一种无线网络中室内外区分方法
【专利摘要】一种无线网络中室内外区分方法，其包括，S1将无线接入点置于房间内，收集客户端在室内和室外的信道脉冲响应；并建立室内训练集和室外训练集；S2通过客户端在室内信道脉冲响应和室外的信道脉冲响应的差异判断客户端在室内或者室外。给出了一个在WiFi环境下室内外区分的方案框架，根据无线信道的信道脉冲响应信息来进行室内外区分，并在此框架的基础上提出了两种室内外区分方法：基于T检验的方法和基于线性判别分析的方法；该方法的效率很高：最快只需10秒钟采集训练数据，1秒内即可确定设备位于室内还是室外。
【专利说明】一种无线网络中室内外区分方法
【技术领域】
[0001]本发明一种无线网络中室内外区分方法。
【背景技术】
[0002]在无线网络中，室内外区分是指对于某个特定房间，能够判断出移动设备或者携带移动设备的人员位于房间内还是位于房间外。与室内定位相比，室内外区分只需要知道设备是否在某个房间内，而不需要知道设备的精确位置。近来，研究人员对室内相邻房间的边界区分开展了研究，利用WiFi信号，能够判定出移动设备位于相邻房间中的哪一间。而室内外区分则是判断设备是否在某个指定房间内的问题。因此，室内外区分属于比较粗糙的室内定位。
[0003]室内外区分在现实中有着广泛的应用。把篮球场看成是一个大房间，赛事的组织者可以向在球场内的观众通过无线网络提供场馆专有的服务信息，而场外的用户却获取不了这些信息。对于残障人士或需要照顾的老人和小孩，可以通过室内外区分来判定他们是否在指定的房间或区域内。另外，室内外区分也可用于实现基于位置的访问控制。如:在公司内部通过无线网络可以访问某些内部信息，但一旦出了公司即使能够连接到公司的无线网络上也不能够访问这些信息，以此来减少信息泄漏及攻击发生的可能性。另外，医院可以通过判定医生是否位于医院内，来决定是否允许该医生访问病人的信息，以更好地保护病人的隐私信息。对于被无线网络覆盖的酒店来说，向位于酒店房间内的人员提供上网服务，而拒绝位于酒店外的人接入其网络，以加强其无线网络的安全性。
[0004]从上述应用可以看出，室内外区分的特点是它对位置精度要求不高但定位准确性要求高。现有的室内定位技术虽然定位精度比较高，但它在解决房间内外区分问题时存在两方面的问题:1)误判率高。对于基于接收信号强度(RSS)的定位技术来说，其平均定位误差为7米，即使设备位于一个直径为14米的房间中心，那么该设备也有一半的几率会被定位到房间外。基于信道频率响应(CFR)的定位技术的最小误差也在I米左右，在处理房间内外边界时，会出现较大的偏差。2)方法执行效率低。现有的大多数室内定位技术的执行过程分为两个阶段，训练阶段和测试阶段。在训练阶段需要采集大量的位置信息，对于一个大小为13米*6米房间来说，至少需要5分钟I的房间内采集时间，而且还需要额外的房间外采集时间。因此，现有的室内定位技术不适合用于解决室内外区分问题。
[0005]边界区分方案也可用于解决室内外区分问题。但它在解决室内外区分问题的时候也存在以下问题:1)在训练阶段也需要采集大量的位置信息。它不但要采集指定室内的位置信息，而且要采集所有相邻房间中的位置信息。如果一个房间存在多个相邻房间的话，那数据采集工作量是很大的。2)没有考虑诸多因素对方案的影响，如:房间大小以及移动设备周围人的干扰等，但研究表明这些因素，尤其是设备周围的人的干扰会对WiFi信号产生较大的影响。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供一种能满足用户个性化需求的无线网络中室内外区分方法，其包括，
[0007]SI将无线接入点置于房间内，收集客户端在室内和室外的信道脉冲响应；并建立室内训练集和室外训练集；
[0008]S2通过客户端在室内信道脉冲响应和室外的信道脉冲响应的差异判断客户端在室内或者室外。
[0009]在上述技术方案的基础上，所述步骤S2中判断客户端在室内或者室外的方法包括T检验法和线性判别法。
[0010]在上述技术方案的基础上，所述线性判别法包括，设Sin表示在室内测得的信道脉冲响应值集合，Swt表示在室外测得的信道脉冲响应值集合,Sg表示在室内测得的第i号天
线的第j号载波的信道脉冲响应值集合，表示在室外测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合；
[0011]多次求每个载波室内外的信道脉冲响应差值并取差值均值，获取差值均值集合，从差值均值集合中提取出差值均值最大的载波，生成区分特性集合Index= {IndeXi}，其中Indexi表示在第i号天线中差值均值最大的载波，i e {a, b, c},无线接入点依照Index集合从Sin和Swt中过滤出相应的载波，分别形成室内训练集TSin和室外训练集TSrat,无线接入点收到测试数据后，依照Index集合从测试数据中过滤出相应的载波形成测试集TStest，无线接入点根据TSin和TSwt计算线性判别分析所需的特征值集合Eigenvalue=(Eigenvaluei),其 Eigenvaluei 表示第 i 号天线的特征值，i e {a,b,c},对于测试集TStest中的每组数据，分别判断每根天线的值与相应特征值之间的关系，如果该天线的值大于特征值，那么将该组`数据中此天线的判别结果为室内，用I表示，否则判别结果为室外，用O表示，然后根据三根天线的情况，给出该组数据的判别结果，最后对整个TStest进行大数表决，给出该测试数据集的判别结果。
