專利名稱：以定義搜索區(qū)域來優(yōu)化定位計算為特征的無線節(jié)點定位機制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及估計無線節(jié)點在射頻(RF)環(huán)境中的位置，更具體地說，涉及用于無線節(jié)點定位機制的方法、裝置和系統(tǒng)，其中無線節(jié)點定位機制定義搜索區(qū)域以輔助與估計無線節(jié)點的位置相關(guān)聯(lián)的計算。
背景技術(shù)：
隨著來自廣泛背景和垂直產(chǎn)業(yè)的用戶已將無線LAN(WLAN)技術(shù)帶入他們的家庭、辦公室，并且不斷地帶入公開開放空間，該技術(shù)的市場采納越來越大。這種改變在全球范圍內(nèi)不僅突出了較早的系統(tǒng)的限制，而且突出了WLAN技術(shù)現(xiàn)在在人們的工作和生活中扮演的角色的改變。實際上，WLAN正從方便的網(wǎng)絡(luò)改變成商業(yè)關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)。日益增加的用戶正依賴WLAN提高它們的通信和應(yīng)用的時機和生產(chǎn)率，并且在完成這些任務(wù)時，要求來自它們的網(wǎng)絡(luò)的更多的可視能力、安全性、管理和性能。
隨著輕量便攜式計算設(shè)備和高速WLAN的快速增多，已使得用戶能夠保持到各種網(wǎng)絡(luò)資源的連接，同時在整個建筑物或者其他物理位置漫游。WLAN提供的移動性已產(chǎn)生了作為移動用戶的物理位置的功能的服務(wù)和應(yīng)用中的令人感興趣之處。這種應(yīng)用的示例包括在最近的打印機上打印文檔、定位移動用戶、顯示四周的地圖，以及引導(dǎo)用戶進入一個建筑。所要求的或期望的位置信息的粒度隨應(yīng)用而變。實際上，選擇最近的網(wǎng)絡(luò)打印機或者定位欺詐接入點(rogue access point)的應(yīng)用所要求的精度通常要求能夠確定移動臺位于哪個房間的能力。因此，多數(shù)努力專注于提高無線節(jié)點定位機制的精度。
使用無線電信號來估計無線設(shè)備或節(jié)點的位置是已知的。例如，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機通過利用三角測量法測量它相對于發(fā)射無線電信號的四顆衛(wèi)星的位置從而獲得位置信息。GPS接收機基于無線電信號從衛(wèi)星傳輸?shù)皆摻邮諜C所花費的時間(即，到達時間差(TDOA)計算)估計與每顆衛(wèi)星之間的距離。信號傳播時間通過確定對衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機信號和在GPS接收機處接收到的信號進行同步所要求的時間偏移而被估算出。盡管三角計算僅要求到三個點的距離測量，但是到第四顆衛(wèi)星的額外距離測量用于糾錯。
無線發(fā)射機和接收機之間的距離也可以基于接收到的信號的強度而被估計出，或者更精確地基于所觀察到的無線電信號的衰減而被估計出。信號衰減是指信號通過其傳輸路徑由于諸如地形、障礙物和環(huán)境狀況等各種因素而變?nèi)酢Ｒ话愣?，無線電信號的幅度或功率隨著其從其源傳輸而變?nèi)酢Ｔ诎l(fā)射機和接收機之間傳送的電磁波所經(jīng)受的衰減被稱作路徑損耗。路徑損耗可能是由于許多影響所致，例如，自由空間損耗、折射、反射和吸收。
在企業(yè)環(huán)境中，大多位置跟蹤系統(tǒng)基于RF三角計算或者RF指紋技術(shù)。RF三角計算基于檢測出的附近的接入點(AP)的信號強度來計算移動臺的位置。假設(shè)信號強度是接近程度的因子，這在某些RF環(huán)境中的確如此。但是，在室內(nèi)RF環(huán)境(其包括墻壁、窗戶和其他RF障礙物)中遇到的多徑現(xiàn)象給使用三角計算的定位系統(tǒng)帶來了某些困難，這是由于RF信號的反射和吸收影響了信號強度和接近程度的相關(guān)性。RF指紋將移動臺或者接入點觀察到的RF環(huán)境(即，由基礎(chǔ)設(shè)施接入點或者移動臺發(fā)射的信號的強度)與包含所覆蓋的區(qū)域的RF物理模型的數(shù)據(jù)庫進行比較。該數(shù)據(jù)庫一般利用廣泛的站點調(diào)查、覆蓋區(qū)域的RF預(yù)測模型和其他統(tǒng)計技術(shù)填充。例如，Bahl等的“A Software System for Locating Mobile UsersDesign，Evaluation，and Lessons”(http://research.microsoft.com/～bahl/Papers/Pdf/radar.pdf)描述了一種WLAN環(huán)境中的RF定位系統(tǒng)(RADAR系統(tǒng))。該系統(tǒng)允許移動臺在WLAN環(huán)境中跟蹤其自己相對于接入點的位置。
RADAR系統(tǒng)依賴于所謂的無線電圖，該無線電圖是建筑物內(nèi)的位置和在那些位置處觀察到的或者估計出的從接入點散發(fā)出的信標分組的信號強度的數(shù)據(jù)庫。例如，無線電圖中的一個條目看起來可能象(x，y，z，ssi(I＝1…n))，其中(x，y，z)是信號被記錄的位置的物理坐標，而ssi是從第i個接入點散發(fā)出的信標信號的信號強度。根據(jù)Bahl等，無線電圖可以是基于對在各個位置處的基礎(chǔ)設(shè)施無線電發(fā)射的信號的啟發(fā)式評估根據(jù)經(jīng)驗創(chuàng)建的，或者是利用室內(nèi)RF信號傳播的數(shù)學(xué)模型以數(shù)學(xué)方式創(chuàng)建的。為了實時定位移動用戶的位置，移動臺測量在范圍內(nèi)的每個接入點的信號強度。移動臺然后利用所檢測出的信號強度在無線電圖中搜索所有位置來找到具有最佳匹配的位置。Bahl等還描述了對檢測出的信號強度采樣進行平均，以及利用基于跟蹤歷史的算法，來提高位置估計的精度。
計算RADAR系統(tǒng)的無線電圖中的與移動臺觀察到的信號強度最符合的位置可能是想當計算密集的，尤其是RF環(huán)境的邊界和/或無線電圖中的位置坐標的粒度增加時。RADAR系統(tǒng)中的客戶端應(yīng)用在整個無線電圖中搜索最符合的位置坐標。盡管這種境況不代表RADAR系統(tǒng)的基本限制，其涉及有限數(shù)量的接入點和位置箱(location bin)，但是這種未優(yōu)化的搜索算法不能擴展到大的無線網(wǎng)絡(luò)布署，在這種大的無線網(wǎng)絡(luò)布署中，在每個接入點的覆蓋圖中可能包括數(shù)百到數(shù)千個接入點和數(shù)百個位置箱。換言之，檢查每個可能作為最佳匹配的位置所要求的計算量隨RF環(huán)境的大小和RF環(huán)境內(nèi)的接入點的數(shù)目增長。實際上，在大的無線網(wǎng)絡(luò)布署中(下面將更全面地討論)，定位無線節(jié)點可能涉及檢查數(shù)百萬到數(shù)千萬個可能的位置來找到最佳匹配位置。此外，根據(jù)RADAR系統(tǒng)，支持無線節(jié)點定位所要求的數(shù)據(jù)庫的大小可能變得相當大。因此，這種未優(yōu)化的搜索算法可能給與無線節(jié)點定位系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的處理資源施加極大的負擔，尤其是執(zhí)行其他功能(例如向移動臺提供無線網(wǎng)絡(luò)訪問)的基于基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)。
考慮到前述問題，本領(lǐng)域中需要方法、裝置和系統(tǒng)，用于對在無線節(jié)點定位機制中搜索最符合的位置坐標進行優(yōu)化。本發(fā)明的實施例基本滿足了這種需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了方法、裝置和系統(tǒng)，用于定義搜索區(qū)域來優(yōu)化與估計給定無線節(jié)點的位置相關(guān)聯(lián)的計算的無線節(jié)點定位機制。根據(jù)本發(fā)明一種實現(xiàn)方式，定義了與每個無線電接收機相關(guān)聯(lián)的覆蓋圖，該覆蓋圖記錄超過閾值信號強度級別的信號強度數(shù)據(jù)。在計算給定無線節(jié)點的估計位置之前，基于與每個無線電接收機相關(guān)聯(lián)的覆蓋圖的交集來定義搜索區(qū)域，其中無線電接收機信號強度測量被用來估計無線節(jié)點的位置。本發(fā)明的一些實現(xiàn)方式使用通過某些無線電接收機沒有檢測到無線節(jié)點這一事實提供的信息來進一步優(yōu)化位置估計。通過定義相對于整個RF環(huán)境所包圍的空間而言一般是較小區(qū)域的搜索區(qū)域，本發(fā)明提供了若干優(yōu)點，例如，減少計算無線節(jié)點的估計位置的處理時間和/或功率。在一種實現(xiàn)方式中，本發(fā)明可以用來將與尋找最佳匹配位置相關(guān)聯(lián)的計算減少到固定的成本，而不管無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境大小和/或無線電接收機的數(shù)目。下面將更詳細地討論，無線節(jié)點定位機制可以被結(jié)合到無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，例如802.11網(wǎng)絡(luò)中，以估計移動臺、欺詐接入點和其他無線節(jié)點的位置。


圖1是包括根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)方式的無線節(jié)點定位機制的示意圖。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)方式用于定位無線節(jié)點的整體過程流的流程圖。
圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)方式的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能框圖。
