TWI544822B - 訊號強度分佈建立方法及無線定位系統 - Google Patents

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Description

訊號強度分佈建立方法及無線定位系統
本發明係指一種訊號強度分佈建立方法及無線定位系統，尤指一種有效率且正確地建立訊號強度分佈圖之訊號強度分佈建立方法及無線定位系統。
在無線通訊系統中，定位技術可用來估測終端裝置的位置，以提升無線收發效率，常見的定位技術包含收訊時間法(或稱訊號傳送時間，Time of Arrival，TOA)、收訊角度法(Angle of Arrival，AOA)及收訊強度法(Received Signal Strength，RSS)等。收訊時間法係以三個基地台所量測之接收訊號的傳播時間乘上傳播速度，分別求得基地台與目標物的距離，接著以各個基地台為圓心，與目標物的距離為半徑畫圓，三圓的交會點即目標物的位置；收訊角度法係決定兩個基地台所量測之接收訊號的來源方向，並以各個基地台的位置為起點形成一直線，兩直線的交會點即目標物的位置；收訊強度法則是根據行動裝置所量測之訊號強度量測值，求得基地台與目標物的距離，進而判斷目標物的位置。
在室內環境中，由於擺設複雜，其中的無線電訊號傳播多屬於非直視(或稱非視線可及，Non-Line of Sight，NLOS)傳播，並且多路徑(Multipath)效應也相當明顯。上述收訊時間法及收訊角度法受多路徑效應的影響較大，估測目標物的位置時容易產生誤差。相對來說，當目標物移動時，其接收訊號強度的變化容易預測，因此收訊強度法較收訊時間法及收訊角度法更適用於室內無線定位系統。
收訊強度法除了利用行動裝置量測之訊號強度量測值外，需建立訊號強度分佈圖(即無線電地圖)，以根據訊號強度分佈圖，分別求得基地台與目標物的距離，接著以各個基地台為圓心，與目標物的距離為半徑畫圓，決定目標物的位置。在習知技術中，為了取得訊號強度分佈圖，需透過行動裝置在室內空間中的不同量測位置量測來自複數個基地台的訊號強度量測值，並根據訊號強度量測值以內插的方式計算非量測位置的訊號強度值。在此情形下，訊號強度分佈圖的精準度取決於量測位置的數量。一般而言，量測位置設置的數量越多，可獲得較符合實際訊號強度分佈的訊號強度分佈圖，而實際上，量測位置設置的數量通常相當有限。另一方面，非量測位置的訊號強度通常是根據量測位置的訊號強度量測值進行線性內插而得，線性內插雖然有便於計算的優點，但線性內插的缺點是過度簡化量測位置間之訊號強度變化，造成計算出的訊號強度分佈圖與實際的訊號強度分佈有誤差，而未能反應真實的訊號強度分佈。因此，如何有效率且正確地建立訊號強度分佈圖也就成為業界所努力的目標之一。
因此，本發明之主要目的在於提供一種訊號強度分佈建立方法及無線定位系統，其可有效率且正確地建立訊號強度分佈圖。
本發明揭露一種訊號強度分佈建立方法，用於一無線定位系統，該無線定位系統包含複數個基地台，該訊號強度分佈建立方法包含有建立對應於該複數個基地台之複數個分佈函數，其中該複數個分佈函數描述該複數個基地台所發射訊號之訊號強度分佈情形；於一空間中至少一量測位置量測來自該複數個基地台之複數個訊號強度，以取得複數個訊號強度量測值；根據對應於該至少一量測位置之該複數個訊號強度量測值，調整該複數個分佈函數；根據調整後之該複數個分佈函數，計算對應於該空間中複數個位置之複數個訊號強度估測值，其中該複數個位置與該至少一量測位置相異；以及根據該複數個訊號強度量測值與該複數個訊號強度估測值，建立對應於該空 間之一訊號強度分佈圖。
本發明另揭露一種無線定位系統，用來建立一訊號強度分佈圖，包含有複數個基地台，設置於一空間；至少一行動裝置，用來於該空間中至少一量測位置量測來自該複數個基地台之複數個訊號強度量測值，並將複數個訊號強度量測值傳送至該複數個基地台；一協調控制裝置，耦接於該複數個基地台，以接收該複數個訊號強度量測值，該協調控制裝置用來執行以下步驟：建立對應於該複數個基地台之複數個分佈函數，其中該複數個分佈函數描述該複數個基地台所發射訊號之訊號強度分佈情形；根據對應於該至少一量測位置之該複數個訊號強度量測值，調整該複數個分佈函數；根據調整後之該複數個分佈函數，計算對應於該空間中複數個位置之複數個訊號強度估測值，其中該複數個位置與該至少一量測量測位置相異；以及根據該複數個訊號強度量測值與該複數個訊號強度估測值，建立對應於該空間之該訊號強度分佈圖。
10‧‧‧無線定位系統
AP_1~AP_n‧‧‧基地台
100‧‧‧行動裝置
102‧‧‧協調控置裝置
mp_1~mp_m‧‧‧量測位置
20‧‧‧流程
200~212‧‧‧步驟
第1圖為本發明實施例一無線定位系統之示意圖。
