DE602005002268T2 - Verfahren und system zur funkabbildungsfilterung über adaptives clustering - Google Patents

Verfahren und system zur funkabbildungsfilterung über adaptives clustering Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft Echtzeitlokalisierungssysteme und insbesondere ein Verfahren und ein System zur Ortsabschätzung in drahtlosen lokalen Netzwerken (LAN: local area network) mit Hilfe von adaptivem Clustering.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Objektlokalisierung basierend auf der Empfangssignalstärke (Received Signal Strength, RSSI) eines Signals, das von Referenzobjekten übermittelt wurde, hat Anwendungen in vielen verschiedenen Entwicklungsgebieten. Zum Beispiel können Objekte, an die ein kleiner Transceiver befestigt ist, durch ein Warenhaus verfolgt werden. Des Weiteren können Benutzer von drahtlosen Geräten ihren Ort in einer Umgebung bestimmen, indem sie den von Referenzgeräten empfangenen RSSI benutzen.
  • Ein Verfahren aus dem Stand der Technik zur Lokalisierung eines Objekt-RSSI ermittelt den Signalraumabstand von Kalibrierungspunkten innerhalb eines drahtlosen Lokalisierungssystems. In einem bestimmten Verfahren aus dem Stand der Technik kann der Ort bestimmt werden, indem der Abstand zwischen dem aktuellen Punkt einer Probe und Kalibrierungspunkten im Signalraum ermittelt wird.
  • Als Beispiel hat ein Gebiet insgesamt vier Referenzgeräte. Zu einem bestimmten Zeitpunkt scannt ein drahtloses Gerät die Funkkanäle, um den RSSI, der von jedem Referenzgerät empfangen wurde, zu ermitteln. Das Ergebnis kann als ein Satz von n RSSI-Messungen geschrieben werden. Zum Beispiel, wenn der Satz von den RSSIs von den Referenzgeräten an einem bestimmten Ort als Probe S bezeichnet wird, dann lässt sich der Satz von RSSIs, die von jedem Referenzpunkt gemessen wurden, schreiben als S:{AP1, AP2, AP3, AP4}. Der Proben-Satz kann dann mit den RSSIs von mehreren Kalibrierungspunkten verglichen werden. Jeder von den Kalibrierungspunkten wird einen. eigenen Satz von Empfangssignalstärkemessungen von jedem Referenzgerät haben. Der Vergleich kann durch die Ermittlung des Euklidischen Abstands von jedem Kalibrierungspunkt zur Probe unter Benutzung der gemessenen Signalstärken und Auswahl der Kalibrierungspunkte, die am nächsten zum Proben-Satz liegen (den kleinsten Abstand haben), geschehen. Nach dieser Schätzung ist die Probe in der Nähe dieses Kalibrierungspunktes lokalisiert. Dieser Algorithmus wird in „RADAR: An in-building RF based user location and tracking system", von Parumuir Bahl und Venkata N. Padmanabhan, veröffentlicht in Preceding of INFOCOM, 2000, diskutiert.
  • Dieses Verfahren hat mehrere Nachteile. Erstens geht es davon aus, dass der Empfänger jederzeit Signale von allen Sendern empfangen kann, somit versäumt es, die Situation zu berücksichtigen, bei der nur ein Teilsatz von den Sendern durch den Empfänger gehört werden kann, was der typische Fall in groß angelegten Netzwerken ist. Zweitens, da es versäumt, die Kalibrierungspunkte zu filtern, müssen alle Kalibrierungspunkte mit der Probe verglichen werden. Mit steigender Anzahl von Referenzgeräten und Kalibrierungspunkten, steigt auch die Rechnerbelastung und der Energieverbrauch. Des Weiteren ist es möglich, dass der Lokalisierungsalgorithmus durch bestimmte Kalibrierungspunkte herausgeworfen werden kann, wenn alle Kalibrierungspunkte verwendet werden. Was nötig ist, ist ein Verfahren und ein System zur Ortsabschätzung in drahtlosen lokalen Netzwerken mit Hilfe von adaptivem Clustering.
  • US 2003/008668 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes einer mobilen Einheit durch Vergleich eines Schnappschusses von dem gemessenen RF-Spektrum mit einer Referenzdatenbank, die mehrere Schnappschüsse beinhaltet, die an verschiedenen Orten aufgenommen wurden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Verfahren zur Abschätzung eines Ortes eines drahtlosen Geräts in einem drahtlosen Netzwerk und Kalibrierungspunkten wird gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Bildung eines ersten Satzes, aufweisend die Signalstärke, die von Referenzgeräten empfangen wurde, von denen das drahtlose Gerät ein Signal empfangen hat und einen Indikator für nicht gemessene Signalstärke für Referenzgeräte, von denen das drahtlose Gerät kein Signal empfangen hat. Dann kann ein Scan-Teilsatz gebildet werden, aufweisend Referenzgeräte in dem ersten Satz, die eine assoziierte Signalstärke haben. Basierend auf dem Scan-Teilsatz kann ein Cluster, das die Kalibrierungspunkte aufweist, gebildet werden. Eine Distanz zwischen dem ersten Satz und jedem der Kalibrierungspunkte in dem Cluster kann ermittelt werden. Anschließend kann die geringste Distanz als Ortsabschätzung selektiert werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schritt der Bildung eines Clusters weiterhin auf, Bilden eines Clusters aufweisend Kalibrierungspunkte, die genau die gleichen Referenzgeräte beinhalten, wie der Scan-Teilsatz.