TW201532463A - 室內定位方法、室內定位系統與電腦可讀取媒體 - Google Patents

Abstract

本揭露提供一種室內定位系統，包含設置於具有多個訓練點的室內環境的至少一訊號源，以及相耦接的儲存裝置和定位裝置。訊號源具有多個功率等級，並依據其中之一發射無線訊號。儲存裝置對每一訓練點儲存第一訊號強度和對訓練點中至少一調適點儲存第二訊號強度。第一和第二訊號強度分別關聯於功率等級中的第一和第二功率等級。定位裝置取得當前位置上的當前訊號強度及其關聯的當前功率等級，依據第一、第二和當前功率等級以及第一和第二訊號強度，對每一訓練點計算第三訊號強度，並依據室內環境比對當前和第三訊號強度，以估計當前位置。

Description

室內定位方法、室內定位系統與電腦可讀取媒體

本揭露係關於室內定位，特別係關於在訊號源功率可變時提供指紋式(fingerprint-based)定位服務的方法與系統。

指紋式的室內定位，以無線區域網路(wireless local area network或Wi-Fi)的應用為例，於某室內環境布建多個基地台(access point)後，首先需在此室內環境中多個座標上量測來自各基地台的訊號強度(received signal strength)，以建立一張「射頻地圖」(radio map)。接著，當使用者進入此室內環境而欲得知其所在位置為何時，可依其接收到的各基地台的訊號強度與射頻地圖進行特徵比對(pattern matching)，若射頻地圖上特徵與使用者所接收到相同或接近者的座標即為其所在位置。

在無線區域網路的營運過程中，各基地台的發射功率卻常有獨立的動態調變，無論其係管理者手動所為或如IEEE 802.11h標準所定義的自動機制。由於調變後的功率和量測射頻地圖時者不同，再依接收到的訊號強度與射頻地圖進行特徵比對顯然會有嚴重的不匹配(mismatch)和定位誤差。直覺的解決方案是對所有基地台及對其所有可能的發射功率量測訊號強度以建立 巨量的射頻地圖，但在稍具規模的建築物中這就會耗費龐大的人力與工時，實務上並不可行。

鑒於上述問題，本揭露旨在提供一種室內定位方法與系統，藉數量可控制的量測調適(adapt)射頻地圖，反映定位用訊號源的當前功率，減少指紋法的不匹配和定位誤差。

本揭露提供之室內定位方法用以對一個室內環境提供定位服務，此室內環境具有多個訓練點並設置有至少一個訊號源，此訊號源具有多個功率等級(power level)。所述室內定位方法包含：於第一時段取得當前訊號強度，其係依據於前述室內環境的某個當前位置所接收發射自前述訊號源的無線訊號；取得前述功率等級中該訊號源於第一時段據以發射無線訊號的當前功率等級；取得前述訓練點每一個的第一訊號強度，其關聯於前述功率等級中的第一功率等級；取得前述訓練點中至少一個調適點的第二訊號強度，其關聯於前述功率等級中的第二功率等級；依據第一功率等級、第二功率等級、當前功率等級、第一訊號強度以及第二訊號強度，對每一個訓練點計算第三訊號強度；以及比對當前訊號強度和第三訊號強度，並依據室內環境以估計前述當前位置。

本揭露提供之電腦可讀取媒體具有用以使某個處理器執行多道指令的電腦程式碼，這些指令用以處理對一個室內環境的定位要求，此室內環境具有多個訓練點並設置有至少一個訊 號源，此訊號源具有多個功率等級。前述指令包含：取得當前訊號強度，其係依據於前述室內環境的某個當前位置所接收發射自前述訊號源的無線訊號；取得前述功率等級中該訊號源據以發射無線訊號的當前功率等級；取得前述訓練點每一個的第一訊號強度，其關聯於前述功率等級中的第一功率等級；取得前述訓練點中至少一個調適點的第二訊號強度，其關聯於前述功率等級中的第二功率等級；依據第一功率等級、第二功率等級、當前功率等級、第一訊號強度以及第二訊號強度，對每一個訓練點計算第三訊號強度；以及比對當前訊號強度和第三訊號強度，並依據室內環境以估計前述當前位置。

