专利名称：一种基于链路质量指示的短程无线网络相对测距和定位方法
技术领域：
本发明涉及一种基于链路质量指示LQI的短程无线网络的相对测距和定位方法，该测距和定位系统通过链路质量指示LQI的数值大小与发射机、接收机之间的坐标点关系，从而得到接收机与发射机的直接距离。
背景技术：
无线定位技术是现代无线电的重要应用领域。最常见的无线定位是卫星定位系统，包括GPS、GLANASS、双星定位系统等。卫星定位系统一般采用时差定位法定位，利用卫星的高稳定时钟，通过接收不同卫星的不同时间差，根据电波传播的速度换算成距离来定位。卫星定位具有覆盖面广、精度高的优点，但系统搭建和维护成本较高，但对于小型的货物管理不适用。
早期的陆基和海上定位系统采用载波相位技术定位，例如罗兰-C系统。接收机接收多个已知相位的载波，根据相位差算出距离，然后定位。但载波相位由于相位具有周期性而使定位产生周多值性，经常采用多载波或调制波技术进行修正。这种定位方式通过组网也可以实现全球定位，但一般只能确定平面坐标，不能定高度。
也有的定位系统采用调制码元的方式进行无线定位的。根据接收到的码元确定时间差或相位差，然后得出接收机与各参考点的距离进行定位。
链路质量指示LQI是Link Quality Indication的缩写，表示两个通信模块之间的链路质量指示。链路质量指示LQI是现代无线通信模块中在PHY层或MAC层中固有的指示数据，其LQI数值大小与信号传输距离相关，当通信模块之间的传输距离较远时，其链路质量指示LQI小，即通信模块之间的信号较弱，反之亦然。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于链路质量指示LQI的短程无线网络相对测距和定位方法，所述测距和定位是通过无线网络通信模块中标准配置的接收信号指示数据LQI确定一个发射机与多个接收机之间的距离，然后通过该距离值获得发射机的最佳定位点。该定位方法具有算法简单、成本低，并且与无线网络具有无缝组网功能。
本发明是一种基于链路质量指示LQI的短程无线网络相对测距和定位方法，所述的短程无线网络由发射机单元1、接收机单元2和网络监控中心3构成，其发射机单元1和接收机单元2工作在同一信道上，并且，所述发射机单元1为一个发射机，所述接收机单元2至少包含有三个或三个以上的三维位置点坐标已知的接收机，在本发明中，一个发射机与多个接收机的测距和定位有以下步骤(A)多个接收机接收由一个发射机发射出的通信信号后，经解调后在每一个接收机中至少获得一个表征链路质量指示的参量LQIQ=A/dn2+B,]]>A为常数，B为常数，并对所述参量LQIQ通过换算得到每一个接收机与发射机之间的直接距离dn；所述多个接收机并将接收的与发射机的所述距离dn信号输出至网络监控中心3；(B)所述网络监控中心3对接收的所述多个接收机各自与发射机的所述距离dn信号与所述多个接收机的三维位置点坐标采用交叉定位公式(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]]>联立换算，从而获得所述发射机与所述多个接收机之间的最佳定位点坐标Δf＝(x，y，z)，式中，LQIQ表示每一个接收机接收发射机发射出的链路质量指示数据，d表示发射机与其中一个接收机的距离，n表示接收机的个数；xn表示每一个接收机与地面平行的坐标，yn表示每一个接收机与地面垂直的坐标，zn表示每一个接收机与地面的高度。
所述的短程无线网络相对测距和定位方法，其网络监控中心3输出给发射机单元1的信息中至少包含有每一个接收机的标识信息。
本发明短程无线网络相对测距和定位方法的优点(1)本发明的测距和定位方法中采用的链路质量指示LQI是现代无线通信模块中在PHY层或MAC层中固有的指示数据，不需要为定位增加新的硬件成本，有效地节略了生产成本；(2)利用链路质量指示LQI相对测距或定位，算法简单，软件成本低；(3)在保证基本通信功能和无线网络功能的基础上增加了测距和定位功能，增强了产品的功用，提高了产品的性价比；(4)能够利用无线模块的网络功能，实现较大范围内的测距、定位和目标跟踪等，提高了测距和定位精度，定位精度达到2米。
图1是短程无线网络的组网结构示意图。
图2是本发明一个发射机与多个接收机的测距和定位原理结构示意图。
