CN101953197A

CN101953197A - 向移动装置提供wi-fi位置信息以估计其位置

Info

Publication number: CN101953197A
Application number: CN2008801257928A
Authority: CN
Inventors: N·布拉切特; F·阿里扎德-沙伯迪兹; J·N.·尼尔森; R·K.·琼斯
Original assignee: Skyhook Wireless Inc
Current assignee: Skyhook Wireless Inc
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2011-01-19
Also published as: EP2235980A1; AU2008345574A1; US9392407B2; AU2008345574B2; TW200942057A; US9888345B2; EP2235980B1; US8369264B2; US8983493B2; US20150172863A1; JP2011509028A; CA2710842C; US20080176583A1; CA2710842A1; US20130310064A1; KR101603801B1; KR20100108399A; TWI499325B; EP2235980A4; WO2009086278A1

Abstract

一种向客户机装置提供信息的相关子集的方法部分地基于：扫描该客户机装置的范围内的Wi-Fi接入点，使用覆盖大的目标区域的Wi-Fi数据库检索关于这些接入点的信息，使用这个信息估计移动客户机装置的位置，选择客户机装置的估计的位置附近的有限区域，并把关于这个有限区域内的Wi-Fi接入点的信息提供给客户机。为了数据的高效传送和维护，该目标区域可以被分成固定地理片的层级结构。

Description

向移动装置提供WI-FI位置信息以估计其位置

相关申请的交叉引用

本申请是于2005年10月28日提交的标题为“Server.for Updating Location Beacon Database”的美国专利申请No.11/261,898的部分继续申请，并要求该申请的优先权，通过引用将其全部内容包含于此。

技术领域

本发明一般地涉及用于确定Wi-Fi使能装置的位置的方法和系统，更具体地讲，涉及高效地管理Wi-Fi位置数据并把Wi-Fi位置数据分配给移动客户机装置从而使客户机能够使用这种信息来估计其位置的方法和系统。

背景技术

近年来，移动计算装置的数量急剧增加，导致了对更先进的移动和无线服务的需求。移动电子邮件、步谈机(walkie-talkie)服务、多人游戏和电话跟踪是在移动装置上正在出现的新应用的例子。另外，用户开始需要并寻找不仅使用他们的当前位置还与其他人共享该位置信息的应用。父母希望追踪他们的孩子，主管需要跟踪公司的递送车辆的位置，商务旅行者希望找到最近的药店取药。所有这些例子需要个人知道他自己的当前位置或别人的当前位置。迄今为止，我们都依赖于询问方向、打电话给别人询问他们的所在之处，或者让工作人员时常报告他们的位置。

基于位置的服务代表利用装置的能力计算它们的当前地理位置并把该位置报告给用户或服务的新出现的一类移动应用。这些服务的一些例子包括：局部天气、交通流量更新、驾驶方向、儿童追踪、伙伴寻找和城市门房服务。这些新的位置敏感装置依赖于都使用如下的相同的一般概念的各种技术：使用来自已知参考点的无线电信号，这些装置能够以数学的方式计算用户的相对于这些参考点的位置。这些技术中的每一种技术根据所采用的特定无线电技术和定位算法而具有优点和缺点。

由美国政府运营的全球定位系统(GPS)利用很多轨道卫星作为参考点。这些卫星广播由GPS接收器拾取的无线电信号。接收器测量接收的信号传播到接收器所用的时间。在从三个或更多个GPS卫星接收到信号之后，接收器能够对它在地球上的位置进行三角测量。为了使该系统有效地工作，无线电信号必须在几乎没有或没有干扰的情况下到达接收器。天气、建筑物或结构以及植物能够干扰该过程，因为接收器需要到三个或更多个卫星的无阻的视线。称为多径的现象也会引起干扰。来自卫星的无线电信号从物理结构弹开，这导致来自同一卫星的多个信号在不同的时间到达接收器。由于接收器的计算基于信号到达接收器所用的时间，所以多径信号使接收器困惑并导致重大误差。

手机信号发射塔三角测量是无线和蜂窝载体为了确定用户或装置的位置而使用的另一方法。无线网络和手持装置彼此通信，以共享该网络能够用来计算该装置的位置的信号信息。这种方法原来被视为优于GPS的模型，因为这些信号不需要直接的视线并且能够更好地穿透建筑物。不幸的是，由于手机信号发射塔硬件的异质性以及在手机信号发射塔的定位中的多径信号和缺乏一致性的问题，这些方法已被证明不是最优的。

辅助GPS是组合了GPS和手机信号发射塔技术以针对移动用户产生更准确且可靠的位置计算的较新的模型。在这个模型中，无线网络通过发送关于GPS卫星的时钟偏移和基于连接的手机信号发射塔的位置的用户大体位置的信息，尝试帮助GPS改进它的信号接收。这些技术能够帮助GPS接收器处理在室内经历的较弱信号并帮助接收器更快地获得在最近卫星上的“固定”，提供更快的“第一读数”。这些系统的问题在于响应时间慢以及精确度差(在市区大于100米)。

最近已开发了一些尝试解决伴随GPS、A-GPS和手机信号发射塔定位的已知问题的替代模型。这些模型之一(称为TV-GPS)使用来自电视广播塔的信号(例如，参见Muthukrishnan，K.et al.，Towards Smart Surroundings：Enabling Techniques and Technologies for Localization，from Location-and Context-Awareness，Springer Berlin，Heidelberg，May 2005)。该概念依赖于这样的事实：大多数城市区域具有3个或更多个电视广播塔。专用硬件芯片从这些不同的塔接收电视信号，并使用这些塔的已知位置作为参考点。这个模型所面临的挑战是新硬件接收器的成本和使用这种小的参考点集合的限制。例如，如果用户在塔的周界之外，则该系统难以提供合理的精确度。经典例子是沿着海岸线的用户。由于在海洋中没有电视塔，所以无法在导致计算的定位对于内陆用户良好的参考点之间提供参考对称性。

Microsoft公司和Intel公司(通过称为PlaceLab的研究组)已部署了使用从业余扫描者(称为“战争驾驶者(wardrivers)”)获得的接入点位置的数据库的Wi-Fi位置系统，所述业余扫描者把他们的Wi-Fi扫描数据提交给公共社区网站(例如，参见LaMarca，A.et al.，Place Lab：Device Positioning Using Radio Beacons in the Wild，in Proceedings of the Third International Conference on Pervasive Computing，May 2005)。例子包括：WiGLE、Wi-FiMaps.com、Netstumbler.com和NodeDB。Microsoft和Intel都已开发了它们自己的使用由战争驾驶者提交的Wi-Fi信息作为估计客户机装置的位置的参考的客户机软件。

因为个人自愿提供数据，所以这些系统遇到了很多性能和可靠性问题。第一，数据库中的数据不是同时期的；一些数据是新的，而其它部分是3至4年前的。Wi-Fi位置数据的年龄很重要，因为随着时间过去，接入点可能被移动或离线。第二，使用各种硬件和软件配置获取数据。每个802.11无线电装置和天线具有不同的影响信号的强度的表现的信号接收特性。每个扫描软件实现在不同的时间间隔期间以不同方式扫描Wi-Fi信号。结果，数据库中的接入点信息缺乏共同的参考标准。第三，用户提供的数据经受了干线偏差(arterial bias)。因为由不遵循设计的扫描路线的个人自己报告数据，所以数据倾向于聚集在交通拥挤区域的周围。干线偏差使位置估计被“拉”向主干线，导致重大的精确度误差。第四，这些数据库包括计算出的扫描的接入点的位置而非由802.11硬件获得的原始扫描数据。这些数据库中的每个数据库以不同的方式计算接入点位置，并且每个数据库利用基本的加权平均公式。结果是，数据库中的一些接入点的位置估计非常不精确。

