CN100484325C - 用于定位移动单元的无线局域网系统 - Google Patents

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Abstract

一无线局域网(LAN)包括接入点，所述接入点以0dBm发送信标信号。移动单元的检测阈值是-65dBm，因此当移动单元处于该接入点的10米范围内时被检测到。

Description

用于定位移动单元的无线局域网系统
本发明涉及一种用于定位移动单元的系统，特别地，然而不是排他地，该系统包括无线局域网(LAN).
期望定位移动单元，诸如蜂窝电话手机或个人数字助理(PDA)，以便提供定制的业务，诸如把广告的目标对准经过商店的潜在的客户。
通过使用全球定位系统(GPS)来定位移动单元是众所周知的.然而，GPS，特别是对于大众市场的使用，遭遇到了几个困难.首先，制造包括GPS接收机的移动单元成本很高。第二，当移动单元最初被接通时，在定位该移动单元期间有延迟。第三，当移动单元处于室内时很难定位该移动单元。
通过使用无线局城网(LAN)来定位移动单元也是众所周知的.例如，有可能通过使用所谓的“到达时间”(TOA)方法相对于固定单元来定位移动单元，在该方法中，使用延时来计算在固定单元和移动单元之间的距离。然而，TOA方法产生粗略的结果，其只是精确到不超过约100米。更精确的方法使用“到达时间差”(TDOA)，其中移动单元在不同的时间接收信号。然而，TDOA方法需要多个固定单元。另一个方法采用高的码片率，它被使用来把信号扩频到更宽的带宽。较高的码片率使用较短的脉冲宽度，这提供了改进的分辨率。
移动单元可以通过与固定单元和其他移动单元交换信息而被更加精确地定位，如在Michael Spratt的“An Overview of Positioning byDiffusion(通过扩散进行定位的综述)”，Hewlett-PackardLaboratories，Bristol，UK，2001年9月9日中描述的.
本发明寻求提供一种用于定位移动单元的系统.按照本发明，提供了一种用于定位移动单元的系统，包括：用于以相对较高的功率发送第一信号的装置，用于以预定的、相对较低的功率发送第二信号的装置，用于接收所述第一信号的装置，用于确定在接收所述第一信号的所述装置处的所述第一信号的第一信号强度的装置，用于确定所述第一信号强度是否超过相对较低的阈值电平、以便确定是否可以提供业务的装置，用于接收所述第二信号的装置，用于确定在接收所述第二信号的所述装置处接收的所述第二信号的第二信号强度的装置，用于确定所述第二信号强度是否超过相对较高的阈值电平、以便将移动单元定位在发送所述第二信号的所述装置的已知距离内的装置。
相对较高的功率可以是至少0dBm、6dBm、13dBm、或20dBm。相对较低的功率可以是不大于0dBm。相对较低的阈值电平可以是不大于-85dBm。相对较高的阈值电平可以是不小于-65dBm。用于发送所述第一和第二信号的装置可以在不同的时间发送第一和第二信号。
该系统可以是无线局域网。用于发送第一信号的装置可以是接入点，以及用于发送第二信号的装置也可以是接入点。用于接收第一信号的装置可以是移动单元，以及用于接收第二信号的装置也可以是移动单元。
用于发送第一信号的装置可以是移动单元，以及用于发送第二信号的装置也可以是移动单元。用于接收第一信号的装置可以是接入点，以及用于接收第二信号的装置也可以是接入点。
按照本发明，还提供了一种用于定位移动单元的系统，包括：用于以相对较高的功率发送第一信号的第一发射机，用于以预定的、相对较低的功率发送第二信号的第二发射机，用于接收所述第一信号的第一接收机，用于确定在所述第一接收机处的所述第一信号的第一信号强度的第一检测器，用于确定所述第一信号强度是否超过相对较低的阈值电平、以便确定是否可以提供业务的第一控制器，用于接收所述第二信号的第二接收机，用于确定在所述第二接收机处的所述第二信号的第二信号强度的第二检测器，用于确定所述第二信号强度是否超过相对较高的阈值电平、以便将移动单元定位在发送所述第二信号的所述装置的已知距离内的第二控制器。
按照本发明，还提供了一种运行该系统的方法。
现在参照附图，通过例子来描述本发明的实施例，其中：
图1是无线局域网的示意图；
