專利名稱：一種基于鏈路質量指示的短程無線網絡相對測距和定位方法
技術領域：
本發明涉及一種基于鏈路質量指示LQI的短程無線網絡的相對測距和定位方法，該測距和定位系統通過鏈路質量指示LQI的數值大小與發射機、接收機之間的坐標點關系，從而得到接收機與發射機的直接距離。
背景技術：
無線定位技術是現代無線電的重要應用領域。最常見的無線定位是衛星定位系統，包括GPS、GLANASS、雙星定位系統等。衛星定位系統一般采用時差定位法定位，利用衛星的高穩定時鐘，通過接收不同衛星的不同時間差，根據電波傳播的速度換算成距離來定位。衛星定位具有覆蓋面廣、精度高的優點，但系統搭建和維護成本較高，但對于小型的貨物管理不適用。
早期的陸基和海上定位系統采用載波相位技術定位，例如羅蘭-C系統。接收機接收多個已知相位的載波，根據相位差算出距離，然后定位。但載波相位由于相位具有周期性而使定位產生周多值性，經常采用多載波或調制波技術進行修正。這種定位方式通過組網也可以實現全球定位，但一般只能確定平面坐標，不能定高度。
也有的定位系統采用調制碼元的方式進行無線定位的。根據接收到的碼元確定時間差或相位差，然后得出接收機與各參考點的距離進行定位。
鏈路質量指示LQI是Link Quality Indication的縮寫，表示兩個通信模塊之間的鏈路質量指示。鏈路質量指示LQI是現代無線通信模塊中在PHY層或MAC層中固有的指示數據，其LQI數值大小與信號傳輸距離相關，當通信模塊之間的傳輸距離較遠時，其鏈路質量指示LQI小，即通信模塊之間的信號較弱，反之亦然。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于鏈路質量指示LQI的短程無線網絡相對測距和定位方法，所述測距和定位是通過無線網絡通信模塊中標準配置的接收信號指示數據LQI確定一個發射機與多個接收機之間的距離，然后通過該距離值獲得發射機的最佳定位點。該定位方法具有算法簡單、成本低，并且與無線網絡具有無縫組網功能。
本發明是一種基于鏈路質量指示LQI的短程無線網絡相對測距和定位方法，所述的短程無線網絡由發射機單元1、接收機單元2和網絡監控中心3構成，其發射機單元1和接收機單元2工作在同一信道上，并且，所述發射機單元1為一個發射機，所述接收機單元2至少包含有三個或三個以上的三維位置點坐標已知的接收機，在本發明中，一個發射機與多個接收機的測距和定位有以下步驟(A)多個接收機接收由一個發射機發射出的通信信號后，經解調后在每一個接收機中至少獲得一個表征鏈路質量指示的參量LQIQ=A/dn2+B,]]>A為常數，B為常數，并對所述參量LQIQ通過換算得到每一個接收機與發射機之間的直接距離dn；所述多個接收機并將接收的與發射機的所述距離dn信號輸出至網絡監控中心3；(B)所述網絡監控中心3對接收的所述多個接收機各自與發射機的所述距離dn信號與所述多個接收機的三維位置點坐標采用交叉定位公式(x-xA)2+(y-yA)2+(z-zA)2=dA2(x-xB)2+(y-yB)2+(z-zB)2=dB2(x-xC)2+(y-yC)2+(z-zC)2=dC2(x-xD)2+(y-yD)2+(z-zD)2=dD2···(x-xn)2+(y-yn)2+(z-zn)2=dn2]]>聯立換算，從而獲得所述發射機與所述多個接收機之間的最佳定位點坐標Δf＝(x，y，z)，式中，LQIQ表示每一個接收機接收發射機發射出的鏈路質量指示數據，d表示發射機與其中一個接收機的距離，n表示接收機的個數；xn表示每一個接收機與地面平行的坐標，yn表示每一個接收機與地面垂直的坐標，zn表示每一個接收機與地面的高度。
所述的短程無線網絡相對測距和定位方法，其網絡監控中心3輸出給發射機單元1的信息中至少包含有每一個接收機的標識信息。
本發明短程無線網絡相對測距和定位方法的優點(1)本發明的測距和定位方法中采用的鏈路質量指示LQI是現代無線通信模塊中在PHY層或MAC層中固有的指示數據，不需要為定位增加新的硬件成本，有效地節略了生產成本；(2)利用鏈路質量指示LQI相對測距或定位，算法簡單，軟件成本低；(3)在保證基本通信功能和無線網絡功能的基礎上增加了測距和定位功能，增強了產品的功用，提高了產品的性價比；(4)能夠利用無線模塊的網絡功能，實現較大范圍內的測距、定位和目標跟蹤等，提高了測距和定位精度，定位精度達到2米。
圖1是短程無線網絡的組網結構示意圖。
圖2是本發明一個發射機與多個接收機的測距和定位原理結構示意圖。