第2圖為本發明實施例一訊號強度分佈建立流程之示意圖。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一無線定位系統10之示意圖。無線定位系統10包含基地台AP_1~AP_n、一行動裝置100及一協調控置裝置102。基地台AP_1~AP_n可為無線存取點，用來發射與接收無線訊號，基地台AP_1~AP_n設置於一空間104中，如賣場、大型倉庫、圖書館等空間，且空間104中規劃有量測位置mp_1~mp_m。行動裝置100可於空間104中的量測位置mp_1~mp_m量測來自基地台AP_1~AP_n之無線訊號，並將量測結果傳送至協調控置裝置102。協調控置裝置102為具運算功能之一電腦主機或是一伺服器，協調控置裝置102耦接於基地台AP_1~AP_n， 用來根據量測結果執行相關運算以建立對應於空間104之一訊號強度分佈圖，另外，協調控置裝置102可指示基地台AP_1~AP_n發送無線訊號以供行動裝置100量測，並接收行動裝置100之量測結果。無線定位系統10可根據訊號強度分佈圖判斷一目標裝置於空間104中相對於基地台AP_1~AP_n之位置。
具體來說，請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一流程20之示意圖。流程20用來建立對應於空間104之訊號強度分佈圖，可透過無線定位系統10執行。如第2圖所示，流程20包含以下步驟：
步驟200：開始。
步驟202：協調控置裝置102建立對應於基地台AP_1~AP_n之分佈函數F 1(x)~F n (x)。
步驟204：行動裝置100於量測位置mp_1~mp_m量測來自基地台AP_1~AP_n之複數個訊號強度，以取得訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm。
步驟206：協調控置裝置102根據對應於量測位置mp_1~mp_m之訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm，調整分佈函數F 1(x)~F n (x)。
步驟208：協調控置裝置102根據調整後之分佈函數F 1(x)~F n (x)，計算對應於空間104中複數個位置之複數個訊號強度估測值RSSe，其中該複數個位置與量測位置mp_1~mp_m相異。
步驟210：協調控置裝置102根據訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm與複數個訊號強度估測值RSSe，建立對應於空間104之一訊號強度分佈圖。
步驟212：結束。
詳細來說，於步驟202中，協調控置裝置102建立對應於基地台AP_1~AP_n之分佈函數F 1(x)~F n (x)。具體來說，協調控置裝置102先取得空間104之空間配置地圖以及基地台AP_1~AP_n之位置資訊，並根據預先 建立的訊號強度分佈模型，以建立對應於基地台AP_1~AP_n之分佈函數F 1(x)~F n (x)，其中，x代表空間104中一座標位置。舉例來說，一管理人員可透過協調控置裝置102之一軟體輸入空間104之空間地圖，並於空間地圖標記基地台AP_1~AP_n之實際座標c 1~c n，以利後續運算。訊號強度分佈模型係描述無線訊號自發射後於基地台周圍區域之強度衰減情形，而分佈函數F 1(x)~F n (x)描述基地台AP_1~AP_n所發射訊號之訊號強度分佈情形(即訊號強度衰減情形)。考量基地台周圍區域之訊號衰減程度相關於無線訊號之傳播距離的情況下，協調控置裝置102可利用一徑向基函數(x)(Radial Basis Function，RBF)當作預先建立之訊號強度分佈模型，其中，徑向基函數(x)僅相關於空間中座標位置x與原點(即基地台)之距離(即(x)=(∥x∥)，其中∥x∥表示座標位置x與原點之距離)。在此情形下，分佈函數F 1(x)~F n (x)係以基地台AP_1~AP_n之位置為中心之徑向基函數，更精確地來說，分佈函數F 1(x)~F n (x)正比於以基地台AP_1~AP_n之位置為中心之徑向基函數；以分佈函數F i (x)為例，F i (x)=a i (∥x-c i ∥)，其中a i 表示分佈函數F i (x)與徑向基函數(∥x-c i ∥)之間的比值。換句話說，協調控置裝置102根據基地台AP_1~AP_n之實際座標c 1~c n及徑向基函數(x)，建立分佈函數F 1(x)~F n (x)。
更進一步地，為了使訊號強度分佈模型更能符合室內空間中無線訊號之衰減情形，協調控置裝置102可用一薄板仿樣(Thin Plate Spline，TPS)函數U TPS(x)預先建立訊號強度分佈模型，其中薄板仿樣函數可表示為U TPS(x)=∥x∥2 ln(∥x∥)。在此情形下，分佈函數F 1(x)~F n (x)正比於以基地台AP_1~AP_n為中心之薄板仿樣函數，即F i (x)=a i U TPS(∥x-c i ∥)， i={1,...,n}。
