CN1691624A - 用于为任意位置的接入点生成信号强度模型的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为处于场所中的任意位置q的接入点获取信号强度模型的方法。为n个采样点中的每个采样点获取信号强度量度；从所述采样点中的每个采样点计算在所述任意位置q接收的信号强度(例如使用互易原理)；对来自所述任意位置并且与在采样点所接收的信号相对应的信号强度估算值进行计算；以及为处于任意位置q的接入点确定信号强度模型。

Description

用于为任意位置的接入点 生成信号强度模型的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及在无线网络中确定无线接入点(AP)方位的技术，尤其是为无线接入点估算信号强度覆盖范围的方法和设备。

背景技术

目前，在很多企业中都广泛部署了无线网络，该网络可以是基于IEEE 802.11标准的无线局域网(WLAN)，它主要提供的是从膝上计算机和个人数字助理(PDA)之类的便携设备到企业有线架构的无线数据接入。如果在企业机构之类的特定区域中部署基础架构模式的无线LAN，那么有必要恰当放置那些与终端相关联的无线接入点。由于单个接入点的覆盖范围非常有限，因此，在企业中通常会安装多个接入点。此外，由于恶劣的信号接收条件会导致总吞吐量不足之类的无法接受的网络特性，因此在整个区域中还必须确保适当的信号覆盖范围。

目前已经提出或建议了多种用于为无线网络确定接入点方位的技术。对此类技术而言，其中一个非常重要的方面在于：如果将所述接入点放置在场所中的特定位置，则确定该接入点的预期信号强度覆盖范围。通常，在给出了接入点的预期位置的情况下，这种工具根据分析的无线电传播模型来估算信号强度覆盖范围。该模型考虑了无线电信号传播，其中所述无线电传播是用关于信号路径中的墙壁及其他障碍物的数量以及障碍物材料及其它特性的信息扩充的。这种处理通常需要建筑物的详细的楼层平面图图，其中在所述楼层平面图图上具有关于信号反射物和障碍物的信息。

在2004年2月11日提交并且转让给本发明申请人的名为“Estimating the Location of Inexpensive Wireless Terminals by UsingSignal Strength Measurements”的美国专利申请10/776,058中，其中公开了一种用于确定无线接入点方位的技术，其中所述申请在此引入作为参考，该申请(i)使用实际信号量度，以及(ii)不需要确切了解信号反射物和障碍物。此外还可以参见P.Krishnan等人发表于Proc.of IEEE Infocom 2004(2004年3月)的“A System for LEASE：Systemfor Location Estimation Assisted by Stationary Emitters for IndoorRF Wireless Networks”，其中该文献在此引入作为参考。特别地，这其中公开的是一种根据已有接入点在一些采样点的实际信号强度量度来为所述接入点构造信号强度模型的技术。然后，信号强度模型可用于预测来自该场所中的任何点的接入点的估算信号强度。

由此需要的是那些为处于某个场所中的预期位置的无线接入点预测信号强度覆盖范围的方法和设备。此外还需要那些在没有接入点的实际量度的情况下构造信号强度模型的方法和设备。换句话说，所需要的是那些在没有将实际接入点放在预期位置并获取量度的情况下为处于场所内的随机位置的接入点构造信号强度模型的方法和设备。

发明内容

总的来说，在这里提供一种用于为处于场所中的任意位置q的接入点获取信号强度模型的方法和设备。在这里为n个采样点中的每个采样点获取信号强度量度；从所述采样点中的每个采样点计算在所述任意位置q接收的信号强度(例如使用互易原理)；对来自所述任意位置并且与在采样点所接收的信号相对应的信号强度估算值进行计算；以及为处于任意位置q的接入点确定信号强度模型。

举例来说，信号强度模型可以如下确定：将所获取的信号强度量度平滑到一个集合中(例如使用广义加法模型(GAM))；将场所划分成已知大小的方形网格；以及在两个维度上内插该集合(例如使用阿基玛(Akima)仿样内插)以形成一个标量阵列，由此估算每一个方形网格中心的接收信号强度。所述标量阵列包含处于任意位置q的接入点的信号强度模型。

