CN105792349B - 信号强度分布建立方法及无线定位*** - Google Patents
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Abstract
一种信号强度分布建立方法及无线定位***，该方法包含有建立对应于多个基站的多个分布函数；于一空间中至少一测量位置测量来自该多个基站的多个信号强度，以取得多个信号强度测量值；根据对应于该至少一测量位置的该多个信号强度测量值，调整该多个分布函数；根据调整后的该多个分布函数，计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值；以及根据该多个信号强度测量值与该多个信号强度估测值，建立对应于该空间的一信号强度分布图。
Description
技术领域
本发明指一种信号强度分布建立方法及无线定位***，尤指一种有效率且正确地建立信号强度分布图的信号强度分布建立方法及无线定位***。
背景技术
在无线通信***中，定位技术可用来估测终端装置的位置，以提升无线收发效率，常见的定位技术包含收讯时间法(或称信号传送时间，Time of Arrival，TOA)、收讯角度法(Angle of Arrival，AOA)及收讯强度法(Received Signal Strength，RSS)等。收讯时间法以三个基站所测量的接收信号的传播时间乘上传播速度，分别求得基站与目标物的距离，接着以各个基站为圆心，与目标物的距离为半径画圆，三圆的交会点即目标物的位置；收讯角度法决定两个基站所测量的接收信号的来源方向，并以各个基站的位置为起点形成一直线，两直线的交会点即目标物的位置；收讯强度法则是根据移动装置所测量的信号强度测量值，求得基站与目标物的距离，进而判断目标物的位置。
在室内环境中，由于摆设复杂，其中的无线电信号传播多属于非直视(或称非视线可及，Non-Line of Sight，NLOS)传播，并且多路径(Multipath)效应也相当明显。上述收讯时间法及收讯角度法受多路径效应的影响较大，估测目标物的位置时容易产生误差。相对来说，当目标物移动时，其接收信号强度的变化容易预测，因此收讯强度法较收讯时间法及收讯角度法更适用于室内无线定位***。
收讯强度法除了利用移动装置测量的信号强度测量值外，需建立信号强度分布图(即无线电地图)，以根据信号强度分布图，分别求得基站与目标物的距离，接着以各个基站为圆心，与目标物的距离为半径画圆，决定目标物的位置。在公知技术中，为了取得信号强度分布图，需通过移动装置在室内空间中的不同测量位置测量来自多个基站的信号强度测量值，并根据信号强度测量值以内插的方式计算非测量位置的信号强度值。在此情形下，信号强度分布图的精准度取决于测量位置的数量。一般而言，测量位置设置的数量越多，可获得较符合实际信号强度分布的信号强度分布图，而实际上，测量位置设置的数量通常相当有限。另一方面，非测量位置的信号强度通常是根据测量位置的信号强度测量值进行线性内插而得，线性内插虽然有便于计算的优点，但线性内插的缺点是过度简化测量位置间的信号强度变化，造成计算出的信号强度分布图与实际的信号强度分布有误差，而未能反应真实的信号强度分布。因此，如何有效率且正确地建立信号强度分布图也就成为业界所努力的目标之一。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种信号强度分布建立方法及无线定位***，其可有效率且正确地建立信号强度分布图。
本发明公开一种信号强度分布建立方法，用于一无线定位***，该无线定位***包含多个基站，该信号强度分布建立方法包含有建立对应于该多个基站的多个分布函数，其中该多个分布函数描述该多个基站所发射信号的信号强度分布情形；于一空间中至少一测量位置测量来自该多个基站的多个信号强度，以取得多个信号强度测量值；根据对应于该至少一测量位置的该多个信号强度测量值，调整该多个分布函数；根据调整后的该多个分布函数，计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值，其中该多个位置与该至少一测量位置相异；以及根据该多个信号强度测量值与该多个信号强度估测值，建立对应于该空间的一信号强度分布图。
