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      基于運營商網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用研究

      2018-12-20 03:00:34張欣旺王東
      互聯(lián)網(wǎng)天地 2018年9期
      關(guān)鍵詞:室分位置服務(wù)信標(biāo)

      □ 文 張欣旺 王東

      1. 引言

      位置服務(wù)(LBS,Location Based Services)是一種通過定位系統(tǒng)獲取終端位置信息,為用戶提供與位置相關(guān)信息的服務(wù)。近年來,基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS,Global Navigation Satellite System)的室外位置服務(wù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活中,方便了人民的日常生活,創(chuàng)造了巨大的商業(yè)價值。然而,由于建筑物遮擋了衛(wèi)星定位信號,室內(nèi)位置服務(wù)依然沒有得到普及應(yīng)用。

      隨著室內(nèi)定位技術(shù)的不斷發(fā)展,室內(nèi)位置服務(wù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于公共安全、人員防丟、商業(yè)娛樂、無人設(shè)備、智慧物流和特殊人群關(guān)愛等領(lǐng)域,如圖1所示[1]。其中,公共安全領(lǐng)域,室內(nèi)位置服務(wù)可為受困人員疏散和救援人員調(diào)度提供路線引導(dǎo);人員防丟領(lǐng)域,室內(nèi)位置服務(wù)可對兒童位置進行定位及監(jiān)控,減小犯罪行為的發(fā)生;商業(yè)娛樂領(lǐng)域,室內(nèi)位置服務(wù)可為手機用戶提供目標(biāo)店鋪導(dǎo)航,支持基于位置服務(wù)的虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實游戲;無人設(shè)備領(lǐng)域,室內(nèi)位置服務(wù)將為其提供室內(nèi)導(dǎo)航能力,實現(xiàn)無人車輛室內(nèi)停車場自動泊車;智慧物流領(lǐng)域,室內(nèi)位置服務(wù)實現(xiàn)危險品位置監(jiān)管,提升貨物管理效率;特殊人群關(guān)愛領(lǐng)域,室內(nèi)位置服務(wù)使得老年人無人監(jiān)護管理成本大幅降低。

      據(jù)預(yù)測表明,2020年室內(nèi)位置服務(wù)市場規(guī)模將超2萬億。目前室內(nèi)位置服務(wù)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的市場需求,未來隨著市場的完善與室內(nèi)定位技術(shù)的普及,位置服務(wù)市場必將實現(xiàn)高速增長。運營商作為移動通信服務(wù)提供商,天然具備規(guī)模建網(wǎng)能力,不愿錯過室內(nèi)位置服務(wù)的巨大市場。但目前運營商并沒有合適的規(guī)模化室內(nèi)定位建網(wǎng)方案,造成這一現(xiàn)狀的原因既包括技術(shù)因素,又包括市場因素。本論文將針對基于運營商網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用開展研究,提出兩種室內(nèi)定位系統(tǒng)方案,解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,滿足了運營商低成本、高精度的室內(nèi)定位建網(wǎng)要求。同時,本論文還將介紹室內(nèi)定位精度測試結(jié)果,室內(nèi)位置導(dǎo)航和微信搖紅包業(yè)務(wù),并分析運營商在基于室內(nèi)定位應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢。

      2. 室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀分析

      2.1.主流室內(nèi)定位工作原理

      面對室內(nèi)定位服務(wù)的巨大市場,互聯(lián)網(wǎng)公司開始積極布局藍牙和WiFi室內(nèi)定位技術(shù),運營商也開始探索基于通信基站的室內(nèi)定位技術(shù)[2-4]。其中:

      1)通信基站定位:該技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)端測算移動終端發(fā)送的信號,并進行位置計算。其定位過程是由多個通信基站同時檢測移動終端發(fā)射的信號,將各接收信號攜帶與移動終端位置有關(guān)的特征信息送到信息處理中心,計算出移動終端的位置。通信基站定位技術(shù)采用的定位算法包括Cell ID定位、信號場強三角定位、信號場強指紋庫定位和到達時間三角定位。