已存在很多以室内定位为目标的商业版本的Wi-Fi位置系统(例如，参见Muthukrishnan，K.et al.，Towards Smart Surroundings：Enabling Techniques and Technologies for Localization，Lecture Notes in Computer Science，Vol.3479，pp.350-362，Jan 2005；Hazas，M.，et al.，Location-Aware Computing Comes of Age，IEEE Computer，Vol.37(2)，pp.95-97，Feb 2004，通过引用将它们都包含于此)。这些系统被设计用于处理受控环境(比如，公司园区、医院设施或造船厂)内的资产和人员跟踪。经典例子是具有能够监视医院内的急救车的精确位置的系统，从而当存在心脏停搏时医院职员不会在对装置进行定位方面浪费时间。这些使用情况的精确度要求非常高，通常需要1-3米的精确度。这些系统使用各种技术精细地调整它们的精确度，包括进行园区的每一平方英尺的详细实地勘察以测量无线电信号传播。它们还需要恒定的网络连接以便接入点和客户机无线电装置能够以类似于A-GPS工作的方式交换同步信息。尽管这些系统对于这些室内使用情况变得更加可靠，但它们在任何宽广区域部署中是无效的。无法进行整个城市所需的这种详细实地勘察，并且无法按这些系统所要求的程度在整个城市区域依赖于与802.11接入点的恒定通信信道。最重要的是，户外无线电传播从根本上不同于室内无线电传播，从而使这些室内定位算法在宽广区域情形中几乎是无用的。

存在很多可用的802.11位置扫描客户机，它们记录802.11信号的存在并把这个信息与GPS位置读数关联。这些软件应用由手工操作并产生读数的日志文件。这种应用的例子是Netstumber、Kismet和Wi-FiFoFum。一些爱好者使用这些应用标记他们检测到的802.11接入点信号的位置并彼此分享这些位置。在ad hoc(对等)的基础上，执行这种数据的管理和信息的共享。这些应用不执行关于接入点的物理位置的任何计算；它们仅仅记录检测到接入点的位置。

使用由这些系统中的任何系统采集的数据需要访问采集的原始数据或针对每个接入点的计算出的位置。需要使用这些数据的装置必须以某种方式获得对该数据的访问。该访问通常以如下两种方式之一实现：(i)通过移动装置和联网的服务器之间的网络请求-响应交互；或(ii)通过把Wi-Fi接入点数据库存储在移动装置自身上。

在移动装置上运行的软件通常受到这种装置的有限物理能力和移动资源和服务的成本的约束。这些约束包括硬件(存储容量、功率存储和消耗、CPU速度、网络能力和可用性)以及网络接入和带宽消耗的成本约束。这些限制为尝试利用可用资源的任何解决方案带来了负担，具体地，产生了高效管理和分配Wi-Fi位置数据的优化问题。

这个优化问题被Wi-Fi位置数据库自身需要频繁更新的事实所加重。这是经常移动或退出的Wi-Fi接入点的瞬变性质的结果。因此，数据库必须被定期更新以确保它包含相对较新的Wi-Fi位置信息。

发明内容

本发明提供了选择并向移动客户机装置提供Wi-Fi位置信息的相关子集从而使客户机装置可以在高效利用资源的情况下估计它的位置的方法和系统。

根据本发明的一个方面，一种选择并提供Wi-Fi位置信息的相关子集的方法包括：扫描客户机装置的范围内的Wi-Fi接入点，使用覆盖大的目标区域的Wi-Fi数据库检索关于这些接入点的信息，使用该信息估计移动客户机装置的位置，选择估计的客户机装置的位置附近的有限区域，并把关于该有限区域内的Wi-Fi接入点的信息提供给所述客户机。

根据本发明的另一方面，根据预定方案把数据库的目标区域分隔成一组固定的地理分区，并且所述有限区域包括这些分区中的一个或多个。

根据本发明的另一方面，数据库的目标区域分隔成一组几何学上相似的多边形片(tile)。

根据本发明的另一方面，所述多边形片形成层级结构，在该层级结构中较小的片嵌套在较大的片内。

根据本发明的另一方面，选择可以在单个多边形片内包含的Wi-Fi接入点的最大数量，并根据这个最大值确定所述多边形片的尺寸。

根据本发明的另一方面，每个多边形片与反映对该片内的接入点的最近更新的时间戳关联，并且这个时间戳用于确定高速缓存在客户机装置上的数据是否是最新的。

根据本发明的另一方面，估计的客户机装置的速度和方向被用于确定所述有限区域。

根据本发明的另一方面，预测的客户机装置的路线被用于确定所述有限区域。

根据本发明的另一方面，客户机装置上可用的存储器的量被用于确定所述有限区域。

根据本发明的另一方面，客户机装置和数据库之间的通信的速度被用于确定所述有限区域。

根据本发明的另一方面，利用与指定地理区域对应的一部分Wi-Fi数据来初始化客户机装置，并且通过与Wi-Fi数据库通信来更新该数据。

附图说明

为了更完整地理解本发明的各实施例，现在结合附图进行下面的描述，在附图中：

图1描述Wi-Fi定位系统的某些实施例；

图2描述根据本发明某些实施例的包括扫描装置的扫描车辆；

图3描述示出数据收集中的干线偏差的问题的扫描情形的例子；

图4描述根据本发明某些实施例的使用扫描车辆的计划路线的例子；

图5描述示出当定位用户装置时缺乏Wi-Fi接入点的参考对称性的问题的示例情形；

图6描述示出当定位用户装置时的Wi-Fi接入点的参考对称性的示例情形；

图7描述根据本发明某些实施例的包括扫描装置的扫描车辆；

图8描述根据本发明某些实施例的包括Wi-Fi接入点的中心数据库的中心网络服务器；

图9描述根据本发明某些实施例的定位软件的示例性架构；

图10描述根据本发明某些实施例的扫描客户机的示例性架构；

图11比较和对比随机扫描模型的效果和使用中国邮递员路由算法的模型的效果；

图12描述Wi-Fi定位系统的某些实施例；

图13描述根据本发明某些实施例的Wi-Fi定位系统的客户机组件；

图14描述根据本发明某些实施例的Wi-Fi定位系统的服务器组件；

图15描述根据本发明某些实施例的响应于来自客户机应用的位置请求的、Wi-Fi定位系统的客户机组件的操作；

图16描述根据本发明某些实施例的响应于来自客户机组件的位置请求的、Wi-Fi定位系统的服务器组件的操作；

图17描述根据本发明某些实施例的当接收到片标识符的列表时Wi-Fi定位系统的客户机组件的操作；

图18描述根据本发明某些实施例的响应于来自客户机组件的片请求的、Wi-Fi定位系统的服务器组件的操作；

图19描述根据本发明某些实施例的Wi-Fi定位系统的服务器组件使用Wi-Fi接入点的密度确定适当的片尺寸的方法；

图20描述把地球表面划分成多边形片的层级结构的方案和产生与这些片中的每个片对应的全球唯一标识符的方案；

图21描述根据本发明某些实施例的在正常工作期间Wi-Fi定位系统的各种组件之间的通信；以及

图22描述根据本发明某些实施例的响应于客户机位置请求由Wi-Fi定位系统的服务器组件推荐的一些片。

具体实施方式

介绍

本发明的优选实施例提供了一种用于估计移动装置的地理位置的Wi-Fi定位系统(WPS)。WPS包括当估计客户机的位置时用作参考点的已知接入点(AP)位置的数据库。优选实施例在移动装置上保持Wi-Fi接入点数据的高速缓存。根据这个方法，服务器向客户机发送包含客户机装置附近的Wi-Fi接入点的Wi-Fi接入点数据库的子集。客户机把这个信息存储在它的本地高速缓存中，在本地高速缓存中它可用于满足随后的位置请求。如果客户机装置发现该高速缓存不包含定位自身所需的信息或者高速缓存中的数据过期，或者如果客户机预期在不远的将来将会需要更多的数据，则它通过从接入点数据库下载所需的数据来补充高速缓存。在某些实施例中，通过把接入点分组到与固定的地理区域对应的“片”中来简化这个过程。

图1描述了WPS的优选实施例的一部分。该定位系统包括驻留在计算装置[101]上的定位软件[103]。在特定覆盖区域的各处，存在使用控制/公共信道广播信号来广播信息的固定无线接入点[102]。客户机装置监视广播信号或经由探测请求(probe request)来请求它的发送。每个接入点包含唯一硬件标识符，即MAC地址。客户机定位软件从范围内的802.11接入点接收信号信标，并使用这些信号信标的特性计算该计算装置的地理位置。这些特性包括802.11接入点的唯一标识符(即，MAC地址)和到达客户机装置的信号的强度。客户机软件比较观测到的802.11接入点与它的接入点参考数据库[104]中的那些接入点，所述接入点参考数据库[104]可以驻留在该装置上也可以不驻留在该装置上。该参考数据库包含采集系统已收集的所有接入点的计算出的地理位置或功率分布图(power profile)。功率分布图是代表来自各个位置的信号的功率的读数的集合。使用这些已知位置，客户机软件计算用户装置[101]的相对位置，并确定它的经纬度读数形式的地理坐标。那些读数随后被提供给基于位置的应用，诸如寻友、本地搜索网站、船队管理系统和E911服务。