本揭露提供之室內定位系統用以對一個室內環境提供定位服務，此室內環境具有多個訓練點。所述室內定位系統包含至少一個訊號源、儲存裝置和定位裝置。訊號源設置於前述室內環境，具有多個功率等級，用以依據功率等級其中之一發射無線訊號。儲存裝置用以對每一個訓練點儲存第一訊號強度和對訓練點中至少一個調適點儲存第二訊號強度；第一訊號強度關聯於前述功率等級中的第一功率等級，第二訊號強度關聯於前述功率等級中的第二功率等級。定位裝置耦接儲存裝置，用以取得當前訊號強度，其係依據於前述室內環境的某個當前位置所接收發射自前述訊號源的無線訊號，用以取得前述功率等級中該訊號源據以發射無線訊號的當前功率等級，用以依據第一功率等級、第二功率等級、當前功率等級、第一訊號強度以及第二訊號強度，對 每一個訓練點計算第三訊號強度，以及用以比對當前訊號強度和第三訊號強度，並依據室內環境以估計前述當前位置。

綜上所述，本揭露提供之室內定位方法、室內定位系統與電腦可讀取媒體利用功率等級間的線性關係，以第一功率等級下的完整射頻地圖和第二功率等級下於少數訓練點(調適點)接收的訊號強度，即可動態產生任意當前功率等級下的射頻地圖。當室內環境存在多個訊號源時，射頻地圖上有更多的特徵可與當前訊號強度比對，增加估計當前位置的準確性。

以上之關於本揭露內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。

1‧‧‧室內定位系統

11、11a、11b、11c‧‧‧訊號源

13‧‧‧管理裝置

15‧‧‧定位裝置

17‧‧‧儲存裝置

2‧‧‧室內環境

21-26‧‧‧訓練點

第1圖係本揭露一室內定位系統實施例的高階方塊圖。

第2圖係本揭露一實施例中訊號源設置於一室內環境的示意圖。

第3圖係本揭露一室內定位方法實施例中離線階段的流程圖。

第4圖係本揭露一室內定位方法實施例中在線階段的流程圖。

以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且依據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖 式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之諸面向，但非以任何面向限制本揭露之範疇。

請參見第1圖。第1圖係本揭露一室內定位系統實施例的高階方塊圖。如第1圖所示，室內定位系統1包含至少一個訊號源11、管理裝置13、定位裝置15和儲存裝置17。訊號源11可以是某個無線本地迴路(wireless local loop)組成部分，如無線區域網路或全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access，簡稱WiMAX)的基地台或閘道器(gateway)，也可以屬於某個無線感測網路(wireless sensor network)，如符合ZigBee或ISA100.11a等標準的感測器。管理裝置13並非室內定位系統1之必要元件。在一實施例中，訊號源11受控於管理裝置13，包括由後者決定前者據以發射無線訊號的功率等級。在其他實施例中，訊號源11可依據網路狀態自我檢測和調整。定位裝置15處理對訊號源11所在的室內環境的定位要求，並選擇性地產生或提供前述的調適後的射頻地圖(包含第三訊號強度，見下文)。視管理裝置13存在與否，定位裝置15可直接透過管理裝置13向訊號源11詢問目前使用的功率等級，或由管理裝置13向定位裝置15提供此資訊。如前所述，儲存裝置17用以儲存第一功率等級下的完整射頻地圖(包含第一訊號強度)，和第二功率等級下於室內環境少數位置所取得的調適資料(包含第二訊號強度)。管理裝置13、定位裝置15和儲存裝置17三者 與室內環境不具有一定的地理關係，不像訊號源11必須設置於室內環境。這三者可以是專門設備，也可以部分實作於通用的伺服器或計算器(computer)上。

請參見第2圖。第2圖係本揭露一實施例中訊號源設置於室內環境的示意圖。如第2圖所示，室內環境2中分布著訓練點21至26，且設置有多個訊號源11a至11c。同時訓練點23和25被選作調適點。每個訊號源11a至11c都會發射自己的無線訊號。舉例而言，若在訓練點21上接收到來自訊號源11b的無線訊號，則對訓練點21記錄此無線訊號的訊號強度；若在訓練點26上沒有接收到來自訊號源11a的無線訊號，則可對訓練點26記錄訊號源11a的強度是零。如前所述，射頻地圖係對室內環境中每個訊號源記錄在各訓練點的訊號強度。室內環境2設置有六個訓練點21至26與三個訊號源11a至11c，因此整張射頻地圖應共有18筆數值。由於訊號源11a至11c在本揭露的調適計算上彼此獨立，為求簡潔，以下僅以訊號源11a為例代表說明本揭露之技術內容，凡本揭露所屬領域中具有通常知識應可輕易推及多個訊號源下如何完成室內定位。另外，訊號源11a可依據多個功率等級發射無線訊號，使得接收到的強度不同。舉例而言，訊號源11a可以有1至7共七個功率等級，相鄰的兩個功率等級對應有3分貝毫瓦(dBm)的功率差，如功率等級1代表-1dBm，功率等級2代表2dBm，至功率等級7代表17dBm，等同於0.78毫瓦(mW)至50毫瓦的發射功率。