於步驟204中，行動裝置100於量測位置mp_1~mp_m量測來自基地台AP_1~AP_n之訊號強度，以取得訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm，其中，以量測位置mp_k為例，SSm_1k~SSm_nk代表行動裝置100於量測 位置mp_k量測來自基地台AP_1~AP_n之訊號強度量測值。具體來說，行動裝置100於量測位置mp_1~mp_m分別量測來自基地台AP_1~AP_n之訊號強度並取得訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm後，可直接將訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm傳送至協調控置裝置102，或是先將訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm傳送至基地台AP_1~AP_n再由基地台AP_1~AP_n傳送至協調控置裝置102。協調控置裝置102將根據行動裝置100所在的量測位置mp_1~mp_m，紀錄對應於量測位置mp_1~mp_m的訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm。
於步驟206中，協調控置裝置102根據對應於量測位置mp_1~mp_m之訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm，調整分佈函數F 1(x)~F n (x)。具體來說，以基地台AP_i為例，協調控置裝置102根據行動裝置100於量測位置mp_1~mp_m所量測之訊號強度量測值SSm_i1~SSm_im，調整對應於基地台AP_i之分佈函數F i (x)與徑向基函數(∥x-c i ∥)(即薄板仿樣函數U TPS(∥x-c i ∥))之間的比值a i 。比值a i 可用統計估測的方式估測出來，換句話說，協調控置裝置102可根據訊號強度量測值SSm_i1~SSm_im，利用最小平方法(Least Square Method)、最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)、最大相似度(Maximum Likelihood)或其他方法以取得比值a i ，進而調整分佈函數F 1(x)~F n (x)。
於步驟208中，協調控置裝置102根據調整後之分佈函數F 1(x)~F n (x)，計算對應於空間104中複數個位置之複數個訊號強度估測值RSSe，其中該複數個位置與量測位置mp_1~mp_m相異。具體來說，以空間104中相異於量測位置mp_1~mp_m之一座標位置x 0為例，於座標位置x 0，協調控置裝置102根據調整後之分佈函數F 1(x)~F n (x)，取得分佈函數值F 1(x 0)~F n (x 0)，除此之外，協調控置裝置102另外產生一組加權係數w 1~w n ，用來將對應於座標位置x 0之分佈函數值F 1(x 0)~Fn(x 0)加權平均後以取得對應於座 標位置x 0之一訊號強度估測值RSSe，換句話說，對應於座標位置x 0之訊號強度估測值RSSe可表示為。以此類推，對於空間104中相異於量測位置mp_1~mp_m之複數個位置，協調控置裝置102可根據調整後之分佈函數F 1(x)~F n (x)取得分佈函數值，再利用加權平均的方式計算出對應於複數個位置之複數個訊號強度估測值RSSe。
更進一步地，(以空間104中座標位置x 0為例)加權係數w 1~w n 代表協調控置裝置102對於分佈函數值F 1(x 0)~F n (x 0)可信程度(Confidence Level)，即加權係數w k 越大代表協調控置裝置102對於分佈函數值F k (x 0)可信程度越大，同時加權係數w 1~w n 可具有的性質。加權係數w 1~w n 可視系統需求或實際情況而有不同的選擇，舉例來說，若協調控置裝置102依據訊號強度的大小來決定對於分佈函數值F 1(x 0)~F n (x 0)可信程度，即可選定加權係數 W1~w n 正比於分佈函數值F 1(x 0)~F n (x 0)，即w j =sF j (x 0)， j={1,...,n}，其中係數s需經適當調整後以滿足。另一方面，若協調控置裝置102依據座標位置x 0與基地台AP_1~AP_n之間的距離d 1~d n 來決定對於分佈函數值F 1(x 0)~F n (x 0)可信程度，即可選定加權係數w 1~w n 正比於距離d 1~d n ，即w j =tF j (x 0)， j={1,...,n}，其中係數t需經適當調整後以滿足。
