CN103096514A - 采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法，包括如下步骤：某WiFi用户向网关节点提出建立WiFi接入点能量图谱的请求，网关节点向所有ZigBee传感器广播该请求并监听特定信道，提取出WiFi接入点子序列且广播给ZigBee传感器；ZigBee传感器收到请求后对特定信道的WiFi帧接收信号强度进行采样，并对WiFi接入点子序列进行匹配，估计得到ZigBee接收信号强度，再进一步估计得到对应的WiFi接收信号强度，之后回传至网关节点；网关节点收集来自所有ZigBee传感器的数据并建立实时WiFi接入点能量图谱，然后发送给提出请求的该某用户。本发明利用ZigBee传感器网络，能够建立实时WiFi接入点能量图谱，缩短了时间，提高了WiFi接入点能量图谱的可靠性。

Description

采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法

技术领域

本发明涉及WiFi网络，特别涉及一种采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

WiFi网络是近年来无线网络研究方向的重点，在近年来的商业应用中获得了很大的市场份额，并拥有了广大的用户基础和良好的市场前景，在家用和商用领域中获得了不同程度的推广。在近年来的应用情况中，一个区域内分布着不同用户所布置的WiFi接入点的情况愈发常见，因此了解不同WiFi接入点在同一个位置的接收信号强度和同一个WiFi接入点在不同位置的接收信号强度，对用户有着重要的意义。

WiFi能量图谱能够显示出在给定的环境下分布在不同位置的WiFi接入点的接收信号强度，这使得WiFi能量图谱在接入点选择和定位方面非常有用。在拥有该能量图谱的情况下，WiFi网络的使用者可以选择接收信号强度最强的WiFi接入点，甚至通过移动位置以获得更好的接收信号强度，从而享受更好的网络服务质量。WiFi接入点能量图谱具有两个特点：（1）能量图谱受限于布置区域的环境，因此需要进行实际测量才能感知环境因素对于能量图谱的影响；（2）一旦任何WiFi接入点的位置或布置区域的环境发生改变，那么整个能量图谱也将发生改变，这种改变是无法预知的，因此WiFi接入点的能量图谱的时效性较低。

目前常用的是直接建立WiFi接入点能量图谱的方法，其使用带有WiFi网卡的移动设备扫过整个给定的区域，对区域中每个位置的所有信道的接收信号强度进行测量，并汇总和计算数据，最终建立WiFi接入点能量图谱。但是由于扫过整个给定区域需要花费很长的时间，因此这种方法应用起来并不方便，而且代价较高，尤其要想建立实时的WiFi接入点能量图谱更是不可能的。

ZigBee传感器网络是近年来新兴的一种无线自组织传感器网络，作为IEEE802.15.4规范被发布和推广。ZigBee传感器网络由于其结构简单、可靠性高、成本较低和省电的优点，而在家庭和工业环境上具有良好的应用价值。由于ZigBee传感器网络的工作频段与WiFi网络的工作频段相同，因此ZigBee传感器能够听到WiFi接入点发送的帧，但不能对帧进行解码。本发明基于这一点，提出了一种使用ZigBee传感器网络来估计WiFi接入点的接收信号强度，以建立WiFi接入点能量图谱的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有直接建立WiFi接入点能量图谱方法的不足，提供一种采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法，通过使用近年来广为使用的ZigBee传感器网络，动态估计WiFi在每个传感器节点的接收信号强度，以实现对整个WiFi能量图谱数据的收集，从而建立实时WiFi接入点能量图谱，达到减少收集数据的时间，提高WiFi能量图谱的有效性和可靠性的效果，更好地满足WiFi用户对于WiFi能量图谱的需求。

为了达到以上目的，本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法，其包括以下步骤：

（1）在***工作中，某WiFi用户通过WiFi网络向网关节点提出对特定信道建立WiFi能量图谱的情求，网关节点通过ZigBee网络向所有的ZigBee传感器广播该请求；

（2）在接受所述请求后，各ZigBee传感器监听所述特定信道，并按照一定的频率采样该特定信道中WiFi帧的接收信号强度；

（3）网关节点对所述特定信道进行监听，并捕获一系列WiFi帧序列中每一WiFi帧的长度及其与下一WiFi帧的时间间隔，按照其所属的WiFi接入点划分为子序列，并将这些WiFi接入点子序列广播给所有的ZigBee传感器；

（4）各ZigBee传感器对来自网关节点的WiFi接入点子序列进行进一步匹配后，根据之前采样到的WiFi帧的接收信号强度估计得到ZigBee接收信号强度，再根据估计所得的ZigBee接收信号强度进一步估计得到所在位置的WiFi接收信号强度，并将之发送至网关节点；

