DE202005021259U1

DE202005021259U1 - Lokalisierung von drahtlosen Knoten unter Verwendung einer Metrik zur Gewichtung der Signalstärken

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Publication number: DE202005021259U1
Application number: DE200520021259
Authority: DE
Original assignee: Airespace Inc
Current assignee: Airespace Inc
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2015-03-01

Abstract

Vorrichtung zum Erleichtern der Lokalisierung eines drahtlosen Knotens in einer Funkfrequenzumgebung, mit
einer Vielzahl von Funkempfängern mit wenigstens einer Antenne, wobei die Vielzahl von Funkempfängern dahingehend betriebsfähig ist, dass sie die Stärke von Signalen erkennt, die von drahtlosen Knoten übertragen werden, und die erkannten Signalstärken einem Modell zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten bereitstellt; wobei eine Funkfrequenz-Versorgungskarte, die jedem Funkempfänger entspricht, die Signalstärkenwerte für Positionen in einem physischen Gebiet charakterisiert, und
einem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten, das dahingehend betriebsfähig ist, dass es die geschätzte Position des drahtlosen Knotens auf der Grundlage der gesammelten Signalstärkenwerte und der Funkfrequenz-Versorgungskarten berechnet, die der Vielzahl von Funkempfängern entsprechen, wobei der Beitrag jedes erkannten Signalstärkenwerts zu der geschätzten Position gemäß einer Gewichtungsfunktion gewichtet wird, die sich mit den von den Funkempfängern erkannten Signalstärkenwerten ändert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Mechanismus zum Schätzen der Position von drahtlosen Knoten in Funkfrequenzumgebungen und insbesondere eine Metrik zur Gewichtung der Signalstärken, die auf die Verbesserung der Genauigkeit von Mechanismen zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten gerichtet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Marktakzeptanz der drahtlosen LAN-Technologie (WLAN) ist explosionsartig angestiegen, weil Benutzer aus einer Vielzahl von Hintergründen und vertikalen Branchen diese Technologie mit nach Hause, in die Büros und in zunehmendem Maße auch in die Öffentlichkeit gebracht haben. Dieser Wendepunkt hat nicht nur die Einschränkungen der Systeme früherer Generationen aufgezeigt, sondern auch die sich ändernde Rolle, welche die WLAN-Technologie heutzutage bei der Arbeit und der Lebensführung der Menschen überall auf der Welt spielt. Tatsächlich wandeln sich WLANs schnell von Komfort-Netzwerken hin zu geschäftskritischen Netzwerken. In zunehmendem Maße sind die Benutzer von WLANs abhängig, um ihre Kommunikation und Anwendungen termingerechter und produktiver zu machen, und fordern dabei mehr Sichtbarkeit, Sicherheit, Verwaltung und Leistung von ihrem Netzwerk.
Die schnelle Ausbreitung von leichten, tragbaren Computer-Vorrichtungen und Hochgeschwindigkeits-WLANs ermöglicht es den Benutzern, die Verbindung zu verschiedenen Netzwerk-Ressourcen aufrecht zu erhalten, während sie in einem Gebäude oder einer anderen Örtlichkeit unterwegs sind. Die Mobilität, die durch die WLANs möglich geworden ist, hat ein großes Interesse an Anwendungen und Dienstleistungen geweckt, die von der physischen Position eines mobilen Benutzers abhängen. Beispiele für solche Anwendungen umfassen: Drucken eines Dokuments auf dem nächstgelegenen Drucker, Lokalisieren eines mobilen Anwenders oder eines Rogue Access Points (unberechtigten Zugriffspunkt), Anzeigen einer Karte der unmittelbaren Umgebung und Leiten eines Benutzers innerhalb eines Gebäudes. Die erforderliche oder gewünschte Detailgenauigkeit der Positionsinformationen variiert von einer Anwendung zur nächsten. Tatsächlich ist es aufgrund der Genauigkeit, die eine Anwendung benötigt, die den nächstgelegenen Netzwerkdrucker auswählt oder einen Rogue Access Point findet, oft erforderlich, feststellen zu können, in welchem Raum sich ein drahtloser Knoten befindet. Demgemäß wurden große Anstrengungen unternommen, um die Genauigkeit der Mechanismen zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten zu verbessern.
Die Verwendung von Funksignalen zum Schätzen der Position einer drahtlosen Vorrichtung bzw. eines drahtlosen Knotens ist bekannt. So erhält beispielsweise ein GPS-Empfänger (Global Positioning System) Positionsinformationen durch Triangulieren seiner Position im Verhältnis zu vier Satelliten, die Funksignale übertragen. Der GPS-Empfänger schätzt den Abstand zwischen den einzelnen Satelliten auf der Grundlage der Zeit, welche die Funksignale benötigen, um von dem Satelliten bis zu dem Empfänger zu gelangen. Die Signallaufzeit durch Bestimmen der Zeitverschiebung beurteilt, die zum Synchronisieren des von dem Satelliten übertragenen Pseudozufallssignals und des an dem GPS-Empfänger empfangenen Signals erforderlich ist. Obwohl für eine Triangulation nur Entfernungsmessungen von drei Punkten aus erforderlich sind, wird zur Fehlerkorrektur eine zusätzliche Entfernungsmessung von einem vierten Satelliten aus verwendet.
Der Abstand zwischen einem drahtlosen Sender und einem Empfänger kann auch auf der Grundlage der Stärke des empfangenen Signals, oder noch genauer, der beobachteten Dämpfung des Funksignals, geschätzt werden. Die Signaldämpfung ist die Abschwächung eines Signals auf seinem Weg aufgrund verschiedener Faktoren wie Gelände, Hindernisse und Umweltbedingungen. Allgemein gesagt schwächt sich die Größe oder Leistung eines Funksignals auf seinem Weg von seiner Quelle weg ab. Die Dämpfung, der eine elektromagnetische Welle auf dem Weg zwischen einem Sender und einem Empfänger unterliegt, wird als Streckendämpfung bezeichnet. Die Streckendämpfung kann durch viele Effekte wie Freiraumdämpfung, Brechung, Reflexion und Absorption verursacht werden.
In geschäftlichen Unternehmensumgebungen basieren die meisten Positionsverfolgungssysteme auf der Funkfrequenz-Triangulation oder auf Funkfrequenz-Fingerprinting-Techniken. Bei der Funkfrequenz-Triangulation wird die Position eines mobilen Benutzers auf der Grundlage der erkannten Signalstärke naher Access Points (APs) berechnet. Dabei wird natürlicherweise davon ausgegangen, dass die Signalstärke ein Faktor für die Nähe ist, was meistens auch zutrifft. Das in Funkfrequenz-Umgebungen innerhalb von Gebäuden anzutreffende Phänomen der Mehrwegübertragung stellt jedoch gewisse Schwierigkeiten bei der Lokalisierung von drahtlosen Knoten dar, da Reflexion und Absorption von Funkfrequenzsignalen die Korrelation zwischen Signalstärke und Nähe beeinträchtigen. Beim Funkfrequenz-Fingerprinting wird die Sicht einer mobilen Station auf die Netzwerk-Infrastruktur (das heißt die Stärke von Signalen, die von den Access Points der Infrastruktur übertragen werden) mit einer Datenbank verglichen, die ein physisches Funkfrequenzmodell des Versorgungsbereichs enthält. Diese Datenbank wird in der Regel entweder durch eine umfassende Standort-Vermessung oder ein Funkfrequenz-Vorhersagemodell des Versorgungsbereichs gefüllt. Ein Beispiel findet sich in Bahl et al., "A Software System for Locating Mobile Users: Design, Evaluation, and Lessons" (Ein Software-System zur Ortung mobiler Benutzer: Konzeption, Auswertung und Übungen), unter http://research.microsoft.com/~bahl/Papers/Pdf/radar.pdf ist ein Funkfrequenz-Lokalisierungssystem (das RADAR-System) in einer WLAN-Umgebung beschrieben, das es einer mobilen Station erlaubt, ihre eigene Position relativ zu Access Points in einer WLAN-Umgebung zu verfolgen.
Das RADAR-System basiert auf der sogenannten Radio Map (Feldstärkekarte), wobei es sich um eine Datenbank handelt, die Positionen in einem Gebäude sowie die Signalstärke der Beacon-Pakete enthält, die von den Access Points ausgeht, wie an diesen Positionen beobachtet bzw. geschätzt. Ein Eintrag in die Radio Map könnte beispielsweise (x, y, z, ss_i (i = 1..n)) lauten, wobei (x, y, z) die physischen Koordinaten der Position sind, an der das Signal aufgezeichnet wurde, und ss_i die Signalstärke des Beacon-Signals, das von dem i-ten Access Point ausgeht. Nach Bahl et al. können Radio Maps empirisch auf der Grundlage von heuristischen Auswertungen der von den Infrastruktur-Funkvorrichtungen an verschiedenen Positionen übertragenen Signale erstellt werden, oder mathematisch unter Verwendung eines mathematischen Modells der Ausbreitung von Funksignalen innerhalb von Gebäuden. Um die Position des mobilen Benutzers in Echtzeit zu orten, misst die mobile Station die Signalstärke jedes Access Points innerhalb des Bereichs. Dann durchsucht es eine Radio Map-Datenbank nach den erkannten Signalstärken, um die Position mit der besten Übereinstimmung zu finden. Bahl et al. beschreiben auch die Bildung von Mittelwerten der erkannten Signalstärken-Messwerte und die Verwendung eines auf Verlaufsdaten basierenden Verfolgungs-Algorithmus, um die Genauigkeit der Positionsschätzung zu verbessern. Bahl et al. wirken auch Schwankungen in der Funkfrequenz-Signalausbreitung entgegen, indem sie mehrere Radio Maps verwenden und diejenige Radio Map auswählen, welche die aktuelle Funkfrequenzumgebung am besten widerspiegelt. Insbesondere erkennt ein Access Point Beacon-Pakete von anderen Access Points und konsultiert eine Radio Map, um deren Position zu finden, und wertet die geschätzte Position anhand der bekannten Position aus. Das RADAR-System wählt die Radio Map, welche die aktuelle Funkfrequenzumgebung am besten charakterisiert, auf der Grundlage eines Mittelwerts der Empfangssignalstärken nach dem Schiebefensterverfahren (Sliding Window-Verfahren) aus.