参照图9更详细地描述该定位软件，图9描述了定位软件103的示例性组件。通常，存在使用位置读数向终端用户提供某一值(例如驾驶方向)的应用或服务[901]。这个位置应用向定位软件请求在该特定时刻的装置的位置。该请求启动扫描器[902]，扫描器[902]向装置上的802.11无线电装置[903]发出“扫描请求”。802.11无线电装置向范围内的所有802.11接入点[904]发出探测请求。根据802.11协议，接收到探测请求的那些接入点将会发送包含关于该接入点的信息的广播信标。该信标包括装置的MAC地址、网络名称、它支持的协议的准确版本和它的安全结构以及关于如何连接到该装置的信息。802.11无线电装置收集来自进行响应的每个接入点的该信息，计算每个接入点的信号强度，并把其发送回扫描器。

扫描器把这个接入点阵列传递给定位器[906]，定位器[906]相对于接入点参考数据库[905]，检查每个观测到的接入点的MAC地址。这个数据库可以位于该装置上或者可以通过网络连接位于远处。接入点参考数据库把已知的每个观测到的接入点的位置数据返回给系统。定位器把位置信息的这个集合连同从每个接入点返回的信号特性一起传递给不良数据滤波器[907]。这个滤波器针对每个接入点应用多个比较测试以确定是否有任何接入点自它们被加入到接入点数据库以来已移动。在去除不良数据记录之后，滤波器把剩余的接入点发送给位置计算组件[908]。利用来自接入点数据库的参考数据和来自扫描器的信号强度读数，位置计算组件计算此刻的装置的位置。在把该位置数据发送回定位器之前，该位置数据被平滑引擎[909]处理，平滑引擎[909]对过去的一系列位置读数求平均值以从先前的计算中去除任何不稳定的读数。调整后的位置数据随后被发送回定位器。

由定位器产生的计算出的位置读数通过包括应用程序接口(API)的应用接口[910]或经由虚拟GPS能力[911]传送给这些基于位置的应用[901]。GPS接收器使用专用消息或使用位置标准(比如，由美国海洋电子协会(NMEA)开发的位置标准)传送它们的位置读数。通过使用机器上的标准接口(诸如，COM端口)连接到装置来取回这些消息。本发明的某些实施例包括虚拟GPS能力，该虚拟GPS能力允许任何GPS兼容应用与该新的定位系统通信而不必改变通信模型或消息。

使用用于把有噪声的数据流转变成可靠且稳定的位置读数的一系列定位算法来产生位置计算。客户机软件比较观测到的接入点的列表以及它们的计算出的信号强度以对用户的位置进行加权，从而确定装置用户的精确位置。采用各种技术，包括简单的信号强度加权平均模型、与三角测量法组合的最近邻模型和基于装置速度的自适应平滑。不同的算法在不同情形中表现得更好，并且倾向于一起用在混合部署中以产生最精确的最终读数。本发明的优选实施例能够使用很多定位算法。根据观测到的接入点的数量和使用它的用例应用来决定使用哪个算法。该滤波模型不同于传统的定位系统，因为传统的系统依赖于从不移动的已知参考点。在优选实施例的模型中，并不假设接入点的位置固定；接入点并非定位系统所拥有，因此它们可以移动或离线。该滤波技术假设一些接入点可能不再位于同一地点并且可能引起不良的位置计算。因此，该滤波算法尝试隔离自从记录了它们的位置以来已移动的接入点。滤波器是动态的，并基于该时刻观测到的接入点的数量而变化。平滑算法包括简单的位置平均化以及包括Kalman(卡尔曼)滤波器的高级Bayesian(贝叶斯)逻辑。速度算法通过从每个接入点的信号强度观测估计Doppler(多普勒)效应来计算装置速度。

采集扫描数据以建立参考数据库

图2描述了用于采集各个接入点的位置信息的组件。部署大批车辆[201]用于建立定位系统的参考数据库(图1的104)。这些车辆201按计划路线穿过目标扫描区域，以产生最高质量数据的最佳方式采集数据。目标扫描区域通常代表大的城市区域，包括15-20英里半径内的每条可行驶街道。这些车辆装备有扫描装置[202]，扫描装置[202]设计用于在穿越覆盖区域的同时记录802.11信号的特性和位置。扫描装置使用来自GPS卫星[204]的信号，每秒地跟踪扫描车辆的位置。扫描装置还跟踪范围内的任何802.11接入点的存在并连同扫描车辆的GPS位置一起记录该接入点信号的无线电特性。收集的数据的质量受到扫描车辆采用的扫描方法的影响很大。每个模型具有它自己的优点和限制。一种称为随机模型的方法在车辆为了商业或个人用途进行日常活动时把扫描装置放在该车辆中。这些车辆可以是运货卡车、出租车、旅行推销员或仅仅是爱好者。其概念是：随着时间过去，这些车辆将会以它们自己的随机方式覆盖足够的街道，以建立可靠的参考数据库。该模型确实在事实上提供了收集数据的简单方式，但获得的数据的质量由于“干线偏差”的问题而受到负面影响。图3描述了随机模型的挑战。当扫描车辆经过为了解决除采集数据以外的其它问题(例如，运送包裹、人们上下班来往通勤)而设计的路线时，它们倾向于遵循目的地路线。目的地路线是驾驶员需要从A到B并寻找到达那里的最快路线的情况。因此，驾驶员寻找到最近的主干线的最短路线，而不管它是公路还是主干道。结果，随着时间过去，随机驾驶覆盖越来越多的地方，而积累的覆盖范围以较小的周围的道路为代价显示出对主要道路或干线的偏差。在图3中，扫描车辆大量经过干线[304]和[305]，从而为这些街道产生了健全的量的扫描数据。但是，街道[306]和[307]很少被覆盖(如果它们曾经被覆盖的话)，因为在那些街道没有常去的目的地并且干线是更优的行驶道路。结果是，扫描车辆根本没有扫描接入点[308]和[309]，因此定位系统将会难以识别在街道[306]和[307]上行进的用户。结果是，当该系统尝试从扫描数据计算接入点的位置时，它受限于偏差的输入数据的集合。图11显示获得的数据质量的差别。当扫描车辆在接入点[1101]附近行驶时，它连续记录读数和它的位置。定位系统必须随后使用观测数据[1103]的整个集合计算接入点[1102]的位置。在随机扫描模型中，数据集局限于经过接入点的一条主要道路。这迫使系统计算在该道路附近的接入点的位置，而非计算接近于接入点自身的接入点的位置。

另一种方法是开发路由算法，该算法包括目标区域中的每条街道以在获得的数据集合中避免干线偏差，由此为终端用户产生更可靠的定位系统。图4描述了用于计算覆盖目标区域中的每条街道的最高效行驶路线的、称为中国邮递员的优化路由算法。中国邮递员路由算法是邮局、公用事业公司和人口调查局使用的已知技术，并且是Euler(欧拉)回路问题的变型。Euler回路是求访问每个边至少一次的图的最短路程的问题(例如，参见Kwan，M.K.“Graphic Programming Using Odd or Even Points.”Chinese Math.1，273-277，1962..)。本发明的优选实施例包括识别覆盖的目标区域并随后使用中国邮递员路由算法安排车辆路线的方法。扫描车辆[401]遵循根据不对任何街道显示出偏差的算法的最佳路线，确保由系统检测并绘制所有可观测的接入点。因此，作为示例，使用中国邮递员模型把接入点[408]和[409]加入到接入点数据库中，而如果使用随机模型，则接入点[408]和[409]将会被遗漏。返回参照图11，利用中国邮递员扫描模型，车辆驶过每条街道，完整得到接入点[1104]的一组扫描记录[1106]。该系统随后能够以较小的误差计算接入点的位置[1105]，因为与接入点1102相比，该系统对于接入点1104具有更均匀的扫描数据的分布。因此，中国邮递员扫描模型不仅在整个目标区域中均匀地采集了更多的接入点，而且获得的数据产生了接入点位置的更精确的计算。