請配合第1圖與第2圖參見第3圖。第3圖係本揭露一室內定位方法實施例中離線階段的流程圖。離線階段係為建立一張基本的射頻地圖和調適資料所需的多個步驟。如第3圖所示，首先於步驟S301中，在所有訓練點21至26接收訊號源11a以第一功率等級發射的無線訊號。第一功率等級可以是訊號源11a的預設值，也可以是手動或管理裝置13所設定的室內環境2常用或當用的值。對所有訓練點21至26皆記錄在其位置上的第一訊號強度即可形成於第一功率等級下的一射頻地圖。接著，於步驟S303中，更改訊號源11a的設定，使之改用第二功率等級發射無線訊號。最後，於步驟S305中，在訓練點(調適點)23和25上再次接收無線訊號以記錄第二訊號強度，此值即用以調適基於第一訊號強度的射頻地圖以產生調適資料。上述射頻地圖和調適資料皆可由儲存裝置17保管。請注意本揭露並不限定如何選擇調適點的個數和具體位置；某些選擇方式可能在後續定位的準確性上優於其他的。重點在於，選擇調適點的自由性使本揭露適用於各種規模的室內環境，使指紋式定位在空間上具可伸縮性(scalability)。

請配合第1圖與第2圖參見第4圖。第4圖係本揭露一室內定位方法實施例中在線階段的流程圖。在線階段係因應一定位要求以產生調適後的射頻地圖的多個步驟。當某個進入室內環境2的行動裝置(如行動電話、平板電腦或筆記型電腦)可能希望知道其於室內環境2中的當前位置而發出定位要求時，定 位要求由定位裝置15接收處理，定位裝置15於步驟S401中取得行動裝置於當前位置上所接收到來自訊號源11a的當前訊號強度。於步驟S403中，定位裝置15自管理裝置13或訊號源11a本身取得訊號源11a當前據以發射無線訊號的當前功率等級。於步驟S405中，定位裝置15自儲存裝置17取得基於第一功率等級的射頻地圖。於步驟S407中，定位裝置15判斷經詢問而得的當前功率等級與第一功率等級是否相同；若相同則直接以基本的射頻地圖和當前訊號強度進行比對，並且依據室內環境例如室內地圖，於步驟S413中估計當前位置，如不同則執行步驟S409，自儲存裝置17再取得調適資料。於步驟S411中，定位裝置15依據第一功率等級、第二功率等級、當前功率等級、第一訊號強度以及第二訊號強度，或依據調適資料與當前功率等級計算調適後的射頻地圖以用於步驟S413。

由於訊號源11a至11c的功率等級有限，因此在離線階段可假設不同的「第三功率等級」對所有訓練點21至26自動產生對所有功率等級的訊號強度，在線階段時定位裝置15則依據當前功率等級，取用對應數值以產生射頻地圖。

調適後的射頻地圖包含訓練點21至26的第三訊號強度，模擬出若在離線階段以當前功率等級發射無線訊號可於訓練點21至26分別測得的數值。在一實施例中，第三訊號強度是第一訊號強度加上一個調適項。在又一實施例中，此調適項可表示為： (1-w)．s．(l ₃-l ₁)+w．(a ₂-o ₁)．，其中w係一介於0與1的權重，s係功率等級中相鄰的兩個功率等級對應的功率差，l ₃係當前功率等級，l ₁係第一功率等級，a ₂係第二訊號強度，o ₁係第一訊號強度，l ₂係第二功率等級。以前述訊號源11a的規格範例而言，假設第一功率等級是1，第二功率等級是7，當前功率等級是6，則s=3dBm，l ₃=6，l ₁=1，l ₂=7，a ₂和o ₁的單位亦可換算為dBm。從上述表達式可發現調適項包含理論值(和s有關)與量測值(和a ₂、o ₁有關)，兩者以由決定的比例相加。

