一種基于WLAN 的RSSI 值獲取方法

王殿君

(北京石油化工學院機械工程學院，北京102617)

無線局域網絡 (Wireless Local-Area Network，WLAN)技術是20 世紀末發展起來的一種高速無線IP 網絡通信技術，技術標準號IEEE 802. 11［1］。隨著IEEE 802.11 無線局域網絡的普及，使用無線網絡定位成為一個新的研究熱點問題。如何在無線網絡中提取無線路由器的RSSI 值，成為利用RSSI 值定位的技術難題。

基于802.11b/g 協議的WLAN 廣泛分布在校園、辦公大樓等場所，PDA、筆記本等移動設備中也都內置了無線網卡，因此利用RSSI 值來定位成為室內定位技術的研究熱點。國內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開發的Ekahau［2］，在使用IEEE802.11b 無線LAN 環境下，開發了一種運用接收信號強度進行位置檢測的系統。通過事先記錄在數據庫中某些特定位置所收到的RSSI，在系統實際使用時，利用當時所收到的信號強度，輔以統計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 的室內定位技術，建立了一套基于WLAN 的定位系統，配置的有位置測定模型的無線設備通過無線局域網絡信號采集位置信息［3－5］。作者首先簡要介紹了無線定位技術，分析了信號傳播模型，研究了無線信號獲取過程方法，并進行了實驗驗證。

1 無線定位技術

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方面:

(1)基于電波入射角(Angle of Arrival，AOA)

通過基站接收機天線陣列測出移動臺發射電波的入射角，采用一定的算法確定由角度所決定的方位線的交點，即為被測移動結點的位置。該方法適合于視距(Line of Sight)傳播的情況，設備復雜度較高。

(2)基于電波傳播時間TOA (Time of Arrival)

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

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

通過檢測信號到達兩個基站的時間差，而不是到達的絕對時間來確定移動結點的位置，降低了時間同步要求，根據信號到達時間差，移動結點位于以兩個基站為焦點的雙曲線上，要確定移動結點的位置至少需要3 個基站，建立2 個雙曲線方程，2 個雙曲線的交點即為移動結點的二維位置坐標。

(4)基于RSSI 值

已知發射功率，在接收節點測量接收功率，根據計算傳播損耗模型公式轉化為距離。研究表明，無線信號傳播存在以下規律:接收方測得的信號強度越強，發送方距離接收方往往越近;接收到的信號強度越弱，發送方距離接收方往往越遠。對于收到接收方的強度，目前在各種標準的無線網絡中都可獲得，而且接收方強弱的變化是比較可預期的，測量精確度相對較高。因此，因傳感器節點本身具有無線通信能力，故其是一種低功率、廉價的測距技術，利用測試到的不同位置點所收到的信號強弱，可以算出移動臺到無線路由器的距離，進一步實現定位的功能。

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，信號強度與移動節點(接收機)和AP (發射機)之間的距離有關。針對室內環境下，信號傳播容易受到反射、衍射和建筑物的內部結構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)為給定的移動節點接收到的功率，它與給定AP 的距離為r，r0為相對發射機的參考距離;P(r0)為參考點處的信號功率;α 表示路徑損耗隨著距離r 的增加而增加的速率;L 為發射機和接收機之間的隔墻數;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 無線局域網存在主動探測和被動探測兩種獲取RSSI 的方式。在被動探測模式下，由移動結點測量Probe Response 幀的信號強度;主動探測模式下，由AP 測量Probe Request 幀的信號強度，AP的發射功率通常比移動結點高，信號衰減比移動結點穩定，因此采用第一種測量RSSI 的方式。需要測量時，由測量系統強制無線網卡在所有可用信道上廣播發送probe request 幀，測量AP 響應幀的信號強度，并將測量結果提交測量系統。

3.2 網絡驅動程序接口NDIS (Network Driver Interface Specification)

NDIS 是Microsoft 和3Com 公司開發的驅動程序，NDIS 的設計目的是通過將不同的協議從網絡接口卡上拆除，使得用戶可以訪問不同的協議。在設計過程中，協議并不需要了解關于網絡卡的任何信息。

NDIS 程序庫(NDIS. sys)提供了一個抽象的接口，為編寫符合NDIS 規范的驅動程序提供了編程環境。在這個環境中，各驅動程序之間的通信全部由NDIS 提供的統一的例程和調用來實現。網卡對驅動程序、協議層驅動程序及操作系統通過這個接口進行通信，它負責上下層驅動程序之間、服務原語和實際驅動入口之間的轉換。

圖1 NDIS 驅動程序層次

NDIS 網絡驅動程序的結構如圖1 所示，NDIS 是網卡與網卡驅動程序以及與上層驅動程序之間的通信接口，它為不同的驅動程序提供了不同的接口函數，從而實現了網卡驅動程序與應用程序之間的通信。

NDIS 支 持3 種 類型的網絡驅動程序。網卡驅動程序(NIC Drivers)是網卡與上層驅動程序通信的接口，它主要完成以下任務:初始化網卡、停止網卡、發送和接收數據包以及設置網卡的各種參數。中間驅動程序 (Intermediate Protocol Drivers)位于網卡驅動程序和協議驅動程序之間，對于上層傳輸驅動程序來說，中間驅動類似微端口驅動。協議驅動程序(Upper Level Protocol Drivers)執行具體的網絡協議，如TCP/IP 協議、IPX/SPX 協議、NetBEUI 協議等。協議驅動程序為應用層客戶程序提供服務。接收來自網卡或中間驅動程序的信息［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 值的主要函數為:

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

(2)wif_adapterget()連接網絡適配器;

(3)wif_adapterlist()提取適配器的信息;

(4)wif_networkconnect()連接網絡，顯示無線網絡是否連上;

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

無線網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行移動機器人定位時，最大的技術問題是不能同時獲取到多個無線路由器的信息，其主要原因在于無線網卡接收到無線路由器的所有信息時，內存分配不當。當接收到第1 個無線路由器發出的信息時，先存放在預先分配好的內存里，因此可以獲得正確的無線路由器信息;當接收到第2 個無線路由器的信息時，沒有分配給相應的內存，系統隨機分配內存地址，因此獲得的信息為系統隨機給定值。由此可知，當接收到3 個或3 個以上的無線路由器信息時，除了第1 個接收到的無線路由器的信息正確外，其他信息都是系統隨機給定。

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存地址進行合理調整。當接收到第2 個無線路由器的信息，通過偏移第1 個無線路由器信息所占的位數，即第1 個無線路由器信息內存地址的下一個位作為第2 個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。

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

圖4 2 個無線路由器的完整信息

4 結論

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

(2)所構建的RSSI 值自動獲取系統為基于WLAN 概率法的導航機器人在結構化環境下的自主定位提供了依據。

【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 測距的室內三維定位算法［J］.自動化技術與應用，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］. 計算機工程與設計，2011，32(2):409 －412.

【6】王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網絡中的自身定位系統和算法［J］.軟件學報，2005，16(5):857 －868.

【7】王湘渝，江文，唐俊.一種基于NDIS 驅動程序實現隱蔽通道的方法［J］. 計算機應用與軟件，2011，28(6):229－301.