图中1.发射机单元2.接收机单元21.接收机A22.接收机B23.接收机C24.接收机D3.网络监控中心具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于链路质量指示的短程无线网络相对测距和定位方法，其设计是依据基于现代无线通信模块的接收电平指示RSSI和链路质量指示LQI来确定收发距离的一种定位方法，该方法可以应用在各种短距离无线通信中，如WLAN、WPAN、Bluetooth、ZigBee等。链路质量指示LQI是现代无线通信模块中在PHY层或MAC层中固有的指示数据，在实际运用中不需要增加新的硬件产品，在完成正常通信功能的基础上还可以实现无线网络通信模块之间的相对测距和定位。
在本发明中，短程无线网络由发射机单元1、接收机单元2和网络监控中心3构成(参见图1所示)，网络监控中心3对发射机单元1和接收机单元2进行状态管理，以及对接收机单元2中的每一个接收机的三维位置点坐标进行标定。每一个接收机的坐标标定(与地面平行的坐标xn、与地面垂直的坐标yn和与地面的高度zn)可以通过仪器进行测量获得，并将获得的三维坐标数记录入网络监控中心3中以方便通过坐标交叉定位公式获得发射机单元1的最佳定位点坐标或者最佳坐标点。为了保证发射机与接收机的通讯质量以及不受其它信号的干扰，在本发明中，发射机单元1和接收机单元2工作在同一信道上，并且，接收机单元2至少应该有三个或三个以上，即构成一个一发多接的短程无线通信网络结构。发射机单元1与接收机单元2通过各自的天线相实现连接。
相对测距是指短程无线网络中每两个模块(即每一个接收机与发射机)之间的距离，在本发明中的短程无线网络相对测距和定位方法有如下步骤(A)多个接收机接收由一个发射机发射出的通信信号后，经解调后在每一个接收机中至少获得一个表征链路质量指示的参量LQIQ=A/dn2+B,]]>A为常数，B为常数，并对所述参量LQIQ通过换算得到每一个接收机与发射机之间的直接距离dn；所述多个接收机并将接收的与发射机的所述距离dn信号输出致至网络监控中心3。从电子信号流向来讲即每一个接收机将接收的与发射机的距离输出给网络监控中心3作记录，同时，网络监控中心3输出一个带有是第几接收机的标识信号给发射机。
(B)所述网络监控中心3对接收的所述多个接收机各自与发射机的所述距离dn信号与所述多个接收机的三维位置点坐标采用交叉定位公式(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]]>联立换算，从而获得所述发射机与所述多个接收机之间的最佳定位点坐标Δf＝(x，y，z)，式中，LQIQ表示每一个接收机接收发射机发射出的链路质量指示数据，d表示发射机与其中一个接收机的距离，n表示接收机的个数；xn表示每一个接收机与地面平行的坐标，yn表示每一个接收机与地面垂直的坐标，zn表示每一个接收机与地面的高度。
本发明的网络监控中心3回传给发射机单元1的信息中至少包含有每一个接收机的标识信息。标识信息包含有每一个接收机的坐标点和与发射机之间的距离。
下面举例说明一个发射机与四个接收之间的相对距离和定位(请参见图2所示)，实例仅用于说明本发明的测距和定位方法是经实践证实过的。发射机和接收机采用由Freescale公司的MC9SO8GT60MCU芯片和MC13193RF芯片构成的无线收发模块平台。发射机1与接收机A21、接收机B22、接收机C23和接收机D24之间的通信信号处理为传统方式的相关处理，但在本发明中，为了获得各接收机与发射机之间的较佳通讯质量，其解决的方案是通过无线发射机和无线接收机中PHY层或MAC层中固有的指示数据即链路质量指示LQI，但该指示数据又与信号传输距离相关，通过对该指示数据与信号传输的距离进行坐标交叉定位公式计算，从而获得无线发射机的最佳定位点。
图中，接收机A21、接收机B22、接收机C23和接收机D24分别放置在发射机1的任意方位上，接收机A21的三维位置点坐标A(xA，yA，zA)，接收机B22的三维位置点坐标B(xB，yB，zB)，接收机C23的三维位置点坐标C(xC，yC，zC)，接收机D24的三维位置点坐标D(xD，yD，zD)。