在本发明的不依赖于互易原理的变体中，对处于场所中任意位置q的接入点通过以下方法获取信号强度模型：(i)获取n个采样点中的每个采样的信号强度量度；对每个采样点，(ii)在将接入点放置在任意位置q时，为在所述采样点接收的信号强度生成一个模型；(iii)在将接入点放置在任意位置q时，对在这n个采样点接收的信号强度进行计算；以及(iv)为处于任意位置q的接入点确定信号强度模型。

附图说明

通过参考下文中的详细描述和附图，可以更全面地理解本发明以及本发明的其他特征和优点。

图1描述的是本发明可以操作的无线网络环境；

图2是对依照常规信号强度估算技术的示范场所的楼层平面图进行描述的示意图；

图3是对示范场所的楼层平面图进行描述的示意图，在所述场所中，本发明可以为任意位置的接入点估算信号强度。

图4是结合了本发明的特征的示范性信号强度服务器的示意框图；以及

图5是对图4中的信号强度建模处理的示范性实施方式进行描述的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种全新的非参数建模技术，该技术可以在没有将实际接入点放在预期位置并获取量度的情况下为处于场所中的随机位置的接入点构造信号强度模型。本发明以一种新颖的方式而从几个固定接入点那里获取采样量度，从而为处于随机位置的接入点计算信号覆盖模型。所公开的信号强度模型自动考虑到了场所的信号强度传播特性，此外还提供了一种有效的部署方法。

图1描述的是一个可以使用本发明的常规无线网络环境100。如图1所示，无线网络环境100包括无线设备101以及接入点102-1到102-L。无线设备101使用接入点102而与服务器之类的处于无线网络100外部的其他设备交换数据块或分组。为了与另一个设备进行通信，在任何指定时间，无线设备101都与接入点102中的一个相关联。

实际接入点位置的信号强度估算

如先前所述，在2004年2月11日提交的名为“Estimating theLocation of Inexpensive Wireless Terminals by using Signal StrengthMeasurements”的美国专利申请10/776,058中公开了一种根据已有接入点在一些采样点的实际信号强度量度来为该接入点构造信号强度模型的建模技术。

通常，所公开的信号强度建模技术使用来自场所中的多个采样点p₁，...，p_n的接入点的接收信号强度采样。图2是一个描述示范性场所200的楼层平面图的示意图。如图2所示，对接入点250的固定位置而言，接入点的信号强度是在n个采样位置210-1到210-8中的各个采样点测得的(在图2所示的示范性实施例中，n为8)。接收信号强度是通过使用取样器(Sniffer)记录来自接入点250的接收分组(例如信标)信号强度或是通过特别探测接入点250而让接入点250发射分组来进行评估的。通常，采样点是均匀遍布在场所200中的。

然后，作为选择，通过使用广义加法模型，可以对所获取的信号强度量度进行平滑处理，其中举例来说，在T.hastie和R.Tibshirani发表于Chapman and Hall(1990)的“Generalized Additive Models”中对这个模型进行了描述。然后，通过使用例如阿基玛仿样内插而对经过平滑的信号强度值进行内插，其中举例来说，在由H.Akima发表于ACM Transactions on Mathematical Software第22卷第3号362-71(1996年9月)的“Algorithm 761：Scattered-Data Surface Fitting thathas the Accuracy of Cubic Polynomial”；由H.Akima发表于ACMTransactions on Mathematical Software第22卷第3号357-61(1996年9月)的“Algorithm 760：Rectangular-Grid-Data Surface Fittingthat has the Accuracy of Bicubic Polynomial”；以及由H.Akima发表于Journal of the ACM第17卷第4号589-602(1970年10月)的“ANew Method of Interpolation and Smooth Curve Fitting Based onLocal Procedures”中都对这种仿样内插进行了描述。通常，阿基玛仿样内插执行的是一个双变量内插，并且是一个局部的、基于三角关系的技术，它具有很多理想属性，其中包括局部的不连续可容度。

假设用A表示所关注的区域，用S表示所有可能的信号强度值集合。上述过程使用在点P＝{p₁，...，p_n}A所采样的信号强度量度来为处于位置q∈A的接入点构造模型。假设Q＝{(s₁，p₁)，...(s_n，p_n)}，其中s_i是在点p_i测得的信号强度，1≤i≤n。基于内插的方法将会产生一个函数(模型)E_q ^Q:A→S，该函数将所关注区域中的各个点映射成借助于平滑和内插操作而从输入量度Q中获取的信号强度值。这里使用的符号E_q ^Q表示模型，其中q表示接入点位置，在上下文中，q和X合在一起描述的是用作输出的量度集合。例如，在上述情况中，E_q ^P表示模型。