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Schätzung des Ortes eines drahtlosen Gerätes in einem drahtlosen Netzwerk offenbart. Das System beinhaltet eine Vielzahl von Referenzgeräten, die im drahtlosen Netzwerk verteilt sind. Das System beinhaltet auch eine Vielzahl von Kalibrierungspunkten, die im drahtlosen Netzwerk verteilt sind. Aus den Empfangssignalstärken, die von den Referenzgeräten an jedem der Kalibrierungspunkte empfangen wurden, kann eine Funkabbildung (radio map) gebildet werden. Das drahtlose Gerät kann sich im Netzwerk befinden und kann in der Lage sein, einen Scan-Satz zu bilden, aufweisend die Empfangssignalstärke von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, und einen Scan-Teilsatz von dem Scan-Satz zu bilden aufweisend Referenzgeräte in dem Scan-Satz, die eine assoziierte Signalstärke haben. Das drahtlose Gerät kann des Weiteren in der Lage sein, einen Cluster-Satz zu bilden aufweisend Clusterpunkte, die aus der Funkabbildung basierend auf dem Scan-Teilsatz selektiert wurden. Der Ort des drahtlosen Geräts kann abgeschätzt werden, indem die Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Kalibrierungspunkte in dem Cluster-Teilsatz ermittelt wird und der Kalibrierungspunkt, der mit der geringsten Distanz assoziiert wird, als Ortsabschätzung gewählt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Abbildungen beschrieben, dabei beschreiben gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente, und:
  • 1 stellt mehrere Referenzgeräte und Kalibrierungspunkte in einem drahtlosen Netzwerk entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar;
  • 2 ist ein Flussdiagramm des Clustering-Verfahrens entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 ist ein Flussdiagramm eines adaptiven Clustering-Verfahrens entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die folgende detaillierte Beschreibung ist beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder die Anwendungen und Verwendungen der Erfindung nicht limitieren. Des Weiteren ist es nicht beabsichtigt, sich an eine Theorie zu binden, die ausdrücklich oder implizit in dem vorhergehenden technischen Gebiet, Hintergrund, kurzer Zusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellt ist.
  • Ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes eines Objektes in einem drahtlosen Netzwerk unter Verwendung eines Clustering-Verfahrens, in dem jeder Kalibrierungspunkt, der nicht im gleichen Cluster ist, nicht für die Ermittlung des Ortes eingesetzt wird. Schwellenwerttechniken können verwendet werden, um die Berechnung weiter zu verbessern.
  • Eine beispielhafte Umgebung für die Verwendung der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. 1 stellt ein Gebiet 102 dar, welches ein beliebiges abgeschlossenes oder nicht abgeschlossenes Gebiet 102 sein kann, wobei einige drahtlose Referenzgeräte 104 typischerweise als Teil eines drahtlosen Netzwerks, eingesetzt sind. Des Weiteren sind einige Kalibrierungspunkte 106 vorgesehen. Ein drahtloses Gerät 108, welches ein beliebiges mobiles Gerät sein kann, das zur drahtlosen Kommunikation fähig ist, befindet sich innerhalb des Gebietes 102.
  • Die Referenzgeräte 104 übermitteln Signale, um bei der Lokalisierung von Objekten innerhalb des Gebietes, das von den Referenzgeräten abgedeckt wird, zu helfen. In einem Ausführungsbeispiel kann Referenzgerät 104 ein Zugangspunkt in einem drahtlosen lokalen Netzwerk sein.
  • Das drahtlose Gerät 108 kann ein beliebiges Gerät sein, das in der Lage ist, drahtlos zu kommunizieren. Beispielsweise kann das drahtlose Gerät 108 eine Funkfrequenzidentifikationskennzeichnung (radio frequency identification tag; RFID tag), oder ein drahtloses tragbares Computergerät, wie ein Personaldigitalassistent mit integrierten Drahtloskommunikationsfähigkeiten, oder ein Laptopcomputer mit drahtlosen Kommunikationsfähigkeiten, oder ein drahtloses Datenterminal oder ähnliches sein. In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das drahtlose Gerät 108 einen Empfänger oder Transceiver zum Empfangen von Signalen von Referenzgeräten, einen Speicher zum Speichern von Daten, die benötigt werden, um einen Ort zu bestimmen und einen Prozessor, um derartige Berechnungen durchzuführen.
  • Bevor der Ort des drahtlosen Gerätes 108 bestimmt wird, wird eine Funkabbildung gebildet. Dies kann durch eine Erfassung an jedem Kalibrierungspunkt 106 geschehen. Um eine Erfassung durchzuführen, kann ein drahtloses Gerät an jedem Kalibrierungspunkt 106 eingesetzt werden, um die Übertragungen der Referenzgeräte 104 zu empfangen. Die Signalstärke von jedem Referenzgerät 104, die an diesem Kalibrierungspunkt empfangen wurde, kann aufgenommen werden. Dieser Prozess kann mehrmals wiederholt werden, und die Signalstärkewerte werden typischerweise gemittelt. Nachdem die Erfassung vollendet ist, werden die RSSI-Werte für jedes der Referenzgeräte 104, wie sie an jedem Kalibrierungspunkt 106 gemessen wurden, und die Koordinate von jedem Kalibrierungspunkt 106, an einem beliebigen Ort im Netzwerk gespeichert. Beispielsweise kann die Funkabbildung in dem drahtlosen Gerät 108, in dem Referenzgerät 104, in einem Servercomputer, der an ein drahtloses Netzwerk (nicht dargestellt) gekoppelt ist, oder an einem anderen Ort, gespeichert werden.