本发明另公开一种无线定位***，用来建立一信号强度分布图，包含有多个基站，设置于一空间；至少一移动装置，用来于该空间中至少一测量位置测量来自该多个基站的多个信号强度测量值，并将多个信号强度测量值传送至该多个基站；一协调控制装置，耦接于该多个基站，以接收该多个信号强度测量值，该协调控制装置用来执行以下步骤：建立对应于该多个基站的多个分布函数，其中该多个分布函数描述该多个基站所发射信号的信号强度分布情形；根据对应于该至少一测量位置的该多个信号强度测量值，调整该多个分布函数；根据调整后的该多个分布函数，计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值，其中该多个位置与该至少一测量测量位置相异；以及根据该多个信号强度测量值与该多个信号强度估测值，建立对应于该空间的该信号强度分布图。
附图说明
图1为本发明实施例一无线定位***的示意图。
图2为本发明实施例一信号强度分布建立流程的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 无线定位***
AP_1～AP_n 基站
100 移动装置
102 协调控制装置
mp_1～mp_m 测量位置
20 流程
200～212 步骤
具体实施方式
请参考图1，图1为本发明实施例一无线定位***10的示意图。无线定位***10包含基站AP_1～AP_n、一移动装置100及一协调控制装置102。基站AP_1～AP_n可为无线接入点，用来发射与接收无线信号，基站AP_1～AP_n设置于一空间104中，如卖场、大型仓库、图书馆等空间，且空间104中规划有测量位置mp_1～mp_m。移动装置100可于空间104中的测量位置mp_1～mp_m测量来自基站AP_1～AP_n的无线信号，并将测量结果传送至协调控制装置102。协调控制装置102为具运算功能的一电脑主机或是一服务器，协调控制装置102耦接于基站AP_1～AP_n，用来根据测量结果执行相关运算以建立对应于空间104的一信号强度分布图，另外，协调控制装置102可指示基站AP_1～AP_n发送无线信号以供移动装置100测量，并接收移动装置100的测量结果。无线定位***10可根据信号强度分布图判断一目标装置于空间104中相对于基站AP_1～AP_n的位置。
具体来说，请参考图2，图2为本发明实施例一流程20的示意图。流程20用来建立对应于空间104的信号强度分布图，可通过无线定位***10执行。如图2所示，流程20包含以下步骤：
步骤200：开始。
步骤202：协调控制装置102建立对应于基站AP_1～AP_n的分布函数F1(x)～Fn(x)。
步骤204：移动装置100于测量位置mp_1～mp_m测量来自基站AP_1～AP_n的多个信号强度，以取得信号强度测量值SSm_11～SSm_nm。
步骤206：协调控制装置102根据对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度测量值SSm_11～SSm_nm，调整分布函数F1(x)～Fn(x)。
步骤208：协调控制装置102根据调整后的分布函数F1(x)～Fn(x)，计算对应于空间104中多个位置的多个信号强度估测值RSSe，其中该多个位置与测量位置mp_1～mp_m相异。
步骤210：协调控制装置102根据信号强度测量值SSm_11～SSm_nm与多个信号强度估测值RSSe，建立对应于空间104的一信号强度分布图。
步骤212：结束。
详细来说，于步骤202中，协调控制装置102建立对应于基站AP_1～AP_n的分布函数F1(x)～Fn(x)。具体来说，协调控制装置102先取得空间104的空间配置地图以及基站AP_1～AP_n的位置信息，并根据预先建立的信号强度分布模型，以建立对应于基站AP_1～AP_n的分布函数F1(x)～Fn(x)，其中，x代表空间104中一坐标位置。举例来说，一管理人员可通过协调控制装置102的一软件输入空间104的空间地图，并于空间地图标记基站AP_1～AP_n的实际坐标c1～cn，以利后续运算。信号强度分布模型描述无线信号自发射后于基站周围区域的强度衰减情形，而分布函数F1(x)～Fn(x)描述基站AP_1～AP_n所发射信号的信号强度分布情形(即信号强度衰减情形)。考量基站周围区域的信号衰减程度相关于无线信号的传播距离的情况下，协调控制装置102可利用一径向基函数φ(x)(Radial Basis Function，RBF)当作预先建立的信号强度分布模型，其中，径向基函数φ(x)仅相关于空间中坐标位置x与原点(即基站)的距离(即φ(x)＝φ(||x||)，其中||x||表示坐标位置x与原点的距离)。在此情形下，分布函数F1(x)～Fn(x)是以基站AP_1～AP_n的位置为中心的径向基函数，更精确地来说，分布函数F1(x)～Fn(x)正比于以基站AP_1～AP_n的位置为中心的径向基函数；以分布函数Fi(x)为例，Fi(x)＝aiφ(||x-ci||)，其中ai表示分布函数Fi(x)与径向基函数φ(||x-ci||)之间的比值。换句话说，协调控制装置102根据基站AP_1～AP_n的实际坐标c1～cn及径向基函数φ(x)，建立分布函数F1(x)～Fn(x)。
