專利名稱：用于位置估計的rf指紋識別的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及無線網絡，更具體地，涉及一種估計在無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的方法和設備。
背景技術：
數據通信網絡通常包括由無線鏈路連接的網元。通常，在局部地域內可能部署若干靜止或固定的無線節(jié)點，諸如接入點，移動設備可以與它們形成無線連接，這種連接通常遵從諸如IEEE 802. 11標準之類的工業(yè)標準，例如IEEE 802. 11a。優(yōu)選的是，無線接入點被設置成對所關注的覆蓋地域或地區(qū)形成有效覆蓋，并通過有線或無線鏈路連接到數據網絡上。有許多應用必須知道移動終端的位置，也已提出和實現了各種系統(tǒng)，用來根據射頻傳播的測量結果對終端進行位置估計?？梢园凑帐欠裥枰獔?zhí)行射頻環(huán)境勘測來給已知的系統(tǒng)分類。不需要勘測的位置估計系統(tǒng)包括例如通過發(fā)送到或接收自網絡內的諸如接入點或基站之類的固定節(jié)點的無線電信號的相對到達時間對位置進行估計。這些無線電信號可以是在上行鏈路或下行鏈路上的，也就是說可以在終端處測量從多個固定節(jié)點所發(fā)送的信號的到達時間，或者在多個固定節(jié)點處測量從終端所發(fā)送的信號的到達時間。可替換地，已知可以根據在固定節(jié)點處從終端接收的信號強度或在終端處從多個固定節(jié)點接收的信號強度來估計位置。這樣的根據發(fā)送至或接收自多個固定節(jié)點的信號的到達時間和/或接收信號強度的定位系統(tǒng)可以稱為多點定位系統(tǒng)(multilateration system)。也已知的是，位置可以根據無線電信號的到達角的測量結果來估計，這可以被稱為三角測量。不需要勘測的定位系統(tǒng)和方法通常有賴于有關射頻傳播的假設，例如假設無線電信道是直的視線路徑，而信號沒有受到障礙物的衰減。雖然這在許多環(huán)境中可能是一個合理的假設，但諸如典型的辦公室或事務所之類的室內環(huán)境可以涉及嚴重的多路徑、阻礙和非視線傳播，使得這樣的定位系統(tǒng)的精度會大大降低。雖然可以用諸如GPS之類的衛(wèi)星導航系統(tǒng)來進行野外定位，但這樣的系統(tǒng)往往在室內由于難以接收衛(wèi)星所發(fā)送的信號而不大有效。為了可以在具有不可預測的無線電傳播特性的環(huán)境內(通常是在室內)進行位置估計，已知實現了一種基于以在終端處從多個接入點接收到的信號的強度計的射頻環(huán)境的測量結果的系統(tǒng)。位置通過將所測量的接收信號強度與來自接入點的先前在網絡的整個覆蓋區(qū)域內的多個不同位置處勘測到的接收信號強度的數據庫相比較來估計。接收信號強度的測量結果表示網絡內的一個位置的"指紋(fingerprint)"，即這個位置的射頻環(huán)境的特征測度(measure)。然而，用這種方法得到的位置估計往往會有模糊，這是因為在幾個位置可能出現類似的指紋。此外，這種系統(tǒng)的精度也受到限制。本發(fā)明的一個目的是提供一種克服這些缺點的方法與設備。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明的第一方面，所提供的是一種估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的方法，所述方法包括測量在所述終端與所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應；以及至少根據在表示所測量的復頻率響應的第一度量的數據與表示多個所存儲的度量的數據之間的比較，估計所述終端的位置，其中，所述多個所存儲的度量中的每一個度量與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量具有在所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點與所述網絡內的所述度量與其相關的所述位置之間測量的復頻率響應。根據復頻率響應進行估計位置的優(yōu)點是，由于復頻率響應是具有多個分量的向量，因此這種測度含有比例如簡單的接收功率測度多的信息。因此，這種測度很少會有在不同位置有相同值的模糊性。根據在表示第一度量的數據與表示多個所存儲的度量(所述多個所存儲的度量中的每一個與網絡內多個不同位置中的一個位置相關)的數據之間的比較來估計位置的優(yōu)點是，這種方法很可能比對無線電傳播的性質進行假設的方法更為精確。這在假設很可能是不準確的、呈現強烈的多路徑或非視線傳播的無線電環(huán)境中特別重要。所存儲的度量可以通過例如在分布(可以是二維或三維分布)在無線網絡的整個覆蓋區(qū)域內的多個點處的事前勘測來確定。優(yōu)選的是，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是自相關函數。根據復頻率響應的自相關函數來估計位置的優(yōu)點是，這樣的自相關隨位置的改變比復頻率響應本身更為緩慢。