发射机1发射出的通信信号分别给接收机A21、接收机B22、接收机C23和接收机D24，接收机A21、接收机B22、接收机C23和接收机D24对接收的通信信号经解调处理后在接收机A21中获得接收机A21与发射机1之间的链路质量的参量LQIQ=A/dA2+B]]>(A和B为常数)，在接收机B22中获得接收机B22与发射机1之间的链路质量的参量LQIQ=A/dB2+B]]>(A和B为常数)，在接收机C23中获得接收机C23与发射机1之间的链路质量的参量LQIQ=A/dC2+B]]>(A和B为常数)，在接收机D24中获得接收机D24与发射机1之间的链路质量的参量LQIQ=A/dD2+B]]>(A和B为常数)，四个接收机通过对各自的链路质量的参量进行换算，得到接收机A21与发射机1之间的相对距离为dA，接收机B22与发射机1之间的相对距离为dB，接收机C23与发射机1之间的相对距离为dC，接收机D24与发射机1之间的相对距离为dD。然后，四个接收机将各自的相对距离参数分别输出给发射机1和网络监控中心3。网络监控中心3对接收的四个距离参数进行坐标交叉定位公式(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]]>联立计算，得到发射机1的定位点坐标Δf＝(x，y，z)。
在本发明中，链路质量的好坏与信号传播的距离有关，信号传播得越远，链路质量越差，因此，链路质量指示LQI(也称LQI参数)与发射机信号的传输距离密切相关，同时与收发天线参数、电波传播环境以及接收机中链路质量指示LQI的处理方法有关，通过对不同接收机的链路质量指示LQI的标定，可以得出链路质量指示LQI与距离的具体关系式LQIQ=A/dn2+B]]>(A和B表示常数)，从而把链路质量指示LQI与距离联系起来。
本发明短程无线网络的测距和定位，能够满足工业无线监控定位或者货仓管理控制系统对货物的定位管理等需求。经对货仓中货物的定位管理进行实验测试，其定位精度可达2米。
权利要求
1.一种基于链路质量指示LQI的短程无线网络相对测距和定位方法，所述的短程无线网络由发射机单元(1)、接收机单元(2)和网络监控中心(3)构成，其特征在于发射机单元(1)和接收机单元(2)工作在同一信道上，并且，所述发射机单元(1)为一个发射机，所述接收机单元(2)至少包含有三个或三个以上的三维位置点坐标已知的接收机；一个发射机与多个接收机的测距和定位有以下步骤(A)多个接收机接收由一个发射机发射出的通信信号后，经解调后在每一个接收机中至少获得一个表征链路质量指示的参量LQIQ=A/dn2+B,]]>A为常数，B为常数，并对所述参量LQIQ通过换算得到每一个接收机与发射机之间的直接距离dn；所述多个接收机并将接收的与发射机的所述距离dn信号输出至网络监控中心(3)；(B)所述网络监控中心(3)对接收的所述多个接收机各自与发射机的所述距离dn信号与所述多个接收机的三维位置点坐标采用交叉定位公式(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]]>联立换算，从而获得所述发射机与所述多个接收机之间的最佳定位点坐标Δf＝(x，y，z)，式中，LQIQ表示每一个接收机接收发射机发射出的链路质量指示数据，dn表示发射机与其中一个接收机的距离，n表示接收机的个数；xn表示每一个接收机与地面平行的坐标，yn表示每一个接收机与地面垂直的坐标，zn表示每一个接收机与地面的高度。
2.根据权利要求1所述的短程无线网络相对测距和定位方法，其特征在于网络监控中心(3)输出给发射机单元(1)的信息中至少包含有每一个接收机的标识信息。
3.根据权利要求1所述的短程无线网络相对测距和定位方法，其特征在于发射机和接收机采用由Freescale公司的MC9SO8GT60 MCU芯片和MC13193RF芯片构成无线模块平台。
4.根据权利要求1所述的短程无线网络相对测距和定位方法，其特征在于适用于工业无线监控定位或者货仓管理控制系统对货物的定位，其定位精度达到2米。
全文摘要
本发明公开了一种基于链路质量指示LQI的短程无线网络相对测距和定位方法，该测距和定位利用无线通信网络模块中的数字或模拟的LQI数据进行相对测距和定位，通过一个发射机发射出的通信信号被多个接收机接收，接收机不但解调出相应的通信数据外，同时还解调出表征链路质量指示的参量
文档编号G01S5/14GK1749773SQ20051011421
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月21日 优先权日2005年10月21日
发明者郦亮, 胡志建, 洪家才, 董明星, 李云志, 王建明 申请人:赫立讯科技(北京)有限公司