圖4是圖示了圖3的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的中央控制元件的無線節(jié)點定位功能的功能框圖。
圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)方式的搜索區(qū)域定義的示意圖。
圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的用于估計無線節(jié)點的位置的整體過程流的流程圖。
圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實現(xiàn)方式的搜索區(qū)域定義的示意圖。
圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例用于估計無線節(jié)點的位置的整體過程流的流程圖。
具體實施例方式
A.無線節(jié)點定位和信號強度加權(quán)標準圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)方式的無線節(jié)點定位機制的基本工作組件。如圖1所示，無線節(jié)點定位機制包括無線節(jié)點定位模塊59和布置在整個物理空間中的多個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到圖1所示系統(tǒng)代表了本發(fā)明的基本組件的一個示例，并且主要用于教導(dǎo)目的。本發(fā)明的實現(xiàn)方式可以涉及布置在大的地理區(qū)域中的數(shù)百到數(shù)千個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58。下面將更全面地討論，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58和無線節(jié)點定位模塊59總地表示的功能可以被集成到多個系統(tǒng)中，例如專用于無線節(jié)點定位的無線系統(tǒng)，或者WLAN或其他無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58一般包括至少一個天線、無線電發(fā)射/接收單元，以及用于根據(jù)無線通信協(xié)議控制無線電信號的發(fā)射和接收的控制邏輯(例如，802.11控制單元)。在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58被布置在遍布物理空間(例如，房間、房間的集合、建筑的地板、整個建筑，或者包括外部環(huán)境的任意定義的區(qū)域)內(nèi)的已知和/或固定位置處，在該物理空間上基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58提供射頻覆蓋。
A.1.基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可工作來檢測所接收到的射頻信號的強度，例如由無線節(jié)點56發(fā)射的和由其他無線電收發(fā)機發(fā)射的信號57，然后將檢測出的相應(yīng)的無線節(jié)點的信號強度數(shù)據(jù)提供給無線節(jié)點定位模塊59。在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58還工作來根據(jù)無線通信協(xié)議發(fā)射和接收無線或射頻信號，所述協(xié)議例如是IEEE 802.11 WLAN協(xié)議。在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可以以給定的波段工作在從多條信道中選出的信道上。在另一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58還可以在多于一個波段中工作。例如，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可以被配置為在802.11a-5GHz波段中和/或802。11b/g-2.4GHz波段中工作。在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可以被配置為收集與無線節(jié)點相關(guān)聯(lián)的信號強度信息，并且響應(yīng)于無線節(jié)點定位模塊59的SNMP或者其他請求發(fā)射所收集到的數(shù)據(jù)。在其他實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可以有規(guī)則地或者周期性地發(fā)射信號強度信息。下面將描述，還可以采用用于收集信號強度數(shù)據(jù)的其他方法。
對無線節(jié)點的標識取決于所使用的無線通信協(xié)議。對于802.11 WLAN環(huán)境，例如，無線節(jié)點可以基于MAC地址而被標識出。此外，無線節(jié)點可以是被授權(quán)的移動臺，例如，遠程客戶端元件16和18(見圖3)、欺詐系統(tǒng)(例如，欺詐接入點和/或欺詐移動臺)，以及其位置信息不知的授權(quán)的接入點。在其他實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點可以基于RF信號的唯一屬性而被標識出，例如，給定的頻率信道、或者唯一的信號模式等。例如，無線節(jié)點定位功能可以被采用來定位檢測出的干擾源，例如，不符合802.11的設(shè)備。
在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58還可以工作來根據(jù)無線通信協(xié)議與一個或多個移動臺例如無線節(jié)點56通信。例如，在一種實現(xiàn)方式中，無線收發(fā)機58是接入點或其他WLAN組件。在一種實現(xiàn)方式中，無線電收發(fā)機58工作來被連接到局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)或者其他有線網(wǎng)絡(luò)，以在移動臺和有線網(wǎng)絡(luò)之間橋接流量。下面將更全面地討論，無線電收發(fā)機58還可以是協(xié)議信息的分層處理為特征的無線網(wǎng)絡(luò)中的接入元件或者輕量接入點。在一種實現(xiàn)方式中，無線電收發(fā)機58實現(xiàn)了802.11協(xié)議(這里所使用的802.11一般指用于無線LAN的IEEE802.11標準和所有對其修改)。當然，本發(fā)明可以結(jié)合任何合適的基于射頻的無線網(wǎng)絡(luò)或通信協(xié)議使用。
在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58利用駐留在無線網(wǎng)絡(luò)接口適配器上的信號強度檢測功能來逐幀檢測信號強度。例如，IEEE802.11標準定義了一種機制，利用該機制，由無線網(wǎng)絡(luò)接口控制器上的電路(例如，芯片組)測量出RF能量。IEEE 802.11協(xié)議指定一個可選參數(shù)，即接收信號強度指示符(RSSI)。該參數(shù)是用于接收當前分組或幀的天線處觀察到的PHY層的能量的度量。RSSI在開始幀定界符(SFD)和PLCP頭部糾錯(HEC)的結(jié)束之間被測量。該數(shù)值值是允許在0-255(一個字節(jié)的值)范圍內(nèi)的整數(shù)。一般來說，802.11芯片組供應(yīng)商已選擇不實際測量256個不同的信號級別。因此，每個供應(yīng)商的符合802.11的適配器具有特定的最大RSSI值(“RSSI_Max”)。因此，由特定供應(yīng)商的無線網(wǎng)絡(luò)適配器報告的RF能量級別將在從0到RSSI_Max范圍內(nèi)變化。將由給定供應(yīng)商的芯片組報告的給定RSSI值解析成實際功率值(dBm)可以通過參考轉(zhuǎn)換表完成。另外，一些無線聯(lián)網(wǎng)芯片組實際上報告以dBm為單位的接收信號強度，而不是RSSI或者與RSSI一起報告。信號的其他屬性也可以與接收到的信號強度結(jié)合使用或者作為替換使用。例如，在分組接收期間探測到的信噪比(SNR)可以在確定重疊信號發(fā)射功率時被使用。同樣，許多芯片組包括功能和相應(yīng)的API，允許確定與從其他收發(fā)機58和/或無線節(jié)點56接收到的分組相關(guān)聯(lián)的SNR。在一種實現(xiàn)方式中，所得到的信號強度信息可以被與與幀的接收相對應(yīng)的時間戳相關(guān)聯(lián)。如這里所討論，該信號強度信息可以以適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58和/或無線節(jié)點定位模塊59處被收集。