因此它是耐擾的測度，也就是說能夠容忍用于產生所存儲的度量的位置誤差以及無線電傳播環(huán)境的少許改變。此外，耐擾和較慢改變的特性對于將所測量的值與所存儲的值匹配的過程是非常合適的，不需要在所存儲的度量的位置之間的間距過小。方便的是，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是頻率相干函數。頻率相干函數也呈現隨位置緩慢改變，并且是耐擾的。有益的是，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是規(guī)格化后的頻率相干函數。 對頻率相干函數規(guī)格化的優(yōu)點是使這個度量與所接收的功率無關，因此也就與發(fā)送機的功率或天線等的未知或未標定的增益無關。這在改善度量對設備輸出功率的變化的耐擾性中是有益的，因此，例如終端就不需要被設置為與用來產生所存儲的度量的設備相同的輸出功率。優(yōu)選的是，所述測量在所述終端與所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應是根據從所述終端和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中所選的一個發(fā)送的信號執(zhí)行的，所述信號由所述終端和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中的另一個接收。因此，這種測量可以對通過從終端傳播到一個固定節(jié)點或者在相反方向上傳播的所接收的信號執(zhí)行。由于在無線電信道內的傳播通常是可逆的，因此無論傳播發(fā)生在哪個方向，只要載頻是相同的，就會得到相同的復信道響應。有益的是，信號包括正交頻分復用符號。使用正交頻分復用調制的無線系統(tǒng)特別適合用來產生復信道響應和頻率相干函數，這是因為在任何情況下所接收的信號在標準的 OFDM接收機內都被變換至頻域，并且用OFDM信號格式的標準導頻音產生復數信道響應也是在標準的接收過程中所固有的。方便的是，估計在所述第一度量與每一個所述所存儲的度量之間的差別的測度， 以及根據與所估計的差別的測度最小的所存儲的度量相關的位置，估計所述終端的位置。 也就是說，將第一度量用作指紋，再將該指紋與在勘測期間在不同位置所取得的多個所存儲的指紋匹配。指紋最為匹配的那個位置就取為最可能的位置。優(yōu)選的是，指紋將包括一組與在終端與兩個或更多個固定節(jié)點之間的信道響應有關的度量，類似地，所存儲的度量將與去到或來自數個固定節(jié)點的信道響應有關。在所測量的一組度量與所存儲的度量組之間的匹配于是可以根據在所測量的組與所存儲的組之間的差別的測度，諸如均方差，來執(zhí)行。使用與兩個或更多個固定節(jié)點有關的度量的優(yōu)點是， 可以以比只使用單個度量的情況的精度高的精度來估計位置。按照本發(fā)明的第二方面，所提供的是一種編輯勘測數據以用于估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的方法，所述方法包括測量在測量節(jié)點與在所述網絡內的多個不同位置處的所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應；得出表示與所述多個不同位置中的每一個位置相關的每一個所測量的復頻率的度量的數據；以及將為所述多個不同位置中的每一個位置所得出的數據與所述網絡內的所述度量與其相關的位置的指示一起存儲起來。按照本發(fā)明的第三方面，所提供的是一種被設置成估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的處理器，其中所述處理器被設置成接收在所述終端與所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應的測量結果；以及所述處理器被設置成至少根據在表示所測量的復頻率響應的第一度量的數據與表示多個所存儲的度量的數據之間的比較，估計所述終端的位置，所述多個所存儲的度量中的每一個度量與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量具有在所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點與所述網絡內的所述度量與其相關的位置之間測量的復頻率響應。按照本發(fā)明的第四方面，所提供的是一種用計算機可執(zhí)行指令編碼的計算機可讀介質，所述計算機可執(zhí)行指令使處理器通過執(zhí)行以下操作來估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置接收在所述終端與所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應的測量結果；以及至少根據在表示所測量的復頻率響應的第一度量的數據與表示多個所存儲的度量的數據之間的比較，估計所述終端的位置，其中，所述多個所存儲的度量中的每一個度量與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量具有在所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點與所述網絡內的所述度量與其相關的位置之間測量的復頻率響應。