然后，依照本发明，该模型可用于在场所楼层中的任何一点预测来自接入点的估算信号强度。

为任意位置的接入点估算信号强度

如果接入点的信号强度的实际采样可用，那么上述技术将为接入点提供一个信号强度模型。由于处于点p₁，...，p_n的采样信号强度量度与来自特定位置250的接入点的信号强度是对应的，因此它们只能用于为处于这个位置的接入点计算模型。

本发明提供的是一种在不具有关于接入点的实际量度的情况下生成模型的技术。换句话说，本发明是在没有将实际接入点放在预期位置并执行测量的情况下为随机位置的接入点生成模型。

依照本发明的一个方面，信号强度模型是通过在特定位置放置接入点(收发信机)并收集这些接入点的信号强度采样而生成的。然后，使用以上概述的用于为已知位置的接入点估算信号强度的方法，使用这些采样来为这些接入点中的每个接入点构建信号强度模型。随后可以共同使用用于这些接入点的模型来为另一个可能位置的假设接入点构造模型。

图3是描述示范性场所300的楼层平面图的示意图。如图3所示，信号强度是通过在特定位置310-1到310-8放置接入点来测量的(在图3所示的示范性实施例中，n为8)。并且本发明提供的是一种为可能的接入点位置350估算信号强度模型的技术。

假设采样位置P＝{p₁，...，P_n}处于上述场所300的楼层，并且在所有这些位置全都放置了接入点。此外，在每个位置p_i都对来自所有这n个接入点的信号强度量度进行采样和收集，其中1≤i≤n。这样则可以获取一个n×n的信号强度矩阵M，其中M(i，j)规定在位置p_i测得的来自处于位置p_j的接入点的信号强度。在先前段落中描述了一种通过使用矩阵M的列M(·，j)来为处于位置p_j的接入点构建信号传播模型E_pj ^P的方法。该模型提供了点r的估算信号强度E_pj ^P(r)。由于该模型是用实际信号强度采样构建的，因此它自动顾及了场所的建筑特性。

通过使用互易原理，可以对处于某个位置的假设接入点的信号强度模型进行估算。设想两个收发信机，这两个收发信机分别处于r₁和r₂，并且在排除了任何天线增益的情况下用相同功率进行发射。在任何指定时刻，与处于r₂充当接收机的收发信机所测得的来自充当发射机的收发信机r₁的信号强度相比，在使用处于r₁充当接收机的收发信机以及处于r₂充当发射机的收发信机的情况下，在点r₁测得的信号强度在两种情况下是相等的。在实践中，这两个测量并不是同时进行的，并且随时间所产生的信号变化意味着量度互易性是近似而不是准确的。这样一来，由于测得的信号强度具有预期的近似互易性，因此矩阵M应该是大致对称的，即M(i，j)≈M(j，i)。

考虑用于为处于点q的假设(“测试”)接入点350(图3)获取信号强度模型的处理。同样应该注意的是，实际上，在点q并不存在接入点，但是如果要将接入点放在点q，则需要得到信号强度传播模型。从以上论述中可知，如果在各个采样点获取来自点q的测量信号强度，则可以为处于点q的接入点构造信号强度模型。

在这里可以利用(leverage)实际接入点的信号强度模型和互易原理，以便通过使用E_pj ^P(q)(j≤n)来估算那些在各个采样点测得的来自处于点q的接入点的信号强度。由此可以在采样点p₁，...，p_n为来自点q的接入点提供n个信号强度估算值，这些估算值将会作为输入{(E_p1 ^P(q)，p₁)，...，(E_pn ^P(q)，p_n)而被用于上文概述的用于已知位置的基于内插的技术。由此可以为处于点q的接入点获取合成模型，其中该模型用E_q ^S表示。