於步驟210中，協調控置裝置102可結合對應於量測位置mp_1~mp_m的訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm與對應於空間104中相異於量測位置mp_1~mp_m之複數個位置之複數個訊號強度估測值RSSe，建立對應於空間104之訊號強度分佈圖。其中，協調控置裝置102可將對應於量測位置mp_1~mp_m之訊號強度量測值SSm_11~SSm_nm利用上述加權平均方式，取得對應於量測位置mp_1~mp_m之訊號強度綜合值SSc_1~SSc_m。舉例來說，以量測位置mp_k為例，對應於量測位置mp_k之訊號強度量測值 SSm_1k~SSm_nk可以加權平均的方式結合成為對應於量測位置mp_k之訊號強度綜合值SSc_k，以此類推，即可得對應於量測位置mp_1~mp_m之訊號強度綜合值SSc_1~SSc_m。如此一來，協調控置裝置102即可結合對應於量測位置mp_1~mp_m的訊號強度綜合值SSc_1~SSc_m與對應於空間104中相異於量測位置mp_1~mp_m之複數個位置之複數個訊號強度估測值RSSe，建立對應於空間104之訊號強度分佈圖。
透過流程20，無線定位系統10可於一空間中建立對應於空間104之訊號強度分佈圖。更進一步地，當一目標裝置進入空間104並提出定位請求時，無線定位系統10即可根據所建立之訊號強度分佈圖以及目標裝置所量測到的訊號強度，判斷目標裝置與基地台AP_1~AP_n的距離，接著分別以基地台AP_1~AP_n為圓心，以目標裝置與基地台AP_1~AP_n的距離為半徑畫圓，進而判斷目標裝置於空間104中相對於基地台AP_1~AP_n之位置。藉由流程20，無線定位系統10可根據少數量測位置的訊號強度量測值，並正確地建立訊號強度分佈圖，有效減少量測位置的數量及量測位置間因線性內插所帶來的誤差，增加訊號強度分佈圖的正確性。
另外，無線定位系統10中協調控置裝置102的實現方式不限於特定結構。一般來說，協調控置裝置102可包含一處理器以及一儲存單元，儲存單元包含一程式碼，該程式碼用來指示處理器執行上述建立分佈函數F 1(x)~F n (x)、調整分佈函數F 1(x)~F n (x)、計算複數個訊號強度估測值RSSe、建立訊號強度分佈圖等步驟。其中，處理器可為中央處理器、數位訊號處理器或是特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit，ASIC)。儲存單元可為唯讀式記憶體(read-only memory，ROM)、隨機存取記憶體(random-access memory，RAM)、非揮發性記憶體(non-volatile memory，例如，一電子抹除式可複寫唯讀記憶體(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)或一快閃記憶體(flash memory))、光碟唯讀記憶體(CD-ROMs)、磁帶(magnetic tapes)、軟碟(floppy disks)、光學資料儲存 裝置(optical data storage devices)等，而不限於此。
需注意的是，前述實施例係用以說明本發明之概念，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。舉例來說，無線定位系統可包含複數個用來量測基地台的訊號強度行動裝置，而不限於包含單一行動裝置，另外，在前述實施例中，空間中設置有複數個量測位置，然而並不限於此，該空間中可僅設置單一量測位置，亦屬於本發明之範疇。訊號強度分佈模型不限於使用薄板仿樣函數，亦可使用高斯函數、二次多變函數、多諧曲線函數等，或是利用統計學習方法針對不同的無線傳播環境，建立其他函數，用來當作預先建立之訊號強度分佈模型，而不限於此。
在習知技術中，訊號強度分佈圖的精準度取決於量測位置設置的數量，為了獲得較符合實際訊號強度分佈的訊號強度分佈圖，需設置透過大量之量測位置。相較之下，本發明之訊號強度分佈建立方法透過預先建立的訊號強度分佈模型，可根據少數量測位置的訊號強度量測值建立訊號強度分佈圖，同時可降低於量測位置間因線性內插所帶來的誤差。
綜上所述，本發明根據徑向基函數為訊號強度分佈模型建立基地台周圍之訊號強度分佈函數，根據對應於量測位置之訊號強度量測值調整分佈函數，並根據調整後之分佈函數計算對應於該空間中複數個位置之複數個訊號強度估測值，最後合併量測位置之訊號強度量測值及非量測位置之訊號強度估測值，以建立對應於空間之訊號強度分佈圖。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