從以下對僅作為例示給出的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明中可以清楚地看到本發(fā)明的其他一些特征和優(yōu)點。


圖1為示出按照本發(fā)明的一個實施例的無線網絡的示意圖；圖2示出了三個示例性的復信道響應的振幅；圖3示出了按照本發(fā)明的一個方面的三個示例性的頻率相干函數的振幅；圖如為示出發(fā)送時的OFDM符號的示意圖；圖4b為示出接收時的OFDM符號的示意圖；圖如為示出從OFDM符號的導頻音得到的信道的復頻率響應的振幅的示意圖；圖5為示出在本發(fā)明的一個實施例中用來得出頻率相干函數的OFDM接收機的接收鏈的示意圖；圖6為例示作為本發(fā)明的一個實施例的根據在一個固定節(jié)點處從終端接收到的信號對終端的位置進行估計的系統(tǒng)的示意圖；圖7為例示作為本發(fā)明的一個實施例的根據在多個固定節(jié)點處從終端接收到的信號對終端的位置進行估計的系統(tǒng)的示意圖；圖8為例示作為本發(fā)明的一個實施例的根據在終端處從多個固定節(jié)點接收到的信號對終端的位置進行估計的系統(tǒng)的示意圖；以及圖9示出了作為本發(fā)明的一個實施例的在根據在終端處從多個固定節(jié)點接收到的信號對終端的位置進行估計中包括的各步驟。
具體實施例方式通常，本發(fā)明涉及用于估計在無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的方法和設備。下面將在配有可以與一個或多個用戶設備形成無線連接的無線接入點(也可以被稱為連接點或基站)的網絡的諸如事務所之類的地帶內使用WiFi網絡的上下文中例示性地對本發(fā)明的一個實施例進行說明。接入點通常將包括適合于與數據網絡的其他部分進行無線連接和有線連接的收發(fā)機，數據網絡可以是包括處在另一個位置的數據中心的企業(yè)通信網，或者可以包括與因特網的連接。各種配有無線收發(fā)機的設備可以通過連接點連接到網絡上，諸如個人計算機(PC)和諸如PDA(個人數字助理)之類的移動數據單元，它們可以在接入點的無線覆蓋地區(qū)內移動，也可以在事務所內的接入點之間移動。本發(fā)明可以適用于用來傳送包括但不限于數字編碼的語音信號、一般音頻信號、圖像和視頻流的任何類型的數據的數據網絡。這些無線信號可以遵從諸如IEEE 802. IlffiFi之類的工業(yè)標準，而且還可以遵從諸如LTE或WiMax之類的蜂窩無線電標準，或者諸如超寬頻帶無線電之類的其他工業(yè)標準或遵從專有標準，也可以遵從非特定的可接受標準。圖1示出了本發(fā)明的一個實施例。圖中示出了在無線網絡的覆蓋區(qū)域2內的可以是接入點的三個固定節(jié)點如、4b和如。每一個接入點通常通過有線鏈路連接到可以是專用數據網也可以是公用因特網的網絡11上。位置估計處理器12也連接到網絡11上。
終端6處在無線網絡的覆蓋區(qū)域2內，并與接入點如、牝和如通信。本發(fā)明的該實施例涉及一種利用射頻(RF)指紋識別(fingerprinting)技術對在無線網絡內的終端6的位置進行估計的方法。RF指紋是這個無線電環(huán)境的特征測度。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，RF指紋是在終端與一個或多個接入點之間的無線電信道的復頻率響應的頻率相干函數。通過測量RF指紋和將所測得的指紋與一組所存儲的與已知位置相關的指紋相比較，來估計終端的位置。通常，所存儲的這組指紋是先前在勘測期間在分布在整個覆蓋區(qū)域內的一些位置處取得的。在圖1中，先前通過在網格上的標為十字10a、10b等的每一個點處測量RF指紋， 已經對覆蓋區(qū)域2做了勘測。通常，對于工作在2. 4GHz或5GHz的系統(tǒng)來說，網格點可以相隔^ii左右。這個圖只是一個例子，網格間距值也可以大一些或小一些。在勘測中不必覆蓋整個覆蓋區(qū)域，而只須覆蓋所關心的區(qū)域，也不必遵照規(guī)則的網格圖案。雙端箭頭8a、8b和8c表示在終端與接入點之間的無線電信道。一般說來，無線鏈路是可逆的，因此由8a、8b和8c表示的無線電信道的復頻率響應可以用沿任一方向傳播的信號來測量。然而，實際上有益的是通常用終端作為發(fā)送機和用接入點作為接收機，這是因為在這種情況下，如可以看到的那樣，可以以不修改的方式使用終端，而對接入點進行修改，以產生用于位置估計的度量或度量組(即指紋)。通常終端可以從各種傳統(tǒng)項中選出， 有益的是不需修改就可以發(fā)現它們的位置。雖然本發(fā)明將主要是參照終端為發(fā)送機而將一個或多個固定節(jié)點用作接收機來進行位置估計的實施例來進行說明的，但用相反方向的信號流進行位置估計也是完全可行的。如已提到的那樣，在本發(fā)明的一個實施例中，用從復信道響應得出的頻率相干函數作為無線電環(huán)境的特征測度。圖2示出了與三個間距很小的位置(相距IOcm左右)有關的三個復頻率響應(為了清晰起見僅示出了振幅)Ha、14b和14c。圖3示出了與相同的三個位置有關的等效頻率相干函數(同樣，為了清晰起見僅示出了振幅)16a、16b和16c。 從對這些曲線的比較可以看到，由于小的位移而引起的復頻率響應變化很大(在給定頻率處)，而由于小的位移而引起的頻率相干函數變化較小。通常，業(yè)已發(fā)現，就用作RF環(huán)境的特征測度來說，頻率相干函數是比復頻率響應好的測度，這是因為在需要很少甚至不需要平均來產生可再現結果的意義上它更為耐擾。頻率相干函數(FCF)可以表示為