A.2.無線節(jié)點定位模塊在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59收集從基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58接收到的信號強度數(shù)據(jù)，并且保持與無線節(jié)點標識符相關(guān)聯(lián)的信號強度數(shù)據(jù)，以及提供了信號強度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的標識符。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59還被配置為基于無線節(jié)點標識符來區(qū)分從基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58接收到的信號和從其他無線節(jié)點接收到的信號。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59保持用于存儲信號強度信息的多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被用于存儲在基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58之間發(fā)射的信號的信號強度。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59以N×N IRT矩陣的方式存儲這種信號強度數(shù)據(jù)，其中N是基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的數(shù)目。列條目可以對應(yīng)于發(fā)射收發(fā)機，而行條目對應(yīng)于接收收發(fā)機，或者反之。該矩陣中的各個條目可以為空值，這是由于所有的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機不能檢測到彼此，并且在大多布署中可能不能檢測到彼此。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59在表格中或者其他合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中維持所有其他無線節(jié)點的信號強度數(shù)據(jù)。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59為每個無線電接收機58維持分離的表格，該表格包括至少兩個字段1)無線節(jié)點標識符；以及2)檢測出的信號強度。其他的字段還可以包括指示基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58接收到信號的時間的時間戳，以及被選來傳感信號的天線的標識符。美國專利申請No.10/783,186公開在無線節(jié)點定位系統(tǒng)中選擇使用定向天線。在一種實現(xiàn)方式中，當分配給無線節(jié)點表的存儲器空間被耗盡時，由時間戳指示出的最久被使用的/更新的條目被重寫。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59針對一列無線節(jié)點標識符對從基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58接收到的信號強度數(shù)據(jù)進行過濾，以便標識出適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來更新。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到可以使用矩陣和表格之外的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
如上所述，在一種實現(xiàn)方式中，信號強度逐幀被檢測出。因此，在一個實施例中，由無線節(jié)點定位模塊59維持的信號強度數(shù)據(jù)在幀/分組被接收到時可以被更新。在一種實現(xiàn)方式中，最近的信號強度值被用來實質(zhì)上對老值進行重寫。在其他實現(xiàn)方式中，但是，如果在閾值時間間隔內(nèi)接收到對應(yīng)于給定無線節(jié)點的連續(xù)無線幀(例如，一般由于數(shù)據(jù)流傳輸)，則可以使用平均數(shù)、移動平均數(shù)或者加權(quán)移動平均數(shù)。在這種情形中，時間戳可以對應(yīng)于最后分組或幀的時間。在其他實現(xiàn)方式中，每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的多個信號強度采樣可以被收集到，并且用在其他基于統(tǒng)計的定位方案中。另外，盡管無線電收發(fā)機58在作為接入點工作時一般在不同的信道上工作，但是移動臺在各個時刻(例如，發(fā)射探查請求來找到接入點)在所有可工作的信道上發(fā)射無線幀。這有助于確保多個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58探測到移動臺。在一些實現(xiàn)方式中，與檢測出給定無線節(jié)點的無線電收發(fā)機58相鄰的一個或多個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可以被引導(dǎo)切換到給的工作信道上來偵聽由移動臺發(fā)射的信號。此外下面將描述，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可能被命令在給定的信道上周期性地發(fā)射幀，以更新由無線節(jié)點定位模塊59維持的信號強度數(shù)據(jù)。在另一個實施例中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58或者給定的移動臺被關(guān)聯(lián)到的其他接入點可以被命令與該移動臺解關(guān)聯(lián)。這導(dǎo)致移動臺在所有可工作的信道上發(fā)射探查請求，從而刷新由相鄰的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機收集的信號強度數(shù)據(jù)。美國專利申請No.10/788,645公開了在RF定位系統(tǒng)中有選擇地終止無線客戶端來刷新信號強度信息。
A.2.a.IRT覆蓋圖無線節(jié)點定位模塊59還維持與RF環(huán)境相關(guān)聯(lián)的覆蓋區(qū)域的RF物理模型。下面將更全面地討論，RF物理模型返回估計的無線節(jié)點的物理位置，給定的由基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58檢測出的信號的強度，以及對報告信號強度的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的指示。在一種實現(xiàn)方式中，RF物理模型針對每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58表征與在給定位置處的無線發(fā)射機相關(guān)聯(lián)的預(yù)期的接收信號強度。例如，在一種實現(xiàn)方式中，對于與給定的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58相關(guān)聯(lián)的每個天線，RF物理模型包括無線電覆蓋圖或者矩陣，該無線電覆蓋圖或者矩陣指示出在基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機處檢測出的從在以x和y坐標定義的給定位置處的無線節(jié)點(假定以一致的反射功率發(fā)射)接收到的預(yù)期的信號強度。該數(shù)據(jù)庫可以以多種方式被填充。例如，無線電覆蓋圖可以被用廣泛的站點調(diào)查的結(jié)果填充，根據(jù)該調(diào)查無線電發(fā)射機被放置在物理空間中的不同位置處。在站點調(diào)查期間，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58工作在在天線之間循環(huán)的監(jiān)聽模式中，并且報告由用于執(zhí)行調(diào)查的無線節(jié)點發(fā)射的信號的結(jié)果信號強度。在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可以被配置為將信號強度數(shù)據(jù)發(fā)射回無線電收發(fā)機，該無線收發(fā)機可以是膝上型計算機或者其他無線設(shè)備。覆蓋圖是通過將信號強度與覆蓋圖中的對應(yīng)于每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的位置數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)構(gòu)造的。覆蓋圖還可以通過使測試儀(或者其他無線節(jié)點)僅測量在布署區(qū)域內(nèi)的期望位置處的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58發(fā)射的幀(例如，信標分組)的信號強度而被構(gòu)造。如果假定路徑損耗是對稱的，則這些值可以被用來針為每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機構(gòu)造覆蓋圖。根據(jù)任一方法，站點調(diào)查的結(jié)果可以被以統(tǒng)計方法處理來產(chǎn)生每個天線和基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的覆蓋圖。為了估計無線節(jié)點的位置，無線節(jié)點定位模塊59確定最符合與被選擇來定位無線節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58相關(guān)聯(lián)的覆蓋圖的位置坐標或者位置坐標的范圍，下面將更詳細地描述。
在另一種實現(xiàn)方式中，RF物理模型的覆蓋圖可以利用RF預(yù)測來建模覆蓋區(qū)域而被構(gòu)造，采用例如射線跟蹤之類的數(shù)學(xué)技術(shù)而被構(gòu)造。在一種實現(xiàn)方式中，RF預(yù)測模型可以通過假定一致的無線節(jié)點發(fā)射功率來針對期望的物理空間中的每個坐標位置而被計算。針對每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58估計出的信號強度信息可以用來填充上述覆蓋表。在替換實施例中，RF預(yù)測模型可以相對于每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機天線而被計算出。如果假定無線節(jié)點和基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58之間路徑損耗對稱并且發(fā)射功率對稱，則每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機天線的覆蓋圖可以通過利用在覆蓋圖中的每個坐標位置處計算出的值而被填充。當然，站點調(diào)查數(shù)據(jù)也可以用來對與用于估計在各個位置處的預(yù)期信號強度的RF預(yù)測模型相關(guān)聯(lián)的一個或多個參數(shù)進行調(diào)整。如上所述，覆蓋圖的邊界的輪廓可以是基于連接到基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的天線屬性的。另外，覆蓋圖中的位置坐標可以定義水平面中的位置的二維的x和y坐標。位置坐標也可以是三維的x、y和z坐標。也可以使用其他坐標系統(tǒng)，例如，球坐標或柱坐標。另外，坐標值可以是全球的(即，經(jīng)度和緯度)或者相對于任意定義的原點表示的。另外，覆蓋圖中的坐標的粒度取決于期望的無線節(jié)點位置估計的粒度。