更高质量的AP位置

一旦收集了(或者部分地收集了)扫描数据，把扫描数据上载到对它进行处理的中心接入点数据库(本申请中稍后描述)。每个接入点的原始观测点用于反三角测量接入点的实际物理位置或创建代表该接入点的无线电传播的功率分布图。为了为特定接入点产生最精确的计算位置或创建最精确的功率分布图，扫描车辆必须从尽可能多的不同角度观测接入点。在随机模型[图3]中，仅从一条街道观测很多接入点，迫使系统直接在街道[303]上计算它们的位置。这些位置表现出方向偏差并且显著不同于这些接入点[302]的实际位置。当定位系统的参考点位置不精确时，误差被引入到定位系统。因此，在这个定位系统中，接入点位置的精确度对于终端用户定位精确度起到很大作用。使用中国邮递员模型[图4]，扫描车辆从容纳特定接入点的建筑物的尽可能多的侧面检测该特定接入点。这种附加数据大大改善了用于计算接入点[403]的位置的反三角测量公式的结果。结合图11描述关于接入点位置质量的更多细节。

从这个系统收集的扫描数据代表在每个接入点的特定环境下每个接入点的信号传播模式的可靠代理。每个无线电装置和关联的周围环境产生唯一的信号指纹，该信号指纹显示在信号指纹内的各个位置信号从多远到达以及信号有多强。这个指纹数据结合计算出的接入点位置使用以为该定位系统实现高精确度。这个指纹也称为“功率分布图”，因为测量每个位置的信号强度作为以瓦特为单位的信号功率。定位系统能够解释指纹数据以指示802.11接入点无线电的特定信号强度与距该接入点的特定距离关联。信号指纹技术用于室内Wi-Fi定位，但已被证明难以在宽广区域户外环境中复制，因为难以收集指纹数据。当多个接入点的指纹或功率分布图重叠时，定位系统能够仅通过找到观测的信号强度与组合的指纹匹配的一个位置来确定装置位置。本发明的优选实施例提供一种在具有数百万接入点的广大覆盖区域获得该指纹数据以便使用基于指纹的定位算法的可靠系统。

参考对称性

定位系统通常在正被跟踪的装置周围具有三个或更多参考点的情况下工作。这些定位系统以各种方法使用来自这些参考点的无线电信号以计算装置的当前位置。当没有足够数量的参考点时或者当参考点在用户周围缺乏平衡或对称性时，发生显著误差。如图5中所示，从随机模型出现的干线偏差引入了很多情形，其中终端用户[501]移动到仅在其一侧存在记录的接入点位置[502]的物理区域。这种在终端用户周围的参考点的分布缺乏对称性的情况导致定位算法以很大的误差计算装置位置[503]。采用扫描接入点的中国邮递员模型，用户通常在装置的802.11无线电的范围[604]内遇到在用户[601]的所有侧面存在很多接入点位置[602]的物理位置[图6]。获得的位置计算结果[603]具有减小的位置偏差并因此而更加精确。图11是显示质量位置计算的影响的另一例子。

扫描装置

图7描述了用于检测和识别各个Wi-Fi接入点的扫描装置702的优选实施例的细节。扫描车辆[701]包含连续扫描来自GPS卫星[708]和802.11接入点[707]的无线电信号的路线的扫描装置[702]。扫描装置运行控制整个过程的扫描客户机软件[704]。扫描客户机激活GPS接收器[705]和802.11无线电装置[706]。GPS接收器被设置为每秒计算装置的地理位置的连续接收模式。该计算结果由扫描客户机读取并存储在本地数据存储器[703]中。扫描客户机启动802.11无线电装置并开始使用定向天线[709]发送802.11探测请求。该探测请求的范围内的任何802.11接入点[707]使用按照802.11协议的信号信标进行响应。响应的信号信标包含接入点的网络名称(称为SSID)、接入点装置的MAC地址以及关于接入点的其它元信息。响应的信号基于起点的矢量和与接入点的接近度，以不同的信号强度到达各定向天线。该矢量随该特定天线的标识符和关于接入点的元信息一起记录。这个探测-接收-记录过程每十分之一秒连续发生。部署的扫描装置是iPAQ 4155 Pocket PC和具有集成的SiRF II型GPS接收器的Powered GPS PDA Mount Cradle与XTrac v.2.0固件的组合。

结合图10描述某些实施例的扫描客户机704。该客户机由三个主要组件构成，即数据管理器[1001]、系统管理器[1002]和上载管理器[1003]。数据管理器[1001]控制GPS无线电装置[1006]和802.11无线电装置[1007]的操作。数据管理器控制这些无线电装置扫描信号并处理这些信号的时间和频率。一旦被激活，GPS无线电装置接收来自GPS卫星[1004]的信号并计算它的地理位置。GPS记录器[1008]每秒记录所有这些读数并把它们发送给文件管理器[1010]。Wi-Fi记录器[1009]激活802.11无线电装置以每十分之一秒进行扫描，使这些802.11读数与来自GPS无线电装置的GPS读数关联，并把获得的数据发送给文件管理器。文件管理器从GPS记录器和Wi-Fi记录器二者接收扫描数据，并在装置上创建存储文件。在装置工作并且两个无线电装置都工作的全部时间，这个过程持续。

在上载管理器[1003]中，存在热点检测器[1017]，热点检测器[1017]监视802.11扫描结果以寻找装置被授权访问的公共热点[1024]的配置网络(例如，T-mobile)。一旦热点检测器[1017]检测到有效热点，它向用户通知该热点的存在。用户能够通过激活创建连接组件[1018]选择连接到该热点。这个组件与该热点的接入点关联并创建802.11连接。然后，热点认证模块[1019]提供装置的有效认证信息。热点验证帐户并随后向装置提供网络接入。上载管理器随后启动上载服务器认证过程[1020]以连接到中心网络服务器[1025]并提供有效认证信息。一旦得到认证，启动上载和数据验证模块[1021]。这个模块从扫描数据存储器[1011]检索扫描数据并使用FTP把该数据上载到中心网络服务器。中心网络服务器启动把所有数据存储到中心接入点数据库的过程。在完成上载之后，上载过程把扫描数据从扫描数据存储器[1011]移至装置上的备份数据存储器[1012]。一旦完成并验证了上载，新版本模块[1022]检查中心网络服务器以确定是否存在装置可用的客户机软件的新版本。如果存在新版本，则下载该软件并且新版本安装[1023]过程开始升级客户机软件。一旦安装过程完成，与中心网络服务器的连接终止，与热点的连接终止，并且装置返回至正常扫描操作。

扫描客户机704中包括一组帮助管理装置并减小系统误差的设施。无线电管理器[1013]监视GPS无线电装置和Wi-Fi无线电装置的操作以确保它们正确地工作。如果无线电管理器遇到无线电装置之一出现问题，则它将重启该无线电装置。用户接口控制器[1014]为用户提供工具和更新，因此他们能够有效地操作该装置。误差处理和记录[1015]把所有的系统问题记录到装置并提醒用户，以便用户能够解决问题。当不能解决问题时，调用系统重启模块[1016]。这个模块关闭装置并重启硬件、操作系统和扫描客户机以确保正确操作。

选择1/10秒的802.11扫描间隔，因为它在使用现成的硬件的这些条件下为802.11提供了最佳的扫描周期。802.11b/g/n使用未许可频谱的14个信道进行工作。个体接入点在任何给定时间经这些信道之一广播它的信号信标。扫描装置需要勘察每个信道以便观测尽可能多的接入点。扫描间隔与扫描车辆的平均速度相关，以对扫描客户机如何覆盖特定区域的频率不动产进行优化。