Während das RADAR-System zwar für seinen beabsichtigten Zweck funktioniert, sinkt selbst in diesem System die Positionsgenauigkeit mit dem Fehler bei der Erkennung der Stärke von Funkfrequenzsignalen. Mit abnehmender Signalstärke sinkt beispielsweise die Genauigkeit der Signalstärkenerkennung zwischen einem Funksender und einem Funkempfänger, dessen Signalstärkenmessungen zur Positionsschätzung verwendet werden, und damit die Genauigkeit bei der Lokalisierung von drahtlosen Knoten. Wie oben bereits erörtert wurde, schätzen das RADAR-System und andere Funkfrequenz-Fingerprinting-Systeme die Position eines drahtlosen Knotens, indem sie die beste Übereinstimmung in den Radio Maps finden, wobei die mit den verschiedenen Access Points verbundenen Signalstärkenmessungen gleich behandelt werden. Wie weiter unten erörtert wird, kann der durch Fehler bei der Signalstärkenerkennung einfließende Fehler große Fehlerbeträge bei der Berechnung der Position eines drahtlosen Knotens bewirken, insbesondere dort, wo das erkannte Signal am Funkempfänger schwach ist. Noch ferner erlaubt es das RADAR-System einer mobilen Station zwar, ihre eigene Position zu verfolgen, jedoch offenbart es kein System, das es der WLAN-Infrastruktur erlaubt, die Position von drahtlosen Knoten, wie beispielsweise Rogue Access Points, zu verfolgen. Ein solches System ist wünschenswert, weil dadurch die Notwendigkeit entfiele, eine spezielle Client-Software auf den mobilen Stationen zu installieren.
Darüber hinaus können individuelle Unterschiede in der Art und Weise, wie zwei verschiedene drahtlose Knoten Signalstärken erkennen und melden, Fehler bei der Lokalisierung bewirken, da die Radio Maps nicht von Fehlern in solchen Messungen ausgehen. Demgemäß berechnen zwei an derselben Position befindliche drahtlose Knoten, die unterschiedliche Signalstärken erkennen, unterschiedliche geschätzte Positionen. Noch ferner erlaubt es das RADAR-System einer mobilen Station zwar, ihre eigene Position zu verfolgen, jedoch offenbart es kein System, das es der WLAN-Infrastruktur erlaubt, die Position von drahtlosen Knoten, wie beispielsweise Rogue Access Points, zu verfolgen. Ein solches System ist wünschenswert, weil dadurch die Notwendigkeit entfiele, eine spezielle Client-Software auf den mobilen Stationen zu installieren.
Dieser Paradigmenwechsel bringt allerdings gewisse Probleme mit sich. Wie bereits weiter oben erörtert, werden die Radio Maps in dem RADAR-System ausgehend von dem Standpunkt eines drahtlosen Knotens in einer Funkfrequenzumgebung aufgebaut, die Access Points an bekannten Positionen umfasst. Mit anderen Worten werden die Radio Maps auf der Grundlage von heuristischen und/oder mathematischen Auswertungen der Ausbreitung von Signalen von den Access Points zu einem drahtlosen Knoten an einer bestimmten Position aufgebaut. Demgemäß braucht das RADAR-System keine Symmetrie bei der Streckendämpfung zwischen einer bestimmten Position und den Access Points in dem RADAR-System anzunehmen, da die mobile Station die Signalstärke der Access Points erkennt und ihre eigene Position berechnet. Da außerdem die Lokalisierung eines drahtlosen Knotens auf der Streckendämpfung basiert, muss auch die Sendeleistung der zur Positionsbestimmung verwendeten Funksender bekannt sein. In dem RADAR-System ist dies nicht problematisch, da die zur Positionsbestimmung verwendeten Signale von Access Points übertragen werden, deren Sendeleistung gesteuert oder auf einfache Weise bestimmt werden kann. Das Schätzen der Position auf der Grundlage von Signalen, die von einem drahtlosen Knoten übermittelt werden, kann jedoch problematisch sein, weil die Sendeleistung unter den Herstellern von drahtlosen Vorrichtungen schwanken kann und/oder von dem mobilen Benutzer individuell konfiguriert werden kann.
Ein Lösungsansatz besteht darin, Symmetrie bei der Streckendämpfung zwischen einer bestimmten Position in einer Funkfrequenzumgebung und den Funkempfängern anzunehmen, die zum Erkennen der von den drahtlosen Knoten übertragenen Signale verwendet werden. Des Weiteren wird bei diesen Ansätzen auch eine gleichmäßige Sendeleistung für die drahtlosen Knoten angenommen, unter Berücksichti gung der Tatsache, dass gesetzliche Bestimmungen sowie die aktuelle Chipsatz-Technologie im Allgemeinen eine Obergrenze für die Sendeleistung definieren. Diese beiden Annahmen können jedoch beträchtliche Auswirkungen auf die Genauigkeit bei der Lokalisierung eines drahtlosen Knotens haben. Wie bereits weiter oben erörtert, findet das RADAR-System beispielsweise die Positionskoordinaten in der Radio Map, welche die beste Übereinstimmung auf der Grundlage der erkannten Signalstärken darstellen. Dies bedeutet, dass die Lokalisierungsmetrik für jeden Punkt in der Radio Map den euklidischen Abstand zwischen den erkannten Signalstärkewerten und den Werten in der Radio Map berechnet.
Die folgende Gleichung stellt ein veranschaulichendes Beispiel bereit, für didaktische Zwecke soll angenommen werden, dass ein bestimmter drahtloser Knoten von drei Access Points erkannt wird. Die Signalstärken-Messwerte sind RSSIap1, RSSIap2 und RSSIap3, während die Funkfrequenz-Versorgungskarten für jeden der Access Points als MAPap1, MAPap2, MAPap3 bezeichnet werden, wobei die Versorgungskarten Access Point-Signalstärkenwerte enthalten, die für verschiedene Positionen in einem definierten Gebiet erkannt oder berechnet wurden. Des Weiteren soll angenommen werden, dass alle Versorgungskarten Werte an allen Positionen innerhalb des Suchgebiets aufweisen. Wenn wiederum Symmetrie bei der Streckendämpfung und eine gleichförmige Sendeleistung angenommen werden, können einzelne Fehlerflächen für jeden Access Point auf der Grundlage der an dem jeweiligen Access Point (RSSIap1, usw.) erkannten Signalstärken und den Signalstärkenwerten in den einzelnen Versorgungskarten (beispielsweise MAPap1, usw.) erzeugt werden. Dies bedeutet, dass die Fehlerfläche gleich der Differenz zwischen der beobachteten Signalstärke an einem bestimmten Access Point minus der Signalstärkenwerte in der Versorgungskarte ist. Die Positionen in dieser Versorgungskarte, an denen die Differenz null ist, sind im Allgemeinen die wahrscheinlichen oder geschätzten Positionen relativ zu jedem Funkempfänger. In vielen Situationen jedoch stimmen die gemessenen Signalstärken RSSIap1, RSSIap2 und RSSIap3 nicht mit den in den Versorgungskarten MAPap1, MAPap2, MAPap3 für eine beliebige Position aufgezeichneten Signalstärken überein. In diesem Fall ist es wünschenswert, die Position zu finden, die "am dichtesten" mit RSSIap1, RSSIap2 und RSSIap3 übereinstimmt, mit anderen Worten die Position, die eine Funktion von MAPap1, MAPap2, MAPap3, RSSIap1, RSSIap2 und RSSIap3 minimiert. Bahl et al., wie vorgenannt, beschreiben mehrere Verfahren, mit denen diese Funktion erzeugt wird, einschließlich minimaler mittlerer quadratischer Fehler, minimaler Abstand und minimale Manhattan-Distanz.
Ferner kann eine Gesamtfehlerfläche ErrSurf auf der Grundlage der Summe der Quadrate (um positive und negative Differenzen zu neutralisieren) der einzelnen Fehlerflächen (das heißt die Differenz zwischen den erkannten Signalstärkenwerten und den Signalstärkenwerten in den einzelnen Versorgungskarten), wie folgt berechnet werden:
ErrSurf = [(RSSIap1 – MAPap1)² + (RSSIap2 – MAPap2)² + (RSSIap3 – MAPap3)²]/3. In einer Implementierung wird die geschätzte Position des drahtlosen Knotens von dem Minimum bzw. Minimum dieser Gesamtfehlerfläche abgeleitet.
Allerdings wird die Genauigkeit dieser Metrik durch eine Änderung der Sendeleistung des drahtlosen Knotens (oder in dem RADAR-System, durch Ungenauigkeiten beim Erkennen der Signalstärke durch die drahtlosen Knoten) beeinträchtigt. So würde eine Differenz von N dB zwischen der tatsächlichen und der angenommenen Sendeleistung eines drahtlosen Knotens eine Änderung von N dB bei den erkannten Signalstärken bewirken. Statt einer Verschiebung der einzelnen Signalstärkendifferenzen für jeden Punkt in den einzelnen Fehlerflächen einfach nur um einen festen Betrag nach oben kann eine recht drastische Änderung der einzelnen Differenzen zwischen den erkannten Signalstärken und den Signalstärkenwerten in der Fehlerfläche auftreten. Tatsächlich wird jeder Punkt in den einzelnen Fehlerflächen um einen Betrag verschoben, der proportional zum dB-Fehler ist. Durch diesen Umstand werden einige Bereiche der Gesamtfehlerfläche relativ zu anderen nach oben verschoben und einige Bereiche der Gesamtfehlerfläche relativ zu anderen nach unten verschoben, was die Form der Fehlerfläche sowie die Position, Form und Größe ihrer Minima wesentlich verändert. Bei Änderungen der Sendeleistung erzeugt dies außerdem unvorhersehbare Fehler. Ähnliche Probleme treten bei einem festen Fehler in der "Symmetrie der Verbindung bzw. der Streckendämpfung" auf, wobei die Streckendämpfung von Access Point zu drahtlosem Knoten von der Streckendämpfung von drahtlosem Knoten zu Access Point um einen festen Betrag abweicht, der von Ausbreitungscharakteristika, Standpunkt und dergleichen verursacht wird. Zusätzlich weisen Quellen für Funkfrequenz-Interferenzen üblicherweise unbekannte Sendeleistungen auf und überlagern das Frequenzband, in dem drahtlose Knoten betrieben werden, möglicherweise nur zum Teil. Das Schätzen der Position dieser Interferenzquellen erfordert ein Verfahren, das nicht gänzlich von dem absoluten erkannten Signalstärkenwert abhängt.