對某個訓練點計算第三訊號強度時，首先需選用最適合的調適點的第二訊號強度。一般而言所謂最適合指的是距離最短；如果訓練點本身就是調適點，顯然用本身的第二訊號強度最適合。依照訓練點與最適合的調適點的距離關係，可在離線階段或在線階段採用簡單的最佳化來求解權重w。在最佳化的過程中，目標函數(objective function)可以是經過交叉驗證(cross-validation)後的平均定位誤差。若在離線階段計算權重，亦可利用梯度下降法(gradient descent)、牛頓法(Newton's method)，甚至是啟發搜尋(heuristic search)逐步逼近，找出最佳解。權重亦可以是0至1間任意合理的值。當w大時，表示調適時給予實際量測的第二訊號強度較多的信任；這可能單純意味著訓練點和選用的調適點距離較近，也可能代表室內環境有無法預 測的因素使不同功率等級下的訊號強度較無線性關係。當w小時，除了與前述相反的理由，也可能表示第二訊號強度在離線階段量測時並不穩定，不應受到過度的信任。舉例而言，在室內環境2中，訓練點22和24配合的調適點可能都是訓練點23。若計算訓練點24的第三訊號強度時將設為0.6，則對訓練點22而言w可能是0.4，反映其與調適點的較遠距離。

綜上所述，本揭露提供之室內定位系統包含訊號源、定位裝置、儲存裝置以及選用的管理裝置，室內定位方法則可區分為離線階段和在線階段。取第一功率等級下的完整射頻地圖和第二功率等級下於少數訓練點接收的訊號強度，即可利用功率等級間的線性關係，於離線階段或在線階段進行調適射頻地圖的主要步驟，反映定位用訊號源的當前功率，足以達到減少指紋法的不匹配和定位誤差的目的。調適細部而言係對訓練點逐一由第一訊號強度計算出第三訊號強度，計算的過程考量訓練點與調適點的距離關係，調適點上第二訊號強度的穩定性，以及整體對第二訊號強度的信任。

雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims (19)