圖中1.發射機單元2.接收機單元21.接收機A22.接收機B23.接收機C24.接收機D3.網絡監控中心具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種基于鏈路質量指示的短程無線網絡相對測距和定位方法，其設計是依據基于現代無線通信模塊的接收電平指示RSSI和鏈路質量指示LQI來確定收發距離的一種定位方法，該方法可以應用在各種短距離無線通信中，如WLAN、WPAN、Bluetooth、ZigBee等。鏈路質量指示LQI是現代無線通信模塊中在PHY層或MAC層中固有的指示數據，在實際運用中不需要增加新的硬件產品，在完成正常通信功能的基礎上還可以實現無線網絡通信模塊之間的相對測距和定位。
在本發明中，短程無線網絡由發射機單元1、接收機單元2和網絡監控中心3構成(參見圖1所示)，網絡監控中心3對發射機單元1和接收機單元2進行狀態管理，以及對接收機單元2中的每一個接收機的三維位置點坐標進行標定。每一個接收機的坐標標定(與地面平行的坐標xn、與地面垂直的坐標yn和與地面的高度zn)可以通過儀器進行測量獲得，并將獲得的三維坐標數記錄入網絡監控中心3中以方便通過坐標交叉定位公式獲得發射機單元1的最佳定位點坐標或者最佳坐標點。為了保證發射機與接收機的通訊質量以及不受其它信號的干擾，在本發明中，發射機單元1和接收機單元2工作在同一信道上，并且，接收機單元2至少應該有三個或三個以上，即構成一個一發多接的短程無線通信網絡結構。發射機單元1與接收機單元2通過各自的天線相實現連接。
相對測距是指短程無線網絡中每兩個模塊(即每一個接收機與發射機)之間的距離，在本發明中的短程無線網絡相對測距和定位方法有如下步驟(A)多個接收機接收由一個發射機發射出的通信信號后，經解調后在每一個接收機中至少獲得一個表征鏈路質量指示的參量LQIQ=A/dn2+B,]]>A為常數，B為常數，并對所述參量LQIQ通過換算得到每一個接收機與發射機之間的直接距離dn；所述多個接收機并將接收的與發射機的所述距離dn信號輸出致至網絡監控中心3。從電子信號流向來講即每一個接收機將接收的與發射機的距離輸出給網絡監控中心3作記錄，同時，網絡監控中心3輸出一個帶有是第幾接收機的標識信號給發射機。
(B)所述網絡監控中心3對接收的所述多個接收機各自與發射機的所述距離dn信號與所述多個接收機的三維位置點坐標采用交叉定位公式(x-xA)2+(y-yA)2+(z-zA)2=dA2(x-xB)2+(y-yB)2+(z-zB)2=dB2(x-xC)2+(y-yC)2+(z-zC)2=dC2(x-xD)2+(y-yD)2+(z-zD)2=dD2···(x-xn)2+(y-yn)2+(z-zn)2=dn2]]>聯立換算，從而獲得所述發射機與所述多個接收機之間的最佳定位點坐標Δf＝(x，y，z)，式中，LQIQ表示每一個接收機接收發射機發射出的鏈路質量指示數據，d表示發射機與其中一個接收機的距離，n表示接收機的個數；xn表示每一個接收機與地面平行的坐標，yn表示每一個接收機與地面垂直的坐標，zn表示每一個接收機與地面的高度。
本發明的網絡監控中心3回傳給發射機單元1的信息中至少包含有每一個接收機的標識信息。標識信息包含有每一個接收機的坐標點和與發射機之間的距離。
下面舉例說明一個發射機與四個接收之間的相對距離和定位(請參見圖2所示)，實例僅用于說明本發明的測距和定位方法是經實踐證實過的。發射機和接收機采用由Freescale公司的MC9SO8GT60MCU芯片和MC13193RF芯片構成的無線收發模塊平臺。發射機1與接收機A21、接收機B22、接收機C23和接收機D24之間的通信信號處理為傳統方式的相關處理，但在本發明中，為了獲得各接收機與發射機之間的較佳通訊質量，其解決的方案是通過無線發射機和無線接收機中PHY層或MAC層中固有的指示數據即鏈路質量指示LQI，但該指示數據又與信號傳輸距離相關，通過對該指示數據與信號傳輸的距離進行坐標交叉定位公式計算，從而獲得無線發射機的最佳定位點。
圖中，接收機A21、接收機B22、接收機C23和接收機D24分別放置在發射機1的任意方位上，接收機A21的三維位置點坐標A(xA，yA，zA)，接收機B22的三維位置點坐標B(xB，yB，zB)，接收機C23的三維位置點坐標C(xC，yC，zC)，接收機D24的三維位置點坐標D(xD，yD，zD)。