基于SDN的室内目标定位中的AP选择方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及目标定位技术领域中的一种基于软件定义网络sdn(softwaredefinednetwork)的室内目标定位中的无线接入点ap(accesspoint)选择方法。本发明可用于基于wifi的室内目标定位中选择无线接入点ap，定位无线接入点ap分布式计算目标位置，并将位置上传显示器显示出来。

背景技术：

近年来，随着无线网络、移动通信和计算机技术的快速发展，人们对基于室内位置的服务及与此相关的应用需求逐渐增加，因此关于室内位置信息的获取以及室内位置的计算成为了研究的热点。随着无线局域网wlan(wirelesslocalareanetworks)的迅速发展，wifi在学校、商场、医院、地下室等场所已经得到广泛的部署和应用。基于wifi的室内定位方法，因其利用广泛部署的无线网络以及普及的手机等无线设备，无需添加额外的硬件支持而成为室内定位领域的主流方法之一。

依靠wifi信号强度衰减指示进行室内定位时，在具有大量ap节点部署的无线网络中，为获得目标位置，所需处理的数据为高维的向量(ap节点的数目)。然而，在复杂的室内环境下受多种因素的影响，无线信号的传播变得非常的复杂和多变，比如人员的走动、桌椅的遮挡、多径效应等都会影响无线信号的传播。同时，实时定位时，ap的性能、ap的数目等因素也会影响定位的精度和稳定性。

四川长虹电器股份有限公司在其申请的专利文献“基于wlan的室内定位方法及装置”(申请号：201310094153.2，授权公告号：cn103179661b)中提供一种基于wlan的室内定位方法及装置，即移动终端通过ap单元发送定位请求信号给服务器单元进行移动终端位置的确定，解决了室内位置快速定位的问题。但是，该方法仍然存在不足之处是，该方法没有考虑到室内复杂环境对无线信号传播的影响，也没有考虑到ap的性能、ap的数目等因素对定位的精度和稳定性的影响。

上海臻图信息技术有限公司在其申请的专利文献“一种基于权重值选择的wifi室内定位方法”(申请号：201410010203.9，专利公开号：cn103698740a)中提出一种基于权重值选择的wifi室内定位方法。该方法包括客户端向服务端发出定位请求和信号特征，服务端使用信号特征进行定位计算获得客户端的估计位置；训练阶段指纹特征采用信号强度指示rssi(receivedsignalstrengthindication)均值，定位阶段采用逐次累加的rssi均值与指纹库匹配的方法。该方法虽然在一定程度上减少了由于rssi信号随机变化引起的定位误差，但是，该方法仍然存在不足之处是，该方法时间和空间的复杂度较高，计算量相对较大，且服务端要建立多个服务器，部署复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的定位的精度和稳定性较低、定位系统部署复杂、占用存储空间大等不足，提出一种基于软件定义网络sdn的室内目标定位中的无线接入点ap选择方法，该定位方法是在sdn控制器实现对全网资源统一管理的基础之上，依照全局的ap与定位区域的相关性，去除易造成过度拟合的冗余节点，然后，每个定位无线接入点ap利用闲置的计算资源分布式地计算出和定位终端的距离，sdn控制器上实现对室内目标的定位。

实现本发明目的的具体步骤如下：

(1)上传信号强度指示rssi和物理地址信息：

(1a)在室内定位区域均匀选取多个位置点；

(1b)使用openwrt无线路由器，获取定位终端在每一个位置点发送的探测帧，从每一个探测帧中筛选得到信号强度指示rssi信息；

(1c)将所有信号强度指示rssi信息值经高斯滤波后求均值，得到求均值后的信号强度指示rssi信息；

(1d)在openwrt无线路由器中依照sdn控制器下发的openflow流表，选择传输路径，将每一个位置点的均值后的信号强度指示rssi信息、无线接入点ap的物理地址信息和位置信息上传软件定义网络sdn控制器；

(2)计算无线接入点ap和定位区域的相关性：

(2a)软件定义网络sdn控制器，接收每一个位置点的信号强度指示rssi值，将每一个位置点接收的所有信号强度指示rssi值，组成该位置点的信号强度指示rssi向量，将所有位置点的信号强度指示rssi向量，组成室内定位区域的信号强度指示rssi矩阵；