      2)WiFi定位:該技術(shù)由于WiFi網(wǎng)絡(luò)的普及變得非常流行,室內(nèi)會部署有熱點(AP),每一個無線AP都有一個全球唯一的MAC地址。WiFi終端可以程序控制掃描并收集周圍的AP信號,獲取到AP廣播出來的MAC地址和信號強度。MAC地址可以決定歸屬于哪個AP范圍內(nèi),信號強度可以推算出終端和AP的距離。WIFI終端將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到位置服務(wù)器,服務(wù)器就可以計算出設(shè)備的室內(nèi)位置并返回到用戶設(shè)備。WiFi定位技術(shù)采用的定位算法包括Cell ID定位、信號場強三角定位、信號場強指紋庫定位。

      圖1 室內(nèi)定位服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域[1]

      3)藍牙定位:該技術(shù)目前部署得比較多,也是相對比較成熟的技術(shù)。藍牙跟WiFi的區(qū)別不是太大。2013年,蘋果發(fā)布了基于藍牙4.0低功耗協(xié)議(BLE)的iBeacon協(xié)議,主要針對零售業(yè)應(yīng)用,引起廣泛關(guān)注。iBeacon藍牙信標(biāo)技術(shù)的正常運作,需要藍牙信標(biāo)硬件、智能終端上的應(yīng)用、云端上的應(yīng)用后臺協(xié)同工作。信標(biāo)通過藍牙向周圍廣播自身的ID,終端上的應(yīng)用在獲得附近信標(biāo)的ID后會采取相應(yīng)行動,如從云端后臺提取此ID對應(yīng)的位置信息、營銷資訊等。終端可以測量其所在處的接收信號強度,以此估算與信標(biāo)間的距離。藍牙定位技術(shù)采用的定位算法包括Cell ID定位、信號場強三角定位、信號場強指紋庫定位。

      2.2.主流室內(nèi)定位算法

      主流室內(nèi)定位算法可以劃分為Cell ID定位算法、信號場強三角定位算法、信號場強指紋庫定位算法和到達時間三角定位算法。其中:

      1)Cell ID定位算法:定位精度較低,為定位基站間距的1/2。根據(jù)下行或上行信號場強,判斷用戶歸屬定位設(shè)備。根據(jù)用戶歸屬定位設(shè)備的室內(nèi)位置,估計用戶室內(nèi)位置。

      圖2 基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)

      2)信號場強三角定位算法:定位精度適中,為定位基站間距的1/3。根據(jù)下行或上行信號場強計算路徑損耗,根據(jù)路徑損耗計算定位設(shè)備和用戶之間的距離(差),根據(jù)三角定位原理計算用戶室內(nèi)位置。

      3)信號場強指紋庫定位算法:定位精度適較高,為定位基站間距的1/4。采集下行或上行信號場強指紋庫,根據(jù)下行或上行測量用戶的信號場強,將測量結(jié)果在指紋庫中匹配,估計用戶室內(nèi)位置。

      4)到達時間三角定位算法:定位精度適較高,為定位基站間距的1/4。幾個定位設(shè)備測量同一個用戶的上行信號時延,根據(jù)時延計算定位設(shè)備和用戶之間的距離(差),根據(jù)三角定位原理計算用戶室內(nèi)位置。

      2.3.主流室內(nèi)定位技術(shù)對比分析

      三種主流室內(nèi)定位技術(shù)的對比分析如表格1所示。

      圖3 基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

      1)定位方式:通信基站定位技術(shù)為被動式,即用戶無需開啟任何應(yīng)用程序,在終端接入通信網(wǎng)絡(luò)時即完成了室內(nèi)定位功能,適合于運營商大數(shù)據(jù)分析。WiFi和藍牙技術(shù)為主動式,即用戶需要開啟WiFi和藍牙,有時還需要打開應(yīng)用程序才能完成室內(nèi)定位功能,適合于個人應(yīng)用,例如室內(nèi)定位導(dǎo)航等。

      2)定位精度:三中主流室內(nèi)定位技術(shù)的定位精度主要由定位算法和定位基站間距決定,即定位算法越復(fù)雜,定位精度越高,定位基站越密集,定位精度越高,而定位算法和定位基站密度也決定了室內(nèi)定位成本。

      3)設(shè)備成本:根據(jù)目前市場報價分析,通信基站成本最高,達到千元級別,WiFi設(shè)備成本為百元級別,藍牙設(shè)備成本為十元級別,在設(shè)備成本方面,藍牙定位技術(shù)具有明顯的設(shè)備成本優(yōu)勢。