图2是接入点的示意图；
图3是移动单元的示意图；
图4显示了被部署在室内的、图1的无线局域网；
图5显示了在移动单元处接收的信号的功率与移动单元和发射机所隔距离之间的关系；
图6是发射的功率对时间的标绘图；
图7是检测阈值对时间的标绘图；
图8是发射的功率对时间的另一个标绘图；
图9是发射机功率对时间的另一个标绘图；
图10显示了在其中可以定位移动单元的区域；以及
图11显示了以另一种配置被部署在室内的、图1的无线局域网；
参照图1，图上显示了按照本发明的一种用于定位移动单元的系统。该系统包括无线局域网(LAN)1，它包括有线网络2和多个接入点31，32，33，34，35。移动单元4可以通过无线链路5连接到无线LAN 1。在本例中，无线网络1和移动单元4可以按照IEEE 802.11标准通过使用工作在2.4GHz频段的射频信号互相连接。
参照图2，每个接入点31，32，33，34，35包括：到有线网络2的连接器6、输入输出部分7、数据处理部分8、射频部分9、天线10和控制器部分11。输入输出部分7发送和接收往来于有线网络2的数据，尤其是缓冲器数据。处理部分8例如应用误码保护/误码检测例程以及加密/解密数据。射频部分9例如调制和解调信号以及放大它们。输入输出部分7、数据处理部分8、射频部分9都由控制器部分11控制。
参照图3，移动单元4包括诸如笔记本电脑的个人计算机12，和例如具有无线网卡形式的无线发射机/接收机13。无线发射机/接收机13包括：到个人计算机12的连接器14、输入输出部分15、数据处理部分16、射频部分17、天线18和控制器部分19，并且它们具有与无线接入点的相应部分基本上相同的功能。
关于无线LAN1和无线发射机/接收机13的进一步的详细资料在GilHeld的“Deploying Wireless LAN(部署无线LAN)”(McGraw-Hill，2002)的第5章中有描述。
参照图4，接入点31，32，33，34，35被部署在房间20中。在本例中，接入点31，32，33，34，35处于房间20的拐角21(其中某些位于门廊22旁边)和中心23。接入点31，32，33，34，35的位置是已知的，并且可以分别被标注为(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)和(x5，y5)。
可以通过使用接入点31，32，33，34，35来定位移动单元4，就如现在将要解释的：
每个接入点31，32，33，34，35都是发射机和接收机。接入点31，32，33，34，35能够以可选择的发送功率电平Ptx发送信号。在本例中，有四个可选择的功率电平，即，20dBm(100mW)、13dBm(20mW)、6dBm(4mW)和0dBm(1mW)。也可以使用其他功率电平。例如，最高功率电平可以是30dBm(1000mW)。
移动单元4也是发射机和接收机。移动单元4能够测量由天线18接收的信号的功率，以及定义接收到的信号的强度指示(RSSI)。这可以在射频部分17中完成(图3)。在本例中，有范围从电平0到电平15的16个RSSI电平，其中电平0对应于最小检测电平，这种情况下是-85dBm，电平15对应于可允许的最大输入电平，这种情况下是-10dBm，它们以5dBm为间隔。
移动单元4设置检测阈值Pdet。在本例中，设置检测阈值包括：测量信号强度，以及确定接收到的信号的强度是否等于或超过检测阈值。在替换实施例中，设置检测阈值可包括：选择接收机4的增益，它限制着可被检测到的信号的电平，以及确定是否检测到信号。
再参照图5，由接入点35发送的和在移动单元4处接收的信号24被衰减。接收到的信号的强度Prx与接入点35和移动单元4所隔距离的平方成反比，即，Prx∝1/r2。如果移动单元4检测到信号24，则移动单元4位于接入点35的半径之内。
选择低的发送功率电平Ptx，例如0dBm，和高的检测阈值Pdet，优选地是-65dBm，以便精确地定位移动单元4，在这种情况下，精确到在无线接入点35的10米半径范围内。然而，例如为了提供业务，使用更高的发送功率电平Ptx和更低的检测阈值Pdet。
可以在不同的状况下通过使用接入点31，32，33，34，35来定位移动单元4。
在连接到无线LAN1之前的定位