  • Nachdem die Erfassung an jedem Kalibrierungspunkt vollendet ist, ist die Funkabbildung komplett. Dann kann ein drahtloses Gerät 108, das lokalisiert werden soll, einen Scan durchführen. Ein Scan ist wie eine Erfassung, die durch das drahtlose. Gerät 108 durchgeführt wird, wobei aber der Ort unbekannt ist. In dem Scan nimmt das drahtlose Gerät eine Signalstärke für jedes Referenzgerät 104 in dem Netzwerk auf. Falls das drahtlose Gerät 108 kein Signal von einem Referenzgerät 104 empfangen hat, kann die Stärke auf nicht verfügbar (not available, NA) oder auf keine verfügbare Zahl (no available number, NAN) gesetzt werden. Die Signalstärke für jedes Referenzgerät 104, wie sie von einem drahtlosen Gerät 108 aufgenommen wurde, kann als Satz von Signalstärken arrangiert werden. Sobald diese Information erhalten wurde, können die Signalstärken, die in dem Scan gemessen wurden, mit den Signalstärken von dem Kalibrierungspunkt 106 verglichen werden, um eine Ortsabschätzung für das drahtlose Gerät 108 zu finden. Die Berechnung kann an dem drahtlosen Gerät 108, an dem Referenzgerät 104, an einem Servercomputer oder an einem anderen Ort durchgeführt werden.
  • Bevor die Lokalisierungsmethoden der vorliegenden Erfindung diskutiert werden, müssen zwei Lemmas etabliert werden. Das erste Lemma ist, dass die Varianz der Empfangssignalstärke eine Konstante ist, wenn sie in Dezibel dargestellt wird. Das zweite Lemma ist, dass je höher die Empfangssignalstärke von einem bestimmten Zugangspunkt ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Daten (typischerweise in Form von Paketen) von diesem Zugangspunkt empfangen werden können.
  • Um zu etablieren, dass die Varianz von RSSI (in Dezibel) eine konstante Zahl ist, soll zunächst darauf hingewiesen werden, dass in Innenraum-Mobilfunkkanälen die wohlbekannte Rayleigh-Verteilung verwendet werden kann, um die statistische in der Zeit variierende Natur der empfangenen Einhüllenden eines flach abklingenden Signals zu beschreiben. Basierend auf dieser Annahme, können wir die Varianz der RSSI durch den Gebrauch der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Rayleigh-Verteilung berechnen.
  • Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (probability density function, pdf) einer empfangenen Einhüllenden v ist gegeben durch:
    Figure 00070001
  • Dann ist die pdf der empfangenen Leistung P, mit P = v2, die folgende Exponentialfunktion:
    Figure 00070002
  • Die Empfangssignalstärkeindikation (received signal strength indication, RSSI) wird auf einer Dezibelskala gemessen, wobei gilt PdB = 10log10 (P/10–3). Das Mittel und die Varianz von PdB ist wie folgt definiert (wobei E(P) = μ und Var(P) = μ2):
    Figure 00070003
    Figure 00080001
  • Deshalb ist, obwohl das Mittel und die Varianz der empfangenen Leistung korreliert sind, die Varianz von RSSI konstant, vorausgesetzt es gibt kein Rauschen (Hintergrund).
  • Zusätzlich gilt, je höher der RSSI von einem bestimmten Referenzgerät 104 ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Paket von diesem Referenzgerät 104 empfangen werden kann. Die Beziehung zwischen dem RSSI-Wert und der Möglichkeit des Empfangens eines Pakets ist bekannt als Funkkanalinformation (wireless channel information). Da die Varianz von RSSI wegen dem Rayleigh-Schwund, wie oben gezeigt, eine konstante Zahl ist, und weil der Empfänger das Empfangssignal unter einem bestimmten Schwellenwert, wegen der Limitation der Empfindlichkeit des Empfängers, nicht auflösen kann, ist es offensichtlich, dass je niedriger der RSSI ist, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass der RSSI unter dem Sensitivitätslevel des Empfängers sein wird.
  • Die Fähigkeit des Empfängers, ein gegebenes Signal zu empfangen, hängt von mehreren Faktoren, wie der Sensitivität des Empfängers, der Verstärkung der automatischen Verstärkungsregelung in dem Empfänger und Ähnlichem ab. Unterschiedliche Ausgestaltungen des Empfängers können die Fähigkeit des Empfängers beeinflussen.
  • Unter Verwendung der oben genannten Information, können Lokalisierungsverfahren entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung entwickelt werden. Die folgenden Definitionen werden in den folgenden Diskussionen verwendet.
    • 1) Kalibrierungs-Sätze: C = {c1, c2 ... cw}, Kalibrierungspunkte innerhalb des Gebiets. W ist hier die Anzahl der Kalibrierungspunkte.
    • 2) Aktueller Satz: S:{pr(1), ... pr(M)}
    • 3) Referenzgeräte-Satz: AP = {AP1, AP2 ... APM}, insgesamt M Referenzgeräte.
    • 4) RSSI-Satz: Pr(n) = {pr,(n,1), pr(n,2) ... pr(n,M)}T. M ist die Anzahl der Referenzgeräte. pr(n,m) ist der RSSI von dem m-ten Referenzgerät.
    • 5) Signallevelschwellenwert: Th1 oder Th2 Wert, unter dem das Signal ignoriert wird.
    • 6) RSSIs von Kalibrierungspunkten: PC = {PrC(1), PrC(2) ... PrC(W)}, M×W Matrix.
    • 7) Clusterbildung: Die Clusterbildung bezieht sich hiernach auf das Gruppieren von Kalibrierungspunkten, die einige Eigenschaften gemeinsam haben. Zum Beispiel haben c1: {11, nan, 10, 10} und c2 = {12, nan, 10, 11} das gleiche Muster F1, wobei F1:{sichtbar AP1, AP3, AP4}. Das Muster ist, dass Signale von AP1, AP3 und AP4 empfangen werden können. Also können c1 und c2 in ein Cluster G1 gruppiert werden. Der Kalibrierungspunkt c3 = {13, nan, nan, nan} gehört einem anderen Cluster an, in dem nur Signale von AP1 empfangen werden können: F1:{nur AP1 sichtbar}.