(2b)依照每一个无线接入点ap在所有位置点上的rssi值，计算每个无线接入点ap与定位区域的相关性；

(2c)将所有无线接入点ap与定位区域的相关性，组成相关性矩阵；

(3)选择定位无线接入点ap：

(3a)将相关性矩阵中元素按照从大到小进行排序；

(3b)从排序中依次选择与室内定位区域相关性大的m个无线接入点ap，将选择的每一个无线接入点ap作为室内定位区域的定位无线接入点ap，其中，m表示大于3的整数；

(3c)将室内定位区域的每一个无线接入点ap，是否被选择为定位无线接入点ap反馈至每一个无线接入点ap；

(4)分布式计算距离：

(4a)利用室内无线信号强度指示rssi衰减大小与距离的对应公式，每个定位无线接入点ap分布式地计算与定位终端的距离；

(4b)每一个定位无线接入点ap将该定位无线接入点ap与定位终端的距离、定位无线接入点ap的物理地址上传至软件定义网络sdn控制器；

(5)计算定位坐标：

(5a)软件定义网络sdn控制器，利用极大似然算法，估计待定位目标的坐标值；

(5b)软件定义网络sdn控制器，利用加权质心算法，求定位坐标；

(6)显示定位坐标：

(6a)将定位坐标计算结果上传至定位显示屏显示，完成室内定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明通过软件定义网络sdn控制器接收每一个位置点获得的所有的路由器的信号强度指示rssi值信息，计算定位区域与各个无线接入点ap的相关性，选择与室内定位区域相关性大的无线接入点，克服了现有技术中的ap的性能、ap的数目等因素影响定位的精度和稳定性、时间和空间的复杂度较高的不足，使得本发明可以在sdn控制器的管理下，提高定位的精度，减少了存储的开销。

第二，由于本发明计算无线接入点ap和定位区域的相关性，选择定位无线接入点ap，定位无线接入点ap分布式计算距离，上传软件定义网络sdn控制器，计算定位坐标，克服了现有技术中的需要部署多个服务器的不足，使得本发明充分利用了软件定义网络sdn中无线接入点ap闲置的计算资源，减少了计算的开销。

附图说明

图1为本发明得的流程图；

图2为本发明的sdn控制器管理全网资源的示意图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参照附图1，对本发明的具体步骤作进一步的描述。

步骤1，上传信号强度指示rssi和物理地址信息。

在室内定位区域均匀选取多个位置点。在室内定位区域建立平面直角坐标系，再把区域均匀划分，选取多个位置点。

在均匀选取的每一个位置点上，定位终端在wifi开启但未连接、锁屏、位置服务关闭时，向外发送探测帧，定位终端可以选择手机、便携式电脑、平板电脑等。使用openwrt无线路由器，获取定位终端在每一个位置点发送的探测帧，从每一个探测帧中筛选得到信号强度指示rssi信息和定位终端物理地址。

探测帧具体包括定位终端物理地址，信道channel，信道频率frequency，信号强度指示rssi值，比特速率bitrates，认证机制psk以及ieunknown。

将所有信号强度指示rssi信息值经高斯滤波后求均值，得到求均值后的信号强度指示rssi信息。这是因为对于一个固定的无线接入点ap，其获取的定位终端rssi值并不是稳定的，在一段时间内接收到的rssi是随机波动的，为摒弃小概率rssi值，而采用高斯均值数据处理模型。

结合附图2，对本发明的sdn控制器管理全网资源作进一步的描述。sdn控制器布置在云服务器端，黑色虚线表示sdn控制器统一管理全网资源的环境下，黑色斜直线表示sdn控制器与有线路由器相连接，黑色椭圆表示室内定位区域，无线接入点ap接收定位终端发送的探测帧，根据sdn控制器下发的openflow流表，选择传输路径，将每一个位置点的均值后的信号强度指示rssi信息、无线接入点ap的物理地址信息和位置信息选择的合适的有线路由器上传软件定义网络sdn控制器。

步骤2，计算无线接入点ap和定位区域的相关性。

软件定义网络sdn控制器，接收每一个位置点的信号强度指示rssi值，将每一个位置点接收的所有信号强度指示rssi值，组成该位置点的信号强度指示rssi向量，将所有位置点的信号强度指示rssi向量，组成室内定位区域的信号强度指示rssi矩阵。

