王殿君

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617)

無線局域網(wǎng)絡(luò) (Wireless Local-Area Network，WLAN)技術(shù)是20 世紀(jì)末發(fā)展起來的一種高速無線IP 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)號IEEE 802. 11［1］。隨著IEEE 802.11 無線局域網(wǎng)絡(luò)的普及，使用無線網(wǎng)絡(luò)定位成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)問題。如何在無線網(wǎng)絡(luò)中提取無線路由器的RSSI 值，成為利用RSSI 值定位的技術(shù)難題。

基于802.11b/g 協(xié)議的WLAN 廣泛分布在校園、辦公大樓等場所，PDA、筆記本等移動(dòng)設(shè)備中也都內(nèi)置了無線網(wǎng)卡，因此利用RSSI 值來定位成為室內(nèi)定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外在這些方面的研究取得了一定成就。由芬蘭赫爾辛基大學(xué)開發(fā)的Ekahau［2］，在使用IEEE802.11b 無線LAN 環(huán)境下，開發(fā)了一種運(yùn)用接收信號強(qiáng)度進(jìn)行位置檢測的系統(tǒng)。通過事先記錄在數(shù)據(jù)庫中某些特定位置所收到的RSSI，在系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)，利用當(dāng)時(shí)所收到的信號強(qiáng)度，輔以統(tǒng)計(jì)的條件概率來判斷使用者所在位置。IBM 中國研究中心基于WLAN 的室內(nèi)定位技術(shù)，建立了一套基于WLAN 的定位系統(tǒng)，配置的有位置測定模型的無線設(shè)備通過無線局域網(wǎng)絡(luò)信號采集位置信息［3－5］。作者首先簡要介紹了無線定位技術(shù)，分析了信號傳播模型，研究了無線信號獲取過程方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 無線定位技術(shù)

目前的定位算法分為兩類:基于測距 (Rangebased)的定位算法和無需測距(Range-free)的定位算法［6］。這兩種無線定位算法主要包括以下幾個(gè)方面:

(1)基于電波入射角(Angle of Arrival，AOA)

通過基站接收機(jī)天線陣列測出移動(dòng)臺發(fā)射電波的入射角，采用一定的算法確定由角度所決定的方位線的交點(diǎn)，即為被測移動(dòng)結(jié)點(diǎn)的位置。該方法適合于視距(Line of Sight)傳播的情況，設(shè)備復(fù)雜度較高。

(2)基于電波傳播時(shí)間TOA (Time of Arrival)

利用電波信號在移動(dòng)臺與基站間傳送所花費(fèi)的時(shí)間差推算出兩者的相對距離。該定位算法在1 μs 的時(shí)間內(nèi)將導(dǎo)致300 m 左右的定位誤差，但該方法的缺點(diǎn)在于時(shí)間的測量上，需要有非常高的精準(zhǔn)度，同時(shí)接收端與傳送端的時(shí)間要能同步，而在室內(nèi)的環(huán)境下，多重路徑的問題使得信號更難被正確偵測。

(3)基于電波傳播時(shí)間差TDOA (Time Difference of Arrival)

通過檢測信號到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，而不是到達(dá)的絕對時(shí)間來確定移動(dòng)結(jié)點(diǎn)的位置，降低了時(shí)間同步要求，根據(jù)信號到達(dá)時(shí)間差，移動(dòng)結(jié)點(diǎn)位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線上，要確定移動(dòng)結(jié)點(diǎn)的位置至少需要3 個(gè)基站，建立2 個(gè)雙曲線方程，2 個(gè)雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)結(jié)點(diǎn)的二維位置坐標(biāo)。

(4)基于RSSI 值

已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點(diǎn)測量接收功率，根據(jù)計(jì)算傳播損耗模型公式轉(zhuǎn)化為距離。研究表明，無線信號傳播存在以下規(guī)律:接收方測得的信號強(qiáng)度越強(qiáng)，發(fā)送方距離接收方往往越近;接收到的信號強(qiáng)度越弱，發(fā)送方距離接收方往往越遠(yuǎn)。對于收到接收方的強(qiáng)度，目前在各種標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)中都可獲得，而且接收方強(qiáng)弱的變化是比較可預(yù)期的，測量精確度相對較高。因此，因傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有無線通信能力，故其是一種低功率、廉價(jià)的測距技術(shù)，利用測試到的不同位置點(diǎn)所收到的信號強(qiáng)弱，可以算出移動(dòng)臺到無線路由器的距離，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)定位的功能。