在一種實現(xiàn)方式中，對于每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58(或者連接到其的每個天線)，維持在N×M矩陣中包括信號強度的覆蓋圖，其中N是覆蓋圖中x坐標數(shù)，而M是覆蓋圖中y坐標數(shù)。矩形覆蓋圖中的每個元素或區(qū)對應(yīng)于一定一致大小的區(qū)域(例如，10平方英尺或者16平方英尺的正方形區(qū)域等)。在一種實現(xiàn)方式中，給定基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的覆蓋圖按照下述格式存儲在數(shù)據(jù)庫中IRTid //IRT標識符Double lowerLeftCornerx //覆蓋圖的左下角的x坐標Double LowerLeftCornery //覆蓋圖的左下角的y坐標integer binCntx //x方向上的區(qū)數(shù)integer binCnty //y方向上的區(qū)數(shù)integer binsize //區(qū)大小binary array RSSIVals //信號強度值的數(shù)組如上述格式的數(shù)據(jù)元素所示，覆蓋圖的左下角的位置由相對于包圍基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的所有覆蓋圖的物理空間或區(qū)域的位置坐標定義。每個覆蓋圖的其他角落的位置坐標以及輪廓可以基于以下內(nèi)容計算出左下角的坐標、x方向和y方向上的區(qū)數(shù)，以及區(qū)的大小。覆蓋圖的外輪廓，或者換言之，x方向和y方向上的區(qū)的數(shù)目通過參考閾值信號強度值例如-95dBm確定。在以下實現(xiàn)方式中，閾值信號強度值可以是可配置的參數(shù)。在一些實現(xiàn)方式中，閾值信號強度值被設(shè)置為基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的靈敏度。
覆蓋圖可以以各種方式被構(gòu)造。例如，在一種實現(xiàn)方式中，覆蓋圖是基于具有由默認長寬比定義的最大大小(例如，10,000個區(qū))的默認覆蓋圖利用數(shù)學(xué)模型計算出的。覆蓋圖然后從左邊沿開始通過消除列中的所有區(qū)都包括低于閾值的信號強度的最左列而被修整。覆蓋圖的右邊沿以及上邊沿和下邊沿都以相同的方式被修整。默認附的開始長寬比可以被配置為反映出基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的天線的特性(例如，天線模式)。例如，全向天線的默認長寬比可以為1∶1。對于定向天線，默認長寬比將取決于天線的峰值增益和帶寬。另外，如果使用了定向天線，則覆蓋圖應(yīng)當被相對于天線的峰值增益的朝向定向。在上述數(shù)據(jù)格式中，假設(shè)定向天線的峰值增益被朝向x方向或者y方向。在其他實現(xiàn)方式中，上述數(shù)據(jù)格式還可以包括定義覆蓋圖相對于整個RF環(huán)境的角朝向的參數(shù)。當然，覆蓋圖也可以以其他方式構(gòu)造。例如，覆蓋圖可以通過下述過程而被構(gòu)造從建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的位置或者中央開始向外逐行和/或逐列計算信號強度值，直到最后計算的邊沿中的所有區(qū)都具有小于閾值的信號強度為止。所得到的覆蓋圖也可以被修整。例如，如果覆蓋圖是逐行構(gòu)建的，可能還需要額外的列，或者所得到的列中的一些可能需要被修整。
上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了許多目的和在計算無線節(jié)點的估計位置時的優(yōu)點。例如，通過將每個覆蓋圖作為獨立的對象存儲，根據(jù)本發(fā)明的定位機制可以被容易地擴展到包括大量基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的系統(tǒng)。另外，使用根據(jù)本發(fā)明的某些實現(xiàn)方式的矩形覆蓋圖有助于快速搜索數(shù)據(jù)庫，以標識出基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機具有重疊覆蓋的區(qū)域。例如，確定在給定的矩形搜索區(qū)域中基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機是否具有覆蓋等價于尋找兩個矩形覆蓋圖是否重疊。就計算而言，這變成了一個可以相當快地求解的問題。另外，下面將更全面地描述，定義搜索區(qū)域基于尋找覆蓋圖的矩形交集。此外，指定每個覆蓋圖的左下角、區(qū)的大小和在x方向和y方向上區(qū)的數(shù)目有助于這些計算。
在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59包括多于一個環(huán)境RF物理模型(在一種實現(xiàn)方式中，每個RF物理模型是與基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的天線相對應(yīng)的一組覆蓋圖)，并且使用在基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58之間發(fā)射的信號來動態(tài)選擇RF物理模型(一組覆蓋圖)中的最能表征當前RF環(huán)境的一個。如上所述，RF信號的傳播受多個對象影響，包括在RF環(huán)境中移動的人。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位功能可以將N×NIRT信號強度矩陣中的信號強度數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的已知位置與RF物理模型相比較來尋找最佳符合。在一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58可以被配置為在給定頻帶內(nèi)的一條到多條工作信道上按照有規(guī)則的間隔發(fā)射無線幀，以允許其他基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58檢測信號。美國專利申請No.10/447,735公開了發(fā)射幀由相鄰WLAN收發(fā)機檢測。在另一種實現(xiàn)方式中，基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58響應(yīng)于無線節(jié)點定位模塊59發(fā)布的命令按需發(fā)射幀。
A.2.b.估計無線節(jié)點位置圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一種實現(xiàn)方式的方法，該方法用于估計無線節(jié)點的位置。無線節(jié)點定位功能可以例如響應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)管理員利用控制界面發(fā)布的命令而按需被觸發(fā)，以對由MAC地址或者其他適當?shù)臉俗R符(例如，與表格或者其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的MAC地址相關(guān)聯(lián)的任意名稱)標識出的移動臺進行定位。無線節(jié)點定位模塊59也可以響應(yīng)于檢測出欺詐的接入點而自動被觸發(fā)。上面通過引用結(jié)合進來的美國專利No.10/407,370公開了在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中檢測欺詐的接入點。無線節(jié)點定位模塊59也可以配置為周期性地確定給定移動臺的位置，以便跟蹤其在一段時間中的運動。
如圖2所示，在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59開始于選擇將在定位期望的無線節(jié)點時使用其信號測量的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機(IRT)58。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59對上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行掃描來標識出看到或檢測出由期望的無線節(jié)點發(fā)射的無線幀的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58(102)。在有規(guī)則地收集(與按需相對)信號強度數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方式中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的時間戳可以用來過濾出在閾值時間段內(nèi)未檢測到期望的無線節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58。除了上述之外或者作為替代，過濾標準可以包括閾值信號強度級別。