Ci的横坐标，y_ci表示第i个交点Ci的纵坐标，i＝1,2,3；

步骤5-3-4，将该公共区域D近似为三角形，此三角形重心坐标为待定位移动终端的位置坐标为：横坐标X＝Σ(x_ci)/3，纵坐标Y＝Σ(y_ci)/3，i＝1,2,3。

6.根权利要求5所述的方法，其特征在于，所述待定位移动终端调用内部的WIFI模块，实时扫描终端周围的特有的ID场强信息后，通过4G网络上传定位引擎进行定位计算。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述待定位移动终端实时展现最新位置给用户。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述射频接收模块兼容4G频段。