      4)維護成本:通信基站已有日常巡檢和維護操作,該定位技術(shù)的維護成本最低,而WiFi和藍牙設(shè)備為獨立設(shè)備,需要安排專人定期進行維護檢修,因此這兩項定位技術(shù)的維護成本最高。

      5)用戶安全性:通信基站和藍牙定位技術(shù)的安全性較高,WiFi技術(shù)的安全性較低。由于商用WiFi技術(shù)門檻低,在公共場所搭建一個虛假WiFi環(huán)境發(fā)射信號誘導(dǎo)用戶連接使用,這在技術(shù)上非常容易做到,為黑客搞定用戶賬戶和密碼創(chuàng)造了巨大風(fēng)險。

      6)微信搖一搖:三種定位技術(shù)中僅有藍牙支持微信搖一搖。微信搖一搖是指當(dāng)用戶走到商家門前時,開啟藍牙并用微信搖一搖周邊,就可以獲取優(yōu)惠券和廣告等信息,目前在O2O領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

      7)終端適配度:通信基站定位技術(shù)僅支持特定運營商終端,具有一定局限性,而WiFi和藍牙定位技術(shù)可以支持全部終端。

      圖4 基于有源室分的定位系統(tǒng)

      3. 基于運營商網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位技術(shù)研究

      通信網(wǎng)具有良好的覆蓋,但由于現(xiàn)有通信網(wǎng)主要面對通信需求,并未針對定位需求進行優(yōu)化,因此通信網(wǎng)在定位領(lǐng)域處于邊緣地位[5]。目前運營商室內(nèi)通信網(wǎng)主要分為兩大類:無源室分,以無源DAS為代表,有源室分,以分布式皮站為代表。其中,無源DAS由RRU信源和無源室分天線組成,由于無源室分天線無法進行獨立區(qū)分,因此無源DAS不具備室內(nèi)定位能力。分布式皮基站平均站間距為30-40米,定位精度大于10米,無法滿足室內(nèi)定位需求,如果要實現(xiàn)5-7米室內(nèi)定位精度,皮基站間距需要縮小至20米,大幅提高了室內(nèi)通信絡(luò)建設(shè)成本。因此,目前運營商暫時沒有可以大規(guī)模應(yīng)用的室內(nèi)定位技術(shù)。

      目前室內(nèi)定位應(yīng)用主要分為兩大類,主動定位應(yīng)用和被動定位應(yīng)用。其中,主動定位應(yīng)用以室內(nèi)定位導(dǎo)航為代表,用戶主動打開應(yīng)用APP調(diào)用定位導(dǎo)航軟件,適合采用藍牙定位技術(shù)。被動定位應(yīng)用以室內(nèi)大數(shù)據(jù)分析為代表,運營商通過收集大量用戶信息進行特征人群畫像分析,適合采用通信基站定位技術(shù)。接下來詳細介紹針對無源室分和有源室分的運營商級室內(nèi)定位系統(tǒng)。

      3.1.基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)

      本論文提出的基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)如圖2所示,包括基帶單元、近端信源、智慧室分天線和獨立放裝式藍牙信標(biāo)。其中,近端信源在實際應(yīng)用時可以采用大功率宏站或中等功率微站實現(xiàn),其內(nèi)部集成藍牙網(wǎng)關(guān)。智慧室分天線為內(nèi)置藍牙信標(biāo)的室分天線,與近端信源通過射頻饋線相連接,基于通直流無源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)供電和管控。獨立放裝式藍牙信標(biāo)用于提高室內(nèi)定位精度而額外增補,與智慧室分天線內(nèi)置的藍牙信標(biāo)相互通信實現(xiàn)管控能力。

      基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖3所示,近端信源具有兩個射頻輸出端口,每個外接一個四公分器,其輸出射頻端口再外接一個四公分器,最后接到四副智慧室分天線?;谒{牙定位技術(shù),該方案可提供的定位精度由智慧室分天線和獨立放裝式藍牙信標(biāo)的間距決定。

      3.2.基于有源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)