Unter Berücksichtigung der vorgenannten Aspekte besteht beim Stand der Technik Bedarf an einem Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten, der die Fehler bei der Berechnung der Position eines drahtlosen Knotens verringert, die aufgrund von Fehlern bei der Signalstärkenerkennung auftreten. Es besteht außerdem beim Stand der Technik Bedarf an einem Mechanismus zur Lokalisierung eines drahtlosen Knotens, der die Fehler bei der Berechnung der Position eines drahtlosen Knotens verringert, die aufgrund von allgemein auftretenden Umständen auftreten, wie beispielsweise durch Schwankungen der Sendeleistung der drahtlosen Knoten, Fehler bei der Signalstärkenerkennung und/oder richtungsabhängige Streckendämpfung. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erfüllen diesen Bedarf im Wesentlichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Vorrichtungen und Systeme bereit, die auf einen Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten gerichtet sind, der eine Metrik zur Gewichtung der Signalstärken verwendet, um die Genauigkeit beim Schätzen der Position eines drahtlosen Knotens auf der Grundlage von Signalen zu erhöhen, die unter einer Vielzahl von Funk-Transceivern erkannt wurden. In bestimmten Implementierungen beinhaltet der Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten ferner eine Differenzialmetrik für die Signalstärke, um die durch Schwankungen der Sendeleistung der drahtlosen Knoten, Fehler bei der Signalstärkenerkennung und/oder richtungsabhängige Streckendämpfung verursachten Fehler zu verringern. Im Gegensatz zur Verwendung der absoluten Signalstärke oder Leistung eines von einem drahtlosen Knoten übertragenen Funkfrequenzsignals vergleichen die Implementierungen der vorliegenden Erfindung die Differenzen zwischen Signalstärkenwerten, die an verschiedenen Paaren von Funkempfängern erkannt wurden, mit entsprechenden Differenzen, die in einem Modell der Funkfrequenzumgebung beschrieben sind. Bei einer Implementierung der Erfindung wird zwischen allen Paaren von Funkfrequenzempfängern nach den Positionen im Modell gesucht, deren Signalstärke um einen beobachteten Betrag abweicht. Wie weiter unten ausführlicher dargelegt wird, kann der Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten in drahtlose Netzwerkumgebungen integriert werden, wie beispielsweise in Netzwerke gemäß 802.11, um die Position von mobilen Stationen, Rogue Access Points und anderen drahtlosen Knoten zu schätzen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schemadiagramm, das einen Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten gemäß einer Implementierung der vorliegenden Erfindung umfasst.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf des Gesamtprozesses veranschaulicht, der auf die Lokalisierung eines drahtlosen Knotens gemäß einer Implementierung der vorliegenden Erfindung gerichtet ist.
3 ist ein funktionelles Blockdiagramm, das ein drahtloses Netzwerksystem gemäß einer Implementierung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein a funktionelles Blockdiagramm, das die Funktionalität der Lokalisierung von drahtlosen Knoten eines zentralen Steuerelements in dem drahtlosen Netzwerksystem von 3 zeigt.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das den auf das Schätzen der Position eines drahtlosen Knotens gerichteten Gesamtprozessablauf veranschaulicht, der eine gewichtete Differenzialmetrik für die Signalstärke beinhaltet.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS BZW. DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
A. Lokalisierung von drahtlosen Knoten und Metrik zur Gewichtung der Signalstärken
1 veranschaulicht die grundlegenden Betriebskomponenten des Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten gemäß einer Implementierung der vorliegenden Erfindung. Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten ein Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 und eine Vielzahl von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58, die in einem physischen Raum angeordnet sind. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass das in 1 abgebildete System ein Beispiel für die grundlegenden Komponenten der Erfindung darstellt und hauptsächlich didaktischen Zwecken dient. Wie weiter unten noch ausführlicher erörtert wird, kann die im Allgemeinen durch Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 und das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 bezeichnete Funktionalität in eine Vielzahl von Systemen integriert werden, wie beispielsweise drahtlose Systeme, die speziell für die Lokalisierung von drahtlosen Knoten gedacht sind, oder in WLANs oder in andere drahtlose Netzwerksysteme.
Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 umfassen im Allgemeinen wenigstens eine Antenne, eine Funksende-/-empfangseinheit sowie Steuerlogik (beispielsweise eine Steuereinheit gemäß 802.11), um das Übertragen und Empfangen von Funksignalen gemäß einem Protokoll für die drahtlose Kommunikation zu steuern. In einer Implementierung sind Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 an bekannten und/oder festen Positionen in einem physischen Raum angeordnet, wie beispielsweise einem Zimmer, einer Gruppe von Zimmern, einem Stockwerk eines Gebäudes, einem gesamten Gebäude oder einem willkürlich definierten Gebiet, einschließlich der Außenumgebung, über den Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 eine Funkfrequenz-Abdeckung bereitstellen.
A.1. Infrastruktur-Funk-Transceiver
Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 sind dahingehend betriebsfähig, dass sie die Stärke von empfangenen Funkfrequenzsignalen, wie beispielsweise den von dem drahtlosen Knoten 56 und anderen Funk-Transceivern übertragenen Signalen 57, erkennen und die Daten zur erkannten Signalstärke für entsprechende drahtlose Knoten dem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 bereitstellen können. In einer Implementierung sind Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 außerdem dahingehend betriebsfähig, dass sie drahtlose oder Funkfrequenzsignale gemäß einem Protokoll für die drahtlose Kommunikation, wie beispielsweise dem WLAN-Protokoll gemäß IEEE 802.11, übertragen und empfangen können. In einer Implementierung können Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 auf einem aus einer Vielzahl von Kanälen in einem bestimmten Frequenzband ausgewählten Kanal betrieben werden. In einer weiteren Implementierung können Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 außerdem in mehr als einem Frequenzband betrieben werden. So können Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 beispielsweise so konfiguriert sein, dass sie entweder in dem 5 GHz-Band gemäß 802.11a und/oder in dem 2,4 GHz-Band gemäß 802.11b/g betrieben werden können. In einer Implementierung können Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 so konfiguriert sein, dass sie die mit drahtlosen Knoten verbundenen Informationen zur Signalstärke sammeln und die gesammelten Daten als Reaktion auf SNMP- oder andere Anforderungen des Moduls zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 übertragen. In weiteren Implementierungen können die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 Informationen zur Signalstärke regelmäßig oder periodisch übertragen. Wie weiter unten noch erörtert wird, können auch andere Verfahren zum Sammeln von Signalstärkendaten eingesetzt werden.
Die Identifikation von drahtlosen Knoten hängt von dem für die drahtlose Kommunikation verwendeten Protokoll ab. Bei WLAN-Umgebungen gemäß 802.11 beispielsweise können drahtlose Knoten auf der Grundlage der MAC-Adresse identifiziert werden. Außerdem kann es sich bei den drahtlosen Knoten um berechtigte mobile Stationen, wie beispielsweise ferne Client-Elemente 16, 18 (siehe 3), unberechtigte Systeme (beispielsweise Rogue Access Points und/oder unberechtigte mobile Stationen) sowie um berechtigte Access Points handeln, für die keine Positionsinformationen bekannt sind. In anderen Implementierungen können drahtlose Knoten auf der Grundlage einer eindeutigen Eigenschaft des Funkfrequenzsignals, wie beispielsweise eines bestimmten Frequenzkanals oder eines eindeutigen Signalmusters und dergleichen, identifiziert werden. So kann die Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten beispielsweise eingesetzt werden, um eine erkannte Störungsquelle zu lokalisieren, wie beispielsweise eine nicht 802.11-konforme Vorrichtung.
In einer Implementierung sind die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 außerdem dahingehend betriebsfähig, dass sie gemäß einem Protokoll für die drahtlose Kommunikation mit einer oder mehreren mobilen Stationen, wie beispielsweise dem drahtlosen Knoten 56, kommunizieren können. So handelt es sich in einer Implementierung beispielsweise bei dem Funk-Transceiver 58 um einen Access Point oder eine andere WLAN-Komponente. In einer Implementierung ist der Funk-Transceiver 58 betriebsmäßig mit einem LAN (Local Area Network, lokales Netzwerk), einem WAN (Wide Area Network, Weitverkehrsnetz) oder einem anderen drahtgebundenen Netzwerk verbunden, um den Datenverkehr zwischen mobilen Stationen und dem drahtgebundenen Netzwerk zu überbrücken. Wie unten noch ausführlicher erörtert wird, kann es sich bei dem Funk-Transceiver 58 auch um ein Zugriffselement oder um einen Light-Weight-Access Point in einem drahtlosen Netzwerk mit hierarchischer Verarbeitung von Protokollinformationen handeln. In einer Implementierung implementiert der Funk-Transceiver 58 die Protokolle gemäß 802.11 (wobei sich 802.11, wie es in diesem Dokument verwendet wird, allgemein auf den Standard IEEE 802.11 für drahtlose LANs sowie auf alle Ergänzungen hierzu bezieht). Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit jedem geeigneten, auf Funkfrequenzen basierenden, drahtlosen Netzwerk oder Kommunikationsprotokoll verwendet werden.
In einer Implementierung nutzen Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 die auf einem Schnittstellenadapter für ein drahtloses Netzwerk befindliche Funktionalität zur Erkennung der Signalstärke, um die Signalstärke jeweils rahmenweise zu erkennen. So definiert beispielsweise der Standard IEEE 802.11 einen Mechanismus, mit dem die Funkfrequenzenergie durch die Schaltung (beispielsweise den Chipsatz) auf einem Schnittstellen-Controller für ein drahtloses Netzwerk gemessen wird. Im Protokoll gemäß IEEE 802.11 ist ein optionaler Parameter angegeben, der RSSI (Indikator für die Empfangssignalstärke). Bei diesem Parameter handelt es sich um eine von der Bitübertragungsschicht durchgeführte Messung der Energie, die an der zum Empfang des aktuellen Pakets oder Rahmens verwendeten Antenne beobachtet wird. Der RSSI wird zwischen dem Anfang des SFD (Start Frame Delimiter) und dem Ende der PLCP-HEC (Header-Fehlerprüfung) gemessen. Bei diesem numerischen Wert handelt es sich um eine Ganzzahl in einem zulässigen Bereich von 0-255 (ein 1-Byte-Wert). Üblicherweise haben sich die Anbieter von Chipsätzen gemäß 802.11 dazu entschlossen, nicht tatsächlich 256 unterschiedliche Signalpegel zu messen. Demgemäß hat ein 802.11-konformer Adapter jedes Anbieters einen spezifischen maximalen RSSI-Wert ("RSSI Max"). Daher liegt der Funkfrequenz-Energiepegel, der von dem Adapter für ein drahtloses Netzwerk eines bestimmten Anbieters gemeldet wird, im Bereich zwischen 0 und RSSI Max. Das Auflösen eines bestimmten, von dem Chipsatz eines bestimmten Anbieters gemeldeten RSSI-Werts in einen tatsächlichen Leistungswert (dBm) kann durch Bezugnahme auf eine Konvertierungstabelle erfolgen. Außerdem melden einige Chipsätze für drahtlose Netzwerke die Empfangssignalstärke tatsächlich in der Einheit dBm anstatt anhand des RSSI oder zu sätzlich zu diesem. Weitere Attribute des Signals können ebenfalls in Kombination mit der Empfangssignalstärke oder als Alternative hierzu verwendet werden. So kann beispielsweise das erkannte Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) während des Paketempfangs verwendet werden, um die Sendeleistung des Overlay-Signals zu bestimmen. Wiederum weisen viele Chipsätze die Funktionalität und die entsprechenden APIs auf, um eine Bestimmung von SNRs zu erlauben, die mit von anderen Transceivern 58 und/oder dem drahtlosen Knoten 56 empfangenen Paketen verbunden sind. In einer Implementierung können die resultierenden Informationen zur Signalstärke mit einem Zeitstempel verbunden werden, der dem Empfang des Rahmens entspricht. Wie in diesem Dokument erörtert, können diese Informationen zur Signalstärke an jedem Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 und/oder an dem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 in geeigneten Datenstrukturen gesammelt werden.