在本发明的一个变体中，通过修改上述技术，可以不再使用互易原理。一般来说，在这里首先通过使用矩阵M的行M(j，·)(而不是列)来构建模型。非常直观的是，这些模型取得了在固定测量信号强度的位置的同时移动接入点的效果。然后，与先前一样，在这里可以共同使用这些模型来为处于某个位置的假设接入点构造模型，对本领域普通技术人员来说，依照所公开的内容，上述处理将是显而易见的。作为选择，在这里可以引入一个将原始测量矩阵M转换成对称矩阵M′的预处理步骤，其中举例来说，所述步骤是通过指定M′(i，j)＝M′(j，i)＝f(M(i，j)＝M(j，i))，其中f是一个函数，例如均值或最小函数。

图4是结合了本发明的特征的示范性信号强度服务器400的示意框图。信号强度服务器400可以是任何计算设备，例如个人计算机、工作站或服务器。如图4所示，除了其他常规部件(未显示)之外，示范性的信号强度服务器400还包括处理器410和存储器420。处理器410与存储器420协同操作，以便执行一个或多个软件程序。这些程序可以保存在存储器420或是另一个可以由信号强度服务器400访问的存储设备中，并且可以由处理器410以常规方式来加以执行。

例如，存储器420可以保存一个信号强度量度数据库430，其中包括例如n个采样点p₁，...，p_n的测量信号强度的n×n矩阵M。此外，存储器420还可以保存以下结合图5所论述的信号强度建模处理500。一般来说，信号强度建模处理500对在n个采样点获取的信号强度量度进行处理，并且对在任意点q收集的输入进行合成，从而为任意点q构造信号强度模型。

图5是对信号强度建模处理500的示范性实施方式进行描述的流程图。如图5所示，在步骤510，信号强度建模处理500首先选择处于场所中的n个采样点p₁，...，p_n。其后，对n个采样点p₁，...，p_n中的各个采样点而言，在步骤520中，通过在各个采样点p₁，...，p_n放置一个接入点来构造一个信号强度模型。

对任意位置q而言，在步骤530中，从处于所有采样点p₁，...，p_n的接入点那里计算在所述任意位置接收的信号强度。作为选择，在步骤540中可以应用互易原理，以便在所有采样点p₁，...，p_n获取与接入点相对应的n个信号强度量度。最后，在步骤550中，将会应用上文所述的用于固定位置的模型算法来获取处于任意位置q的接入点的信号强度模型。

要想了解与生成信号强度模型的恰当技术有关的详细论述，可以参见2004年2月11日提交的名为“Estimating the Location ofInexpensive Wireless Terminals by Using Signal StrengthMeasurements”的美国专利申请10/776,058，所述申请在此引入作为参考。如下所示，一般来说，在步骤550中，通过使用步骤540中合成的信号强度量度，可以为处于任意位置q的接入点产生信号强度模型：

使用例如广义加法模型(GAM)而将合成的信号强度量度平滑到一个集合中；

将楼层300分为已知大小的方形网格；以及

在两个维度上内插该集合(例如阿基玛仿样内插)，从而形成一个标量阵列，由此估算各个方形网格中心的接收信号强度(也就是处于任意位置q的接入点的信号强度模型)。

示范性的部署方法

本发明可以使用电池供电的设备来进行部署，其中所述设备具有很小的形状因素并且采用无线方式来发射和接收分组，以及为恰当的无线技术方法测量接收信号强度。这种设备称为无线辅助接收/发送站(WARTS)。在概念上，WARTS设备既可以发送分组流，也可以接收来自其他无线设备的分组，尤其是来自其他WARTS设备的分组，此外还可以记录接收分组的信号强度。并且还可以将取样器/信号强度测量设备用于位置估算、监视以及无线安全性方面，其中举例来说，在S.Ganu等人发表于Proc.Of IEEE Conference on WirelessCommunications and Networking Conference 2004，Atlanta，GA(2004)的“Infrastructure-Based Location Estimation in WLANNetworks”中对这些设备进行了描述。

WARTS设备可以附加到场所中的适当位置并且由管理员加电。WARTS设备可以使用恰当的协议(例如使用标准的自组织联网原理)而自动收集所有必要数据，尤其是上述矩阵M中的数据。然后，收集到的数据可以脱机使用。此外还可以扩展所述技术，以便估算如上给出的基础信号之外的特性。其中举例来说，下列估算都是可行的：(i)几个不同接入点发射功率的量度；(ii)观测到的数据速率；以及(iii)不同无线技术量度，例如802.11a/b/g。