  • Ein erstes beispielhaftes Ortungsverfahren entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung kann mit Bezug auf das Flussdiagramm von 2 beschrieben werden. In einem ersten Schritt wird ein Scan vollendet (Schritt 202). Der Scan produziert einen Satz S, wobei S:{pr(1), pr(2) ... pr(M)}, und wobei M die Gesamtanzahl der Zugangspunkte ist. Das drahtlose Gerät empfängt eventuell keine Signale von manchen Referenzgeräten, und anstatt eine Signalstärke zu berichten, berichtet es ein nicht verfügbar (na) oder eine nicht verfügbare Zahl (nan).
  • Als Nächstes kann ein Teilset von S, {APV}, gebildet werden, das Referenzgeräte aufweist, von denen ein Signal empfangen wurde. Das heißt, die Referenzgeräte, die in dem Scan sichtbar waren, sind in dem Satz {APV} (Schritt 204). Dann kann für jeden der Kalibrierungspunkte ein Teilsatz {APC(w)} gebildet werden, wobei das Teilset die Kalibrierungspunkte, die einen RSSI-Wert von einem Referenzgerät berichten, aufweist (Schritt 206). Als Nächstes werden Kalibrierungspunkte, die genau die gleichen Referenzgeräte beinhalten, die in dem aktuellen Scan sichtbar waren und durch den Satz {APV} repräsentiert sind, zusammengruppiert, um die Gruppe Gn zu bilden (Schritt 208). Das heißt, Gn beinhaltet Kalibrierungspunkte, bei denen {APC(w)} = {APV}.
  • Wenn Gn ein leerer Satz ist, dann wird die Vergleichsberechnung wie zuvor durchgeführt, wobei der Scan-Satz S:{pr(1) ... pr(M)} und jeder von den Kalibrierungspunkten dazu verwendet wird, eine Euklidische Distanz zwischen dem Scan-Satz und den Kalibrierungspunkten zu berechnen. Der Kalibrierungspunkt, der dem Scanpunkt am nächsten ist, unter Benutzung der Euklidischen Distanzformel, wird zur Ortsabschätzung erklärt (Schritt 210).
  • Wenn der Satz Gn nicht leer ist, dann kann der Scan-Satz S:{pr(1) ... pr(n)} mit den Kalibrierungspunkten in dem Satz Gn verglichen werden (Schritt 212). Wieder kann der Kalibrierungspunkt, der die geringste Distanz hat, als Ortsabschätzung für den Ort der mobilen Einheit gewählt werden (Schritt 214).
  • Das oben genannte Verfahren ist eine Verbesserung gegenüber den Verfahren des Standes der Technik, weil durch Ausführung der Berechnungen innerhalb eines Teilsatzes von den Kalibrierungspunkten die Rechnerbelastung erheblich reduziert werden kann. Allerdings besteht die Möglichkeit, dass in diesem Verfahren ein Fehler auftreten kann, weil in dem falschen Cluster gesucht wird. Suchen in dem falschen Cluster kann durch Rauschen, Netzwerkverkehr und neu installierte Referenzgeräte verursacht werden. Das Problem der Suche in dem falschen Cluster kann drei Hauptursachen haben. Erstens könnte der aktuelle Satz ein Referenzgerät, das von einem oder mehreren Kalibrierungspunkten während der Erfassung nicht gesehen werden konnte, beinhalten. Zweitens könnte der aktuelle Scan ein Referenzgerät ausgelassen haben, von dem es ein Signal hätte empfangen sollen, wegen Rauschen oder weil das Referenzgerät belegt war. Drittens können neue Referenzgeräte nach der Erfassung installiert werden.
  • Wie oben erwähnt, ist es möglich, dass einer oder mehrere Kalibrierungspunkte ein Referenzgerät während einer Erfassung ausgelassen haben, weil das Referenzgerät beeinträchtigt war durch Rauschen oder hohen Netzwerkverkehr. Wie jedoch früher, bei der Diskussion des zweiten Lemmas festgestellt, je höher der RSSI von einem Referenzgerät, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass ein Paket empfangen wird. Umgekehrt sollten die RSSI von Referenzgeräten, die ausgelassen wurden, nicht besonders hoch sein, weil, falls das Referenzgerät einen hohen RSSI hätte, sollte das Referenzgerät während der Erfassung gefunden worden sein.
  • Falls zum Beispiel ein RSSI-Mittelwert von 8 für ein Referenzgerät für einen Signalverlust in 10% der Versuche sorgt, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Referenzgerät in N Versuchen nicht gesehen wird, gleich 10–N. Wenn der RSSI-Mittelwert von 5 zu einem Signalverlust in 90% der Versuche führt, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Referenzgerät in N Versuchen nicht gesehen wird, gleich 0,9N. Für fünf Scans in einer Erfassung ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Referenzgerät von einem Kalibrierungspunkt nicht gesehen wird, falls der RSSI-Mittelwert 8 ist, entspricht 10–5 oder 0,001%. Für fünf (5) Scans liegt die Wahrscheinlichkeit, dass das Referenzgerät nicht gesehen wird, wenn der RSSI fünf (5) ist, bei 0,95 oder 59%.
  • Deswegen wird die Wahrscheinlichkeit, dass es Referenzgeräte gibt, die in der Erfassung nicht aufgenommen wurden, aber in dem Scan gesehen werden können, durch Setzen eines Schwellenwertes als Filterkriterium und Selektieren von Referenzgeräten, die einen bestimmten RSSI überschreiten, deutlich verringert. Der Schwellenwert, der gewählt werden muss, ist basierend auf den folgenden Gegebenheiten frei wählbar: der Anzahl der Scans, die während der Erfassung aufgenommen wurden und der Beziehung zwischen RSSI und der Wahrscheinlichkeit des Empfangens eines Pakets, der Sensitivität oder anderen Parameter des drahtlosen Empfängers und Ähnlichem.