A.2. Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten
In einer Implementierung sammelt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 empfangene Signalstärkendaten und verwaltet die Signalstärkendaten in Verbindung mit einer Kennung für den drahtlosen Knoten und einer Kennung für den Infrastruktur-Funk-Transceiver 58, der die Signalstärkendaten bereitgestellt hat. In einer Implementierung ist das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 außerdem so konfiguriert, dass es auf der Grundlage der Kennung für den drahtlosen Knoten zwischen von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 empfangenen Signalen und von anderen drahtlosen Knoten empfangenen Signalen unterscheidet. In einer Implementierung verwaltet das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 eine Vielzahl von Datenstrukturen zum Speichern von Informationen zur Signalstärke. So wird beispielsweise eine Datenstruktur zum Speichern der Signalstärke von Signalen verwendet, die zwischen Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 übertragen werden. In einer Implementierung speichert das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 diese Signalstärkendaten in einer N × N IRT-Matrix, wobei N die Anzahl der Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 angibt. Die Spalteneinträge entsprechen dem übertragenden Transceiver, während die Zeileneinträge dem empfangenden Transceiver entsprechen oder umgekehrt. Verschiedene Einträge in dieser Matrix können Nullwerte sein, weil unter Umständen nicht alle Funk-Transceiver einander erkennen können und in den meisten Installationen dazu vermutlich nicht in der Lage sein werden. In einer Implementierung ver waltet das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 Signalstärkendaten für alle übrigen drahtlosen Knoten in Tabellen oder anderen geeigneten Datenstrukturen. In einer Implementierung verwaltet das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 für jeden Funk-Transceiver 58 eine eigene Tabelle, die wenigstens zwei Felder enthält: 1) eine Kennung für den drahtlosen Knoten und 2) die erkannte Signalstärke. Zusätzliche Felder können außerdem einen Zeitstempel umfassen, der den Zeitpunkt angibt, zu dem der Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 das Signal empfangen hat. Wenn der den Tabellen für drahtlose Knoten zugewiesene Speicherplatz erschöpft ist, wird in einer Implementierung entsprechend der Angabe durch den Zeitstempel der am längsten nicht mehr verwendete/aktualisierte Eintrag überschrieben. In einer Implementierung filtert das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die von den Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 empfangenen Signalstärkendaten anhand einer Liste von Kennungen für die drahtlosen Knoten, um die geeignete zu aktualisierende Datenstruktur ausfindig zu machen. Die Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass eine Vielzahl von Datenstrukturen jenseits von Matrizen und Tabellen verwendet werden kann.
Wie bereits oben erörtert, werden die Signalstärken in einer Implementierung jeweils rahmenweise erkannt. Demgemäß können in einem Ausführungsbeispiel die von dem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 verwalteten Signalstärkendaten aktualisiert werden, sowie die Rahmen/Pakete empfangen werden. In einer Implementierung wird der jüngste Wert für die Signalstärke verwendet, um im Wesentlichen den alten Wert zu überschreiben. In anderen Implementierungen kann jedoch ein Mittelwert, gleitender Mittelwert oder ein gewichteter gleitender Mittelwert verwendet werden, wenn aufeinander folgende drahtlose Rahmen, die einem bestimmten drahtlosen Knoten entsprechen, innerhalb eines Schwellenwert-Zeitintervalls angetroffen werden (zum Beispiel üblicherweise als Ergebnis einer Datenstrom-Übertragung). In einer solchen Situation kann der Zeitstempel dem Zeitpunkt des letzten Pakets bzw. Rahmens entsprechen. Während zudem Funk-Transceiver 58 in der Regel beim Betrieb als Access Points auf verschiedenen Kanälen betrieben werden, übertragen mobile Stationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten (beispielsweise beim Übertragen von Probe Requests, um Access Points zu finden) drahtlose Rahmen auf allen verfügbaren Betriebskanälen. Damit wird sichergestellt, dass eine Vielzahl von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 die mobile Station erkennen. In einigen Implementierungen können ein oder mehrere Infrastruktur-Funk-Transceiver 58, die im Verhältnis zu einem Funk-Transceiver 58 benachbart sind, der einen be stimmten drahtlosen Knoten erkannt hat, angewiesen werden, auf einen bestimmten Betriebskanal umzuschalten, um für Signale empfangsbereit zu sein, die von der mobilen Station übertragen werden. Noch weiterhin können die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58, wie weiter unten noch erörtert wird, so angesteuert werden, dass sie insbesondere Rahmen auf einem bestimmten Kanal zu dem Zweck übertragen, die von dem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 verwalteten Signalstärkendaten zu aktualisieren.
Das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 verwaltet außerdem ein physisches Funkfrequenzmodell des Versorgungsbereichs, der mit der Funkfrequenzumgebung verbunden ist. Wie weiter unten ausführlicher erörtert wird, gibt das physische Funkfrequenzmodell, ausgehend von der Stärke von Signalen, die von den Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 erkannt wurden, eine geschätzte physische Position eines drahtlosen Knotens zurück, sowie eine Angabe, welche Infrastruktur-Funk-Transceiver die Signalstärken gemeldet haben. In einer Implementierung charakterisiert das physische Funkfrequenzmodell für jeden Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 die Empfangssignalstärke, die mit einem drahtlosen Sender an einer bestimmten Position verbunden ist. Beispielsweise weist das physische Funkfrequenzmodell in einer Implementierung für jede Antenne eine Funk-Versorgungskarte bzw. Matrix auf, welche die erwartete, an einem Infrastruktur-Funk-Transceiver erkannte Signalstärke angibt, die von einem drahtlosen Knoten an einer bestimmten, durch x- und y-Koordinaten definierten Position empfangen wurde, wobei von einer gleichmäßigen Sendeleistung ausgegangen wird. Diese Datenbank kann auf verschiedene Weise befüllt werden. So können die Funk-Versorgungskarten beispielsweise mit den Ergebnissen einer umfassenden Standort-Vermessung gefüllt werden, gemäß der ein drahtloser Sender an verschiedenen Positionen im physischen Raum platziert wird. Während der Standort-Vermessung werden die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 in einem Empfangsmodus betrieben, der zwischen den Antennen hin- und herschaltet und die resultierende Signalstärke des von dem zum Durchführen der Standort-Vermessung verwendeten drahtlosen Knoten gesendeten Signals meldet. In einer Implementierung können die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 so konfiguriert werden, dass sie die Signalstärkendaten zum drahtlosen Sender zurückübertragen, bei dem es sich um einen Laptop-Computer oder um eine andere drahtlose Vorrichtung handeln kann. Die Versorgungskarten werden durch Verbinden der Signalstärken- und Positionsdaten in den Versorgungskarten aufgebaut, die den einzelnen Infrastruktur-Funk-Transceivern entsprechen. Die Versorgungskarten können auch aufgebaut werden, indem ein WLAN-Tester (oder ein anderer drahtloser Knoten) einfach die Signalstärke von Rahmen (beispielsweise von Beacon-Paketen) misst, die von den Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 an gewünschten Positionen innerhalb des Installationsgebiets übertragen werden. Wenn Streckendämpfungssymmetrie angenommen wird, können diese Werte verwendet werden, um die Versorgungskarten für jeden Infrastruktur-Funk-Transceiver aufzubauen. Um die Position des drahtlosen Knotens zu schätzen, bestimmt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die Positionskoordinaten bzw. den Bereich von Positionskoordinaten, der am besten zu den Versorgungskarten passt, die mit den zum Lokalisieren des drahtlosen Knotens auf der Grundlage der erkannten Signalstärkendaten ausgewählten Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 verbunden sind, wie weiter unten noch eingehender erörtert wird.
In einer Implementierung wird für jeden Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 eine Versorgungskarte verwaltet, welche die Signalstärken in einer N × M-Matrix enthält, wobei N die Anzahl der x-Koordinaten in der Versorgungskarte angibt und M die Anzahl der y-Koordinaten in der Versorgungskarte. In einer Implementierung ist die Ausdehnung des physischen Raummodells anhand der Versorgungskarten für jeden Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 gleich deren Ausdehnung. Die Versorgungskarten für alle Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 können mit dem physischen Raum, in dem das Lokalisierungssystem installiert ist, oder mit einer durch einen Netzwerkadministrator konfigurierten Grenze räumlich übereinstimmen. In einer Implementierung jedoch kann die Kenntnis verschiedener Antennenattribute, die mit dem jeweiligen Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 verbunden sind, wie beispielsweise dem Antennentyp (z. B. omnidirektionale Antenne, Richtantenne), der Richtung des maximalen Antennengewinns, der Strahlbreite, der Vor-Rück-Trennung, verwendet werden, um die Versorgungskarten zu komprimieren bzw. ihre Größe zu verringern. In einer Implementierung können, bis zu einem Schwellenpegel der Signalstärke oder einem Antennengewinn-Pegel, die Versorgungskarten so konfiguriert werden, dass sie räumlich im Wesentlichen mit dem Antennenmuster aller Antennen übereinstimmen, die mit den Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 verbunden sind. Beispielsweise kann die Versorgungskarte für eine bestimmte Antenne auf den vorderen bzw. beabsichtigten Versorgungsbereich für die Richtungsantenne komprimiert werden. Selbstverständlich können andere Datenstrukturen, wie einer Tabelle mit Positionskoordinaten, die in Verbindung mit Tupeln von Signalstärken und Antennen-Kennungen von Infrastruktur-Funk-Transceivern gespeichert werden, verwendet werden. Wenn außerdem die Versorgungskarten komprimiert sind, kann die Suche nach der besten Übereinstimmung über ausgewählte Versorgungskarten auf die Überlappung zwischen Versorgungskarten beschränkt werden, die mit den Antennen verbunden sind, welche zum Lokalisieren des drahtlosen Knotens ausgewählt wurden.