中心网络服务器

参照图8，车队在沿他们的预先设计的路线行驶的同时执行他们的扫描例程。周期性地，每个车辆[801]将连接到可用的802.11接入点并使用中心网络服务器的数据通信模块[807]进行认证。通常，用于与中心网络服务器通信的接入点是公共热点，比如确保可靠和计量的接入的由T-mobile运营的那些公共热点。可以经由任何可用的公共接入点提供这种连接。扫描车辆停在附近的热点位置，并开始连接到接入点的过程。一旦经过认证，扫描客户机[704]从本地存储器[703]识别所有最近收集的扫描数据，并把该数据上载到中心网络数据库[802]。

一旦数据已被上载到该数据库，解析器和滤波器过程[803]开始。解析器和滤波器过程读取所有的上载扫描数据并把它载入到数据库的适当表中。在这项动作期间，针对质量问题而对数据进行评估。在一些情况下，GPS接收器可能记录不正确或错误记录达到某时长，这会负面影响最终的接入点位置计算。解析器和滤波器过程识别这些不良记录，校正它们或从系统去除它们。滤波过程使用群集技术以清除易错GPS读数。例如，如果90％的读数在彼此的200米内而剩余的10％的读数相距5公里，则由滤波器去除那些外围读数并把它们存储在数据库的出错表中以用于进一步的分析。特别地，系统首先使用所有报告的数据为接入点计算加权质心。它随后基于报告的位置的分布确定标准偏差。系统使用基于这个分布的西格马(sigma)的可定义阈值来滤除错误的接入点。一旦对这些错误记录被标记，利用其余的位置记录重新计算质心以使用以下描述的反三角测量方法确定最终质心。

需要注意的是，错误记录可能是已移动的接入点的结果。在这种情况下，接入点的质心将会基于多数的记录快速“移动”到新位置。对算法另外的增强将包括基于记录的年龄的加权值，从而新记录代表给定接入点的当前位置的更重要指示。

一旦解析过程已完成，中心网络系统启动反三角测量模型[804]开始处理新数据。在这个过程期间：1)把新的接入点加入到数据库并计算它们的物理位置，2)基于由扫描器记录的任何新数据重新定位已有的接入点。反三角测量算法以记录的数量和它们的关联信号强度为因素以利用准加权平均模型对较强的信号给予比较弱的信号更大的权重。

在数据采集期间，WPS用户装备有Wi-Fi接收器装置，Wi-Fi接收器装置从所有可用的Wi-Fi接入点测量接收信号强度(RSS)，并随后提取相应接入点的位置信息。接入点i的测量RSS值被表示为RSS_i。

如果接入点i的相应记录的GPS位置表示为{Lat_i，Long_i}并且计算的接入点位置表示为{Lat_i，Long_i}，则通过应用如下算法找到三角测量的位置：

{Lat}_{u} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} \sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}} {Lat}_{i}}{Σ_{i = 1}^{n} \sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}}}

{Long}_{u} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} \sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}} {Long}_{i}}{Σ_{i = 1}^{n} \sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}}}

选择功率的四次方根以便于算法的实现，因为四次方根等同于求两次平方根。

第二点涉及调整系数的动态范围。如果关注系数的动态范围，则可将该算法的系数除以常数，例如

{Lat}_{u} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} \frac{\sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}}}{C} {Lat}_{i}}{Σ_{i = 1}^{n} \frac{\sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}}}{C}}

{Long}_{u} = \frac{Σ_{i = 1}^{n} \frac{\sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}}}{C} {Long}_{i}}{Σ_{i = 1}^{n} \frac{\sqrt[4]{10^{{RSS}_{i} / 10}}}{C}}

理论上，参数C可以是任何数并且它不影响结果。由于加权平均基于系数的比率而非绝对值，所以理论上将所有系数除以常数值C不影响结果，但它改变系数值的动态范围。

这个最终的{Lat_i，Long_i}随后被用作该接入点的位置的最后质心值。维度和经度随后存储在数据库中，包括指示三角测量计算的新鲜度的时间戳。

在已更新中心网络数据库并且已重新定位每个接入点之后，数据包创建器[805]基于国家或世界的区域创建数据库的子集。包创建器便于针对仅对某些区域地理感兴趣的各种用例分配数据库。包创建器以代表国家、时区和城市区域的区域坐标来构造。使用该技术，用户能够仅下载美国西海岸的位置数据。包创建器分割数据记录并随后对它们进行压缩。

车队管理模块[806]帮助工作人员管理扫描车辆并确保它们遵守路由过程。这个模块处理所有的扫描数据并建立对系统中每个车辆的位置跟踪。操作管理者能够使用地图创建器[808]创建车辆跟踪的地图以可视地检查对特定区域的覆盖。利用路线映射软件检查来自每个装置的GPS跟踪数据以验证覆盖的完整和识别遗漏的区域。这种审查和验证均匀覆盖的能力确保了系统得到可能最好的数据。该模块还计算车辆的行驶时间以确定平均速度并减去任何空闲时间。这些输出用于监视整体系统的效率和规划未来的覆盖。

相关方法和技术

这里公开的技术能够与在以下讨论的相关申请中描述的方法、系统和装置一起使用，通过引用将它们全部包含于此。如上所述，本发明的实施例基于在客户机装置的范围内检测到的接入点的数量选择位置估计技术。这种技术能够包括于2006年5月8日提交的标题为“Estimation of Position Using WLAN A ccess Point Radio Propagation Characteristics In a WLAN Positioning System”的美国专利申请No.11/430,222和于2006年7月6日提交的标题为“System and Method of Gathering WLAN Packet Samples to Improve Position Estimates Of WLAN Positioning Device”的美国专利申请No.11/774,392中阐述的那些技术。例如，这些申请描述了根据客户机装置的相对于特定Wi-Fi接入点的位置为给定Wi-Fi接入点确定预期的接收信号强度读数的方法和系统。另外，这些申请公开了通过评估来自单个接入点的多个包传输来改进客户机装置的位置估计的技术。

尽管这里描述的本发明的实施例表现为对于估计用户装置的位置是有用的，但这些实施例也能够结合以下文献中公开的技术一起使用：于2006年5月8日提交的标题为“Estimation of Speed and Direction of Travel In A WLAN Positioning System”的美国专利申请No.11/430,079、于2007年4月5日提交的标题为“Time Difference of Arrival Based Estimation of Speed in a WLAN Positioning System”的美国专利申请No.11/696,832和于2007年4月5日提交的标题为“Time Difference of Arrival Based Estimation of Direction of Travel in a WLAN Positioning System”的美国专利申请No.11/696,833。这些申请描述了确定用户装置的速度和行进方向的方法。如以下更详细地讨论的，本申请中阐述的技术描述了把Wi-Fi接入点信息的集合细分成供客户机装置使用的子集的方法。以上包含的申请中的确定客户机装置的速度和/或行进方向的方法和系统能够用于确定应该优先把Wi-Fi接入点信息的哪些子集提供给客户机装置。例如，基于装置的当前速度和行进方向，关于客户机装置很可能到达的区域中的Wi-Fi接入点的信息能够在客户机装置到达该特定区域之前被提供给客户机装置。

另外，数据库中的接入点可以移动，或者客户机装置可能在感兴趣的区域中检测到新的接入点。根据于2006年2月22日提交的标题为“Continuous Data Optimization of Existing Access Points In Positioning Systems”的美国专利申请No.11/359,154中公开的技术，可以校正或更新与这种接入点关联的信息，或者可以出于位置估计的目的而忽略该接入点信息。如以下更详细地讨论的，本发明的各方面包括：指定何时关于特定接入点的信息已被改变或更新。因此，以上申请中描述的技术也能够结合这些方面一起使用。类似地，于2007年2月23日提交的标题为“Methods and Systems For Estimating a User Position In a WLAN Position System Based On User Assigned Access Point Locations”的美国专利申请No.11/678,301中描述的实施例也能够结合这里讨论的技术一起使用来估计客户机装置的位置。

于2006年5月8日提交的标题为“Calculation of Quality of WLAN Access Point Characterization for Use In a WLAN Positioning System”的美国专利申请No.11/430,224和于2007年1月22日提交的标题为“System and Method for Estimating Positioning Error within a WLAN Based Positioning System”的美国专利申请No.11/625,450公开了用于评估关于给定接入点的信息的质量和用于确定与给定位置估计关联的定位误差的技术。这些技术能够与本发明的实施例一起使用。例如，某些Wi-Fi接入点信息可以不被提供给客户机装置，因为该信息也被确定为具有低质量，因此当用于位置估计时具有低可靠性。同样地，与给定位置估计关联的误差可以是确定向客户机装置提供接入点信息的哪个子集时的因素。