  • Ein anderes Problem, dem man in dem ersten Verfahren, das in Zusammenhang mit 2 diskutiert wurde, begegnet, ist, besteht darin, dass der Scan eventuell ein bestimmtes Referenzgerät nicht sehen kann, das von den Kalibrierungspunkten gesehen wird, entweder wegen starkem Netzwerkverkehr oder starkem Rauschen zur Zeit des Scans. Weil das erste Verfahren, wie in Zusammenhang mit 2 diskutiert wurde, die Kalibrierungspunkte, die genau den gleichen Satz an Referenzgeräten sehen wie der Scan-Satz, durchsucht hat, besteht die Möglichkeit, dass die Suche nach dem Kalibrierungspunkt in dem falschen Cluster durchgeführt wird. Um dies zu vermeiden, kann der „Suchradius" (Anzahl von möglichen Kalibrierungspunkten, die durchsucht werden sollen) dadurch erhöht werden, dass nicht die Kalibrierungspunkte durchsucht werden, die den gleichen Satz von Referenzgeräten, die Signale empfangen haben, beinhalten, sondern Kalibrierungspunkte, die zumindest die gleichen Referenzgeräte beinhalten, durchsucht werden. Um zu vermeiden, dass der Suchradius zu sehr expandiert wird, kann die Anzahl von zusätzlichen Referenzgeräten, die über der Gesamtzahl von Referenzgeräten in dem Scanset liegt, als feste Zahl K, bekannt als der Anteil, festgelegt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann K auf 10% der Gesamtanzahl von Referenzgeräten gesetzt werden, um die zusätzliche Zahl von Zugangspunkten zu limitieren, obwohl ein beliebiger Wert von K gewählt werden kann. Je größer der Wert von K, der gewählt wurde, desto größer die potenzielle zusätzliche Berechnung, die der größeren Größe des Clusters, in dem gesucht werden soll, zugeschrieben werden kann. Die Selektion des Anteils K kann in einem Ausführungsbeispiel teilweise durch die drahtlose Kanalinformation und die Eigenschaften des bestimmten Empfängers bestimmt werden.
  • Um das Problem zu lösen, dass der Scan Signale von neuen Referenzgeräten, die nicht Teil der Erfassung waren, liest, können alle RSSI-Werte von einem unbekannten Referenzgerät ignoriert werden.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein zweites beispielhaftes Verfahren zur Lokalisierung entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei das Verfahren die Benutzung von Schwellenwerten und die Erhöhung des Suchradius implementiert. In einem ersten Schritt wird ein Scan durchgeführt und ein Satz S gebildet, wobei S:{pr(1), pr(2) ... pr(M)} (Schritt 302). Falls der Scan eine beliebige Information von einem unbekannten Referenzgerät, das nicht zu AP gehört, beinhaltet, kann das unbekannte Referenzgerät als ein neu installiertes Referenzgerät betrachtet werden, und der RSSI von dem neu gefundenen Referenzgerät wird nicht zur Berechnung der Euklidischen Distanz verwendet. Dann werden die Referenzgeräte in dem Satz S, die einen RSSI haben, der einen vorgegebenen Schwellenwert Th1 überschreitet, extrahiert, um einen neuen Satz {APV} zu bilden (Schritt 304).
  • Dann kann für jeden der Kalibrierungspunkte ein Satz gebildet werden, wobei der Satz Referenzgeräte aufweist, die einen RSSI haben, der einen bestimmten Schwellenwert Th2 überschreitet (Schritt 306). Dieser Satz kann {APC1(w)} genannt werden. Ein zweiter Satz kann für jeden Kalibrierungspunkt gebildet werden, wobei der Satz Referenzgeräte, für die ein RSSI verfügbar ist, aufweist (Schritt 308). Dieser Satz kann {APC2(w)} genannt werden.
  • Sobald diese Sätze gebildet sind, werden Kalibrierungspunkte, für die gilt {APV} ⊆ {APC2(w)} und für die gilt Länge (APC1(w) – APC1(w) ∩ APV) ≤ K, ein Cluster Gn bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass Länge eine Funktion ist, die die Anzahl von Elementen in einem Satz bestimmt. Also ergibt Länge (APC1(w) – APC1(w) ∩ APV) die Anzahl von Elementen, die zu {APC1(w)} und nicht zu {APV} gehören.
  • Für die Bildung des Clusters Gn werden deshalb Kalibrierungspunkte im Satz {APC1(w)}, die zumindest die gleichen Referenzgeräte in dem Satz {APV} beinhalten und die Kalibrierungspunkte in dem Satz {APC1(w)}, die nicht mehr als K Elemente, als die Anzahl der Elemente in {APC1(w)∩APV}, ausgewählt.
  • Falls das Cluster Gn leer ist, dann werden die Kalibrierungspunkte dazu verwendet, eine Reihe von Euklidischen Distanzen zwischen den Kalibrierungspunkten und dem Scan-Satz zu berechnen. Falls Kalibrierungspunkte im Cluster Gn vorhanden sind, können die Euklidischen Distanzen zwischen den Kalibrierungspunkten im Cluster Gn und dem Scan-Satz verwendet werden (Schritt 308). Der Kalibrierungspunkt mit der minimalen Distanz zum Scan-Satz kann die Ortsabschätzung sein. Die Euklidische Distanz wird berechnet als:
    Figure 00140001
  • Alternativ kann das Quadrat der Distanz berechnet werden und der geringste Wert als Ortsabschätzung ausgewählt werden, um die Rechnerbelastung zu reduzieren.
  • Figure 00140002
  • In einem Beispiel des zweiten Verfahrens nehme man an, dass es vier Referenzgeräte und vier Kalibrierungspunkte überall in dem Gebiet verteilt gibt. Die Funkabbildung für die Kalibrierungspunkte ist in Tabelle I gezeigt.