In einer weiteren Implementierung können die Versorgungskarten des physischen Funkfrequenzmodells aufgebaut werden, indem Funkfrequenzvorhersagen verwendet werden, um den Versorgungsbereich zu modellieren, wobei mathematische Techniken wie Raytracing und dergleichen eingesetzt werden. In einer Implementierung kann das Funkfrequenz-Vorhersagemodell für jede Koordinatenposition in einem gewünschten physischen Raum berechnet werden, wobei von einer gleichmäßigen Sendeleistung der drahtlosen Knoten ausgegangen wird. Die Informationen zur geschätzten Signalstärke für jeden Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 können zum Füllen der vorgenannten Versorgungskarten verwendet werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können Funkfrequenz-Vorhersagemodelle relativ zu jeder Antenne eines Infrastruktur-Funk-Transceivers berechnet werden. Wenn Symmetrie sowohl der Streckendämpfung als auch der Sendeleistung zwischen den drahtlosen Knoten und den Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 angenommen wird, können die Versorgungskarten für jede Antenne eines Infrastruktur-Funk-Transceivers unter Verwendung der berechneten Werte an jeder der Koordinatenpositionen in der Versorgungskarte gefüllt werden. Selbstverständlich können die Daten der Standort-Vermessung auch verwendet werden, um einen oder mehrere Parameter anzupassen, die mit dem Funkfrequenz-Vorhersagemodell verbunden sind, das zum Schätzen der erwarteten Signalstärke an den verschiedenen Positionen verwendet wird. Wie oben bereits erörtert, können die Begrenzungen der Versorgungskarten auf der Grundlage der Eigenschaften der Antennen umrissen werden, die an die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 angeschlossen sind. Außerdem kann es sich bei den Positionskoordinaten in den Versorgungskarten um zweidimensionale x- und y-Koordinaten handeln, welche die Position in einer horizontalen Ebene definieren. Bei den Positionskoordinaten kann es sich auch um dreidimensionale x-, y- und z-Koordinaten handeln. Es können auch andere Koordinatensysteme wie Kugelkoordinaten oder Zylinderkoordinaten verwendet werden. Zusätzlich können die Werte der Koordinaten entweder global sein (das heißt geographische Länge und Breite) oder relativ zu einem willkürlich definierten Ursprung ausgedrückt werden. Zusätzlich hängt die Detailgenauigkeit der Koordinaten in den Versorgungskarten von der gewünschten Detailgenauigkeit der Schätzungen der Position von drahtlosen Knoten ab. Außerdem können in Dual-Band-Konfigurationen für jeden Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 getrennte Versor gungskarten für die verschiedenen Frequenzbänder (beispielsweise 2,4 GHz und 5 GHz) verwaltet werden.
In einer Implementierung weist das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 mehr als ein physisches Funkfrequenzmodell der Umgebung auf (in einer Implementierung handelt es sich bei jedem physischen Funkfrequenzmodell um eine Menge von Versorgungskarten, die den Antennen der Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 entsprechen) und verwendet Signale, die zwischen den Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 übertragen werden, um dynamisch eines der physischen Funkfrequenzmodelle (wie beispielsweise eine Menge von Versorgungskarten) auszuwählen, das die aktuelle Funkfrequenzumgebung am besten charakterisiert. Wie bereits oben erörtert, wird die Ausbreitung der Funkfrequenzsignale durch eine Vielzahl von Objekten beeinflusst, einschließlich Menschen, die sich innerhalb einer Funkfrequenzumgebung bewegen. In einer Implementierung kann die Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten die Signalstärkendaten in der N × N-Matrix der IRT-Signalstärken und die bekannten Positionen der Infrastruktur-Funk-Transceiver mit den physischen Funkfrequenzmodellen vergleichen, um die beste Übereinstimmung zu finden. In einer Implementierung können Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 so konfiguriert werden, dass sie drahtlose Rahmen in regelmäßigen Intervallen auf einem bis zu einer Vielzahl von Betriebskanälen innerhalb eines bestimmten Frequenzbands übertragen, damit alle übrigen Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 die Signale erkennen können. Die US-Patentanmeldung mit der laufenden Eingangsnummer 10/447,735 offenbart die Übertragung von Rahmen zur Erkennung durch benachbarte WLAN-Transceiver. In einer weiteren Implementierung übertragen Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 Rahmen auf Anforderung, als Reaktion auf einen Befehl, der von dem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 abgesetzt wurde.
2 veranschaulicht ein Verfahren, das auf das Schätzen der Position eines drahtlosen Knotens gerichtet ist. Die Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten kann auf Anforderung ausgelöst werden, beispielsweise als Reaktion auf einen Befehl, der von einem Netzwerkadministrator unter Verwendung einer Steuerschnittstelle abgesetzt wurde, um eine mobile Station zu lokalisieren, die durch eine MAC-Adresse oder eine andere geeignete Kennung identifiziert wird, wie beispielsweise einen willkürlichen Namen, der in einer Tabelle oder anderen Datenstruktur mit einer MAC-Adresse verbunden ist. Das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 kann auch automatisch als Reaktion auf die Erkennung eines Rogue Ac cess Points ausgelöst werden. Die US-Patentanmeldung mit der laufenden Eingangsnummer 10/407,370, die weiter oben per Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen wurde, offenbart die Erkennung von Rogue Access Points in einem drahtlosen Netzwerksystem. Das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 kann auch so konfiguriert werden, dass es periodisch die Position einer bestimmten mobilen Station bestimmt, um ihre Bewegung während eines Zeitraums zu verfolgen.
A.3. Metrik zur Gewichtung der Signalstärken
Wie 2 veranschaulicht, wählt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 in einer Implementierung zunächst die Infrastruktur-Funk-Transceiver (IRTs) 58 aus, deren Signalmessungen bei der Lokalisierung des gewünschten drahtlosen Knotens verwendet werden (102). In einer Implementierung durchsucht das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die vorgenannten Datenstrukturen, um die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 zu identifizieren, die von dem gewünschten drahtlosen Knoten übertragene drahtlose Rahmen "sehen" bzw. erkennen. In Implementierungen, bei denen Signalstärkendaten regelmäßig gesammelt werden (im Gegensatz zum Sammeln auf Anforderung), können die Zeitstempel in den Datenstrukturen verwendet werden, um die Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 herauszufiltern, die den gewünschten drahtlosen Knoten innerhalb eines Schwellenzeitraums nicht erkannt haben. Zusätzliche oder alternative Filterkriterien können einen Schwellenpegel der Signalstärke (wie beispielsweise –80 dBm) umfassen. In der gezeigten Implementierung wählt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die M Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 aus, welche die höchsten Signalstärken melden (wobei M ein konfigurierbarer Parameter ist). Wenn eine unzureichende Anzahl von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 identifiziert wird, kann das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 in einer Implementierung den Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 den Befehl geben, aktiv nach dem gewünschten drahtlosen Knoten zu suchen und Informationen zur Signalstärke zurückzugeben. Das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 sammelt die Signalstärkenmessungen (beispielsweise RSSI), die den ausgewählten Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 entsprechen (104), und identifiziert die Funkfrequenz-Versorgungskarten, die beim Schätzen der Position des drahtlosen Knotens auf der Grundlage der ausgewählten Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 verwendet werden sollen (106).
Wie 2 zeigt, berechnet das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 für alle ausgewählten Infrastruktur-Funk-Transceiver (108) für jeden Punkt in der Versorgungskarte MAP_i eine Fehlerfläche EnSurf_i, welche die Differenz zwischen der von dem Infrastruktur-Funk-Transceiver erkannten Signalstärke SS_i und dem Wert in der entsprechenden Versorgungskarte kennzeichnet (110). Zum Neutralisieren von positiven und negativen Fehlern verwendet das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 in einer Implementierung das Quadrat des Fehlers für jeden Punkt in der Fehlerfläche. Wie 2 veranschaulicht, summiert das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die einzelnen Fehlerflächen ErrSurf_i auf, um eine Gesamtfehlerfläche TotalErrSurf für alle Punkte zu erzeugen, bei denen sich die Fehlerflächen überlagern (112). Wie 2 zeigt, wird jedoch der Beitrag jeder Fehlerfläche EnSurf_i durch eine Gewichtungsfunktion WF gewichtet, deren Wert von der erkannten Signalstärke SS_i abhängt, die von dem Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 gemeldet wurde. Um die Position des gewünschten drahtlosen Knotens zu schätzen, wählt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 in einer Implementierung die Position aus, welche die Gesamtfehlerfläche TotalEnSurf minimiert (120). In einer Implementierung berechnet das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die geschätzte Position, indem es die Position findet, welche den euklidischen Abstand im Signalraum der Gesamtfehlerfläche minimiert, was im Wesentlichen den euklidischen Abstand im Signalraum zwischen den erkannten Signalstärkewerten und den Signalstärkewerten in den entsprechenden Versorgungskarten minimiert.
Die Gewichtungsfunktion WF drückt in einer Implementierung das Vertrauen in die einzelne Position auf der Fehlerfläche (ErrSurfi) relativ zu dem Abstandsfehler aus, der durch potenzielle Fehler bei der Signalstärkenerkennung verursacht wird. In der gezeigten Implementierung ist das Vertrauen in die Fehlerfläche (ErrSurf_i) durch die Größe des Abstandsfehlers definiert, der durch eine Änderung um 1 dB in der Signalstärkenmessung SS_i von dem Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 verursacht würde. Diese Gewichtungsfunktion für das Vertrauen könnte sich je nach Topologie (beispielsweise dem Vorhandensein und der Position von Innenwänden, Raumteilern, Türen usw.) und dem Exponenten für die Streckendämpfung ändern. In einer Implementierung wird jedoch angenommen, dass es sich bei diesem Fehler in Einheitsabstand pro dB-Fehler um eine Funktion nur der erkannten Signalstärke und des Exponenten für die Streckendämpfung handelt. Gemäß dieser Implementierung handelt es sich bei dem Fehler in Einheitsabstand pro dB um eine geometrische oder Exponenti alfunktion. Die Gewichtungen für jede Fehlerfläche sind daher exponential, wobei die höheren erkannten Signalstärken zu höheren Gewichtungswerten führen. Bei einer einzelnen dB-Änderung ändert sich der Fehler er in Einheitsabstand (beispielsweise Fuß, Meter usw.) wie folgt: er = 101/10·PL Wenn beispielsweise der Exponent für die Streckendämpfung PL 2,4 beträgt, ist der Fehler er gleich 1,1007. Demgemäß würde ein Fehler von 1 dB auf 100 Fuß beispielsweise einen Fehler der geschätzten Position von 10,07 Fuß bei einem geschätzten Abstand verursachen, während ein Fehler von 1 dB auf 1000 Fuß einen Fehler von 100,7 Fuß verursachen würde.