依照每一个无线接入点ap在所有位置点上的rssi值，计算每个无线接入点ap与定位区域的相关性，将所有无线接入点ap与定位区域的相关性，组成相关性矩阵。

所述计算定位区域与各个无线接入点ap节点的相关性的公式如下：

其中，ps表示第s个无线接入点ap与室内定位区域的相关性值，s＝1,2,…,n，n表示openwrt无线路由器的总数，|·|表示取绝对值操作，∑表示求和操作，j表示室内定位区域中均匀选取的位置点总数，i表示室内定位区域中均匀选取的第i个位置点，xi表示第i个位置点在平面坐标系中对应的x轴坐标值，表示室内定位区域中所有位置点在平面坐标系中对应的x轴坐标值的均值，yi表示第i个位置点在平面坐标系中对应的y轴坐标值，表示室内定位区域中所有位置点在平面坐标系中对应的y轴坐标值的均值，rssisi表示第i个位置点接收的第s个无线接入点ap节点信号强度，表示室内定位区域中j个位置点接收的第s个无线接入点ap节点信号强度的均值，表示开二次根操作。

步骤3，选择定位无线接入点ap。

将相关性矩阵中元素按照从大到小进行排序。

从排序中依次选择与室内定位区域相关性大的m个无线接入点ap，将选择的每一个无线接入点ap作为室内定位区域的定位无线接入点ap，其中，m表示大于3的整数。

将室内定位区域的每一个无线接入点ap，是否被选择为定位无线接入点ap反馈至每一个无线接入点ap。

步骤4，分布式计算距离。

利用室内无线信号强度指示rssi衰减大小与距离的对应公式，每个定位无线接入点ap分布式地计算出与定位目标的距离。在软件定义网络sdn下，流表由sdn控制器统一下发，无线接入点ap的计算资源闲置下来，可以利用闲置的计算资源每个定位无线接入点ap分布式地计算出与定位目标的距离。

传统的计算距离的理论模型为对数路径损耗模型，但是这种模型对实际环境带来的干扰和衰减考虑得不够全面，因此在这里使用改进的对数路径损耗模型：

其中，[pr(d)]dbm表示室内定位目标处的信号强度指示rssi值，d表示定位无线接入点ap与定位终端的距离，dbm表示信号强度指示rssi值的单位，[pr(d0)]dbm表示距离无线接入点ap参考距离1m处的信号强度指示rssi值，d0表示参考距离1m，n表示无线信号在室内空间的路径损耗系数，*表示相乘，ns,nf在这里分别表示墙体和地板的损耗系数，需根据实际环境确定；ls,lf分别为墙体和地板造成的衰减，…表示根据实际环境可以添加其他障碍物带来的干扰。

在实践操作时，可以忽略墙体和地板的损耗，得到简化后的改进的对数路径损耗模型，由此可以得到所述室内无线信号强度指示rssi衰减大小与距离的对应公式如下：

最后，每一个定位无线接入点ap将该定位无线接入点ap与定位终端的距离、定位无线接入点ap的物理地址上传至软件定义网络sdn控制器。

步骤5，计算定位坐标。

软件定义网络sdn控制器，利用极大似然算法，估计待定位目标的坐标值。

极大似然估计，是一个概率论统计学方法，在满足最大概率的条件下，初步求取定位坐标，所述极大似然算法如下。

第一步，从每一个定位无线接入点ap与定位终端的距离中，任意选择m-1个距离值作为一组距离值，那么一共有m种不同的组合；其中，一组距离值至少包含3个距离值，是因为在平面内已知三点的坐标及该三点到未知点之间的距离可以利用数学公式计算得出未知点的坐标。

第二步，通过求解如下似然方程，得到每一组距离值对应的定位目标的坐标点。

其中，xr表示第r个定位无线接入点ap在平面坐标系中对应的x轴坐标值，r＝2,3,…,m，x0表示定位目标的位置估计坐标，yr表示第r个定位无线接入点ap在平面坐标系中对应的y轴坐标值，y0表示定位目标的位置估计坐标，dr表示第r个定位无线接入点ap与定位目标的距离。

最后在软件定义网络sdn控制器，根据求出的初步定位坐标，再利用质心算法精确定位坐标。所述加权质心算法如下。

第一步，按照下式，计算加权质心算法的权值修正系数。

其中，wf表示第f个坐标点的加权质心算法的权值修正系数，f＝1,2,…,m，f表示第f个坐标点，dk表示第k个定位无线接入点ap与定位目标的距离；

第二步，按照下式，计算室内定位目标的定位坐标。

其中，(x,y)表示精确求取定位坐标，xf表示第f个由极大似然算法所得坐标的x轴坐标值，yf表示第f个由极大似然算法所得坐标的y轴坐标值。

步骤6，显示定位坐标。

将定位坐标计算结果上传至定位显示屏，完成室内定位。定位坐标显示采用http网页界面形式，界面绘制二维坐标系，同比例缩放定位终端所处环境的坐标，实现定位坐标显示。