移动单元4可以通过收听由接入点31，32，33，34，35发送的信标帧而接入由接入点31，32，33，34，35提供服务的小区，通常称为基本业务组(BSS)。这个过程被称为被动(passive)扫描。信标帧是在IEEB 802.11标准的媒体接入控制(MAC)子层中定义的。
使用经过修改的被动扫描过程来定位移动单元4。
参照图6，接入点35发送第一和第二信标信号241，242。信标信号241，242被重复地发送，例如每20毫秒到1秒，优选地每1秒发送一次。第一信号241以高的发送功率P1，例如20dBm(100mW)进行发送，而第二信号242以低的发送功率P2，在这种情况下是0dBm(1mW)进行发送。
参照图7，移动单元4在被动扫描模式下收听信号、测量接收到的信号的强度以及确定它们是否分别超过第一和第二信号检测阈值PA，PB。第一信号检测阈值PA是低的，例如为-85dBm，而第二信号检测阈值PB是高的，例如为-65dBm。因此，如果接收到的信号具有介于PA和PB之间的功率Pi(PA<Pi<PB)，则它超过PA，于是被检测到。然而，Pi低于PB，于是不被检测到。
所以，对于以P1发送的并用第一阈值PA进行检测的第一信号241来说，其可检测的范围R1通常约为100米，这里假设了在移动单元4与接入点35之间有清晰的视线可达。对于以P2发送的并用第二阈值PB进行检测的第二信号242来说，其可检测的范围R2通常约为10米。
因此，如果移动单元4检测到第二信号242，则它在接入点35的10米范围内。接入点35的位置优选地被包括在信标帧中，以允许移动单元4定位自己。另外地或替换地，移动单元4可以返还一个信号到接入点35以标识它本身和标识它已检测到第二信号242的事实。这就允许了接入点35或无线LAN 1定位该移动单元。
在连接到无线LAN1之后的定位
一旦移动单元4已加入一个小区，它便可以逗留在那里或漫游到另一个小区而不会丢失连接。在任一情形下，移动单元4被连接到接入点31，32，33，34，35，以及可以对管理、控制和数据帧进行交流。然而，移动单元4可以使用高的阈值来监视低功率信号，从而允许确定移动单元4的位置。
参照图8，接入点35以一个或多个高的功率电平P3，P4发送包括管理、控制和数据帧的第三信号243。当由于移动单元4的位置发生变化而引起功率改变时，可以调整功率电平P3，P4。周期性地，接入点35以低功率电平P2发送第四信号244。
移动单元4如前所述地用第一和第二阈值PA，PB确定RSSI。对于以P3，P4发送的并用第一阈值PA进行测量的第三信号243来说，其可检测的范围R3约为10到100米，以及对于以P2发送的并用第二阈值PB进行测量的第四信号244来说，其可检测的范围R4约为10米。
所以，接入点35可以在相对较大的区域中，例如在半径10到100米的范围内，为移动单元4提供服务，以及如果它转到靠近接入点35，则可以在较小的区域内，例如在半径10米的范围内对它进行定位。
可变的检测阈值
以上描述的移动单元4选择单个阈值PB用于精确的定位。然而，移动单元4可被修改以改变定位阈值Ploc，例如从低的数值PA到数值PB，以便确定例如它离接入点35是30米还是10米远。
参照图9，阈值Pdet在用于正常运行的数值PA和定位阈值Ploc之间轮换，该定位阈值从PA、PC逐步变到PB，其中PA<PC<PB。
参照图10，这个方法允许以变化的精度来定位移动单元4，所述变化的精度正如由半径增加的圆251、252、253所表示的。
而且，如果移动单元4没有位于内圆251、252内，而是位于外圆252、253内，该方法允许在环261、262内定位移动单元4。
关于IEEE 802.11标准的进一步的详细资料在出处同上的“Deploying Wireless LAN(部署无线LAN)”的第6章中有描述。
不同的发射机，不同的发送功率
在此前描述的实施例中，无线LAN1被配置成使得每个接入点31，32，33，34，35在用于传递业务的相对较高的功率与用于定位移动单元4的相对较低的功率之间复用发送功率。
参照图11，无线LAN 1可以替换地被配置成使得它包括：第一组接入点，例如接入点31，32，33，34，它们以相对较高的发送功率进行发送，诸如20dBm(100mW)；以及第二组接入点，例如接入点35，它以相对较低的发送功率进行发送，诸如0dBm(1mW)。相对较高的发送功率可以是一个相对较高的发送功率的范围，优选地大于0dBm(1mW)。