例如，在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59排除在信號強度閾值-80dBm處檢測出無線節(jié)點的任何基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58。這種實現(xiàn)方式允許要被計算出的覆蓋圖到-90dBm，并且在仍計算出合適的搜索區(qū)域的同時還允許10dBm的測量誤差。當然，閾值信號強度確定可以是可配置的參數(shù)。此外，整個閾值確定可以是配置選項，該配置選項可以被完全關(guān)閉。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59選擇多至M個報告了最強信號強度的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58(其中M是可配置的參數(shù))。在一種實現(xiàn)方式中，如果標識出不足數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58，則無線節(jié)點定位模塊59可以命令基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58主動掃描期望的無線節(jié)點并且返回信號強度信息。無線節(jié)點定位模塊59收集與所選基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58相對應(yīng)的信號強度(例如，RSSI)測量(104)，并且標識出要在基于所選基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58估計無線節(jié)點的位置時使用的RF覆蓋圖(106)。
無線節(jié)點定位模塊59然后計算搜索區(qū)域，該搜索區(qū)域定義無線節(jié)點(107)的可能的估計位置的邊界。在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59查詢數(shù)據(jù)庫，以獲得由所標識出的檢測到無線節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的覆蓋圖所定義的區(qū)域。在一個實施例中，無線節(jié)點定位模塊59基于以下內(nèi)容計算美國覆蓋圖區(qū)域覆蓋圖的左下角的位置坐標、x方向和y方向上的區(qū)的數(shù)目，以及區(qū)的大小。無線節(jié)點定位模塊59然后計算所有覆蓋圖區(qū)域的交集來獲得搜索區(qū)域。在上述實現(xiàn)方式中，矩形覆蓋圖區(qū)域輔助了對搜索區(qū)域的計算，這是因為M個矩形的交集自身也是矩形。因此，這種方法減少了計算搜索區(qū)域所要求的處理時間和/或功率。此外，根據(jù)某些實現(xiàn)方式，矩形覆蓋圖和搜索區(qū)域有助于實現(xiàn)標準關(guān)系數(shù)據(jù)庫的能力內(nèi)的快速數(shù)據(jù)庫交互。圖5圖示了基于與三個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58相對應(yīng)的覆蓋圖區(qū)域98的交集對搜索區(qū)域99的計算。搜索區(qū)域定義無線節(jié)點的一組可能的位置，因為這些位置對所標識出的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的覆蓋圖是共有的。將位置估計限定到搜索區(qū)域還確保了對于每個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58存在有效的信號強度值用于整個計算。
如圖2所示，對于所有標識出的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機(108)，無線節(jié)點定位模塊59對搜索區(qū)域內(nèi)的覆蓋圖中的每個點(MAPi)計算誤差表面(ErrSurfi)，誤差表面表征由基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機檢測出的信號強度SSi與相應(yīng)覆蓋圖中的值之間的差(110)。為了中和正誤差和負誤差，在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59使用誤差表面中的每個點的誤差的平方。如圖2所示，無線節(jié)點定位模塊59對各個誤差表面(ErrSurfi)求和來創(chuàng)建搜索區(qū)域內(nèi)的所有點的總誤差表面(TotalErrSurf)(112)。為了估計出期望的無線節(jié)點的位置，無線節(jié)點定位模塊59選擇搜索區(qū)域內(nèi)的使總誤差表面(TotalErrSurf)最小化的位置(120)。
當然，可以存在改變。例如，每個誤差表面(ErrSurfi)的貢獻可以利用加權(quán)函數(shù)而被加權(quán)，該加權(quán)函數(shù)的值取決于由基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58報告的檢測出的信號強度SSi。美國專利申請No.10/802,366公開了在無線節(jié)點定位系統(tǒng)中使用基于信號的加權(quán)函數(shù)。此外，如圖6和圖7所示，無線節(jié)點定位模塊59可以增大位置估計以包括未檢測出無線節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58，下面將更全面地討論。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一種實現(xiàn)方式的方法，該方法結(jié)合了從其覆蓋圖與搜索區(qū)域重疊的非檢測基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58收集的信息。具體而言，如圖6所示，在基于檢測出無線節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58計算出搜索區(qū)域后(107)，無線節(jié)點定位模塊59標識出未檢測出無線節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58，其中這些基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的相應(yīng)的覆蓋圖與所計算出的搜索區(qū)域重疊(116)。圖7圖示了這種標識。例如，圖7示出了其覆蓋圖98a與基于最初被標識出的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58計算出的搜索區(qū)域99重疊的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58a。如果任何非檢測基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58被標識出(117)，則無線節(jié)點定位模塊將與標識出的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58相對應(yīng)的覆蓋圖延伸到所計算出的搜索區(qū)域的輪廓(118)。在一種實現(xiàn)方式中，對于覆蓋圖98a外的搜索區(qū)域99中的區(qū)塊，無線節(jié)點定位模塊59插入等于或者稍小于基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58a的無線電靈敏度的信號強度值。例如，在一種實現(xiàn)方式中，所插入的值為-95dBm，該值一般對應(yīng)于各種符合802.11的接入點的觀察到的或者存檔的靈敏度。當然，取決于所采用的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的靈敏度，也可以使用其他值。隨后，對于所有標識出的檢測和非檢測基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58(108)，無線節(jié)點定位模塊59如上所述計算搜索區(qū)域內(nèi)的總誤差表面，以估計無線節(jié)點的位置。
如上所述，對于無線節(jié)點定位機制，本發(fā)明產(chǎn)生了許多效率，例如要求較小的數(shù)據(jù)庫大小來存儲信號強度模型，以及較快的查詢時間。例如，用于教導(dǎo)目的，假設(shè)給定10,000,000平方英尺的物理區(qū)域，并且期望的模型粒度為10平方英尺。在RADAR系統(tǒng)(如上述)中的無線電圖中建模該空間產(chǎn)生1,000,000個位置箱，每個包含該物理空間中布署的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的x，y坐標對，以及RSSI值的元組。對于每個位置箱，假定x坐標要求4字節(jié)，y坐標要求4字節(jié)，每個無線電接收機標識符(例如，MAC地址)要求4字節(jié)，以及1字節(jié)用于表示RSSI值，則要求58M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲容量用于每個位置箱包括10個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的定位系統(tǒng)。在本發(fā)明的實現(xiàn)方式中，數(shù)據(jù)庫容量需求被極大地減少了。例如，在上述相同的物理空間和粒度中，假設(shè)在該物理空間中以彼此基本相等的間隔布署了2000個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機，并且每個覆蓋圖對應(yīng)于2,5000平方英尺的區(qū)域。如果x方向和y方向上的多個區(qū)每個要求2字節(jié)，則上述實現(xiàn)方式使數(shù)據(jù)庫大小需求減小到5.026M字節(jié)(2000 IRT*(較低的x坐標(4)+較低的y坐標(4)+#x-區(qū)(2)+#y-區(qū)(2)+RSSI矩陣(25000/10)，這與現(xiàn)有技術(shù)相比產(chǎn)生了10倍的空間節(jié)省。