Unter Verwendung der vorgenannten Fehlerwerte ist die Gewichtungsfunktion WF in einer Implementierung wie folgt definiert: WF (SSi) gleich 1, wenn SSi > Thi sonst gleich er(SSi-TH).
Wie die oben dargelegte Gleichung für die Gewichtungsfunktion zeigt, ist WF bei Signalstärkenmessungen oberhalb eines Schwellenwerts TH (wie beispielsweise –50 dBm) gleich 1. Wie die vorgenannte Gewichtungsfunktion außerdem zeigt, nimmt die Gewichtungsfunktion mit niedrigeren Signalstärkenmessungen ab, da niedrigere Messungen einen größeren Abstand zwischen der sendenden Funkvorrichtung und der empfangenden Funkvorrichtung angeben. Darüber hinaus wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die Gewichtungen sich im Hinblick auf den Exponenten für die Streckendämpfung, die Frequenz (2,4v 5,1 GHz) und den Schwellenwert (Th) ändern. Noch ferner kann in bestimmten Dual-Band-Implementierungen, in denen die Signalstärkeninformationen in mehr als einem Frequenzband gesammelt werden, die Metrik zur Gewichtung der Signalstärken Messwerte aus einem Band (beispielsweise 2,4 GHz) höher gewichten als Werte, die in einem anderen Band (beispielsweise 5 GHz) erhalten wurden. Die Differenz in der Gewichtung zwischen den Bändern kann auf einer empirischen Untersuchung des Lokalisierungsfehlers unter Verwendung des jeweiligen gesonderten Bands basieren.
A.4. Metrik zur Gewichtung der Signalstärken and Differenzialmetrik
5 veranschaulicht eine alternative Implementierung der vorliegenden Erfindung, in der die Metrik zur Gewichtung der Signalstärken in einen Algorithmus integriert ist, der die Position von drahtlosen Knoten auf der Grundlage der Differenzen der gemeldeten Signalstärke über ausgewählte Infrastruktur-Funk-Transceiver 58 schätzt. Wie 5 veranschaulicht, wählt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 in einer Implementierung zunächst die Infrastruktur-Funk-Transceiver (IRTs) 58 aus, deren Signalmessungen bei der Lokalisierung des gewünschten drahtlosen Knotens verwendet werden (102). Zusätzlich sammelt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 Signalstärkenmessungen (104) und wählt Funkfrequenz-Versorgungskarten aus (106), wobei auf ähnliche Weise vorgegangen wird, wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben.
Wie 5 veranschaulicht, berechnet das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die Differenz ΔSS_ij für jedes Paar von Signalstärkenmessungen (SS_i und SS_j) unter den ausgewählten Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 (212) sowie die Differenz ΔMAP_ij an jedem Punkt zwischen den Versorgungskarten (MAP_i und MAP_j), die den ausgewählten Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 entsprechen (214). In dem Fall von M ausgewählten Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 gibt es N über 2 bzw. N!/((N – 2)!2!) Differenzpaare. Das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 baut eine Gesamt-Differenzfehlerfläche ErrSurfDiff auf, indem es für jedes eindeutige Paar von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 das Quadrat der Differenz zwischen ΔSS_ij und ΔMAP_ij berechnet (siehe 208, 210) und den Beitrag jedes eindeutigen Paars zu EnSurfDiff addiert (216a, 216b). Das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 jedoch gewichtet jeden Beitrag mittels der Gewichtungsfunktion WF. Wie 5 zeigt, wird jeder Beitrag gewichtet, indem für jedes eindeutige Paar von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 der geringere Wert der Signalstärkenmessungen SS_i und SS_j verwendet wird (215), da der potenzielle Fehler, der in dem Paar dem geringeren Signalstärkenwert zuschreibbar ist, im allgemeinen über den Fehler dominiert, der dem höheren Signalstärkenwert zuschreibbar ist. Um schließlich die Position des gewünschten drahtlosen Knotens zu schätzen, wählt das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 die Position aus, welche die Gesamtdifferenz-Fehlerfläche ErrSurfDiff minimiert (220).
Wie die vorgenannten Informationen veranschaulichen, sucht das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten 59 in dieser Implementierung im Wesentlichen nach dem Gebiet zwischen den einzelnen Paaren von Infrastruktur-Funk-Transceivern 58, wo die erkannte Signalstärke um X dB abweicht, wo X dB die beobachtete Differenz beim RSSI oder bei anderen Signalstärkenmessungen des gewünschten drahtlosen Knotens ist, wie er von den beiden Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 erkannt wurde. Im Idealfall, bei dem keine physischen Barrieren in der Funkfrequenzumgebung vorhanden sind (und die Verwendung von omnidirektionalen Antennen oder Antennenmustern angenommen wird, die Muster von omnidirektionalen Antennen approximieren), kann der Umriss, bei dem die Differenz zwischen den von den beiden Infrastruktur-Funk-Transceivern 58 vorhergesagten Signalen konstant X dB beträgt, durch ein kartesisches Oval beschrieben werden. In der Realität ist diese Form willkürlich. Im Idealfall wird durch das Addieren mehrerer davon ein Nullfehlergebiet erzeugt, in dem sich die kartesischen Ovale überlagern, und überall sonst Nicht-Nullfehler-Terme. In der Realität erzeugt das Addieren mehrerer dieser Flächen eine Gesamtfehlerfläche, deren Minimum die geschätzte Position des drahtlosen Knotens darstellt.
Um den Nutzen dieser Differenzialmetrik für die Signalstärke zu veranschaulichen, soll von einer Differenz von N dB bei der Sendeleistung des drahtlosen Knotens ausgehend von einer angenommenen oder Standard-Sendeleistung ausgegangen werden. In dem Fall, dass drei ausgewählte Infrastruktur-Funk-Transceiver vorhanden sind, tritt diese Differenz von N dB wie folgt als Faktor in die Gesamtdifferenz-Fehlerfläche ein: EnSurfDiffTxErr = (((RSSIap1 + N) – (RSSIap2 + N)) – (MAPap1 – MAPap2))^2 + (((RSSIap1 + N) – (RSSIap3 + N)) – (MAPap1 – MAPap3))^2 + (((RSSIap2 + N) – (RSSIap3 + N)) – (MAPap2 – MAPap3))^2,was eine Reduzierung auf die ursprüngliche ErrSurfDiff ohne zusätzlich hinzugefügte Fehler bewirkt. Außerdem wirkt die Differenzialmetrik für die Signalstärke auch den Fehlern bei der Erkennung der Stärke von drahtlosen Signalen sowie Fehlern, die aus der Annahme einer Symmetrie der Streckendämpfung resultieren, entgegen. Beispielsweise kann die durch die Versorgungskarten (beispielsweise MA Pap1, MAPap2) angenommene Gesamtleistung für jeden Client unabhängig von den anderen einen Fehler von K dB aufweisen. In dieser Metrik werden diese Fehler ebenfalls entfernt, wie im Folgenden gezeigt wird: ErrSurfDiffAPErr = ((RSSIap1 – RSSIap2) – ((MAPap1 + K) – (MAPap2 + K)))^2 + ((RSSIap1 – RSSIap3) – ((MAPap1 + K) – (MAPap3 + K)))^2 + ((RSSIap2 – RSSIap3) – ((MAPap2 + K) – (MAPap3 + K)))^2,was ebenfalls eine Reduzierung auf EnSurfDiff bewirkt. Demgemäß minimiert die in diesem Dokument beschriebene Differenzialmetrik für die Signalstärke die Auswirkungen von absoluten Fehlern, die durch Schwankungen der Sendeleistung bzw. der Signalstärkenerkennung verursacht werden, sowie das Fehlen von Symmetrie bei der Streckendämpfung zwischen einem erkennenden und einem übertragenden Knoten.
B. Integration in drahtlose Netzwerksysteme
In einer Implementierung kann die vorgenannte Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten in eine drahtlose Netzwerk-Infrastruktur, wie beispielsweise dem in 3 veranschaulichten hierarchischen WLAN-System, integriert werden Die in diesem Dokument beschriebene Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten kann beispielsweise in eine WLAN-Umgebung integriert werden, wie sie in den US-Patentanmeldungen mit den laufenden Eingangsnummern 10/155,938 und 10/407,357 offenbart wird, die per Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen wurden. Die Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch auf andere drahtlose Netzwerkarchitekturen angewendet werden. Beispielsweise kann die Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten in eine drahtlose Netzwerk-Infrastruktur mit einer Vielzahl von im Wesentlichen autonomen Access Points integriert werden, die in Verbindung mit einem zentralen Netzwerk-Verwaltungssystem betrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Blockdiagramm eines drahtlosen LAN-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die folgenden Elemente: Zugriffselemente 11-15 für die drahtlose Kommunikation mit ausgewählten fernen Client-Elementen 16, 18, 20, 22, zentrale Steuerelemente 24, 25, 26 und Mittel zur Kommunikation zwischen den Zugriffselementen und den zentralen Steuerelementen, wie beispielsweise Direktleitungszugriff sowie ein Ethernet-Netzwerk, wie beispielsweise ein LAN-Segment 10. Wie in der US-Patentanmeldung mit der laufenden Eingangsnummer 10/407,357 offenbart, sind die Zugriffselemente, wie beispielsweise die Zugriffselemente 11-15, zur Kommunikation mit einem entsprechenden zentralen Steuerelement 24, 26 direkt mit dem LAN-Segment 10 oder einem virtuellen lokalen Netzwerk (VLAN) verbunden. Siehe 3. Wie in der US-Patentanmeldung mit der laufenden Eingangsnummer 10/155,938 offenbart, können die Zugriffselemente 11-15 jedoch auch über Direktzugriffsleitungen direkt mit entsprechenden zentralen Steuerelementen 24, 26 verbunden sein.