更进一步地，为了使信号强度分布模型更能符合室内空间中无线信号的衰减情形，协调控制装置102可用一薄板仿样(Thin Plate Spline，TPS)函数UTPS(x)预先建立信号强度分布模型，其中薄板仿样函数可表示为UTPS(x)＝||x||2ln(||x||)。在此情形下，分布函数F1(x)～Fn(x)正比于以基站AP_1～AP_n为中心的薄板仿样函数，即Fi(x)＝aiUTPS(||x-ci||)，
于步骤204中，移动装置100于测量位置mp_1～mp_m测量来自基站AP_1～AP_n的信号强度，以取得信号强度测量值SSm_11～SSm_nm，其中，以测量位置mp_k为例，SSm_1k～SSm_nk代表移动装置100于测量位置mp_k测量来自基站AP_1～AP_n的信号强度测量值。具体来说，移动装置100于测量位置mp_1～mp_m分别测量来自基站AP_1～AP_n的信号强度并取得信号强度测量值SSm_11～SSm_nm后，可直接将信号强度测量值SSm_11～SSm_nm传送至协调控制装置102，或是先将信号强度测量值SSm_11～SSm_nm传送至基站AP_1～AP_n再由基站AP_1～AP_n传送至协调控制装置102。协调控制装置102将根据移动装置100所在的测量位置mp_1～mp_m，纪录对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度测量值SSm_11～SSm_nm。
于步骤206中，协调控制装置102根据对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度测量值SSm_11～SSm_nm，调整分布函数F1(x)～Fn(x)。具体来说，以基站AP_i为例，协调控制装置102根据移动装置100于测量位置mp_1～mp_m所测量的信号强度测量值SSm_i1～SSm_im，调整对应于基站AP_i的分布函数Fi(x)与径向基函数φ(||x-ci||)(即薄板仿样函数UTPS(||x-ci||))之间的比值ai。比值ai可用统计估测的方式估测出来，换句话说，协调控制装置102可根据信号强度测量值SSm_i1～SSm_im，利用最小平方法(Least Square Method)、最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)、最大相似度(Maximum Likelihood)或其他方法以取得比值，进而调整分布函数F1(x)～Fn(x)。
于步骤208中，协调控制装置102根据调整后的分布函数F1(x)～Fn(x)，计算对应于空间104中多个位置的多个信号强度估测值RSSe，其中该多个位置与测量位置mp_1～mp_m相异。具体来说，以空间104中相异于测量位置mp_1～mp_m的一坐标位置x0为例，于坐标位置x0，协调控制装置102根据调整后的分布函数F1(x)～Fn(x)，取得分布函数值F1(x0)～Fn(x0)，除此之外，协调控制装置102另外产生一组加权系数w1～wn，用来将对应于坐标位置x0的分布函数值F1(x0)～Fn(x0)加权平均后以取得对应于坐标位置x0的一信号强度估测值RSSe，换句话说，对应于坐标位置x0的信号强度估测值RSSe可表示为以此类推，对于空间104中相异于测量位置mp_1～mp_m的多个位置，协调控制装置102可根据调整后的分布函数F1(x)～Fn(x)取得分布函数值，再利用加权平均的方式计算出对应于多个位置的多个信号强度估测值RSSe。
更进一步地，(以空间104中坐标位置x0为例)加权系数w1～wn代表协调控制装置102对于分布函数值F1(x0)～Fn(x0)可信程度(Confidence Level)，即加权系数wk越大代表协调控制装置102对于分布函数值Fk(x0)可信程度越大，同时加权系数w1～wn可具有的性质。加权系数w1～wn可视***需求或实际情况而有不同的选择，举例来说，若协调控制装置102依据信号强度的大小来决定对于分布函数值F1(x0)～Fn(x0)可信程度，即可选定加权系数w1～wn正比于分布函数值F1(x0)～Fn(x0)，即wj＝sFj(x0)，其中系数s需经适当调整后以满足另一方面，若协调控制装置102依据坐标位置x0与基站AP_1～AP_n之间的距离d1～dn来决定对于分布函数值F1(x0)～Fn(x0)可信程度，即可选定加权系数w1～wn正比于距离d1～dn，即wj＝tFj(x0)，其中系数t需经适当调整后以满足