另外，本發(fā)明還減少了查詢或估計時間。例如，上述RADAR系統(tǒng)要求查詢1,000,000個數(shù)據(jù)庫元素來確定哪些位置箱包含檢測出給定的無線節(jié)點的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的列表的超集。對于該所選位置箱的集合，定位機制必須找到包含檢測基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的確切集合的位置箱，這可能變成一個復(fù)雜的查詢。然而，本發(fā)明首先要求查詢與檢測基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機、計算結(jié)果搜索區(qū)域和在該搜索區(qū)域內(nèi)搜索最佳符合相對應(yīng)的2000個對象，這導(dǎo)致了大量計算節(jié)省和更快的響應(yīng)時間。
A.2.c.差分標準同樣如圖8所示，這里所述的搜索區(qū)域方法可以用來優(yōu)化多種無線節(jié)點定位計算。圖8示出了本發(fā)明的一種替換實現(xiàn)方式，其中無線節(jié)點定位模塊59基于所選多個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58之間的報告的信號強度的差值估計無線節(jié)點的位置。如圖8所示，在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59開始于標識出在對期望的無線節(jié)點進行定位時將使用其信號測量的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機(IRT)58(102)。另外，無線節(jié)點定位模塊59收集信號強度測量(104)，選擇RF覆蓋圖(106)，然后以結(jié)合圖2所描述的方式類似地計算搜索區(qū)域(107)。當然，可以以其他方式使用關(guān)于非檢測基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的信息。例如，在另一種實現(xiàn)方式中，覆蓋圖98a的與搜索區(qū)域99相交的區(qū)域可以用來進一步限制搜索區(qū)域。例如，可以從搜索區(qū)域99減去覆蓋圖98a的重疊部分。
如圖8所示，無線節(jié)點定位模塊59針對所選基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58中的每對信號強度測量(SSi和SSj)計算差值(ΔSSij)(212)，以及搜索區(qū)域內(nèi)每個點處與所選基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58相對應(yīng)的覆蓋圖(MAPi和MAPj)之間的差(ΔMAPij)(214)。在有M個選出的基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的情形中，存在M選2或者說M！/((M-2)！2！)對差。無線節(jié)點定位模塊59通過以下過程計算總差值誤差表面ErrSurfDiff針對基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58的每個唯一的對(見208，210)計算ΔSSij和ΔMAPij之間的差的平方，然后將來自每個唯一的對的貢獻加到ErrSurfDiff(216)。最后，為了估計期望的無線節(jié)點的位置，無線節(jié)點定位模塊59選擇搜索區(qū)域內(nèi)的使總差值誤差表面ErrSurfDiff最小的位置(220)。
如前所示，在本實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位模塊59實質(zhì)上對其中所檢測出的信號強度相差X dB的每對基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58之間的搜索區(qū)域內(nèi)的區(qū)塊進行了搜索，其中X dB是由這兩個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機檢測出的期望無線節(jié)點的58的RSSI或者其他信號強度測量的觀察差值。在RF環(huán)境中沒有物理障礙的理想情形中，其中兩個基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機58之間預(yù)測信號的差恒定為X dB的輪廓可用笛卡兒橢圓描述。在實際世界中，該形狀是任意的。在理想世界中，將這些表面中的若干個加和產(chǎn)生一個這樣的區(qū)域其中笛卡兒橢圓重疊的區(qū)域誤差為零，而其他區(qū)域非零。在真實世界中，將這些表面中的若干個加和產(chǎn)生總誤差表面，其最小值代表無線節(jié)點的最可能位置。
為了說明這種差分信號強度標準的優(yōu)點，假設(shè)無線節(jié)點的發(fā)射功率與假設(shè)的或默認的發(fā)射功率相差N dB。在三個被選基礎(chǔ)設(shè)施無線電收發(fā)機的情形中，該N dB差值對總差值誤差表面的影響如下ErrSurfDiffTxErr＝(((RSSIap1+N)-(RSSIap2+N))-(MAPap1-MAPap2))Λ2+(((RSSIap1+N)-(RSSIap3+N))-(MAPap1-MAPap3))Λ2+(((RSSIap2+N)-(RSSIap3+N))-(MAPap2-MAPap3))Λ2，其減少到原始ErrSurfDiff，而沒有添加額外的誤差。另外，該差分信號強度標準還解決了檢測無線信號的強度時的誤差和假設(shè)路徑損耗對稱而產(chǎn)生的誤差。例如，覆蓋圖(例如，MAPap1和MAPap2)所假設(shè)的絕對功率可能是不正確的，對于每個客戶端獨立相差K dB。在這種標準中，那些誤差也被消除了，如下所示ErrSurfDiffAPErr＝((RSSIap1-RSSIap2)-((MAPap1+K)-(MAPap2+K)))Λ2+((RSSIap1-RSSIap3)-((MAPap1+K)-(MAPap3+K)))Λ2+((RSSIap2-RSSIap3)-((MAPap2+K)-(MAPap3+K)))Λ2，這也減少到ErrSurfDiff。因此，這里所述的差分信號強度標準使以下因素所導(dǎo)致的對絕對誤差的影響最小化發(fā)射功率的變化，或者信號強度檢測，以及在檢測節(jié)點和發(fā)射節(jié)點之間的路徑損耗中缺乏對稱。
B.集成到無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中在一種實現(xiàn)方式中，上述無線節(jié)點定位功能可以別集成到無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，例如，圖3所示的分層WLAN系統(tǒng)中。例如，這里所述的無線節(jié)點定位功能可以被集成到在通過引用結(jié)合到這里的美國專利申請No.10/155,938和10/407,357中公開的WLAN環(huán)境中。但是，根據(jù)本發(fā)明的無線節(jié)點定位功能可以被應(yīng)用到其他無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。例如，無線節(jié)點定位功能可以被集成到包括與中央網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)連接工作的多個基本自治接入點的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中。
參考圖3，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的框圖。本發(fā)明的一個特定實施例包括以下元件用于與被選客戶端遠程元件16、18、20和22無線通信的接入元件11-15，中央控制元件24、25和26，以及用于在接入元件和中央控制元件之間通信的裝置，例如，直接線接入、以太網(wǎng)網(wǎng)，例如LAN網(wǎng)段10。如美國專利申請No.10/407,357中所公開的，接入元件例如接入元件11-15被直接連接到LAN網(wǎng)段10或者虛擬局域網(wǎng)(VLAN)，用于與相應(yīng)的中央控制元件24和26通信。參見圖3。然而，如美國專利申請No.10/155,938中所公開的，接入元件11-15也可以經(jīng)由直接接入線被直接連接到各自的中央控制元件24和26。
接入元件11-15經(jīng)由利用無線局域網(wǎng)(WLAN)協(xié)議(例如，IEEE802.11a或者802.11b等)的通信裝置被耦合到客戶端遠程元件16、18、20和22。如美國專利申請No.10/155,938和10/407,357所述，接入元件12和14以及中央控制元件24經(jīng)由直接接入線或LAN網(wǎng)段10將與相應(yīng)的遠程客戶端元件16，18；20，22關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)流量隧道傳輸。中央控制元件24和26也工作來橋接通過到相應(yīng)接入元件11-15的隧道傳輸?shù)倪h程客戶端元件16，18；20，22之間的網(wǎng)絡(luò)流量。在另一種實現(xiàn)方式中，接入元件11-15可以被配置為橋接LAN網(wǎng)段10上的網(wǎng)絡(luò)流量，同時將被橋接的幀的拷貝發(fā)送到接入元件用于數(shù)據(jù)收集和網(wǎng)絡(luò)管理目的。