无线LAN1被安排成使得在第二组中的每个接入点处在第一组的至少一个接入点的覆盖区域内。为了清晰起见，显示了由第三和第五接入点33，35提供的覆盖区域。因此，在替换的配置中，第一组接入点可以传递业务到移动单元4，而第二组接入点可被使用于定位。例如，移动单元4可被连接到第三接入点33并由第三接入点33提供业务，而同时被动扫描第三接入点35。如果移动单元4接收到来自第三接入点35的信号，则它可以采用前面描述的方式使用该信号进行定位。
替换的安排具有几个优点。它实施起来简单，因此降低了成本和复杂性。它减小了等待时间并提高了业务质量。
在前面描述的实施例中，定位是通过使用接入点31，32，33，34，35作为发射机和使用移动单元4作为接收机被执行的。然而，以上的实施例可被修改为使得接入点31，32，33，34，35的发射机角色与移动单元4的接收机角色颠倒过来。换句话说，移动单元4可被配置成以低的发送功率，例如0dBm(1mW)发送信号，而接入点31，32，33，34，35被配置成设置高的信号功率检测阈值。因此，如果接入点31，32，33，34，35检测到由移动单元4以低的功率发送的信号，则该接入点能够精确地定位移动单元4。任选地，它可以与移动单元4共享定位信息。
在另一个修改方案中，接入点31，32，33，34，35可被用作为了传递业务以高的发射功率进行发送的发射机，而移动单元4可被用作为了定位以低的发射功率进行发送的发射机。
通过阅读本公开内容，其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。这样的变化和修改可以牵涉到等价物和其他的特性，其中它们在用于定位移动单元的系统及其组成部分的设计、制造和使用中是已知的，并且可以使用它们来代替这里已描述的特性，或在这些特性之外使用它们。例如，可以使用特设的局域网或遵从蓝牙技术规范的多个设备来代替无线LAN 1和移动单元4。移动单元4可以是个人数字助理(PDA)或蜂窝电话手机。
虽然在本申请中是对特性的特定组合来形成权利要求，但应当看到，本发明的公开内容的范围也包括在这里明确地或隐含地公开的任何新颖的特性或新颖的特性组合，或它们的任何推广形式，无论它是涉及到与目前在任一权利要求中所要求的相同的发明，也无论它是缓和了与本发明所解决的相同的任何或全部技术问题，都如此。申请人由此提请注意，在本申请或由此得出的任何进一步的申请的程序进行期间，可以对这样的特性和/或这样特性的组合形成新的权利要求。

Claims (7)

1.一种用于定位移动单元(4)的无线局域网系统，包括：
接入点(31，32，33，34，35)；以及
移动单元(4)；
其中，所述接入点包括：
用于发送信号的装置(9，10，11)，所述发送装置被配置为以相对较高的功率(P1)发送第一信号(241)，且以预定的、相对较低的功率(P2)发送第二信号(242)；
所述移动单元包括：
用于接收信号的装置(18)；
用于确定在所述移动单元处所述第一信号的第一信号强度的装置(16，17)；
用于确定所述第一信号强度是否超过相对较低的阈值电平(PA)，以便确定是否可提供业务的装置(19)；
用于确定在所述移动单元处所述第二信号的第二信号强度的装置(16，17)；以及
用于确定所述第二信号强度是否超过相对较高的阈值电平(PB)，以便将该移动单元定位在所述接入点的已知距离(R)内的装置(19).
2.按照权利要求1的系统，其中所述相对较高的功率(P1)至少为0dBm。
3.按照权利要求1或2的系统，其中所述相对较高的功率(P1)至少为6dBm、13dBm或20dBm。
4.按照权利要求1或2的系统，其中所述相对较低的功率(P2)不大于0dBm。
5.按照权利要求1或2的系统，其中所述相对较低的阈值电平(PA)不大于-85dBm。
6.按照权利要求1或2的系统，其中所述相对较高的阈值电平(PB)不小于-65dBm。
7.按照权利要求1或2的系统，其中用于发送所述第一和第二信号的所述装置(31，32，33，34，35)在不同的时间发送所述第一和第二信号(241，242)。
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