于步骤210中，协调控制装置102可结合对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度测量值SSm_11～SSm_nm与对应于空间104中相异于测量位置mp_1～mp_m的多个位置的多个信号强度估测值RSSe，建立对应于空间104的信号强度分布图。其中，协调控制装置102可将对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度测量值SSm_11～SSm_nm利用上述加权平均方式，取得对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度综合值SSc_1～SSc_m。举例来说，以测量位置mp_k为例，对应于测量位置mp_k的信号强度测量值SSm_1k～SSm_nk可以加权平均的方式结合成为对应于测量位置mp_k的信号强度综合值SSc_k，以此类推，即可得对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度综合值SSc_1～SSc_m。如此一来，协调控制装置102即可结合对应于测量位置mp_1～mp_m的信号强度综合值SSc_1～SSc_m与对应于空间104中相异于测量位置mp_1～mp_m的多个位置的多个信号强度估测值RSSe，建立对应于空间104的信号强度分布图。
通过流程20，无线定位***10可于一空间中建立对应于空间104的信号强度分布图。更进一步地，当一目标装置进入空间104并提出定位请求时，无线定位***10即可根据所建立的信号强度分布图以及目标装置所测量到的信号强度，判断目标装置与基站AP_1～AP_n的距离，接着分别以基站AP_1～AP_n为圆心，以目标装置与基站AP_1～AP_n的距离为半径画圆，进而判断目标装置于空间104中相对于基站AP_1～AP_n的位置。藉由流程20，无线定位***10可根据少数测量位置的信号强度测量值，并正确地建立信号强度分布图，有效减少测量位置的数量及测量位置间因线性内插所带来的误差，增加信号强度分布图的正确性。
另外，无线定位***10中协调控制装置102的实现方式不限于特定结构。一般来说，协调控制装置102可包含一处理器以及一储存单元，储存单元包含一程序码，该程序码用来指示处理器执行上述建立分布函数F1(x)～Fn(x)、调整分布函数F1(x)～Fn(x)、计算多个信号强度估测值RSSe、建立信号强度分布图等步骤。其中，处理器可为中央处理器、数字信号处理器或是特殊应用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)。储存单元可为只读式存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random-accessmemory，RAM)、非易失性存储器(non-volatile memory，例如，一电子抹除式可复写只读存储器(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)或一快闪存储器(flash memory))、光盘只读存储器(CD-ROMs)、磁带(magnetic tapes)、软盘(floppydisks)、光学数据储存装置(optical data storage devices)等，而不限于此。
需注意的是，前述实施例是用以说明本发明的概念，本领域普通技术人员当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，无线定位***可包含多个用来测量基站的信号强度移动装置，而不限于包含单一移动装置，另外，在前述实施例中，空间中设置有多个测量位置，然而并不限于此，该空间中可仅设置单一测量位置，亦属于本发明的范畴。信号强度分布模型不限于使用薄板仿样函数，亦可使用高斯函数、二次多变函数、多谐曲线函数等，或是利用统计学习方法针对不同的无线传播环境，建立其他函数，用来当作预先建立的信号强度分布模型，而不限于此。
在公知技术中，信号强度分布图的精准度取决于测量位置设置的数量，为了获得较符合实际信号强度分布的信号强度分布图，需设置通过大量的测量位置。相较之下，本发明的信号强度分布建立方法通过预先建立的信号强度分布模型，可根据少数测量位置的信号强度测量值建立信号强度分布图，同时可降低于测量位置间因线性内插所带来的误差。