制品和系统描述

正如本领域已知的那样，这里论述的方法和设备可以作为制品散发，其中制品自身包含了计算机可读介质，并且在所述介质上包含了计算机可读代码装置。计算机可读程序代码装置可以结合计算机系统来进行操作，以便实施用于执行或创建这里论述的设备的所有或某些步骤。计算机可读介质可以是一种可记录介质(例如软盘、硬盘驱动器、光盘或存储卡)，也可以是一种传输介质(例如包含光纤的网络、万维网、电缆、或是使用时分多址、码分多址的无线信道或其他射频信道)。并且任何那些已知或者已开发的能够保存适合与计算机系统结合使用的信息的介质都是可以使用的。计算机可读代码装置是允许计算机读取指令和数据的任何机制，例如磁介质上的磁性变化或是光盘表面的高度变化。

这里描述的计算机系统和服务器都包括存储器，该存储器对相关联的处理器进行配置，以便实施这里公开的方法、步骤和功能。存储器可以是分散的，也可以处于本地，并且处理器也可以分散或单一的。此外，存储器可以用电、磁或光存储器来实现，但也可以是这些或其他类型存储设备的任何组合。另外，在这里应该在足够宽的范围中解释术语“存储器”，使之包含任何那些能够从相关处理器可以寻址的空间中的地址读取信息或是将信息写入其中。借助于这种定义，网络信息将仍旧处于存储器中，因为相关存储器可以从网络中检索该信息。

应该理解的是，这里显示和描述的实施例及变体只是为了对本发明的原理进行说明，本领域技术人员是可以在不脱离本发明的范围和实质的情况下进行多种修改的。

Claims (10)

1.一种用于为处于场所中的任意位置q的接入点获取信号强度模型的方法，包括：

为n个采样点中的每个采样点获取信号强度量度；

从所述采样点中的每个采样点计算在所述任意位置q接收的信号强度；

获取来自所述任意位置并且与在采样点接收的信号相对应的信号强度估算值；以及

为处于所述任意位置q的接入点确定信号强度模型。

2.权利要求1的方法，其中所述确定信号强度模型的步骤还包括以下步骤：

将所获取的信号强度量度平滑到一个集合中；

将所述场所划分成已知大小的方形网格；以及

在两个维度上内插所述集合，从而形成一个标量阵列，以估算每个方形网格中心的所述接收信号强度。

3.权利要求1的方法，其中所述收集步骤还包括将收发信机放置在所述采样点中的每个采样点的步骤。

4.权利要求1的方法，其中所述从所述采样点中的每个所述采样点计算在所述任意位置q接收的信号强度的步骤应用互易原理。

5.权利要求1的方法，其中对所述场所进行评估以便部署包含所述接入点的无线网络。

6.一种用于为处于场所中的任意位置q的接入点获取信号强度模型的设备，包括：

存储器；以及

至少一个与存储器相耦合的处理器，该处理器可以用于：

为n个采样点中的每个采样点获取信号强度量度；

从所述采样点中的每个采样点计算在所述任意位置q接收的信号强度；

获取来自所述任意位置并且与在采样点接收的信号相对应的信号强度估算值；以及

为处于所述任意位置q的接入点确定信号强度模型。

7.权利要求6的设备，其中所述处理器还被配置成：

将所获取的信号强度量度平滑到一个集合中；

将所述场所划分成已知大小的方形网格；以及

在两个维度上内插所述集合，从而形成一个标量阵列，以估算每个方形网格中心的所述接收信号强度。

8.一种用于为处于场所中的任意位置q的接入点获取信号强度模型的方法，包括：

为n个采样点中的每个采样点获取信号强度量度；

对每个采样点而言，在将所述接入点放置在任意位置q时，为在所述采样点接收的信号强度生成一个模型；

在将所述接入点放置在所述任意位置q时，对在所述n个采样点接收的信号强度进行计算；以及

为处于所述任意位置q的所述接入点确定所述信号强度模型。

9.权利要求8的方法，其中所述确定信号强度模型的步骤还包括以下步骤：

将所获取的信号强度量度平滑到一个集合中；

将所述场所划分成已知大小的方形网格；以及

在两个维度上内插所述集合，从而形成一个标量阵列，以估算每个方形网格中心的所述接收信号强度。

10.权利要求8的方法，其中所述采样点具有固定的位置。

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