[0012]在上述技术方案的基础上，若具有多根天线，根据多根天线的情况，通过大数表决给出该组数据的判别结果，最后对整个TStest进行大数表决，给出该测试数据集的判别结果O
[0013]在上述技术方案的基础上，所述T检验法包括，设Sin表示在室内测得的值信道脉冲响应值集合，Sout表示在室外测得的信道脉冲响应值集合，5?表示在室内测得的第i号
天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合，5丨^表示在室外测得的第i号天线的第j号载
波的信道脉冲响应值集合，
[0014]提出两个假设:
[0015]N0: E(Sli) =
[0016]H1; E(S；:) ^ E(S^t)
[0017]并设定显著性水平α，网卡中每根天线的每个载波建立所述两个假设，先令α为预设值，生成每根天线的P值曲线，其中，P值为拒绝无效假设的最小显著性水平，判断通过P值曲线的T校验的结果，判断能否为每根天线挑选出单一载波作为室内外区分特性，如果不能，继续减少α值，继续观察每个载波经过T校验的结果，直至能为每根天线挑选出单一载波，最终生成一个区分特性集合Index=UndexJ ,其中Indexi表示从每根天线中挑选出的用来作为室内外区分的载波号，其中i e {a,b,c}。然后,无线接入点依照Index集合从Sin和Swt中过滤出相应的载波，分别形成室内训练集TSin和室外训练集TStjut ；
[0018]当无线接入点收到测试数据集后，依照Index集合从测试数据集中过滤出相应的载波形成测试集TStest,对于TStest中的每组数据，分别计算其每根天线的值与TSin中对应天线的均值和TStjut中对应天线的均值之间的距离，如果其与TSin的距离小于其与TStjut的距离，那么将该组数据中此天线的判别结果为室内，否则判别结果为室外。
[0019]在上述技术方案的基础上，若具有多根天线，根据多根天线的情况，通过大数表决给出该组数据的判别结果，最后对整个TStest进行大数表决，给出该测试数据集的判别结果O
[0020]与现有技术相比，本发明给出了一个在WiFi环境下室内外区分的方案框架，根据无线信道的信道脉冲响应信息来进行室内外区分，并在此框架的基础上提出了两种室内外区分方法:基于T检验的方法和基于线性判别的方法；
[0021]在现有的802.11网卡上实现了上述两种室内外区分方法，并进行大量的实验。结果表明，所提的基于线性判别的方法要优于基于T检验的方法，其区分正确率为100%，同时该方法不受房间大小、移动设备周围人的干扰以及训练数据采集位置的影响。另外，该方法的效率很高:最快只需10秒钟采集训练数据，I秒内即可确定设备位于室内还是室外。
【专利附图】
【附图说明】 [0022]图1为本发明一种无线网络中室内外区分方法逻辑图。
【具体实施方式】
[0023]请参考图1，一种无线网络中室内外区分方法，其包括，
[0024]SI将无线接入点RX置于房间内，收集客户端在室内和室外的信道脉冲响应；并建立室内训练集和室外训练集；
[0025]S2通过客户端在室内信道脉冲响应和室外的信道脉冲响应的差异判断客户端在室内或者室外。
[0026]步骤S2中判断客户端在室内或者室外的方法包括T检验法和线性判别法。
[0027]线性判别法包括，设Sin表示在室内测得的信道脉冲响应值集合，Sout表示在室外
测得的信道脉冲响应值集合，Sg表示在室内测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响
应值集合，5丨^表示在室外测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合；
[0028]多次求每个载波室内外的信道脉冲响应差值并取差值均值，获取差值均值集合，从差值均值集合中提取出差值均值最大的载波，生成区分特性集合IndeX={IndeXi}，，其中Indexi表示在第i号天线中差值均值最大的载波，i e {a, b, c},无线接入点依照Index集合从Sin和Swt中过滤出相应的载波，分别形成室内训练集TSin和室外训练集TSrat,无线接入点收到测试数据后，依照Index集合从测试数据中过滤出相应的载波形成测试集TStest，无线接入点根据TSin和TSwt计算线性判别分析所需的特征值集合Eigenvalue=(Eigenvaluei),其 Eigenvaluei 表示第 i 号天线的特征值，i e {a,b,c},对于测试集TStest中的每组数据，分别判断每根天线的值与相应特征值之间的关系，如果该天线的值大于特征值，那么将该组数据中此天线的判别结果为室内，用I表示，否则判别结果为室外，用O表示，然后根据三根天线的情况，给出该组数据的判别结果，最后对整个TStest进行大数表决，给出该测试数据集的判别结果。若具有多根天线，根据多根天线的情况，通过大数表决给出该组数据的判别结果，最后对整个TStest进行大数表决，给出该测试数据集的判别结果。