權利要求
1.一種估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的方法， 所述方法包括測量在所述終端與所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應；以及至少根據在表示所測量的復頻率響應的第一度量的數據與表示多個所存儲的度量的數據之間的比較，估計所述終端的位置，其中，所述多個所存儲的度量中的每一個度量與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量具有在所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點與所述網絡內的所述度量與其相關的所述位置之間測量的復頻率響應。
2.按照權利要求1所述的方法，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是自相關函數。
3.按照權利要求2所述的方法，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是頻率相干函數。
4.按照權利要求3所述的方法，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是規(guī)格化后的頻率相干函數。
5.按照以上任一權利要求所述的方法，其中，所述測量在所述終端與所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應是根據從所述終端和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中所選的一個發(fā)送的信號執(zhí)行的，所述信號由所述終端和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中的另一個接收。
6.按照權利要求5所述的方法，其中，所述信號包括正交頻分復用符號，而所述測量包括接收所述正交頻分復用符號的導頻音值； 根據所接收的導頻音，估計所述無線電信道的復頻率響應；以及根據所估計的復頻率響應的自相關函數，估計所述第一度量。
7.按照以上任一權利要求所述的方法，其中，所述估計包括估計在所述第一度量與每一個所述所存儲的度量之間的差別的測度；以及根據與所估計的差別的測度最小的所存儲的度量相關的位置，估計所述終端的位置。
8.按照以上任一權利要求所述的方法，其中，所述無線網絡還包括多個固定節(jié)點，所述方法還包括測量一組復頻率響應，所述一組復頻率響應包括在所述終端與所述多個固定節(jié)點中的兩個或更多個固定節(jié)點中的每一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應；確定一組第一度量，每一個第一度量與所測量的一組復頻率響應中的一個復頻率響應相對應；以及根據在所述一組第一度量中的每一個第一度量與在多個所存儲的度量組中的相應度量之間的比較，估計所述終端的位置，其中，每一個所存儲的度量組與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量組包括針對在所述多個固定節(jié)點中的所述兩個或更多個固定節(jié)點中的每一個固定節(jié)點與所述網絡內的所存儲的度量組與其相關的位置之間所測量的復頻率響應的所存儲的度量。
9.按照權利要求8所述的方法，其中，所述估計包括估計在所述一組第一度量中的每一個第一度量與所述多個所存儲的度量組中的每一個度量組中的相應度量之間的差別的測度；根據所估計的測度，計算在所述一組第一度量與所存儲的度量組中的每一個度量組之間的均方差；以及根據所述多個位置中的所估計的均方差最小的一個位置，估計所述終端的位置。
10.按照權利要求8所述的方法，其中，所述估計包括估計在所述一組第一度量中的每一個第一度量與所述多個所存儲的度量組中的每一個度量組中的相應度量之間的差別的測度；根據所估計的測度，計算在所述一組第一度量與所存儲的度量組中的每一個度量組之間的均方差；從所述多個位置中選擇兩個或更多個具有比其他位置低的所估計的均方差的位置；以及根據在所選擇的位置之間的內插，估計所述終端的位置。
11.一種編輯勘測數據以用于估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的方法，所述方法包括測量在測量節(jié)點與在所述網絡內的多個不同位置處的所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應；得出表示與所述多個不同位置中的每一個位置相關的每一個所測量的復頻率的度量的數據；以及將為所述多個不同位置中的每一個位置所得出的數據與所述網絡內的所述度量與其相關的位置的指示一起存儲起來。