    Kalibrierungspunkte Pr(w,1) Pr(w,2) Pr(w,3) Pr(w,4)
    w = 1 (X1, Y1, Z1) 10 NAN NAN NAN
    w = 2 (X2, Y2, Z2) 9 21 7 5
    w = 3 (X3, Y3, Z3) 12 22 7 21
    w = 4 (X4, Y4, Z4) 13 21 8 5
    • Man nehme auch an, dass der aktuelle Scan S:{12, 23, 5, nan} und Th1 = 10, Th2 = 20, und K = 0 sind.
  • Zunächst wird ein Teilsatz {APV} des aktuellen Scans unter Verwendung von Referenzgeräten, die einen RSSI haben, der Th1 übersteigt, was in diesem Beispiel 10 entspricht, gebildet. Also {APV} = {AP1, AP2}.
  • Dann wird ein Teilsatz {APC1(w)} für jeden Kalibrierungspunkt unter Verwendung von Referenzgeräten, die einen RSSI haben, der einen Schwellenwert übersteigt, gebildet. In diesem Schritt ist der Schwellenwert Th2, was in diesem Beispiel 20 entspricht.
    {APC1(1)} = {}; {APC1(2)} = {AP2}; {APC1(3)} = {AP2, AP4}; {APC1(4)} = {AP2}
  • Dann wird ein anderer Teilsatz {APC2(w)} für jeden Kalibrierungspunkt unter Verwendung von Referenzgeräten, die eine verfügbare Signalstärke für diesen Kalibrierungspunkt haben, gebildet.
    {APC2(1)} = {AP1}; {APC2(2)} = {AP1, AP2, AP3, AP4}; {APC2(3)} = {AP1, AP2, AP3, AP4}; {APC2(4)} = {AP1, AP2, AP3, AP4}
  • Dann werden die Kalibrierungspunkte aus den Teilsätzen {APC1(w)} und {APC2(w)} verwendet, um ein Cluster zu bilden. Das Cluster wird Kalibrierungspunkte beinhalten, für die gilt: {APV} ⊆ {APC2(w)} und Länge ({APC1(W)} – {APC1(W) ∩ {APV}) ≤ K.
  • Unter Berücksichtigung, dass {APV ⊆ APC2(w)}, wird APC2(1) aus den Überlegungen ausgeschlossen, da {APC2(1)} nur AP1 als Teil des Satzes hat.
  • Dann wird die Länge (APC1(w) – {APC1(w)} ∩ {APV}) bestimmt: Für w = 2, Länge ({APC1(2)} – {APC1(2)} ∩ {APV}) = Länge ({}) = 0 Für w = 3, Länge ({APC1(3)} – {APC1(3)} ∩ {APV}) = Länge ({AP4}) = 1 Für w = 4, Länge ({APC1(4)} – {APC1(4)} ∩ {APV}) = Länge ({}) = 0
  • Da K = 0 ist, wird der dritte Kalibrierungspunkt aus der Betrachtung ausgeschlossen. Deshalb gilt, Gn = {Kalibrierungspunkt 2, Kalibrierungspunkt 4}. Nun wird die Euklidische Distanz zwischen dem Satz {APV} und den Kalibrierungspunkten in Gn berechnet unter Verwendung von:
    Figure 00160001
  • Für w = 2:
    Figure 00160002
    d2 = 4.12
  • Und für w = 4
    Figure 00160003
    d4 = 3.74
  • Die geringste Distanz ist d4; deswegen ist d4 die Ortsabschätzung. Alternativ könnte das Quadrat der Distanz berechnet werden.
  • Während zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der obigen ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, soll darauf hingewiesen werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es soll des Weiteren darauf hingewiesen werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele darstellen und nicht dazu vorgesehen sind, den Umfang, die Anwendbarkeit, oder die Konfigurierung der Erfindung in irgendeiner Weise zu limitieren. Die obige ausführliche Beschreibung ist vielmehr dazu gedacht, einem Fachmann eine geeignete Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen zu liefern. Es soll berücksichtigt werden, dass viele Änderungen in der Funktion und Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne sich vom Bereich der Erfindung zu entfernen, wie er in den anhängenden Ansprüchen und ihren rechtlichen Entsprechungen dargestellt ist.

Claims (18)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer Ortsabschätzung eines drahtlosen Geräts in einem drahtlosen Lokalisierungs-System, das eine Vielzahl von Referenzgeräten aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Empfangen von Signalen von einem oder mehreren der Vielzahl von Referenzgeräten an dem drahtlosen Gerät; Bilden eines ersten Satzes, der eine Vielzahl von Elementen aufweist, wobei jedes Element der Vielzahl von Elementen eine Signalstärke-Messung von Signalen aufweiset, die an dem drahtlosen Gerät von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem das drahtlose Gerät Signale empfängt, empfangen wurde, und einen Indikator für nicht gemessene Signalstärke für jedes der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem das drahtlose Gerät keine Signale empfängt; Bilden eines Scan-Teilsatzes aufweisend jedes der Vielzahl von Referenzgeräten des ersten Satzes, das eine assoziierte Signalstärke-Messung hat; Bilden eines Cluster-Satzes aufweisend Kalibrierungs-Punkte, selektiert aus einer Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten basierend auf dem Scan-Teilsatz, wobei die Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten einen Satz von Empfangssignalstärkemessungen von Signalen, die an den Kalibrierungs-Punkten von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten empfangen werden, aufweist; Ermitteln einer ermittelten Distanz zwischen dem ersten Satz und jedem der Kalibrierungs-Punkte in dem Cluster, wenn der Cluster-Satz mindestens ein Element hat; Ermitteln der ermittelten Distanz zwischen dem ersten Satz und jedem der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten, wenn der Cluster-Satz keine Elemente hat; und Selektieren des Kalibrierungs-Punktes mit der geringsten ermittelten Distanz als Ortsabschätzung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Bilden eines Cluster-Satzes weiter aufweist, Bilden eines Cluster-Satzes aufweisend Kalibrierungs-Punkte, die aus der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten selektiert sind, die genau die gleichen Referenzgeräte beinhalten, wie der Scan-Teilsatz.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Bilden eines Scan-Teilsatzes weiter aufweist, Bilden eines Teilsatzes aufweisend jedes der Vielzahl von Referenzgeräten in dem ersten Satz, das eine assoziierte Signalstärke-Messung über einem festgelegten Schwellenwert hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Bilden eines ersten Satzes weiter aufweist, Detektieren neu installierter Referenzgeräte durch Identifizieren von Signalen von Referenzgeräten, die in keinem Kalibrierungs-Punkt innerhalb der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten aufgetaucht sind.