[0029]本发明的T检验法包括，设Sin表示在室内测得的信道脉冲响应值集合，Sout表示在室外测得的信道脉冲响应值集合，电表示在室内测得的第i号天线的第j号载波的信道
脉冲响应值集合，表示在室外测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合，
[0030]提出两个假设:
[0031]
【权利要求】
1.一种无线网络中室内外区分方法，其特征在于:其包括， Si将无线接入点置于房间内，收集客户端在室内和室外的信道脉冲响应，并建立室内训练集和室外训练集； S2通过客户端在室内信道脉冲响应和室外信道脉冲响应的差异判断客户端在室内或者室外。
2.如权利要求1所述的一种无线网络中室内外区分方法，其特征在于:所述步骤S2中判断客户端在室内或者室外的方法包括T检验法和线性判别法。
3.如权利要求2所述的一种无线网络中室内外区分方法，其特征在于:所述线性判别法包括，设Sin表示在室内测得的信道脉冲响应值集合，Sout表示在室外测得的信道脉冲响应值集合，表示在室内测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合，表示在室外测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合； 多次求每个载波室内外的信道脉冲响应差值并取差值均值，获取差值均值集合，从差值均值集合中提取出差值均值最大的载波，生成区分特性集合Index= {IndeXi}，其中Indexi表示在第i号天线中差值均值最大的载波，i e {a, b, c},无线接入点依照Index集合从Sin和Swt中过滤出相应的载波，分别形成室内训练集TSin和室外训练集TSrat,无线接入点收到测试数据后，依照Index集合从测试数据中过滤出相应的载波形成测试集TStest，无线接入点根据TSin和TSwt计算线性判别分析所需的特征值集合Eigenvalue=(Eigenvaluei),其中 Eigenvaluei 表示第 i 号天线的特征值，i e {a,b,c},对于测试集TStest中的每组数据，分别判断每根天线的值与相应特征值之间的关系，如果该天线的值大于特征值，那么将该·组数据中此天线的判别结果为室内，用I表示，否则判别结果为室外，用O表不。
4.如权利要求3所述的一种无线网络中室内外区分方法，其特征在于:若具有多根天线，根据多根天线的情况，通过大数表决给出该组数据的判别结果，最后对整个TStest进行大数表决，给出该测试数据集的判别结果。
5.如权利要求2所述的一种无线网络中室内外区分方法，其特征在于:所述T检验法包括，设Sin表示在室内测得的信道脉冲响应值集合，Sout表示在室外测得的信道脉冲响应值集合，表示在室内测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合，Sitf表示在室外测得的第i号天线的第j号载波的信道脉冲响应值集合， 提出两个假设:
ε(5?ξ) = E&
H-J Ε(5?$Φ E(S^t) 并设定显著性水平α，网卡中每根天线的每个载波建立所述两个假设，先令α为预设值，生成每根天线的P值曲线，其中，P值为拒绝无效假设的最小显著性水平，判断通过P值曲线的T校验的结果，判断能否为每根天线挑选出单一载波作为室内区分特性，如果不能，减少α值,，为每根天线挑选出单一载波，生成一个区分特性集合Index=UndexJ ,其中Indexi表示从每根天线中挑选出的用来作为室内外区分的载波号，其中i e {a, b，c}，然后，无线接入点依照Index集合从Sin和Stjut中过滤出相应的载波，分别形成室内训练集TSin和室外训练集TStjut ； 当无线接入点收到测试数据集后，依照Index集合从测试数据集中过滤出相应的载波形成测试集TStest,对于TStest中的每组数据，分别计算其每根天线的值与TSin中对应天线的均值和TStjut中对应天线的均值之间的距离，如果其与TSin的距离小于其与TStjut的距离，那么将该组数据中此天线的判别结果为室内，否则判别结果为室外。
6.如权利 要求5所述的一种无线网络中室内外区分方法，其特征在于:若具有多根天线，根据多根天线的情况，通过大数表决给出该组数据的判别结果，最后对整个TStest进行大数表决，给出该测试数据集的判别结果。
【文档编号】H04W24/00GK103826241SQ201410067487
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】李兴华, 李书欣, 温明军, 刘会博, 姚青松, 马建峰, 姜奇, 毛立强, 高胜 申请人:西安电子科技大学