[發明專利]一種利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法

有效

• 申請號: 201410078906.5
• 申請日: 2014-03-05
• 公開（公告）號: CN103945331B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 王文杰;王波;張渭樂;李騖;董建云
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H04W4/04
• 分類號: H04W4/04;H04W64/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 朱海臨

技術領域

本發明涉及WIFI定位方法，特別是涉及利用WIFI場強特征進行角度估計的較高精度的定位。

背景技術

WIFI是一種無線數據通信方法，可以將個人電腦、手持設備（如PAD、手機）等終端以無線方式互相連接，目前已經獲得廣泛應用。在無線網絡中無線節點的位置信息十分重要，GPS以及移動通信中的TDOA定位系統需要在待測節點配備專門的接收機（GPS接收機或超聲信號接收機），會受到成本、功耗的限制，而且GPS接收機不能在室內工作?，F有的無線網絡定位方法大致可分為與距離無關的定位算法和基于距離的定位算法。與距離無關的定位算法利用相鄰節點的連通性進行粗略位置估計，往往精度不高；對于利用信號強度測量距離的算法，已有研究表明，角度估計比距離估計噪聲要小，能提供更高的定位精度；

現有的無線AP采用全向天線發送信號，在功率受限的情況下，可以覆蓋的范圍比較小，而目前WIFI定位的思路主要是利用空間WIFI指紋，分為離線測試和在線定位兩個階段，在待測空間對采樣點進行場強測量并記錄到數據庫，通過檢測待測節點處的場強與數據庫信息進行匹配定位。這種方法利用場強的分布來表征信道特性，然而由于接入點強度、位置的變化，或者定位空間信道的時變性（如商場中人流）的影響，空間WIFI指紋會發生變化，這就需要經常性的在空間中采樣場強信息以對數據庫進行更新，給實際應用帶來不便。

發明內容

為了避免上述現有技術的不足，本發明給出了一種利用待測節點采樣WIFI場強信息進行離去角度估計的定位方法。其核心在于，根據場強分布特性，使用簡單的算法實現離去角度估計進而實現節點的位置估計，解決了基于距離定位算法精度低的問題，同時避免了使用空間WIFI指紋技術中數據庫的建立和更新過程，而且這種分布式的位置估計與網絡中節點的密度無關，定位網絡具有很好的可擴展性。

為達到以上述目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種利用WIFI場強進行離去角度估計的定位方法，其特征在于，包括下述步驟：

（1）發送節點發送信號：網絡架構的搭建至少使用一個發送節點，各發送節點配備以一定時隙間隔進行波束旋轉切換的定向天線，并且使其中一根定向天線主波束方向豎直向下，其他定向天線以同一傾角斜向下均勻地圍成一周。波束切換部分由基帶處理、D/A變換、控制部分和射頻發送部分構成：

其中，基帶處理根據IEEE802.11協議的Beacon（信標）信號幀結構，構造多個廣播Beacon信號數據幀，通過網絡標識符SSID字段給各幀配置不同的SSID，并按照協議規范分別進行CRC（循環冗余校驗碼）校驗、擴頻、加擾處理，得到發送數據序列，最終完成基帶信號調制，生成對應的基帶數據；

D/A變換對基帶數據進行D/A變換，上變頻到射頻后使用定向天線發送；使不同網絡標識符的Beacon信號對應不同的波束方向，將空間劃分為若干虛擬區域，利用控制信號來控制波束的切換以及選擇各波束方向上對應的發送數據，最終以恒定的功率在各個方向上發送帶有不同SSID的廣播Beacon信號。

（2）待測節點估計離去角度：首先將發送節點的位置、各發送方向對應的Beacon信號的SSID以及天線方向圖數據信息存儲到待測節點，諸如手機、PC終端，網絡中的待測節點在工作模式下進行采樣，接收射頻信號并利用自身的收發模塊對其進行下變頻處理，監聽并記錄各個SSID對應信號的RSSI（接收信號強度指示），根據各RSSI取值估計離去角度；

（3）待測節點估計位置：在單個發送節點的情況下，通過已知的發送節點的位置信息與步驟（2）中的離去角度估計結果，在球坐標系下，待測節點位于以發送節點為起點的射線上，結合實際情況，如待測節點距離地面的高度，便可估計待測節點的位置；在多個發送節點的情況下，分別經過各個發送節點確定待測節點所在的射線，計算各射線交點即為節點位置估計值。

上述方法中，在根據各RSSI取值估計離去角度的過程中，對于四周的定向天線對應的信號，選擇取值最大的兩個RSSI，即為相鄰天線上對應信號的場強，計算相對值（求比值），通過與水平方向圖中場強的分布進行匹配便能估計待測節點相對于發送節點的方位角θ；選擇取值最大的一個RSSI值與豎直向下方向對應信號的RSSI，求比值并與垂直方向圖匹配可估計俯仰角。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1.該方法中待測節點僅利用配備單天線系統的無線通信設備進行定位，不需要對待測節點添加硬件設備（如GPS接收機或超聲信號接收機），降低了硬件成本和定位系統的復雜度。