1. 一種室內定位方法，用以對一室內環境提供定位服務，該室內環境具有多個訓練點並設置有至少一訊號源，該訊號源具有多個功率等級，該室內定位方法包含：於一第一時段取得一當前訊號強度，該當前訊號強度係依據於該室內環境的一當前位置所接收發射自該訊號源的一無線訊號；取得該些功率等級中該訊號源於該第一時段據以發射該無線訊號的一當前功率等級；取得每一該訓練點的一第一訊號強度，該第一訊號強度關聯於該些功率等級中一第一功率等級，取得該些訓練點中至少一調適點的一第二訊號強度，該第二訊號強度關聯於該些功率等級中一第二功率等級；依據該第一功率等級、該第二功率等級、該當前功率等級、該第一訊號強度以及該第二訊號強度，對每一該訓練點計算一第三訊號強度；以及比對該當前訊號強度和該第三訊號強度，並依據該室內環境以估計該當前位置。
2. 如請求項1所述的室內定位方法，其中該第三訊號強度係該第一訊號強度加上一調適項。
3. 如請求項2所述的室內定位方法，其中該調適項係依據一表達式獲得，該表達式為： (1-w)．s．(l ₃-l ₁)+w．(a ₂-o ₁)．；其中w係一權重，該權重介於0與1，s係該些功率等級中相鄰的兩個功率等級對應的功率差，l ₃係該當前功率等級，l ₁係該第一功率等級，a ₂係該第二訊號強度，o ₁係該第一訊號強度，l ₂係該第二功率等級。
4. 如請求項3所述的室內定位方法，其中當存在多個調適點時，對每一該訓練點計算該第三訊號強度係依據最接近該訓練點的該些調適點其中之一的該第二訊號強度。
5. 如請求項4所述的室內定位方法，其中該權重係依據該些調適點與該些訓練點的距離，或該第二訊號強度隨時間的一變異數而設定。
6. 如請求項1所述的室內定位方法，其中於取得每一該訓練點的該第一訊號強度的步驟後，更包含：判斷該當前訊號等級與該第一功率等級是否相同；其中當該當前訊號等級與該第一功率等級不相同時，取得該些訓練點中至少一該調適點的該第二訊號強度；其中當該當前訊號等級與該第一功率等級相同時，比對該當前訊號強度和該第三訊號強度，並依據該室內環境以估計該當前位置。
7. 如請求項1所述的室內定位方法，更包含： 於一第二時段於該些訓練點接收該無線訊號，以對每一該訓練點記錄該第一訊號強度，該無線訊號係該訊號源於該第二時段依據該第一功率等級所發射，該第二時段早於該第一時段；於一第三時段設定該訊號源，使該訊號源於該第三時段依據該第二功率等級發射該無線訊號，該第三時段晚於該第二時段且早於該第一時段；以及於該第三時段於該些訓練點中至少一該調適點接收該無線訊號，以對該調適點記錄該第二訊號強度。
8. 一種電腦可讀取媒體，具有用以使一處理器執行多個指令的電腦程式碼，該些指令用以處理對一室內環境的定位要求，該室內環境具有多個訓練點並設置有至少一訊號源，該訊號源具有多個功率等級，該些指令包含：取得一當前訊號強度，該當前訊號強度係依據於該室內環境的一當前位置所接收發射自該訊號源的一無線訊號；取得該些功率等級中該訊號源據以發射該無線訊號的一當前功率等級；取得每一該訓練點的一第一訊號強度，該第一訊號強度關聯於該些功率等級中一第一功率等級；取得該些訓練點中至少一調適點的一第二訊號強度，該第二訊號強度關聯於該些功率等級中一第二功率等級； 依據該第一功率等級、該第二功率等級、該當前功率等級、該第一訊號強度以及該第二訊號強度，對每一該訓練點計算一第三訊號強度；以及比對該當前訊號強度和該第三訊號強度，並依據該室內環境以估計該當前位置。
9. 如請求項8所述的電腦可讀取媒體，其中該第三訊號強度係該第一訊號強度加上一調適項。
10. 如請求項9所述的電腦可讀取媒體，其中該調適項係依據一表達式獲得，該表達式為：(1-w)．s．(l ₃-l ₁)+w．(a ₂-o ₁)．；其中w係一權重，該權重介於0與1，s係該些功率等級中相鄰的兩個功率等級對應的功率差，l ₃係該當前功率等級，l ₁係該第一功率等級，a ₂係該第二訊號強度，o ₁係該第一訊號強度，l ₂係該第二功率等級。
11. 如請求項10所述的電腦可讀取媒體，其中當存在多個調適點時，對每一該訓練點計算該第三訊號強度係依據最接近該訓練點的該些調適點其中之一的該第二訊號強度。
12. 如請求項11所述的電腦可讀取媒體，其中該權重係依據該調適點與該訓練點的距離，或該第二訊號強度隨時間的一變異數而設定。
13. 如請求項8所述的電腦可讀取媒體，其中於取得每一該訓練點的該第一訊號強度的指令後，該些指令更包含：判斷該當前訊號等級與該第一功率等級是否相同；其中當該當前訊號等級與該第一功率等級不相同時，取得該些訓練點中至少一該調適點的該第二訊號強度；其中當該當前訊號等級與該第一功率等級相同時，比對該當前訊號強度和該第三訊號強度，並依據該室內環境以估計該當前位置。
14. 一種室內定位系統，用以對一室內環境提供定位服務，該室內環境具有多個訓練點，該室內定位系統包含：至少一訊號源，設置於該室內環境，具有多個功率等級，用以依據該些功率等級其中之一發射一無線訊號；一儲存裝置，用以對每一該訓練點儲存一第一訊號強度，並用以對該些訓練點中至少一調適點儲存一第二訊號強度，該第一訊號強度關聯於該些功率等級中一第一功率等級，該第二訊號強度關聯於該些功率等級中一第二功率等級；以及一定位裝置，耦接該儲存裝置，用以取得一當前訊號強度，該當前訊號強度係依據於該室內環境的一當前位置所接收發射自該訊號源的一無線訊號；用以取得該些功率等級中該訊號源據以發射該無線訊號的一當前功率等級；用以依據該第一功率等級、該第二功率等級、該當前功率等級、該第 一訊號強度以及該第二訊號強度，對每一該訓練點計算一第三訊號強度；以及用以比對該當前訊號強度和該第三訊號強度，並依據該室內環境以估計該當前位置。
15. 如請求項14所述的室內定位系統，其中該第三訊號強度係該第一訊號強度加上一調適項。
16. 如請求項15所述的室內定位系統，其中該定位裝置係依據一表達式獲得該調適項，該表達式為：(1-w)．s．(l ₃-l ₁)+w．(a ₂-o ₁)．；其中w係一權重，該權重介於0與1，s係該些功率等級中相鄰的兩個功率等級對應的功率差，l ₃係該當前功率等級，l ₁係該第一功率等級，a ₂係該第二訊號強度，o ₁係該第一訊號強度，l ₂係該第二功率等級。
17. 如請求項16所述的室內定位系統，其中當存在多個調適點時，該定位裝置對每一該訓練點計算該第三訊號強度係依據最接近該訓練點的該些調適點其中之一的該第二訊號強度。
18. 如請求項17所述的室內定位系統，其中該定位裝置係依據該些調適點與該些訓練點的距離或該第二訊號強度隨時間的一變異數而設定該權重。
19. 如請求項14所述的室內定位系統，更包含：一管理裝置，用以設定該訊號源，使該訊號源依據該些功率等級其中之一發射該無線訊號； 其中該定位裝置係自或透過該管理裝置取得該當前功率等級。