可以按照于2006年3月1日提交的标题为“Encoding and Compressing a WiFi Access Point Database”的美国专利申请No.11/365,540中所阐述的那样，对关于Wi-Fi接入点的信息进行编码和压缩。

Wi-Fi接入点数据的高效管理和分配

本发明的优选实施例还提供一种在Wi-Fi定位系统的各种组件之间高效地管理和分配Wi-Fi位置数据的系统和方法。在这种实施例中，客户机存储它用来为自身定位的Wi-Fi接入点数据的高速缓存。如上所述，当接入点自身被激活、移动和退出时，Wi-Fi接入点数据不断变化。客户机装置必须以高效的方式知道这些变化，以确保WPS以高水平的精确度工作。

图12描述了用于本发明某些实施例的常见情形。利用移动装置[1203]的移动用户[1202]需要与该装置的(即，该用户的)当前地理位置相关的信息。客户机装置通常是由移动用户操作的移动计算装置(例如，移动电话)。客户机装置装备有WPS客户机软件[1204]。WPS客户机软件能够独立工作或者通过与WPS服务器[1208]通信而工作。

WPS客户机也能够通过从服务器接收与代表用于有限地理区域的Wi-Fi数据的一组“片”对应的Wi-Fi接入点数据，而半独立地工作。这个数据随后在客户机装置的本地存储在片存储器[1206]中，WPS客户机可随后使用该数据独立估计它的位置。

客户机也可以预安装与指定地理区域对应的Wi-Fi数据。客户机可以随后使用数据库更新这个预安装的数据，确保它的位置估计基于最新的数据。

WPS片和TileID

网络服务器[1208]和移动装置[1203]之间的接入点信息传送的基本单位是无线定位片(WPS片)。WPS片(或简称为“片”)是Wi-Fi接入点位置数据库的在地理有界限的子集，指的是参照维度和经度坐标定义的有界限的地理区域内的Wi-Fi接入点的集合。

尽管接入点数据库可以包括海拔信息以使得可以按三个维度定位客户机装置，但该分片系统仅使用经度和纬度的维度来划分数据库。由于所有的Wi-Fi接入点相对接近于地面，所以分片系统不必考虑海拔维度，但海拔信息仍可以用于估计客户机装置的位置。

片具有创建、识别和维护所需的几种性质。这些性质包括：

稳定性-片的标识符随着时间过去而保持相同；

可分性-根据存储空间和密度要求的需要，片能够被细分或重组；

可组合性-能够使用可再现的标识符将片组合成它们的父片。子片能够容易地识别它们的父片，反之亦然；

通用性-片必须能够代表WPS系统的覆盖范围内的所有地理纬度和经度坐标。

基于用于基于客户机装置的能力和需要以及给定地理区域中的Wi-Fi接入点的密度来动态地细分数据库的方法(在以下描述的)，产生WPS片。在中心服务器上产生WPS片，并把WPS片分配给客户机装置。

尽管在本文中展示了实现满足这组要求的片的特定方法，但是还存在能够用于实现相同目的的很多不同的算法。本方法仅代表满足所希望的稳定性、可分性、可组合性和通用性的特性的本发明的这个方面的很多可能的实施例之一。

片由称为TileID的WPS片标识符指示。使用这里描述的过程形成的TileID不仅对纬度和经度编码，还通过识别相应片的“级别”对相应片的区域的尺寸最小外包矩形(MBR)编码。在这个实施例中，按层级结构安排片，其中，每个片具有规定的“级别”。0级片包含多个1级片；1级片包含多个2级片，等等。这里描述的方法使用数位0-9和A-F按十六进制格式存储和操作TileID。

0级片(最大的WPS片)如图20中所示由纬度/经度的整数度数限定，即，每个片是矩形，该矩形的左侧边和右侧边正好代表经度的一度，其上侧边和下侧边正好代表纬度的一度。存在180度的经度和360度的纬度；因此，全世界存在180＊360＝64800个0级TileID。0级TileID从左到右(从西到东)并且从下到上(从南到北)进行编号。按照TileID排序的第一个0级片位于纬度-90和经度-180[2001]。最后一个0级片位于纬度89和经度179[2004]。在给定了纬度和经度的情况下计算0级TileID的公式是：

Tile ID(lat，lon)＝360＊floor(90+lat)+floor(180+lon)

如上所述以及如图20中所示，N级片能够被细分成多个N+1级的子片。这里描述的特定实现方式把N级片分成16(4×4)个N+1级子片[2006]。使用十六进制数位0-9和A-F将子片从左到右(从西到东)以及从下到上(从南到北)编号。通过仅向Sub-tileID中加上适当的十六进制数位对子片的子子片进行编号。例如，TileID BA0C.76D指的是TileID为BA0C.76的片的16个子片之一。因此，在TileID中的“.”之后出现的数位的数目等于相应片的级别。

把每个片细分成16个子片具有几个优点。首先，它提供了片的自动分解，允许把世界快速细分成多个片并且每个片具有所希望的平均数量的接入点。如果在激活更多的接入点之后每片的接入点的密度超过最大希望密度，则能够使用更高级别的片(即，更小的片)。如果足够的接入点退出而使得接入点的数量低于最小希望密度，则可以使用更低级别的片(即，更大的片)。这种逐渐的分解基于在全世界找到的接入点的密度的变化提供接入点数据集的合适分配。

其次，使用每片的16个子片提供了为计算机操作进行了优化的编码。16个子片中的每个子片能够以针对4位的二进制编码而优化的单个十六进制数位(0-F)进行编码。这种编码在存储和处理WPSTileID方面都提供了最佳效率。另外，该编码使得N级的片的TileID比N+1级的片少一个十六进制数位。因此，基于相应TileID中的数位的数目可以容易地识别片的级别。

所描述的TileID系统的另一个可取的性质是：当第一个TileID是第二个TileID的前缀时，第一个片包含第二个片。例如，由TileID BA0C.76标识的片包含以相同的前缀开始的所有16个子片：BA0C.760、BA0C.761、......、BA0C.76F。

每个片还与反映每次更新片数据时的片的特性的版本信息关联。这个信息可以包括：(i)更新片数据的时间(即，片时间戳)，这能够用于快速确定客户机是否在它的片存储器中具有最新的片数据；(ii)指示片内的环境变化的频率的度量，例如，新的Wi-Fi接入点进入该片、离开该片或者在该片内移动的速率，这能够被客户机用于独立地估计片数据老化的速率；(iii)简洁地指示片内的接入点的集合的标识符，例如，Bloom滤波器或其它设置的编码、或者Wi-Fi接入点的MAC地址和位置的单向散列函数(诸如，MD5、SHA-1)，这能够用于确定更新客户机的高速缓存的最佳方法，即是以增量的方式更新片数据(见下文)还是用服务器发送的新片完全替换片数据。

版本信息用于确保当估计客户机的位置时客户机不使用过期的高速缓存的信息以及方便片数据传送过程。对于片存储器中的给定片，客户机可以请求服务器发送片的版本信息。由服务器返回的版本信息结合客户机上的版本信息一起指示是否必须把新的片数据载入到客户机中以及执行更新时使用的最佳方法。在一个实施例中，如果时间戳信息指示数据库服务器上的片数据比客户机的片存储器中的片数据新，则客户机可以通过从数据库服务器下载该更新的版本来更新它的高速缓存。这个过程可以由WPS客户机软件定期地触发，或者根据满足位置请求的需要而触发。

虽然可以一般地比较TileID以确定哪些片由其它片所包含，但也可能需要确定与数据库服务器内包含的给定片相邻的片的集合。假设相邻的片可能具有未知的和无限制的级别，则在片数据库(服务器数据库或客户机的片存储器)的一些优选实施例中，没有进行这种确定的一般方法。一些方法包括：(i)搜索大致在片的附近的接入点，并检索相应的TileID；(ii)搜索更高级别的片，并以增量的方式把搜索扩展至更高级别的片；(iii)使用具有空间索引能力的数据库。