      圖5 基于有源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

      表格 1 三種主流室內(nèi)定位技術(shù)對比分析

      本論文提出的基于有源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)如圖4所示,包括基帶單元、路由單元、遠端信源、智慧室分天線和藍牙信標(biāo)。其中,遠端信源在實際應(yīng)用時可以采用皮基站實現(xiàn),其內(nèi)部集成藍牙網(wǎng)關(guān)。智慧室分天線為內(nèi)置藍牙信標(biāo)的室分天線,與遠端信源通過射頻饋線相連接,基于通直流無源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)供電和管控。獨立藍牙信標(biāo)用于提高室內(nèi)定位精度而額外增補,與遠端信源通過網(wǎng)線相連接,同時具備供電和管控能力。

      基于有源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖5所示,每個遠端信源具有兩個射頻輸出端口,每個外接一個四公分器,再接到四副智慧室分天線。基于藍牙定位技術(shù),該方案可提供的定位精度由智慧室分天線和獨立放裝式藍牙信標(biāo)的間距決定。此外,每個遠端信源還可以提供室內(nèi)用戶大數(shù)據(jù)收集和分析能力。

      4. 基于運營商網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位應(yīng)用研究

      4.1.室內(nèi)定位精度測試結(jié)果

      室內(nèi)定位精度是指定位結(jié)果和實際位置之間的誤差值,本次測試針對圖5方案進行。每個測試點采樣30個數(shù)據(jù),繪制CDF(累積分布)圖后,67%的誤差值稱為該測試點的室內(nèi)定位精度。圖6為室內(nèi)定位精度的測試結(jié)果,基于信號場強三角定位原理。其中定位精度較差點均為室內(nèi)環(huán)境邊緣處,此時無法形成標(biāo)準(zhǔn)三點定位形狀,定位精度較好點周圍至少有三個定位參考點。測試了32個點,平均定位精度為3.7米,可以滿足室內(nèi)定位應(yīng)用需求。

      圖6 室內(nèi)定位精度測試結(jié)果

      4.2.室內(nèi)位置導(dǎo)航

      采用本論文提出的基于運營商網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng),運營商在搭建室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)同時就完成了室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)搭建,大幅降低了室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)成本?;谒{牙定位技術(shù),可以為全部終端用戶(人和物)提供室內(nèi)位置導(dǎo)航服務(wù)。如圖7所示,通過微信搖一搖界面進入室內(nèi)定位地圖,手機打開藍牙后收集周圍多個藍牙信標(biāo)(iBeacon)發(fā)射的MAC地址和信號場強信息,通過移動通信網(wǎng)絡(luò)上傳到定位搜索引擎,位置計算后再發(fā)送給手機終端,在定位地圖頁面上顯示當(dāng)前位置。選取起點和終點后,系統(tǒng)進行路徑規(guī)劃并顯示,通過文字、語音、圖示等引導(dǎo)用戶走向目的地。

      圖7 室內(nèi)位置導(dǎo)航應(yīng)用

      圖8 微信搖紅包應(yīng)用

      4.3.微信搖紅包

      基于室分天線內(nèi)置藍牙信標(biāo)(iBeacon),通過微信搖一搖功能,運營商可以為商家提供搖紅包或廣告推送功能,起到為商場引流作用,也提升了運營商網(wǎng)絡(luò)價值。如圖8所示,商家在微信后臺申請iBeacon的UUID、Major和Minor后,配置搖一搖周邊的結(jié)果頁面,如優(yōu)惠券或紅包。當(dāng)用戶走進藍牙信標(biāo)覆蓋范圍內(nèi)時,通過搖一搖周邊獲取UUID、Major和Minor,并通過后臺獲取對應(yīng)的結(jié)果頁面鏈接。用戶點擊鏈接后,通過內(nèi)置瀏覽器打開,就可以看到紅包信息了。

      5. 結(jié)束語

      本論文首先分析了室內(nèi)位置服務(wù)的巨大市場需求及應(yīng)用領(lǐng)域,介紹了主流室內(nèi)定位工作原理和室內(nèi)定位算法,對比了三種主流室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)劣勢。接下來,結(jié)合運營商的通信網(wǎng)絡(luò)能力,提出了基于無源室分和有源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng),滿足了運營商低成本、高精度和普適性的室內(nèi)定位建網(wǎng)需求。最后,介紹了室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度達到3.7米,滿足室內(nèi)定位應(yīng)用需求,可以提供室內(nèi)位置導(dǎo)航和微信搖紅包等業(yè)務(wù)。■

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