12.按照權利要求11所述的方法，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是自相關函數。
13.按照權利要求12所述的方法，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是頻率相干函數。
14.按照權利要求13所述的方法，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是規(guī)格化后的頻率相干函數。
15.按照權利要求11至14中任一權利要求所述的方法，其中，所述測量在所述測量節(jié)點與所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應是根據從所述測量節(jié)點和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中所選的一個發(fā)送的信號執(zhí)行的，所述信號由所述測量節(jié)點和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中的另一個接收。
16.一種被設置成估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置的處理器，其中所述處理器被設置成接收在所述終端與所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應的測量結果；以及所述處理器被設置成至少根據在表示所測量的復頻率響應的第一度量的數據與表示多個所存儲的度量的數據之間的比較，估計所述終端的位置，所述多個所存儲的度量中的每一個度量與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量具有在所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點與所述網絡內的所述度量與其相關的位置之間測量的復頻率響應。
17.按照權利要求16所述的處理器，其中所述第一度量和所述多個所存儲的度量是自相關函數。
18.按照權利要求17所述的處理器，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是頻率相干函數。
19.按照權利要求18所述的處理器，其中，所述第一度量和所述多個所存儲的度量是規(guī)格化后的頻率相干函數。
20.按照權利要求16至19中任一權利要求所述的處理器，其中，所述測量在所述終端與所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應是根據從所述終端和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中所選的一個發(fā)送的信號執(zhí)行的，所述信號由所述終端和所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點之中的另一個接收。
21.一種用計算機可執(zhí)行指令編碼的計算機可讀介質，所述計算機可執(zhí)行指令使處理器通過執(zhí)行以下操作來估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置接收在所述終端與所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應的測量結果；以及至少根據在表示所測量的復頻率響應的第一度量的數據與表示多個所存儲的度量的數據之間的比較，估計所述終端的位置，其中，所述多個所存儲的度量中的每一個度量與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量具有在所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點與所述網絡內的所述度量與其相關的位置之間測量的復頻率響應。
全文摘要
本公開涉及通過以下操作來估計在包括至少一個固定節(jié)點的無線網絡的覆蓋區(qū)域內的終端的位置測量在所述終端與所述固定節(jié)點中的一個固定節(jié)點之間的無線電信道的復頻率響應；以及至少根據在表示所測量的復頻率響應的第一度量的數據與表示多個所存儲的度量的數據之間的比較，估計所述終端的位置，其中，所述多個所存儲的度量中的每一個度量與所述網絡內的多個不同位置中的一個位置相關，而每一個所存儲的度量具有在所述固定節(jié)點中的所述一個固定節(jié)點與所述網絡內的所述度量與其相關的位置之間測量的復頻率響應。
文檔編號H04W64/00GK102461291SQ201080025280
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權日2009年6月8日
發(fā)明者D·比萬, D·里斯亞科弗, I·艾夫里恩 申請人:北電網絡有限公司