（5）网关节点收集来自ZigBee传感器网络中每一传感器估计得到的WiFi接收信号强度，进行计算和建立实时WiFi接入点能量图谱，并将该实时WiFi接入点能量图谱发送给之前提出请求的该某WiFi用户。

所述步骤（4）中，彼此相关的AP子序列与接收信号强度序列的判定指标为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=\mathrm{corr}({\tilde{X}}_{\mathrm{sub}},\tilde{Y})+\mathrm{\ω}\×\frac{1}{\mathrm{\δ}\left(X_{\mathrm{sub}}\right)}\\ \mathrm{\δ}\left(X_{\mathrm{sub}}\right)=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-m\left(X_{\mathrm{sub}}\right))}^2\end{array}$

其中，ω为确定参数，X_sub为接收信号强度的子序列。

本发明的优点在于：

（1）本发明克服了传统建立WiFi接入点能量图谱使用带有WiFi的移动网卡，需要花费很长时间的不足，大幅度地降低了收集能量图谱数据所需的时间，能够在较短的时间内完成WiFi接入点能量图谱的建立。

（2）本发明采用ZigBee传感器网络进行能量图谱的数据收集，受到其他WiFi接入点的干扰小，因此能够长时间动态收集每个传感器处的WiFi接入点的信号强度变化，从而能够实时地建立区域内任一WiFi接入点动态的能量图谱，提高了WiFi接入点能量图谱的可靠性。

（3）本发明应用了ZigBee传感器网络中的传感器节点能够听到WiFi网络中WiFi接入点发送的帧，却无法解码帧的原理，通过ZigBee的接收信号强度来估计对应的WiFi信号强度，从而实现了对WiFi信号强度的测定。

附图说明

图1是本发明的***结构框图。

具体实施方式

本发明使用ZigBee网络来监听WiFi通讯信息，并估计和使用接收到的信号强度来建立实时WiFi接入点的能量图谱。下面结合附图对本发明的各个步骤做进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明所述的采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法包括以下步骤：

（1）在***工作中，某个WiFi用户通过WiFi网络向网关节点提出对特定信道建立WiFi能量图谱的情求，网关节点通过ZigBee网络向所有的ZigBee传感器广播此请求。

（2）在接受到建立WiFi能量图谱的请求后，各ZigBee传感器开始监听网关节点所指示的特定信道，并开始按照一定的频率采样该特定信道中WiFi帧的接收信号强度。

（3）网关节点对请求所指示的特定信道进行监听，并捕获一系列的WiFi帧序列；对于每个帧，获取其长度和与下一帧的时间间隔，按照其所属的WiFi接入点划分为子序列，并将这些WiFi接入点子序列广播给所有的ZigBee传感器。

其计算方法如下：

根据如下的公式判断出每个AP接入点的子序列

$\tilde{Y}=({\tilde{y}}_1,{\tilde{y}}_2,...,{\tilde{y}}_s),$

${\tilde{y}}_i=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if\; t}=t_a+\mathrm{\τ}+i\·\mathrm{I\; contained\; in\; a\; frame}\\ 0,\mathrm{otherrwise}\end{array}\right.$

其中，τ为大于零的参数，t_a为网关节点开始捕捉WiFi帧信息的时间间隔，I为两次采样的间隔。

（4）各ZigBee传感器对来自网关节点的WiFi接入点子序列进行进一步匹配后，根据之前采样到的WiFi帧的接收信号强度来估计得到ZigBee接收信号强度，再根据估计所得的ZigBee接收信号强度进一步估计得到所在位置的WiFi接收信号强度，并将之发送至网关节点。

其具体步骤如下：

A、对于接收到的来自网关节点的WiFi接入点子序列与接收信号强度序列进行匹配，以消除网关节点发送请求到ZigBee传感器的时延；对于每个AP子序列Y匹配的接收信号强度序列X，建立对应的子序列：

$s_j=\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_{i-1+j}\\ 0,\mathrm{if}{\stackrel{\‾}{y}}_j=0\end{array},,,0,\≤,j,\≤,\mathrm{\ϵ}\right.$

计算Y与X之间的相关度：

$\mathrm{corr}({\tilde{X}}_{\mathrm{sub}},\tilde{Y})=\frac{{\mathrm{cov}}^2({\tilde{X}}_{\mathrm{sub}},\tilde{Y})}{\mathrm{cov}({\tilde{X}}_{\mathrm{sub}},{\tilde{X}}_{\mathrm{sub}})\mathrm{cov}(\tilde{Y},\tilde{Y})}$

考虑到ZigBee传感器与网关之间的时钟不同步，采用时钟偏移来修正采样间隔：

I′×ψ＝I.