如上述專利申請所述，中央控制元件24和26工作來執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層管理功能，例如代表接入元件11-15的認證和關(guān)聯(lián)。例如，中央控制元件24和26提供處理來動態(tài)地配置根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的無線局域網(wǎng)，同時接入元件11-15提供對與客戶端遠程元件16、18、20和22的通信的確認。中央控制元件24和26可以例如對從客戶端遠程元件16，18；20，22經(jīng)由接入元件11-15傳遞的無線LAN管理消息，例如，認證請求和授權(quán)請求，而接入元件11-15在不需要它們的傳統(tǒng)處理的情況下提供對這些消息的通信的中間確認。類似地，中央控制元件24和26可以例如處理物理層信息。另外，下面將更全面地討論，中央控制元件24和26可以例如處理在接入元件11-15處收集到的關(guān)于信道特征、信號強度、傳播，以及干擾或噪聲的信息。
如圖4所示，中央控制元件24和26可以被配置來如上所述收集信號強度數(shù)據(jù)，以支持根據(jù)本發(fā)明的無線節(jié)點定位功能。這里所述的信號強度數(shù)據(jù)收集功能與上述通過引用結(jié)合的美國專利申請No.10/183,704中公開的數(shù)據(jù)收集相當類似。在該申請中公開的系統(tǒng)中，接入元件11-15一般在封裝頭部時將信號強度數(shù)據(jù)附加到接收子無線節(jié)點的分組。中央控制元件24和26對封裝分組頭部進行處理來更新各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如，上面在A部分中討論的N×N AP信號強度矩陣和無線節(jié)點表。美國專利申請No.10/183,704公開了可以結(jié)合這里所述的集成的無線節(jié)點定位功能使用的接入元件11-15的內(nèi)部工作組件和一般配置。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一種實現(xiàn)方式的中央控制元件24和26的邏輯配置。如在美國專利申請No.10/183,704中所述，在一種實現(xiàn)方式中，在中央控制元件24或26和接入元件(例如，接入元件11)之間存在邏輯數(shù)據(jù)路徑66和控制路徑68。控制路徑68允許中央控制元件24或26與無線電接入元件11-15通信，并且獲取無線電接入元件之間的信號強度。通過監(jiān)控數(shù)據(jù)路徑66，中央控制元件24和26可以獲得由其他無線節(jié)點發(fā)射的信號的信號強度。
更具體地說，中央控制元件24或26中的無線節(jié)點定位器90經(jīng)由控制信道68和數(shù)據(jù)信道66來自多個接入元件的信息。中央控制元件24或26如上所述接收/發(fā)送來自/去往多個接入元件11-15的數(shù)據(jù)分組和控制分組。標記探測器62區(qū)分數(shù)據(jù)分組和控制分組，從而通過邏輯交換機64將它們路由到與有線網(wǎng)絡(luò)15通信的高速數(shù)據(jù)路徑66或者到中央控制元件24或26內(nèi)的控制路徑68。數(shù)據(jù)路徑66由無線節(jié)點收集收集器70監(jiān)控。與每個數(shù)據(jù)分組相關(guān)聯(lián)的是資源管理頭部，資源管理頭部包含RF物理層信息，例如在每個接收到的分組之前信道中的功率，接收信號的接入元件的標識符，以及被選來接收該信號的天線的標識符。該信息與原始幀中的802.11協(xié)議信息一起可以被用來維持一個或多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲由接入元件11-15檢測到的無線節(jié)點的信號強度信息，如上面A部分所述?？刂坡窂?8被耦合到處理器元件76，在處理器元件76中AP信號強度矩陣78被維持。AP信號強度矩陣78收集量化接入元件11-15之間的信號強度的信息。所有信號強度數(shù)據(jù)都在接入元件11-15處被收集到，并且在一種實現(xiàn)方式中分別作為數(shù)據(jù)路徑中資源管理頭部中的分組化信息和控制路徑中的資源管理控制分組通過數(shù)據(jù)路徑和控制路徑被傳輸?shù)街醒肟刂圃?4或26。
如上所述，在一種實現(xiàn)方式中，無線節(jié)點定位功能使用接入元件之間的信號強度數(shù)據(jù)來選擇最佳表征當前RF環(huán)境的RF物理模型。為了支持這種實現(xiàn)方式，一個任務(wù)是為個各種無線網(wǎng)絡(luò)中的檢測彼此信號的所有遠程接入元件創(chuàng)建并維持AP信號強度矩陣。在一種實現(xiàn)方式中，這是通過使中央控制元件24或26中的無線節(jié)點定位器90和接入元件11-15中的資源管理器既被動監(jiān)聽周圍的接入元件又主動探查周圍的接入元件而實現(xiàn)的。中央控制元件24或26中的無線節(jié)點定位器可以調(diào)度無線網(wǎng)絡(luò)中的接入元件11-15在特定的信道上發(fā)射數(shù)據(jù)測量請求，然后記錄來自周圍的接入元件的響應(yīng)。數(shù)據(jù)測量探查請求和接收機信息帶寬可以具有比正常的信息帶寬窄的信息帶寬，以允許接收機的動態(tài)范圍被延伸到超過其正常工作范圍。這允許無線電元件“看到”超過其正常工作范圍的接入元件。調(diào)度這些測量允許利用單次發(fā)射執(zhí)行多次測量，并且允許在調(diào)度的時刻對發(fā)射信號的檢測被識別為幅度相對于背景噪聲的改變，這允許更容易地檢測測量信號和更大的動態(tài)范圍。結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過控制路徑68在由AP信號強度矩陣78所收集的控制分組中被發(fā)射。被動地，對于在接入元件處在數(shù)據(jù)信道上接收到的每個分組，剛好在該接收到的分組之前測量該RF信道中的功率。這種干擾測量值通過將無線電資源管理器頭部附加到數(shù)據(jù)分組經(jīng)由數(shù)據(jù)信道被發(fā)送到中央控制元件?；蛘?，接入元件可以配置為給從其他接入元件接收到的分組加標記，以使得這些分組通過控制路徑68被發(fā)射。AP信號強度數(shù)據(jù)可以用來從不同的覆蓋圖中選擇最佳表征當前RF環(huán)境的，如上所述。AP信號強度數(shù)據(jù)還可以用來動態(tài)計算或調(diào)整在上述加權(quán)函數(shù)中使用的路徑損耗指數(shù)。例如，由于兩個或多個接入元件之間的距離已知，所以路徑損耗指數(shù)可以基于觀察到的接入元件對之間的號衰減而被計算出。
圖4還示出了RF物理模型數(shù)據(jù)庫80，其包含與接入元件11-15相關(guān)聯(lián)的一個或多個覆蓋圖。在被激活時，無線節(jié)點定位器90可以如上工作來計算期望無線節(jié)點的估計位置，然后將估計位置返回給發(fā)出請求的系統(tǒng)，例如，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)或控制接口。在圖3所示W(wǎng)LAN系統(tǒng)中，可以有若干種實現(xiàn)方式。例如，中央控制元件24可以被配置為“主”中央控制元件，用于無線節(jié)點定位目的。即，作所有中央控制元件處收集的數(shù)據(jù)最終從其他中央控制元件(例如，中央控制元件26)被發(fā)射(有規(guī)律地或者按需)到主中央控制元件24，主中央控制元件24計算估計位置?；蛘?，所收集的數(shù)據(jù)可以被發(fā)射到執(zhí)行上述定位計算的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)?；蛘撸醒肟刂圃?4和26(當布署在獨立的物理空間中時，例如，獨立的樓層或建筑)可以基本自治地工作。
已參考特定實施例說明了本發(fā)明。例如，盡管上述實施例結(jié)合802.11網(wǎng)絡(luò)工作，但是本發(fā)明可以結(jié)合任何無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境工作。此外，盡管上述實施例基于由基礎(chǔ)設(shè)施接入點或元件檢測出的信號強度計算估計位置，但是，信號強度加權(quán)標準可由客戶端無線節(jié)點使用，例如，RADAR系統(tǒng)中的移動臺。其他實施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因此，除所附權(quán)利要求所示之外，本發(fā)明不應(yīng)受到限制。
權(quán)利要求
1.一種用于估計無線節(jié)點相對于工作用于檢測RF信號的強度的多個無線電接收機的位置的方法，其中與所述無線電接收機中的每個相對應(yīng)的RF覆蓋圖表征針對超過閾值信號強度級別的物理區(qū)域中的位置的信號強度值，該方法包括收集在多個無線電接收機處檢測出的與無線節(jié)點發(fā)射的信號相對應(yīng)的信號強度值；基于與檢測出所述無線節(jié)點發(fā)射的信號的無線電接收機相對應(yīng)的所述RF覆蓋圖的交集來定義搜索區(qū)域；以及在所定義的搜索區(qū)域內(nèi)基于所收集的信號強度值和與所述多個無線電接收機相對應(yīng)的RF覆蓋圖來計算所述無線節(jié)點的估計位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計算步驟包括對于每個無線電接收機，基于與該無線電接收機相關(guān)聯(lián)的RF覆蓋圖和由該無線電接收機檢測出的信號強度來計算個體誤差表面；匯聚所述個體誤差表面來產(chǎn)生總誤差表面；以及在所述搜索區(qū)域內(nèi)估算所述總誤差表面中的每個位置處的總誤差。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述計算步驟還包括在所述搜索區(qū)域內(nèi)找到所述總誤差表面的最小誤差的位置。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中每個個體誤差表面包括由一個無線電接收機檢測出的信號強度值和相應(yīng)的RF覆蓋圖中的信號強度值之差的平方的總和。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在多個無線電接收機處檢測由無線節(jié)點發(fā)射的信號的強度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個所述RF覆蓋圖包括與相應(yīng)的信號強度值相關(guān)聯(lián)的多個位置坐標。