2 信號傳播模型分析

無線電傳播路徑損耗對于RSSI 定位精度有很大影響，信號強(qiáng)度與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(接收機(jī))和AP (發(fā)射機(jī))之間的距離有關(guān)。針對室內(nèi)環(huán)境下，信號傳播容易受到反射、衍射和建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對無線電波散射的影響，信號傳播模型如公式(1)所示:

式中:P(r)為給定的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的功率，它與給定AP 的距離為r，r0為相對發(fā)射機(jī)的參考距離;P(r0)為參考點(diǎn)處的信號功率;α 表示路徑損耗隨著距離r 的增加而增加的速率;L 為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的隔墻數(shù);WAF 為隔墻衰減因子。

3 無線信號的獲取過程

3.1 無線信道探測

IEEE802.11 無線局域網(wǎng)存在主動(dòng)探測和被動(dòng)探測兩種獲取RSSI 的方式。在被動(dòng)探測模式下，由移動(dòng)結(jié)點(diǎn)測量Probe Response 幀的信號強(qiáng)度;主動(dòng)探測模式下，由AP 測量Probe Request 幀的信號強(qiáng)度，AP的發(fā)射功率通常比移動(dòng)結(jié)點(diǎn)高，信號衰減比移動(dòng)結(jié)點(diǎn)穩(wěn)定，因此采用第一種測量RSSI 的方式。需要測量時(shí)，由測量系統(tǒng)強(qiáng)制無線網(wǎng)卡在所有可用信道上廣播發(fā)送probe request 幀，測量AP 響應(yīng)幀的信號強(qiáng)度，并將測量結(jié)果提交測量系統(tǒng)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序接口NDIS (Network Driver Interface Specification)

NDIS 是Microsoft 和3Com 公司開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，NDIS 的設(shè)計(jì)目的是通過將不同的協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)接口卡上拆除，使得用戶可以訪問不同的協(xié)議。在設(shè)計(jì)過程中，協(xié)議并不需要了解關(guān)于網(wǎng)絡(luò)卡的任何信息。

NDIS 程序庫(NDIS. sys)提供了一個(gè)抽象的接口，為編寫符合NDIS 規(guī)范的驅(qū)動(dòng)程序提供了編程環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，各驅(qū)動(dòng)程序之間的通信全部由NDIS 提供的統(tǒng)一的例程和調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)卡對驅(qū)動(dòng)程序、協(xié)議層驅(qū)動(dòng)程序及操作系統(tǒng)通過這個(gè)接口進(jìn)行通信，它負(fù)責(zé)上下層驅(qū)動(dòng)程序之間、服務(wù)原語和實(shí)際驅(qū)動(dòng)入口之間的轉(zhuǎn)換。

圖1 NDIS 驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟?/p>

NDIS 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，NDIS 是網(wǎng)卡與網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序以及與上層驅(qū)動(dòng)程序之間的通信接口，它為不同的驅(qū)動(dòng)程序提供了不同的接口函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的通信。

NDIS 支 持3 種 類型的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序(NIC Drivers)是網(wǎng)卡與上層驅(qū)動(dòng)程序通信的接口，它主要完成以下任務(wù):初始化網(wǎng)卡、停止網(wǎng)卡、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包以及設(shè)置網(wǎng)卡的各種參數(shù)。中間驅(qū)動(dòng)程序 (Intermediate Protocol Drivers)位于網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序和協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序之間，對于上層傳輸驅(qū)動(dòng)程序來說，中間驅(qū)動(dòng)類似微端口驅(qū)動(dòng)。協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序(Upper Level Protocol Drivers)執(zhí)行具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如TCP/IP 協(xié)議、IPX/SPX 協(xié)議、NetBEUI 協(xié)議等。協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用層客戶程序提供服務(wù)。接收來自網(wǎng)卡或中間驅(qū)動(dòng)程序的信息［7］。

3.3 RSSI 值的獲取過程

圖2 RSSI 值的提取過程

RSSI 值的提取過程如圖2 所示，提取無線路由器RSSI 值的主要函數(shù)為:

(1)wif_adapteropen(pAdapter-＞AdapterName)通過設(shè)備名獲得設(shè)備句柄，打開適配器;其中，pAdapter－ ＞AdapterName 表示設(shè)備名的參數(shù);

(2)wif_adapterget()連接網(wǎng)絡(luò)適配器;

(3)wif_adapterlist()提取適配器的信息;

(4)wif_networkconnect()連接網(wǎng)絡(luò)，顯示無線網(wǎng)絡(luò)是否連上;

(5)wif_networklist()獲取無線網(wǎng)絡(luò)信息，包括RSSI 值、MAC 值和SSID (無線路由器的ID 值)。

無線網(wǎng)卡獲取的無線路由器信息順序如圖3 所示。

圖3 獲取的無線路由器信息

利用RSSI 值和SSID 值，采用3 邊定位法和概率定位法等進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人定位時(shí)，最大的技術(shù)問題是不能同時(shí)獲取到多個(gè)無線路由器的信息，其主要原因在于無線網(wǎng)卡接收到無線路由器的所有信息時(shí)，內(nèi)存分配不當(dāng)。當(dāng)接收到第1 個(gè)無線路由器發(fā)出的信息時(shí)，先存放在預(yù)先分配好的內(nèi)存里，因此可以獲得正確的無線路由器信息;當(dāng)接收到第2 個(gè)無線路由器的信息時(shí)，沒有分配給相應(yīng)的內(nèi)存，系統(tǒng)隨機(jī)分配內(nèi)存地址，因此獲得的信息為系統(tǒng)隨機(jī)給定值。由此可知，當(dāng)接收到3 個(gè)或3 個(gè)以上的無線路由器信息時(shí)，除了第1 個(gè)接收到的無線路由器的信息正確外，其他信息都是系統(tǒng)隨機(jī)給定。

為了獲取所有接收到的無線路由器的信息，對存放無線路由器信息的內(nèi)存地址進(jìn)行合理調(diào)整。當(dāng)接收到第2 個(gè)無線路由器的信息，通過偏移第1 個(gè)無線路由器信息所占的位數(shù)，即第1 個(gè)無線路由器信息內(nèi)存地址的下一個(gè)位作為第2 個(gè)無線路由器信息的首地址存放信息。依次類推，通過地址的偏移把所有接收到的無線路由器信息存入指定的內(nèi)存空間，所接收到的無線路由器信息可以全部獲取到。

利用改進(jìn)后的WLAN 的RSSI 值獲取算法，以無線網(wǎng)卡能收到2 個(gè)無線路由器為例，軟件獲取無線信號的所有信息時(shí)，得到兩個(gè)完整的無線路由器RSSI值、MAC 值和SSID 等，如圖4 所示。

圖4 2 個(gè)無線路由器的完整信息

4 結(jié)論

(1)深入剖析了無線路由器RSSI 值的獲取過程，提出了改進(jìn)多臺WLAN 的RSSI 值獲取算法，開發(fā)了RSSI 值自動(dòng)獲取系統(tǒng)軟件;

(2)所構(gòu)建的RSSI 值自動(dòng)獲取系統(tǒng)為基于WLAN 概率法的導(dǎo)航機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的自主定位提供了依據(jù)。

【1】ANSI/ IEEE，Std 802.11，1999 Edition.

【2】BAHL P，PADMANAHHAN Y N.RADAR:An In-building RF-based User Location and Tracking System［C］//IEEE Infocom 2000，2000:775 －784.

【3】SONG Xiang S，CHEN J，WANG H，et al.A Wireless LANbased Indoor Positioning Technology［J］. References IBM Journal of Research and Development，2004，48(5/6).

【4】王曉旭，劉金桂. 基于RSSI 測距的室內(nèi)三維定位算法［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(7):63 －65.

【5】王偉，陳岱，周勇.基于測距修正和位置校正的RSSI 定位算法［J］. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(2):409 －412.

【6】王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法［J］.軟件學(xué)報(bào)，2005，16(5):857 －868.

【7】王湘渝，江文，唐俊.一種基于NDIS 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)隱蔽通道的方法［J］. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28(6):229－301.