發射機1發射出的通信信號分別給接收機A21、接收機B22、接收機C23和接收機D24，接收機A21、接收機B22、接收機C23和接收機D24對接收的通信信號經解調處理后在接收機A21中獲得接收機A21與發射機1之間的鏈路質量的參量LQIQ=A/dA2+B]]>(A和B為常數)，在接收機B22中獲得接收機B22與發射機1之間的鏈路質量的參量LQIQ=A/dB2+B]]>(A和B為常數)，在接收機C23中獲得接收機C23與發射機1之間的鏈路質量的參量LQIQ=A/dC2+B]]>(A和B為常數)，在接收機D24中獲得接收機D24與發射機1之間的鏈路質量的參量LQIQ=A/dD2+B]]>(A和B為常數)，四個接收機通過對各自的鏈路質量的參量進行換算，得到接收機A21與發射機1之間的相對距離為dA，接收機B22與發射機1之間的相對距離為dB，接收機C23與發射機1之間的相對距離為dC，接收機D24與發射機1之間的相對距離為dD。然后，四個接收機將各自的相對距離參數分別輸出給發射機1和網絡監控中心3。網絡監控中心3對接收的四個距離參數進行坐標交叉定位公式(x-xA)2+(y-yA)2+(z-zA)2=dA2(x-xB)2+(y-yB)2+(z-zB)2=dB2(x-xC)2+(y-yC)2+(z-zC)2=dC2(x-xD)2+(y-yD)2+(z-zD)2=dD2]]>聯立計算，得到發射機1的定位點坐標Δf＝(x，y，z)。
在本發明中，鏈路質量的好壞與信號傳播的距離有關，信號傳播得越遠，鏈路質量越差，因此，鏈路質量指示LQI(也稱LQI參數)與發射機信號的傳輸距離密切相關，同時與收發天線參數、電波傳播環境以及接收機中鏈路質量指示LQI的處理方法有關，通過對不同接收機的鏈路質量指示LQI的標定，可以得出鏈路質量指示LQI與距離的具體關系式LQIQ=A/dn2+B]]>(A和B表示常數)，從而把鏈路質量指示LQI與距離聯系起來。
本發明短程無線網絡的測距和定位，能夠滿足工業無線監控定位或者貨倉管理控制系統對貨物的定位管理等需求。經對貨倉中貨物的定位管理進行實驗測試，其定位精度可達2米。
權利要求
1.一種基于鏈路質量指示LQI的短程無線網絡相對測距和定位方法，所述的短程無線網絡由發射機單元(1)、接收機單元(2)和網絡監控中心(3)構成，其特征在于發射機單元(1)和接收機單元(2)工作在同一信道上，并且，所述發射機單元(1)為一個發射機，所述接收機單元(2)至少包含有三個或三個以上的三維位置點坐標已知的接收機；一個發射機與多個接收機的測距和定位有以下步驟(A)多個接收機接收由一個發射機發射出的通信信號后，經解調后在每一個接收機中至少獲得一個表征鏈路質量指示的參量LQIQ=A/dn2+B,]]>A為常數，B為常數，并對所述參量LQIQ通過換算得到每一個接收機與發射機之間的直接距離dn；所述多個接收機并將接收的與發射機的所述距離dn信號輸出至網絡監控中心(3)；(B)所述網絡監控中心(3)對接收的所述多個接收機各自與發射機的所述距離dn信號與所述多個接收機的三維位置點坐標采用交叉定位公式(x-xA)2+(y-yA)2+(z-zA)2=dA2(x-xB)2+(y-yB)2+(z-zB)2=dB2(x-xC)2+(y-yC)2+(z-zC)2=dC2(x-xD)2+(y-yD)2+(z-zD)2=dD2···(x-xn)2+(y-yn)2+(z-zn)2=dn2]]>聯立換算，從而獲得所述發射機與所述多個接收機之間的最佳定位點坐標Δf＝(x，y，z)，式中，LQIQ表示每一個接收機接收發射機發射出的鏈路質量指示數據，dn表示發射機與其中一個接收機的距離，n表示接收機的個數；xn表示每一個接收機與地面平行的坐標，yn表示每一個接收機與地面垂直的坐標，zn表示每一個接收機與地面的高度。
2.根據權利要求1所述的短程無線網絡相對測距和定位方法，其特征在于網絡監控中心(3)輸出給發射機單元(1)的信息中至少包含有每一個接收機的標識信息。
3.根據權利要求1所述的短程無線網絡相對測距和定位方法，其特征在于發射機和接收機采用由Freescale公司的MC9SO8GT60 MCU芯片和MC13193RF芯片構成無線模塊平臺。
4.根據權利要求1所述的短程無線網絡相對測距和定位方法，其特征在于適用于工業無線監控定位或者貨倉管理控制系統對貨物的定位，其定位精度達到2米。
全文摘要
本發明公開了一種基于鏈路質量指示LQI的短程無線網絡相對測距和定位方法，該測距和定位利用無線通信網絡模塊中的數字或模擬的LQI數據進行相對測距和定位，通過一個發射機發射出的通信信號被多個接收機接收，接收機不但解調出相應的通信數據外，同時還解調出表征鏈路質量指示的參量
文檔編號G01S5/14GK1749773SQ20051011421
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月21日 優先權日2005年10月21日
發明者酈亮, 胡志建, 洪家才, 董明星, 李云志, 王建明 申請人:赫立訊科技(北京)有限公司