系统说明

图13更详细地示出WPS客户机软件[1303]的一个实施例的各种组件。位置请求管理器(LRM)[1304]从客户机装置上运行的应用接收位置请求。LRM管理解决该请求所需的任务，包括使用扫描器模块[1305]启动扫描、控制数据通信管理器(DCM)[1306]和使用位置估计模块(LEM)[1308]启动位置估计。LRM还负责使用片管理器[1307]协调高速缓存的Wi-Fi接入点数据的存储。

802.11扫描器模块驻留在客户机装置上并管理采集关于客户机装置工作的无线电环境的信息的过程。扫描器通过指示802.11网络适配器扫描装置的范围内的所有接入点来开始这个过程。范围内的接入点通过根据802.11协议提供称为MAC地址的唯一标识符，响应该扫描。另选地，扫描器也能够在被动模式下工作，依赖于由范围内的接入点传送的默认广播信号。扫描器记录由每个接入点提供的标识符以及接收的信号的强度。扫描器随后把这个信息传递给LEM，LEM把每个观测到的接入点的MAC地址与片存储器[209]中存储的接入点的MAC地址进行比较。片存储器把已知的每个观测到的接入点的位置数据返回给系统，该位置数据随后被位置估计模块(LEM)[208]用来估计移动装置的位置。

LEM负责基于片存储器中包含的Wi-Fi接入点信息估计客户机装置的位置。必要的输入包括通过Wi-Fi接入点的MAC地址识别的Wi-Fi接入点的集合和它们各自的接收信号强度信息。另外的输入可以包括客户机装置的先前位置、方向、速度和其它可以获得的相关数据。使用这个数据，LEM可以使用较早给出的以及在本文中通过引用所包含的位置算法(见前文的“相关方法和技术”)的任何组合来估计客户机装置的位置。

当没有解析出客户机装置的位置所需的足够的局部信息时或者当局部信息过期时，由位置请求管理器[1304]启动数据通信管理器(DCM)[1306]。DCM使用数据网络适配器[1310]启动与中心服务器的通信，除了由扫描器模块采集的信息之外还向服务器提供客户机属性(例如，客户机资源约束)。中心服务器将提供初始位置以及与服务器已确定为适合客户机侧位置解析的片对应的TileID的优先集合。DCM继续与中心服务器通信以按照希望的优先级次序取回片。

片管理器[1307]负责组织、增加、去除和访问片存储器[1309]中保存的WPS片。片管理器能够确定本地的WPS片的集合是否不足以解决位置请求并向位置请求管理器通知需要更多的片。片管理器还负责通过去除过期信息以及在不久的将来对于随后的位置请求很可能不需要的数据，来管理客户机装置的资源利用率。片管理器能够基于采集的信息(诸如客户机行进的速度和方向)或者基于由发起位置请求的客户机应用提供的信息，主动预先请求在将来的位置请求中可能需要的片。

本发明的一个实施例提供了一种WPS片的增量分辨率的方法。这个过程提供提供了较低精确度位置估计的接入点位置信息的初始集合，但精确度随着从服务器接收随后的分辨率级别而提高。这个过程能够用于在装置的预计位置附近提供高分辨率，而朝向外端提供较低的分辨率，由此减小了实现初始位置估计所需的网络传输量，并且在总体解决方案的一般性方面的几乎没有损失。增量分辨率能够用在单个片内或者用在一组片之间，例如，以全分辨率取回主要的片而在最初以较低的分辨率取回次要的片。

为了节约客户机装置上的存储器，片管理器也可以从片存储器中去除不再需要的片。许多因素可以用于确定何时不再需要一个片。在一个实施例中，片管理器使用最近最少使用算法去除保持未被使用达最长时段的高速缓存的片。其它高速缓存算法可以用于增强和优化特定应用的存储。另外，频繁使用的片(诸如包含装置所有者的家庭地址的片)可以被“钉(pin)”在高速缓存中，向片管理器指示不应去除它们。客户机装置的速度和方向也可以用于确定何时不再需要一个片。此外，诸如道路的地理特征可以用于预测在不远的将来很可能不需要哪些片。在某些实施例中，记录客户机装置的移动的历史，并且该信息用于确定将来将会需要给定片的可能性。

数据网络适配器(DNA)[1310]提供在客户机装置和中心网络服务器之间发送和接收数据的方法。DNA一般是无线网络适配器，但在某些实施例中可以是有线网络适配器。用于扫描的802.11网络适配器在某些实施例中可以兼作为数据网络适配器。DCM确定合适的通信机制并管理客户机和服务器之间的连接和数据传送。

图14更详细地示出WPS网络服务器[1401]的各种组件。该网络服务器保持主Wi-Fi接入点位置数据库[1406]。它负责服务器侧位置解析以及WPS片创建和分配。该网络服务器是整个WPS系统的中心管理组件，在保持中心无线电信标位置数据库、优化用于分配的数据和利用与802.11接入点相关的新信息刷新数据库的同时，协调各客户机装置的活动。

Wi-Fi位置数据库[1406]驻留在中心服务器上，并包括地理位置信息(例如，纬度和经度)、与每个已知Wi-Fi接入点的位置估计精确度相关的置信因数、代表采集各数据的时间的时间戳、和用于唯一识别每个片的TileID信息(如下文进行更详细地描述以及图20中所示)。

位置请求处理器[1404]接受来自客户机装置的针对位置解析的请求。这个组件将利用解决该位置请求所需的位置和/或WPS片信息进行响应。在位置请求处理器响应对片位置的请求时，片请求处理器[1407]从客户机装置接受对特定WPS片的请求。这个组件将利用所请求的WPS片进行响应(如果存在的话)。如果客户机请求不再有效的片，则服务器将会用包括该WPS片的适当错误信息或者已替换了所请求的WPS片的片进行响应。

WPS片产生器[1408]负责确定WPS系统的覆盖区域内的每个片的正确多边形尺寸。该系统计算接入点的密度并基于地理(纬度和经度)把世界进行细分，针对存储尺寸和Wi-Fi接入点密度对多边形进行优化。

WPS片到客户机的传送由WPS片分配器[1409]处理。在认证请求之后，该分配器对给定的WPS片进行封装以分配给进行请求的WPS客户机。

网络服务器上的数据通信管理器(DCM)[1403]与客户机WPS装置上的DCM进行通信。这两个模块管理认证过程并监视连接以确保经由网络正确地传送数据，并在本地装置上验证并保持该数据。

创建片

图19描述了产生合适的片尺寸和把接入点分派给指定的片的过程。网络服务器定期地确定哪些片需要调整[1901]。这是通过识别已加入到片中或从片中去除的接入点以及已在片内移动的那些接入点来实现的。识别这些接入点中的每个接入点的0级片只是把每个接入点的纬度和经度值舍位并确定获得的0级片的不同集合的问题。为了优化以及能够高效确定这些片，每当在接入点上执行动作(例如，修改AP的位置)时，当前实现方式通过把该接入点的TileID设置为空(null)来修改该接入点的TileID。该同一过程能够用于识别由于接入点的移动或增加而需要现在创建的新片[802]。

对于如上识别的每个TileID，该算法以递归的方式细分每个片，直到每个片已达到所希望的密度(例如，片的地理区域的边界内的接入点的数量)或者直到每个片已达到最大粒度级别(在这里描述的特定实现方式中，4级的片代表实际上采用的最小片)。对于这些最优片中的每个片，把MBR内的接入点分派给相应的TileID。

通常，根据特定实施例优化所希望的每片的接入点的平均密度以使效率和速度最大化。一个优选实施例使用每片8000个接入点的密度限制，这确保了每片大约50KB的编码文件尺寸。如果N级片包含超过8000个接入点，则把整个区域细分成N+1级的片。最小的可行密度是每片1个AP，即简单地忽略不包含接入点的0级片。

一些实施例可以使用另外的因素确定WPS片的尺寸。例如，可以根据客户机装置的移动历史、它的存储容量或可用的网络带宽来选择片尺寸。

交互时间线

图15和图17描述了客户机系统的操作。图16和图18描述了服务器系统的操作。下面的描述参照这些图并描述各种系统组件之间的交互。

首先，移动装置上执行的软件应用从WPS系统请求位置信息[1501]。WPS系统的位置请求执行客户机扫描[1503]，采集能够由客户机装置的802.11网络适配器接收的关于Wi-Fi接入点的信息。WPS客户机软件首先尝试使用先前检索的WPS片解析装置的位置[1505][1506]。如果在本地装置上不存在该信息，则WPS客户机软件继续。WPS客户机软件将经由数据通信管理器和数据网络适配器向WPS中心服务器请求检索它的当前位置和关于随后的位置请求所需的WPS片的信息[1511][1512]。