20‧‧‧流程
200~212‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種訊號強度分佈建立方法，用於一無線定位系統，該無線定位系統包含複數個基地台，該訊號強度分佈建立方法包含有：建立對應於該複數個基地台之複數個分佈函數，其中該複數個分佈函數描述該複數個基地台所發射訊號之訊號強度分佈情形；於一空間中至少一量測位置量測來自該複數個基地台之複數個訊號強度，以取得複數個訊號強度量測值；根據對應於該至少一量測位置之該複數個訊號強度量測值，調整該複數個分佈函數；根據調整後之該複數個分佈函數，計算對應於該空間中複數個位置之複數個訊號強度估測值，其中該複數個位置與該至少一量測位置相異；以及根據該複數個訊號強度量測值與該複數個訊號強度估測值，建立對應於該空間之一訊號強度分佈圖。
  2. 如請求項1所述之訊號強度分佈建立方法，其中建立對應於該複數個基地台之該複數個分佈函數的步驟包含有：取得對應於該複數個基地台之複數個基地台位置資訊；以及根據該複數個基地台位置資訊及一徑向基函數(Radial Basis Function，RBF)，建立對應於該複數個基地台之複數個分佈函數。
  3. 如請求項2所述之訊號強度分佈建立方法，其中該徑向基函數為一薄板仿樣(Thin Plate Spline，TPS)函數。
  4. 如請求項2所述之訊號強度分佈建立方法，其中根據該至少一量測位置及該複數個訊號強度量測值，調整該複數個分佈函數的步驟係根據該至少一量測位置及該複數個訊號強度量測值調整該複數個分佈函數與該徑向基函數的比值。
  5. 如請求項1所述之訊號強度分佈建立方法，其中根據調整後之該複數個分佈函數，計算對應於該空間中複數個位置之複數個訊號強度估測值的步驟包含有：根據調整後之該複數個分佈函數，取得對應於該複數個位置之複數個分佈函數值；產生對應於該複數個分佈函數值之複數個加權係數；以及根據該複數個分佈函數值及該複數個加權係數，計算對應於該複數個位置之該複數個訊號強度估測值。
  6. 如請求項5所述之訊號強度分佈建立方法，其中該複數個加權係數相關於該複數個分佈函數值。
  7. 如請求項1所述之訊號強度分佈建立方法，其中該訊號強度分佈圖用來定位一目標裝置於該空間相對於該複數個基地台之位置。
  8. 一種無線定位系統，用來建立一訊號強度分佈圖，包含有：複數個基地台，設置於一空間；至少一行動裝置，可於該空間中至少一量測位置量測來自該複數個基地台之複數個訊號強度量測值，並將複數個訊號強度量測值傳送至該複數個基地台；一協調控制裝置，耦接於該複數個基地台，以接收該複數個訊號強度量測值，該協調控制裝置用來執行以下步驟：建立對應於該複數個基地台之複數個分佈函數，其中該複數個分佈函數描述該複數個基地台所發射訊號之訊號強度分佈情形；根據對應於該至少一量測位置之該複數個訊號強度量測值，調整該複數個分佈函數；根據調整後之該複數個分佈函數，計算對應於該空間中複數個位置之複數個訊號強度估測值，其中該複數個位置與該至少一量測位置相異；以及 根據該複數個訊號強度量測值與該複數個訊號強度估測值，建立對應於該空間之該訊號強度分佈圖。
  9. 如請求項8所述之無線定位系統，其中該協調控制裝置另用來執行以下步驟，以建立對應於該複數個基地台之該複數個分佈函數：取得對應於該複數個基地台之複數個基地台位置資訊；以及根據該複數個基地台位置資訊及一徑向基函數(Radial Basis Function，RBF)，建立對應於該複數個基地台之複數個分佈函數。
  10. 如請求項9所述之無線定位系統，其中該徑向基函數為一薄板仿樣(Thin Plate Spline，TPS)函數。
  11. 如請求項9所述之無線定位系統，其中根據該至少一量測位置及該複數個訊號強度量測值，調整該複數個分佈函數的步驟係根據該至少一量測位置及該複數個訊號強度量測值調整該複數個分佈函數與該徑向基函數的比值。
  12. 如請求項8所述之無線定位系統，其中該協調控制裝置另用來執行以下步驟，以根據調整後之該複數個分佈函數，計算對應於該空間中複數個位置之複數個訊號強度估測值：根據調整後之該複數個分佈函數，取得對應於該複數個位置之複數個分佈函數值；產生對應於該複數個分佈函數值之複數個加權係數；以及根據該複數個分佈函數值及該複數個加權係數，計算對應於該複數個位置之該複數個訊號強度估測值。
  13. 如請求項12所述之無線定位系統，其中該複數個加權係數相關於該複數個分佈函數值。
  14. 如請求項8所述之無線定位系統，其中該訊號強度分佈圖用來定位一目標裝置於該空間相對於該複數個基地台之位置。
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