  5. System zur Schätzung des Ortes eines drahtlosen Gerätes in einem drahtlosen Netzwerk; wobei das System aufweist: eine Vielzahl von Referenzgeräten im drahtlosen Netzwerk verteilt, wobei jedes der Referenzgeräte ausgestaltet ist ein Signal zu senden; eine Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten im drahtlosen Netzwerk verteilt, die Kalibrierungs-Punkte aufweisend einen Satz von Empfangssignalstärkemessungen von Signalen, die von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten empfangen wurden; das drahtlose Gerät, das sich im Netzwerk befindet, wobei das drahtlose Gerät konfiguriert ist zum: Bilden eines Scan-Satzes aufweisend einen Empfangssignalstärkeindikator (RSSI) -Wert von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem das drahtlose Gerät Signale empfängt und einen Indikator für nicht empfangene Signale für jedes der Vielzahl von Referenzgeräten von dem das drahtlose Gerät keine Signale als Elemente des Scan-Satzes empfängt; Bilden eines Scan-Teilsatzes eines Scan-Satzes aufweisend Referenzgeräte in dem Scan-Satz, die assoziierte Signalstärke haben; Bilden eines Cluster-Satzes aufweisend Kalibrierungs-Punkte, die aus der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten selektiert sind, basierend auf dem Scan-Teilsatz; Bestimmen einer Ortsabschätzung durch Selektieren der geringsten Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Kalibrierungs-Punkte in dem Cluster-Satz, wenn der Cluster-Satz mindestens ein Element hat; Bestimmen einer Ortsabschätzung durch Selektieren der geringsten Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten, wenn der Cluster-Satz keine Elemente hat.
  6. System nach Anspruch 5, wobei der Cluster-Satz Kalibrierungs-Punkte aufweist, die aus der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten selektiert sind, die genau die gleichen Referenzgeräte, wie der Scan-Teilsatz beinhalten.
  7. System nach Anspruch 6, wobei der Scan-Satz Referenzgeräte beinhaltet, die einen RSSI über einem festgelegten Schwellenwert haben.
  8. System nach Anspruch 5, wobei alle Referenzgeräte in dem Scan-Satz, die nicht in der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten sind, als neu installierte Referenzgeräte betrachtet werden.
  9. System nach Anspruch 5, wobei das drahtlose Gerät eine Radiofrequenz-Identifikations-Kennzeichnung ist.
  10. System nach Anspruch 5, wobei das drahtlose Gerät eine tragbare Computer-Einheit ist.
  11. System nach Anspruch 5, wobei das drahtlose Gerät ein Computer mit einem drahtlosen Netzwerk-Tansceiver ist.
  12. System nach Anspruch 5, wobei die Distanz als das Quadrat der Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Kalibrierungs-Punkte in dem System ermittelt wird.
  13. System nach Anspruch 5, wobei das Referenzgerät einen Zugangspunkt eines drahtlosen Netzwerks aufweist.
  14. Drahtloses Gerät zum Gebrauch in einem drahtlosen Netzwerk, wobei das drahtlose Netzwerk aufweist: einen Speicher konfiguriert zum Speichern einer Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten, wobei jeder der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten einen Satz von Empfangssignalstärkeindikator (RSSI) -Werten für Signale beinhaltet, die von jedem einer Vielzahl von Referenzgeräten empfangen wurden; einen Empfänger konfiguriert zum Empfangen von Signalen von einem oder mehreren der Vielzahl von Referenzgeräten; und einen Prozessor verbunden mit dem Empfänger und dem Speicher, wobei der Prozessor in der Lage ist zum: Bestimmen von RSSI-Werten für jedes der Signale, die von einem oder mehreren der Vielzahl von Referenzgeräten empfangen wurden; Bilden eines Scan-Satzes aufweisend den RSSI-Wert von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem der Empfänger Signale empfangen hat und weiter aufweisend einen Indikator für nicht empfangene Signale von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem der Empfänger keine Signale empfangen hat; Bilden eines Scan-Teilsatzes aufweisend Referenzgeräte in dem Scan-Satz, die einen assoziierten RSSI-Wert haben; Bilden eines Cluster-Satzes aufweisend Kalibrierungs-Punkte, die basierend auf dem Scan-Satz aus der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten selektiert sind; Bestimmen einer Ortsabschätzung durch Selektieren der geringsten Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Kalibrierungs-Punkte des Cluster-Satzes, wenn der Cluster-Satz mindestens ein Element hat; und Bestimmen einer Ortsabschätzung durch Selektieren der geringsten Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten, wenn der Cluster-Satz keine Elemente hat.