综上所述，本发明根据径向基函数为信号强度分布模型建立基站周围的信号强度分布函数，根据对应于测量位置的信号强度测量值调整分布函数，并根据调整后的分布函数计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值，最后合并测量位置的信号强度测量值及非测量位置的信号强度估测值，以建立对应于空间的信号强度分布图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (12)
1.一种信号强度分布建立方法，用于一无线定位***，该无线定位***包含多个基站，该信号强度分布建立方法包含有：
建立对应于该多个基站的多个分布函数，其中该多个分布函数描述该多个基站所发射信号的信号强度分布情形，其中建立对应于该多个基站的多个分布函数的步骤包含有：
取得对应于该多个基站的多个基站位置信息；以及
根据该多个基站位置信息及一径向基函数，建立对应于该多个基站的多个分布函数；
于一空间中至少一测量位置测量来自该多个基站的多个信号强度，以取得多个信号强度测量值；
根据对应于该至少一测量位置的该多个信号强度测量值，调整该多个分布函数；
根据调整后的该多个分布函数，计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值，其中该多个位置与该至少一测量位置相异；以及
根据该多个信号强度测量值与该多个信号强度估测值，建立对应于该空间的一信号强度分布图。
2.如权利要求1所述的信号强度分布建立方法，其中该径向基函数为一薄板仿样函数。
3.如权利要求1所述的信号强度分布建立方法，其中根据该至少一测量位置及该多个信号强度测量值，调整该多个分布函数的步骤是根据该至少一测量位置及该多个信号强度测量值调整该多个分布函数与该径向基函数的比值。
4.如权利要求1所述的信号强度分布建立方法，其中根据调整后的该多个分布函数，计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值的步骤包含有：
根据调整后的该多个分布函数，取得对应于该多个位置的多个分布函数值；
产生对应于该多个分布函数值的多个加权系数；以及
根据该多个分布函数值及该多个加权系数，计算对应于该多个位置的该多个信号强度估测值。
5.如权利要求4所述的信号强度分布建立方法，其中该多个加权系数相关于该多个分布函数值。
6.如权利要求1所述的信号强度分布建立方法，其中该信号强度分布图用来定位一目标装置于该空间相对于该多个基站的位置。
7.一种无线定位***，用来建立一信号强度分布图，包含有：
多个基站，设置于一空间；
至少一移动装置，可于该空间中至少一测量位置测量来自该多个基站的多个信号强度测量值，并将多个信号强度测量值传送至该多个基站；
一协调控制装置，耦接于该多个基站，以接收该多个信号强度测量值，该协调控制装置用来执行以下步骤：
建立对应于该多个基站的多个分布函数，其中该多个分布函数描述该多个基站所发射信号的信号强度分布情形；根据对应于该至少一测量位置的该多个信号强度测量值，调整该多个分布函数；
根据调整后的该多个分布函数，计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值，其中该多个位置与该至少一测量位置相异；以及
根据该多个信号强度测量值与该多个信号强度估测值，建立对应于该空间的该信号强度分布图，
其中，该协调控制装置还用来执行以下步骤，以建立对应于该多个基站的该多个分布函数：
取得对应于该多个基站的多个基站位置信息；以及
根据该多个基站位置信息及一径向基函数，建立对应于该多个基站的多个分布函数。
8.如权利要求7所述的无线定位***，其中该径向基函数为一薄板仿样函数。
9.如权利要求7所述的无线定位***，其中根据该至少一测量位置及该多个信号强度测量值，调整该多个分布函数的步骤是根据该至少一测量位置及该多个信号强度测量值调整该多个分布函数与该径向基函数的比值。
10.如权利要求7所述的无线定位***，其中该协调控制装置还用来执行以下步骤，以根据调整后的该多个分布函数，计算对应于该空间中多个位置的多个信号强度估测值：
根据调整后的该多个分布函数，取得对应于该多个位置的多个分布函数值；
产生对应于该多个分布函数值的多个加权系数；以及
根据该多个分布函数值及该多个加权系数，计算对应于该多个位置的该多个信号强度估测值。
11.如权利要求10所述的无线定位***，其中该多个加权系数相关于该多个分布函数值。
12.如权利要求7所述的无线定位***，其中该信号强度分布图用来定位一目标装置于该空间相对于该多个基站的位置。
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