Die Zugriffselemente 11-15 sind über Kommunikationsmittel unter Verwendung eines Protokolls für drahtlose Netzwerke (WLAN) (beispielsweise IEEE 802.11a oder 802.11b usw.) mit den fernen Client-Elementen 16, 18, 20, 22 gekoppelt. Wie in den US-Patentanmeldungen mit den laufenden Eingangsnummern 10/155,938 und 10/407,357 beschrieben, tunneln die Zugriffselemente 12, 14 und das zentrale Steuerelement 24 den Netzwerk-Datenverkehr, der mit entsprechenden fernen Client-Elementen 16, 18; 20, 22 verbunden ist, über Direktzugriffsleitungen oder ein LAN-Segment 10. Die zentralen Steuerelemente 24, 26 sind außerdem dahingehend betriebsfähig, dass sie den Netzwerk-Datenverkehr zwischen den fernen Client-Elementen 16, 18; 20, 22, der durch den Tunnel übertragen wird, mit entsprechenden Zugriffselementen 11-15 überbrücken. In einer weiteren Implementierung können die Zugriffselemente 11-15 so konfiguriert sein, dass sie den Netzwerk-Datenverkehr auf LAN-Segmenten 10 überbrücken, während sie Kopien der überbrückten Rahmen zu Zwecken der Datensammlung und der Netzwerkverwaltung an die Zugriffselemente senden.
Wie in den oben angegebenen Patentanmeldungen beschrieben, sind die zentralen Steuerelemente 24, 26 dahingehend betriebsfähig, dass sie auf der Datenverbindungsschicht Verwaltungsfunktionen, wie Authentifizierung und Zuordnung, für die Zugriffselemente 11-15 durchführen können. Beispielsweise stellen die zentralen Steuerelemente 24, 26 die Verarbeitung bereit, um ein drahtloses lokales Netzwerk eines erfindungsgemäßen Systems dynamisch zu konfigurieren, während die Zugriffselemente 11-15 die Bestätigung der Kommunikation mit den fernen Client-Elementen 16, 18, 20, 22 bereitstellen. Die zentralen Steuerelemente 24, 26 können beispielsweise die drahtlosen LAN-Verwaltungsnachrichten verarbeiten, die von den fernen Client-Elementen 16, 18; 20, 22 über die Zugriffselemente 11-15 übergeben werden, wie beispielsweise Authentifizierungsanforderungen und Berechtigungsanforderungen, während die Zugriffselemente 11-15 eine sofortige Bestätigung der Kommunikation dieser Nachrichten ohne eine herkömmliche Verarbeitung derselben bereitstellen. Auf ähnliche Weise können die zentralen Steuerelemente 24, 26 beispielsweise Informationen auf der Bitübertragungsschicht verarbeiten. Noch ferner können die zentralen Steuerelemente 24, 26, wie weiter unten noch eingehender erörtert wird, beispielsweise Informationen verarbeiten, die an den Zugriffselementen 11-15 bezüglich Kanalmerkmalen, Signalstärke, Ausbreitung und Interferenz oder Rauschen gesammelt wurden.
Die zentralen Steuerelemente 24, 26, können, wie in 4 gezeigt, so konfiguriert werden, dass sie Signalstärkendaten wie oben erörtert sammeln, um die Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten gemäß der vorliegenden Erfindung zu unterstützen. Die in diesem Dokument beschriebene Funktionalität zum Sammeln von Signalstärkendaten ist dem Sammeln von Daten, das in der US-Patentanmeldung mit der laufenden Eingangsnummer 10/183,704, die weiter oben per Bezugnahme in die Anmeldung aufgenommen wurde, beschrieben ist, recht ähnlich. In jener Anmeldung hängen die Zugriffselemente 11-15 Signalstärkendaten an von drahtlosen Knoten empfangene Pakete an, typischerweise in Encapsulation-Headern. Die zentralen Steuerelemente 24, 26 verarbeiten die Encapsulation-Paket-Header, um verschiedene Datenstrukturen zu aktualisieren, wie beispielsweise die N × N-Matrix der Access Point-Signalstärken und die weiter oben in Abschnitt A erörterten Tabellen für drahtlose Knoten. Die US-Patentanmeldung mit der laufenden Eingangsnummer 10/183,704 offenbart die internen Betriebskomponenten und die allgemeine Konfiguration der Zugriffselemente 11-15, die in Verbindung mit der in diesem Dokument beschriebenen integrierten Funktionalität zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten verwendet werden können.
4 veranschaulicht die logische Konfiguration der zentralen Steuerelemente 24, 26 gemäß einer Implementierung der vorliegenden Erfindung. Wie in der US-Patentanmeldung mit der laufenden Eingangsnummer 10/183,704 erörtert wird, sind in einer Implementierung sowohl ein logischer Datenpfad 66 als auch ein Steuerpfad 68 zwischen einem zentralen Steuerelement 24 oder 26 und einem Zugriffselement (beispielsweise Zugriffselement 11) vorhanden. Der Steuerpfad 68 erlaubt es dem zentralen Steuerelement 24 oder 26, mit den Funk-Zugriffselementen 11-15 zu kommunizieren und die Signalstärke zwischen den Funk-Zugriffselementen zu erhalten. Durch Überwachung des Datenpfads 66 kann das zentrale Steuerelement 24, 26 die Signalstärke der von übrigen drahtlosen Knoten übertragenen Signale erhalten.
Insbesondere sammelt der Lokalisierer für drahtlose Knoten 90 in dem zentralen Steuerelement 24 oder 26 über einen Steuerkanal 68 und einen Datenkanal 66 Informationen von einer Vielzahl von Zugriffselementen. Das zentrale Steuerelement 24 oder 26 empfängt Datenpakete und Steuerpakete von einer Vielzahl von Zugriffselementen 11-15 bzw. überträgt sie an diese, wie oben beschrieben. Ein Flag-Erkenner 62 unterscheidet zwischen Datenpaketen und Steuerpaketen und leitet sie durch einen logischen Switch 64 zu einem Hochgeschwindigkeits-Datenpfad 66, der mit dem drahtgebundenen Netzwerk 15 kommuniziert, bzw. zu dem Steuerpfad 68 innerhalb des zentralen Steuerelements 24 oder 26. Der Datenpfad 66 wird von einem Datensammler für drahtlose Knoten 70 überwacht. Mit jedem Datenpaket ist ein Ressourcen-Management-Header verbunden, der Funkfrequenz-Informationen der Bitübertragungsschicht enthält, wie beispielsweise die Leistung in dem Kanal vor jedem empfangenen Paket, eine Kennung für das Zugriffselement, welches das Signal empfängt, sowie eine Kennung für die zum Empfangen des Signals ausgewählte Antenne. Zusammen mit den Protokollinformationen gemäß 802.11 in den nativen Rahmen können diese Informationen verwendet werden, um eine oder mehrere Datenstrukturen zu verwalten, die Signalstärkendaten für die von den Zugriffselementen 11-15 erkannten drahtlosen Knoten verwalten, wie weiter oben in Abschnitt A erörtert. Der Steuerpfad 68 ist mit einem Prozessorelement 76 gekoppelt, in dem eine Matrix der Access Point-Signalstärken 78 verwaltet wird. Die Matrix der Access Point-Signalstärken 78 sammelt Informationen, mit denen die Signalstärke zwischen den Zugriffselementen 11-15 quantifiziert wird. Alle Signalstärkendaten werden an den Zugriffselementen 11-15 gesammelt und über den Datenpfad und den Steuerpfad in einer Implementierung an das zentrale Steuerelement 24 oder 26 übermittelt, und zwar als Paketinformationen im Ressourcen-Management-Header in dem Datenpfad bzw. als Ressourcen-Management-Steuerpakete in dem Steuerpfad.
Wie bereits oben erörtert, verwendet die Funktion zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten in einer Implementierung Daten zur Signalstärke zwischen Zugriffselementen, um ein physisches Funkfrequenzmodell auszuwählen, das die aktuelle Funkfrequenzumgebung am besten charakterisiert. Um eine solche Implementierung zu unterstützen, besteht eine Aufgabe darin, eine Matrix der Access Point-Signalstärken für alle fernen Zugriffselemente in den verschiedenen drahtlosen Netzwerken zu erstellen und zu verwalten, die gegenseitig ihre Signale erkennen. Dies erfolgt in einer Implementierung dadurch, dass der Lokalisierer für drahtlose Knoten 90 in dem zentralen Steuerelement 24 oder 26 und ein Ressourcen-Manager in den Zugriffselementen 11-15 sowohl passiv für umgebende Zugriffselemente empfangsbereit sind, als auch aktiv nach umgebenden Zugriffselementen suchen. Der Lokalisierer für drahtlose Knoten in dem zentralen Steuerelement 24 oder 26 kann planen, dass ein Zugriffselement 11-15 in dem drahtlosen Netzwerk eine Anforderung zur Datenmessung auf einem bestimmten Kanal überträgt und dann Antworten von umgebenden Zugriffselementen aufzeichnet. Bei der Bandbreite für die Probe Requests zur Datenmessung und für die Empfänger-Informationen kann es sich um eine engere Informationsbandbreite handeln als bei der normalen Informationsbandbreite, um zu erlauben, dass der dynamische Bereich des Empfängers über seinen normalen Betriebsbereich hinaus erweitert wird. Dies erlaubt es einem Funkelement, Zugriffselemente über seinen normalen Betriebsbereich hinaus zu "sehen". Das Planen dieser Messungen erlaubt es, mehrere Messungen mit einer einzigen Übertragung durchzuführen, und erlaubt es, das Sendesignal als Amplitudenänderung relativ zum Hintergrundrauschen zu dem geplanten Zeitpunkt zu erkennen, wodurch eine einfachere Erkennung des Mess-Signals und ein größerer Dynamikbereich möglich sind. Die resultierenden Daten können in Steuerpaketen übertragen werden, die von der Matrix der Access Point-Signalstärken 78 auf dem Steuerpfad 68 gesammelt wurden. Passiv erfolgt für jedes auf dem Datenkanal an dem Zugriffselement empfangene Paket eine Messung der Leistung im Funkfrequenzkanal, und zwar unmittelbar, bevor das Paket empfangen wird. Diese Interferenzmessung wird über den Datenkanal an das zentrale Steuerelement gesendet, indem ein Funk-Ressourcen-Manager-Header an das Datenpaket angehängt wird. Alternativ können die Zugriffselemente so konfiguriert sein, dass sie von anderen Zugriffselementen empfangene Pakete so mit einem Flag versehen, dass sie auf dem Steuerpfad 68 übertragen werden. Die Signalstärkendaten der Access Points können verwendet werden, um aus verschiedenen Versorgungskarten, welche die aktuelle Funkfrequenzumgebung am besten charakterisieren, wie oben bereits erörtert eine Auswahl zu treffen. Die Signalstärkenda ten der Access Points können außerdem verwendet werden, um den bzw. die in der oben beschriebenen Gewichtungsfunktion verwendeten Exponenten für die Streckendämpfung dynamisch zu berechnen oder anzupassen. Da der Abstand zwischen zwei oder mehr Zugriffselementen bekannt ist, ist es möglich, beispielsweise den bzw. die Exponenten für die Streckendämpfung auf der Grundlage der beobachteten Signaldämpfung zwischen Paaren von Zugriffselementen zu berechnen.