  15. Gerät nach Anspruch 14, wobei das drahtlose Gerät Teil einer Radiofrequenz-Identifikations-Kennzeichnung ist.
  16. Gerät nach Anspruch 14, wobei das drahtlose Gerät ein drahtloses Dateneingabe-Terminal ist.
  17. Verfahren zum Schätzen eines Ortes eines drahtlosen Geräts in einem drahtlosen Lokalisierungs-System, das eine Vielzahl von Referenzgeräten und eine Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten aufweist, wobei jeder der Kalibrierungs-Punkte mit einem Satz Empfangssignalstärkemessungen assoziiert ist, die am Kalibrierungs-Punkt von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem ein Signal empfangen werden kann, empfangen wurden; wobei das Verfahren aufweist: Bilden eines ersten Satzes aufweisend eine Vielzahl von Elementen, wobei jedes Element der Vielzahl von Elementen entsprechend einer Signalstärke-Messung von Signalen, die an dem drahtlosen Gerät von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten empfangen wurde, von dem das drahtlose Gerät Signale empfangt und einen Indikator für nicht gemessene Signalstärke für alle der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem das drahtlose Gerät keine Signale empfangt; Bilden eines Scan-Teilsatzes aufweisend jedes der Vielzahl von Referenzgeräten in dem ersten Satz, das eine assoziierte Signalstärke-Messung über einem ersten festgelegten Schwellenwert hat; Bilden eines Cluster-Satzes durch: Bilden eines oder mehrerer erster Kalibrierungs-Teilsätze für jeden Kalibrierungs-Punkt aufweisend Referenzgeräte, die eine assoziierte Signalstärke über einem zweiten festgelegten Schwellenwert haben; Bilden eines oder mehrerer zweiter Kalibrierungs-Teilsätze für jeden Kalibrierungs-Punkt aufweisend Referenzgeräte, die einen verfügbaren Empfangssignalstärkeindikator haben; und Selektieren von Kalibrierungs-Punkten, die Referenzgeräte beinhalten, die in dem Scan-Teilsatz sind und die in dem einen oder mehreren zweiten Kalibrierungs-Teilsätzen enthalten sind und wobei eine Differenz zwischen der Zahl von Referenzgeräten, die dem einen oder mehreren ersten Kalibrierungs-Teilsätzen angehören, die nicht der Überschneidung der Referenzgeräte in dem Scan-Teilsatz angehören und der Zahl der Referenzgeräte in dem einen oder mehreren ersten Kalibrierungs-Sätzen, gleich einem festgelegten Anteil der gesamten Referenzgeräte ist, oder diesen nicht überschreitet; und Ermitteln einer ermittelten Distanz zwischen dem ersten Satz und jedem der Kalibrierungs-Punkte in dem Cluster-Satz, wenn der Cluster-Satz mindestens ein Element hat; Ermitteln einer ermittelten Distanz zwischen dem ersten Satz und jedem der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten, wobei der Cluster-Satz keine Elemente hat; und Selektieren der geringsten kalibrierten Distanz als Ortsabschätzung.
  18. Ein drahtloses Gerät zum Gebrauch in einem drahtlosen Netzwerk, wobei das drahtlose Gerät aufweist: einen Speicher konfiguriert zum Speichern einer Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten, wobei jeder der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten einen Satz von Empfangssignalstärkeindikator (RSSI) -Werten für Signale, die von jedem einer Vielzahl von Referenzgeräten empfangen wurden beinhaltet; einen Empfänger konfiguriert zum Empfangen von Signalen von einem oder mehreren der Vielzahl von Referenzgeräten; und einen Prozessor verbunden mit dem Empfänger und dem Speicher, wobei der Prozessor in der Lage ist zum: Bestimmen eines Empfangssignalstärkeindikator (RSSI) -Wertes für jedes Signal, das von einem oder mehreren der Vielzahl von Referenzgeräten empfangen wurde; Bilden eines Scan-Satzes aufweisend den RSSI-Wert von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem der Empfänger Signale empfangen hat und weiter aufweisend einen Indikator für nicht empfangene Signale von jedem der Vielzahl von Referenzgeräten, von dem der Empfänger keine Signale empfangen hat; Bilden eines Scan-Teilsatzes aufweisend Referenzgeräte in dem Scan-Satz, die einen assoziierten RSSI-Wert über einem ersten festgelegten Schwellenwert haben; Bilden eines oder mehrerer erster Kalibrierungs-Teilsätze für jeden Kalibrierungs-Punkt aufweisend Referenzgeräte, die eine assoziierte Signalstärke über einem zweiten festgelegten Schwellenwert haben; Bilden eines oder mehrerer zweiter Kalibrierungs-Teilsätze für jeden Kalibrierungs-Teilsatz aufweisend Referenzgeräte, die einen verfügbaren Empfangssignalstärkeindikator (RSSI) haben; Bilden eines Cluster-Satzes durch Selektieren von Kalibrierungs-Punkten, die Referenzgeräte beinhalten, die in dem Scan-Teilsatz sind und die in dem einen oder mehreren zweiten Kalibrierungs-Teilsätzen enthalten sind und wobei eine Differenz zwischen der Zahl von Referenzgeräten, die dem einen oder mehreren ersten Kalibrierungs-Teilsätzen angehören, die nicht der Überschneidung der Referenzgeräte in dem Scan-Teilsatz angehören und der Zahl der Referenzgeräte in dem einen oder mehreren ersten Kalibrierungs-Teilsätzen, gleich oder geringer ist, als ein festgelegter Anteil der gesamten Referenzgeräte; Bestimmen einer Ortsabschätzung durch Selektieren der geringsten Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Kalibrierungs-Punkte in dem Cluster-Satz, wenn der Cluster-Satz mindestens ein Element hat; und Bestimmen einer Ortsabschätzung durch Selektieren der geringsten Distanz zwischen dem Scan-Teilsatz und jedem der Vielzahl von Kalibrierungs-Punkten, wenn der Cluster-Satz keine Elemente hat.
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