中心服务器在数据通信管理器中接收片位置请求，并把该请求传递给位置请求处理器，该处理器：(i)使用客户机软件发送的接入点的列表确定客户机的位置[1603]；(ii)确定解决这个和将来的位置请求所需的WPS片[1607]；以及(iii)通过位置请求处理器和数据通信管理器利用当前位置和WPS片的列表以及每个WPS片的最近更新的时间戳进行响应。基于客户机在不远的将来需要这个片以独立定位其自身的可能性，对这个列表中的每个片分派一个优先级估计值。

更具体地讲，对包含WPS客户机装置的估计位置的片分派最高优先级，然后，基于客户机装置将来处于该片中或该片附近的概率，对周围的片分派优先级。通过根据上面提供的TileID方案修改中心片的TileID来找到周围的片。

此外，发送给客户机的推荐TileID的列表可以不仅仅包括客户机装置所处的片和紧邻的周围的片。WPS软件可以利用另外的信息(诸如用户装置的速度和方位)预先请求另外的片信息。另外，WPS软件可以利用诸如道路的地理属性，更精确地预测客户机装置的未来位置。主动预测未来位置的能力增加了客户机装置能够独立工作的时间量，由此减小了网络服务器和通信网络自身的负荷。客户机装置的包括存储容量、电池寿命和网络速度和成本的限制也可以用于确定由服务器推荐的TileID的列表。

列表中的每个TileID与优先级关联，所述优先级可以根据很多因素来确定，所述因素包括客户机装置的位置历史、诸如道路的地理特征、可用的网络带宽以及用户装置的速度和方向。例如，如果客户机行进在一条在行到片Y之前不允许客户机行进到片X的道路上，则可以对片Y分派一与片X相比更高的优先级。

客户机WPS软件检查由服务器提供的TileID的列表以确定需要哪个相应的片。该确定也可以利用诸如客户机的速度和方位、道路和其它地理属性以及客户机装置自身的物理限制的信息。

当客户机选择了一组TileID时，它针对这些片中的每个片格式化一请求[1709]并发送到WPS服务器。WPS中心服务器认证每个WPS片请求[1801]并在必要的情况下产生所请求的WPS片[1805]。认证的过程确保未授权的客户机装置不能从中心服务器下载片。例如，片获取系统的一个实施例在HTTP协议工作，并且标准HTTP认证方案可以用于确保所有客户机请求是由正确授权的客户机发送的。

所请求的WPS片随后被封装[1804]并返回给WPS客户机。客户机装置上的WPS片管理器确保新的WPS片将适配于可用资源(例如，存储器或数据存储器)并根据需要去除老的或非必需的WPS片。

示例预期使用

下面示出本发明某些实施例的示例预计使用。在这个示例情形中，装备有WPS软件的移动装置的用户住在城市的郊区但在市区工作。早上，用户(经由诸如导航软件的用户应用)询问装置以确定当前位置。这个动作触发了WPS软件从而激活。

在这个情形中，用户应用从WPS位置提供器请求位置。WPS位置请求管理器向客户机装置位置估计模块发出请求。如果LEM不能独立地提供位置，则位置请求管理器转而控制数据通信管理器以根据需要从中心服务器请求并检索位置和WPS片。Wi-Fi扫描的结果被传递给服务器，并且服务器利用根据以上列出的因素划分了优先级的推荐TileID的列表进行响应。客户机随后发送对所希望的每个TileID的片请求，并且当从服务器接收到足够数量的片时，位置请求管理器再一次从位置估计模块请求位置。此时，在本地装置上存在必要的信息，并由此确定客户机装置的位置。

当此人行进到城市里时，该装置将朝着客户机装置上存储的WPS片的边界移动。WPS客户机软件能够从高速缓存的片的TileID计算高速缓存的区域的边界。当估计的客户机装置的位置在高速缓存的边界的阈值距离内时，片管理器将会向位置请求管理器通知需要另外的片。这启动了客户机数据通信模块和中心服务器之间的另外一系列通信以检索另外的片。基于此人的移动和客户机装置的约束(诸如，存储器和网络容量)，根据需要重复这个过程。

用于触发对另外的片的预取的阈值距离可以取决于各种因素，例如，包括相关片的尺寸、客户机装置的存储容量和估计的用户装置的速度。例如，如果客户机装置正在快速朝着边界移动，则尽早请求另外的片是符合逻辑的，以确保用户不会在下载必要的片之前跨过边界。当客户机装置静止时，对另外的片的需要就不太紧迫，并且阈值距离可以相应地更低。

客户机装置也可以主动请求可能不会立刻使用的片。这种预取的动作可以取决于很多因素，诸如当前片的尺寸、客户机装置的存储容量、估计的用户装置的速度和连接到服务器的网络的带宽。例如，当存在高性能网络时，可以预取大量的片，以当该装置必须通过更加受限的网络连接到服务器时减小成本并提高执行速度。另外的因素也可以用于预取，包括比如道路的地理特征、客户机装置的移动的历史、用户应用的要求的精确度和物理限制，诸如桥梁和运输模式。

应该理解，本发明的范围不限于上述实施例，而是由权利要求限定；这些权利要求将包括对已描述的内容的修改和改进。

Claims

1.一种在包括Wi-Fi接入点信息的数据库的Wi-Fi定位系统中的方法，所述数据库被记录在计算机可读介质中并包含关于大的目标区域内的Wi-Fi接入点的信息，所述方法从所述数据库中动态选择由装备有Wi-Fi通信逻辑的至少一个移动客户机装置用来估计其全球位置的Wi-Fi接入点信息的子集并把该子集提供给所述客户机装置，其中所述子集被调整为包括所述客户机装置附近的有限区域中的Wi-Fi接入点，所述方法包括：

a)所述移动客户机装置检测当前位于客户机装置的范围内的Wi-Fi接入点；

b)获得检测到的Wi-Fi接入点的Wi-Fi接入点信息；

c)使用获得的信息估计所述移动客户机装置的位置；

d)选择包含所述移动客户机装置的估计的位置附近的至少一个相关地理区域的集合；

e)向所述移动客户机装置提供来自所述数据库的关于位于所选择的地理区域内的Wi-Fi接入点的信息，从而所述移动客户机装置可以随后使用所提供的信息来估计它的位置。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：根据预先安排的方案把所述目标区域划分成一组固定的地理分区，并从所述一组固定的分区中选择所述相关地理区域。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述预先安排的划分方案把所述目标区域分成一组在几何学上相似的多边形片。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述多边形片形成层级结构，在该层级结构中较小的片嵌套在较大的片内。

5.如权利要求3所述的方法，还包括：选择在单个多边形片内可包含的Wi-Fi接入点的最大数量，并选择所述多边形片的尺寸以使得没有片包含超过所述最大数量的Wi-Fi接入点。

6.如权利要求3所述的方法，还包括：对于每个所述多边形片，存储与该片内的Wi-Fi接入点对应的数据库记录的最近更新的时间，并使用该信息确定存储在所述客户机装置上的Wi-Fi接入点数据是否是最新的。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：估计所述客户机装置的速度和方向，并使用所述估计来选择所述相关地理区域的集合。

8.如权利要求1所述的方法，还包括：预测所述客户机装置行进的路线，并使用这个预测的路线选择所述相关地理区域的集合。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述客户机装置已分配有限的存储器量用于存储Wi-Fi接入点数据，并且根据由所述客户机装置已分配的存储器量来选择所述相关地理区域的集合。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述客户机装置和接入点数据库之间的信息传送不可以超过某一最大速度，并且根据所述客户机装置和该数据库之间的通信的该最大速度来选择所述相关地理区域的集合。

11.如权利要求1所述的方法，其中，由所述移动客户机装置执行所述移动客户机装置的位置的估计。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述移动客户机装置具有关于位于指定地理区域内的Wi-Fi接入点的初始集合的信息。