4 veranschaulicht außerdem eine Datenbank für physische Funkfrequenzmodelle 80, welche die eine oder die mehreren Versorgungskarten enthält, die mit den Zugriffselementen 11-15 verbunden ist bzw. sind. Wenn der Lokalisierer für drahtlose Knoten 90 aktiviert ist, kann er wie oben beschrieben betrieben werden, um die geschätzte Position eines gewünschten drahtlosen Knotens zu berechnen und die geschätzte Position an das anfordernde System, wie beispielsweise ein Netzwerk-Verwaltungssystem oder eine Steuerschnittstelle, zurückzuliefern. In dem in 3 abgebildeten WLAN-System sind mehrere Implementierungen möglich. Beispielsweise kann das zentrale Steuerelement 24 zum Zweck der Lokalisierung von drahtlosen Knoten als zentrales "Master"-Steuerelement konfiguriert sein. Dies bedeutet, dass an allen zentralen Steuerelementen gesammelte Daten letztendlich (entweder regelmäßig oder auf Anforderung) von anderen zentralen Steuerelementen (beispielsweise dem zentralen Steuerelement 26) an das zentrale Master-Steuerelement 24 übertragen werden, das die geschätzte Position berechnet. Alternativ können die gesammelten Daten an ein Netzwerk-Verwaltungssystem übertragen werden, das die oben erörterten Positionsberechnungen durchführt. Alternativ können zentrale Steuerelemente 24, 26 (wenn in getrennten physischen Räumen installiert, wie getrennten Stockwerken oder Gebäuden) im Wesentlichen autonom betrieben werden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele erläutert. Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit Netzwerken gemäß 802.11 funktionieren, kann die vorliegende Erfindung beispielsweise in Verbindung mit jeder beliebigen drahtlosen Netzwerkumgebung verwendet werden. Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit einem physischen Funkfrequenzmodell funktionieren, das eine Vielzahl von Versorgungskarten oder Matrizen umfasst, können außerdem andere Datenstrukturen zum Speichern der Daten für das physische Funkfrequenzmodell verwendet werden. Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die geschätzte Position auf der Grundlage der von Infrastruktur-Access Points oder Zugriffselementen erkannten Signalstärken berechnet wird, kann von drahtlosen Client-Knoten, wie mobilen Stationen im RADAR-System, außerdem noch die Metrik zur Gewichtung der Signalstärken verwendet werden. Während die oben erörterten Lokalisierungsalgorithmen das Quadrat des euklidischen Abstands zwischen dem RSSI-Vektor und dem MAP-Vektor an einer bestimmten Position in Betracht ziehen, können andere Funktionen zur Minimierung in Betracht gezogen werden, einschließlich minimaler mittlerer quadratischer Fehler, minimaler Abstand und minimale Manhattan-Distanz. Für den Fachmann mit normalen Kenntnissen auf diesem Gebiet sind weitere Ausführungsbeispiele offensichtlich. Eine Beschränkung der Erfindung außer durch die angehängten Ansprüche ist daher nicht beabsichtigt.

Claims

Vorrichtung zum Erleichtern der Lokalisierung eines drahtlosen Knotens in einer Funkfrequenzumgebung, mit einer Vielzahl von Funkempfängern mit wenigstens einer Antenne, wobei die Vielzahl von Funkempfängern dahingehend betriebsfähig ist, dass sie die Stärke von Signalen erkennt, die von drahtlosen Knoten übertragen werden, und die erkannten Signalstärken einem Modell zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten bereitstellt; wobei eine Funkfrequenz-Versorgungskarte, die jedem Funkempfänger entspricht, die Signalstärkenwerte für Positionen in einem physischen Gebiet charakterisiert, und einem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten, das dahingehend betriebsfähig ist, dass es die geschätzte Position des drahtlosen Knotens auf der Grundlage der gesammelten Signalstärkenwerte und der Funkfrequenz-Versorgungskarten berechnet, die der Vielzahl von Funkempfängern entsprechen, wobei der Beitrag jedes erkannten Signalstärkenwerts zu der geschätzten Position gemäß einer Gewichtungsfunktion gewichtet wird, die sich mit den von den Funkempfängern erkannten Signalstärkenwerten ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten beim Berechnen der geschätzten Position des drahtlosen Knotens dahingehend betriebsfähig ist, dass es für jeden Funkempfänger eine einzelne Fehlerfläche auf der Grundlage der mit dem Funkempfänger verbundenen Funkfrequenz-Versorgungskarte und der von dem Funkempfänger erkannten Signalstärke berechnet; jede der einzelnen Fehlerflächen gemäß einer Gewichtungsfunktion gewichtet, die sich mit der von entsprechenden Funkempfängern erkannten Signalstärke ändert; die einzelnen Fehlerflächen zum Erzeugen einer Gesamtfehlerfläche aggregiert; und die Position mit dem Minimum der Gesamtfehlerfläche ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede einzelne Fehlerfläche die Summe der Quadrate der Differenz zwischen den von einem Funkempfänger erkannten Signalstärkenwerten und den Signalstärkenwerten in einer entsprechenden Funkfrequenz-Versorgungskarte umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsfunktion das Vertrauen in die einzelne Fehlerflächenposition relativ zu dem Abstandsfehler ausdrückt, der durch potenzielle Fehler verursacht wird, die mit der von einem Funkempfänger erkannten Signalstärke verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsfunktion so konfiguriert ist, dass Beiträge, die mit erkannten Signalstärken oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts verbunden sind, gleich gewichtet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsfunktion teilweise auf dem Abstandsfehler basiert, der durch eine Änderung der von einem Funkempfänger erkannten Signalstärke um 1 dB verursacht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Funkfrequenz-Versorgungskarten jeweils eine Vielzahl von Positionskoordinaten umfassen, die mit entsprechenden Signalstärkenwerten verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Funkfrequenz-Versorgungskarten heuristisch aufgebaut sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Funkfrequenz-Versorgungskarten auf einem mathematischen Modell basieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die von den drahtlosen Knoten übertragenen Signale gemäß einem Protokoll für die drahtlose Kommunikation formatiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei es sich bei dem Protokoll für die drahtlose Kommunikation um das Protokoll IEEE 802.11 handelt.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten, der in Verbindung mit einer drahtlosen Netzwerkumgebung mit einer Vielzahl von Funkempfängern betrieben wird, die dahingehend betriebsfähig sind, dass sie die Signalsstärken von Signalen erkennen, die von drahtlosen Knoten übertragen werden, wobei eine Funkfrequenz-Versorgungskarte, die jedem Funkempfänger entspricht, Signalstärkenwerte für Positionen in einem physischen Gebiet umfasst, mit einem Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten, das dahingehend betriebsfähig ist, dass es von wenigstens einigen der Vielzahl von Funkempfängern die erkannte Signalstärke von Funkfrequenzsignalen empfängt, die von einem drahtlosen Knoten übertragen werden; und die geschätzte Position des drahtlosen Knotens auf der Grundlage der empfangenen Signalstärkenwerte und der Funkfrequenz-Versorgungskarten berechnet, die der Vielzahl von Funkempfängern entsprechen, wobei der Beitrag jedes erkannten Signalstärkenwerts zu der geschätzten Position gemäß einer Gewichtungsfunktion gewichtet wird, die sich mit den von den Funkempfängern erkannten Signalstärkenwerten ändert.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 12, wobei das Modul zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten beim Berechnen der geschätzten Position des drahtlosen Knotens dahingehend betriebsfähig ist, dass es für jeden Funkempfänger eine einzelne Fehlerfläche auf der Grundlage der mit dem Funkempfänger verbundenen Funkfrequenz-Versorgungskarte und der von dem Funkempfänger erkannten Signalstärke berechnet; jede der einzelnen Fehlerflächen gemäß einer Gewichtungsfunktion gewichtet, die sich mit der von entsprechenden Funkempfängern erkannten Signalstärke ändert; die einzelnen Fehlerflächen zum Erzeugen einer Gesamtfehlerfläche aggregiert; und die Position mit dem Minimum der Gesamtfehlerfläche auffindet.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 13, wobei jede einzelne Fehlerfläche die Summe der Quadrate der Differenz zwischen den von einem Funkempfänger erkannten Signalstärkenwerten und den Signalstärkenwerten in einer entsprechenden Funkfrequenz-Versorgungskarte umfasst.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 12, wobei die Gewichtungsfunktion das Vertrauen in die einzelne Fehlerflächenposition relativ zu dem Abstandsfehler ausdrückt, der durch potenzielle Fehler verursacht wird, die mit der von einem Funkempfänger erkannten Signalstärke verbunden sind.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 12, wobei die Gewichtungsfunktion so konfiguriert ist, dass Beiträge, die mit erkannten Signalstärken oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts verbunden sind, gleich gewichtet werden.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 12, wobei die Gewichtungsfunktion teilweise auf dem Abstandsfehler basiert, der durch eine Änderung der von einem Funkempfänger erkannten Signalstärke um 1 dB verursacht wird.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 12, wobei die Funkfrequenz-Versorgungskarten jeweils eine Vielzahl von Positionskoordinaten umfassen, die mit entsprechenden Signalstärkenwerten verbunden sind.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 18, wobei die Funkfrequenz-Versorgungskarten heuristisch aufgebaut sind.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 18, wobei die Funkfrequenz-Versorgungskarten auf einem mathematischen Modell basieren.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 12, wobei die von den drahtlosen Knoten übertragenen Signale gemäß einem Protokoll für die drahtlose Kommunikation formatiert sind.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 21, wobei es sich bei dem Protokoll für die drahtlose Kommunikation um das Protokoll IEEE 802.11 handelt.
Mechanismus zur Lokalisierung von drahtlosen Knoten nach Anspruch 12, der ferner eine Vielzahl von Funkempfängern umfasst, die dahingehend betriebsfähig sind, dass sie die Signalstärke von Signalen erkennen, die von drahtlosen Knoten übertragen werden.