其中，ψ为时钟偏移。

由于来自同一接入点的接收信号强度应该保持稳定，偏差值较小，最终以满足以下最优化问题的解作为判定指标，来判定彼此相关的AP子序列与接收信号强度序列：

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=\mathrm{corr}({\tilde{X}}_{\mathrm{sub}},\tilde{Y})+\mathrm{\ω}\×\frac{1}{\mathrm{\δ}\left(X_{\mathrm{sub}}\right)}\\ \mathrm{\δ}\left(X_{\mathrm{sub}}\right)=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-m\left(X_{\mathrm{sub}}\right))}^2\end{array}$ $\begin{array}{cc}\max & \mathrm{\λ}(\mathrm{\τ},\mathrm{\ψ})\\ s.t.,& \mathrm{\τ}\∈[0,{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{delay}}]\\ & \mathrm{\ψ}\∈[{\mathrm{\ψ}}_1,{\mathrm{\ψ}}_h]\end{array}$

其中，ω为确定参数，X_sub为接收信号强度的子序列。

B、对每个采样到的WiFi帧的接收信号强度排定其重要程度。

信号重要程度采用对应的RSS序列中1的个数来表示，则可以用下列公式来推导出信号重要程度v：

$v_i=\left|\frac{d_i}{I}\right|+\frac{t_4-t_3}{I}=\frac{d_i}{I}+\frac{L}{I}(1-\frac{2T}{R_i-N})$

其中，R是WiFi帧测定的接收信号强度，N是特定信道的背景噪声，T是特定信道忙闲状态的阈值差异，I是ZigBee传感器的采样间隔，t₃是WiFi帧的开始时刻，t₄是WiFi帧的结束时刻。

C、根据确定重要程度v后的WiFi帧接收信号强度来估计得到ZigBee接收信号强度R_sensor：

$R_{\mathrm{sensor}}{=\mathrm{\Σ}}_{j=1}^e{x}_{i+j-1}\×s_j\×v_{i+j-1}/{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^e{v}_{i+j-1}.$

其中，s为信号强度，v为信号重要程度。

D、根据ZigBee接收信号强度来估计得到WiFi接收信号强度：

RSS_wifi=α+β×RSS_Zigbee

其中，α和β为依赖于ZigBee平台的确定参数。

（5）网关节点收集来自ZigBee传感器网络中每个传感器估计得到的WiFi接收信号强度，进行计算并建立实时WiFi接入点能量图谱，并将该实时WiFi接入点能量图谱发送给之前提出请求的WiFi用户。

Claims (2)

1.一种采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在***工作中，某WiFi用户通过WiFi网络向网关节点提出对特定信道建立WiFi能量图谱的情求，网关节点通过ZigBee网络向所有的ZigBee传感器广播该请求；

（2）在接受所述请求后，各ZigBee传感器监听所述特定信道，并按照一定的频率采样该特定信道中WiFi帧的接收信号强度；

（3）网关节点对所述特定信道进行监听，并捕获一系列WiFi帧序列中每一WiFi帧的长度及其与下一WiFi帧的时间间隔，按照其所属的WiFi接入点划分为子序列，并将这些WiFi接入点子序列广播给所有的ZigBee传感器；

（4）各ZigBee传感器对来自网关节点的WiFi接入点子序列进行进一步匹配后，根据之前采样到的WiFi帧的接收信号强度估计得到ZigBee接收信号强度，再根据估计所得的ZigBee接收信号强度进一步估计得到所在位置的WiFi接收信号强度，并将之发送至网关节点；

（5）网关节点收集来自ZigBee传感器网络中每一传感器估计得到的WiFi接收信号强度，进行计算和建立实时WiFi接入点能量图谱，并将该实时WiFi接入点能量图谱发送给之前提出请求的该某WiFi用户。

2.如权利要求1所述的采用ZigBee网络建立实时WiFi接入点能量图谱的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，彼此相关的AP子序列与接收信号强度序列的判定指标为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=\mathrm{corr}({\tilde{X}}_{\mathrm{sub}},\tilde{Y})+\mathrm{\ω}\×\frac{1}{\mathrm{\δ}\left(X_{\mathrm{sub}}\right)}\\ \mathrm{\δ}\left(X_{\mathrm{sub}}\right)=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-m\left(X_{\mathrm{sub}}\right))}^2\end{array}$

其中，ω为确定参数，X_sub为接收信号强度的子序列。

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