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述RF覆蓋圖是啟發(fā)式構(gòu)造的。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述RF覆蓋圖是基于數(shù)學(xué)模型的。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述由無線節(jié)點發(fā)射的信號根據(jù)無線通信協(xié)議被格式化。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述無線通信協(xié)議是IEEE 802.11協(xié)議。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個被檢測出的信號強度值對所述估計位置的貢獻根據(jù)加權(quán)函數(shù)被加權(quán)，所述加權(quán)函數(shù)隨由所述無線電接收機檢測出的信號強度值變化。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述計算步驟包括對于每個無線電接收機，基于與該無線電接收機相關(guān)聯(lián)的RF覆蓋圖和由該無線電接收機檢測出的信號強度來計算個體誤差表面；根據(jù)隨由相應(yīng)的無線電接收機檢測出的信號強度變化的加權(quán)函數(shù)對所述個體誤差表面中的每個進行加權(quán)；匯聚所述個體誤差表面來產(chǎn)生總誤差表面；以及在所述搜索區(qū)域內(nèi)估算所述總誤差表面中的每個位置處的總誤差。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述計算步驟還包括在所述搜索區(qū)域內(nèi)找到所述總誤差表面的最小誤差的位置。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述RF覆蓋圖是矩形的。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述RF覆蓋圖的長寬比對應(yīng)于與相應(yīng)的無線電接收機相關(guān)聯(lián)的天線的至少一個特性。
16.一種用于輔助RF環(huán)境中的無線節(jié)點定位的裝置，包括多個包括至少一個天線的無線電接收機，所述多個無線電接收機工作來用于檢測由無線節(jié)點發(fā)射的信號的強度，并且將所檢測出的信號強度提供給無線節(jié)點定位模型；其中與每個所述無線電接收機相對應(yīng)的RF覆蓋圖表征超出閾值信號強度級別的物理區(qū)域中的位置的信號強度值，以及無線節(jié)點定位模塊，其工作來用于基于與檢測出所述無線節(jié)點發(fā)射的信號的無線電接收機相對應(yīng)的所述RF覆蓋圖的交集來定義搜索區(qū)域；以及在所定義的搜索區(qū)域內(nèi)基于所收集的信號強度值和與所述多個無線電接收機相對應(yīng)的RF覆蓋圖來計算所述無線節(jié)點的估計位置。
17.一種用于估計無線節(jié)點相對于工作來用于檢測RF信號的強度的多個無線電接收機的位置的方法，其中與每個所述無線電接收機相對應(yīng)的RF覆蓋圖表征超過閾值信號強度值的物理區(qū)域中的位置的信號強度值，該方法包括收集在多個無線電接收機處檢測出的與無線節(jié)點發(fā)射的信號相對應(yīng)的信號強度值；基于與檢測出所述無線節(jié)點發(fā)射的信號的無線電接收機相對應(yīng)的所述RF覆蓋圖的交集來定義搜索區(qū)域；以及在所述搜索區(qū)域內(nèi)通過針對無線電接收機中的所有唯一對執(zhí)行以下比較來計算所述無線節(jié)點的估計位置將由所述多個無線電接收機檢測出的信號強度值的差和與所述多個無線電接收機相關(guān)聯(lián)的RF覆蓋圖中的信號強度值的相應(yīng)差相比較，其中所述比較是作為由無線電接收機中的每個唯一對檢測出的信號強度值中的至少一個的函數(shù)被加權(quán)的。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述計算步驟包括針對無線電接收機中的所有唯一對，計算以下兩差值之差的平方的總和，即由一對無線電接收機檢測出的信號強度值之間的差值，以及所述搜索區(qū)域內(nèi)的與該對無線電接收機相關(guān)聯(lián)的RF覆蓋圖中的信號強度值之間的差值；組合所述總和來產(chǎn)生差分誤差表面；以及在所述搜索區(qū)域內(nèi)找到與所述差分誤差表面中的最小誤差相對應(yīng)的位置。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在多個無線電接收機處檢測由無線節(jié)點發(fā)射的信號的強度。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述RF覆蓋圖每個包括與相應(yīng)信號強度值相關(guān)聯(lián)的多個位置坐標。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述RF覆蓋圖是啟發(fā)式構(gòu)造的。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述RF覆蓋圖是基于數(shù)學(xué)模型的。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述由無線節(jié)點發(fā)射的信號根據(jù)無線通信協(xié)議被格式化。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述無線通信協(xié)議是IEEE 802.11協(xié)議。
25.如權(quán)利要求17所述的方法，其中每次比較是作為由無線電接收機中的每個唯一對檢測出的信號強度值中的至少一個的函數(shù)被加權(quán)的。
26.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述計算步驟包括針對無線電接收機中的所有唯一對，計算以下兩差值之差的平方的總和，即由一對無線電接收機檢測出的信號強度值之間的差值，以及所述搜索區(qū)域內(nèi)的與該對無線電接收機相關(guān)聯(lián)的RF覆蓋圖中的信號強度值之間的差值；基于由相應(yīng)的一對無線電接收機檢測出的兩個信號強度值中的較小值對計算出從總和中的每個進行加權(quán)；組合加權(quán)后的總和來產(chǎn)生差分誤差表面；以及在所述搜索區(qū)域內(nèi)找到與所述差分誤差表面中的最小誤差相對應(yīng)的位置。
27.一種用于在包括布署在物理空間內(nèi)的多個無線電接收機的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中輔助無線節(jié)點定位的方法，該方法包括確定物理空間的位置坐標模型，其中所述模型包括多個無線電接收機的位置；確定所述多個無線電接收機中的每個的覆蓋圖，其中針對一個給定的無線電接收機，所述覆蓋圖定義所述物理空間中接近所述給定的無線電接收機的位置的預(yù)期接收信號強度；其中所述覆蓋圖的邊界是矩形，并且是至少部分根據(jù)最小閾值接收信號強度級別來定義的；將所述覆蓋圖作為單獨實體存儲在數(shù)據(jù)庫中。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述定義給定的覆蓋圖的單獨實體每個包括對應(yīng)于一個無線電接收機的標識符、所述覆蓋圖的拐角的位置坐標、沿第一軸的位置箱的數(shù)目、沿第二軸的位置箱的數(shù)目，以及接收信號強度值的矩陣。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述最小閾值接收信號強度級別是所述無線電接收機的靈敏度。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述最小閾值接收信號強度級別是可配置參數(shù)。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括收集在多個無線電接收機處檢測出的與無線節(jié)點發(fā)射的信號相對應(yīng)的信號強度值；基于與檢測出所述無線節(jié)點發(fā)射的信號的無線電接收機相對應(yīng)的所述RF覆蓋圖的交集來定義搜索區(qū)域；以及在所定義的搜索區(qū)域內(nèi)基于所收集的信號強度值和與所述多個無線電接收機相對應(yīng)的RF覆蓋圖來計算所述無線節(jié)點的估計位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了定義搜索區(qū)域來優(yōu)化與估計給定無線節(jié)點的位置相關(guān)聯(lián)的計算的無線節(jié)點定位機制。根據(jù)一種實現(xiàn)方式，定義了與每個無線電接收機相關(guān)聯(lián)的覆蓋圖，該覆蓋圖記錄超過閾值信號強度級別的信號強度數(shù)據(jù)。在計算給定無線節(jié)點的估計位置之前，基于與檢測出無線節(jié)點的每個無線電接收機相關(guān)聯(lián)的覆蓋圖的交集來定義搜索區(qū)域。一些實現(xiàn)方式使用通過某些無線電接收機沒有檢測到無線節(jié)點這一事實提供的信息來進一步優(yōu)化位置估計。通過定義相對于整個RF環(huán)境所包圍的空間而言一般是較小區(qū)域的搜索區(qū)域，本發(fā)明提供了若干優(yōu)點，例如，減少計算無線節(jié)點的估計位置的處理時間和/或功率。
文檔編號H04W24/00GK1965593SQ200580013093
公開日2007年5月16日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月18日
發(fā)明者保羅·F·迪特里克, 格雷格·斯科特·戴維, 羅伯特·J·弗瑞德 申請人:艾雷斯貝斯有限公司