基于4G Small Cell的商場無線智能導購系統設計

馬敏

摘 要：隨著電子商務、移動電子商務的興起，商場等傳統零售業面臨著前所未有的沖擊，利用通信系統、軟件平臺以及互聯網、移動互聯網等技術建立智能化的商場本地服務系統，是商場提升用戶購物體驗、增強用戶粘度、發揮線下優勢的重要途徑。4G Small Cell無線系統可以很好地滿足智能化商場對于本地信息推送流量大、信息傳送實時性強、室內定位精度要求高的應用需求。基于此，文中提出了基于4G Small Cell的無線智能化商場方案。分析了4G Small Cell的技術特點和應用場景以及4G Small Cell小基站實現本地增值業務的關鍵技術LIPA，進而給出了采用4G Small Cell構建商場無線智能導購系統的具體方案設計。

關鍵詞：移動通信網；Small Cell；本地IP接入；商場智能導購；內容精準推送；目標點智能導引

中圖分類號：TP39；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-05

0 引 言

隨著互聯網行業的不斷發展，尤其是移動互聯網的迅猛發展，電子商務、移動電子商務進入了爆發式增長階段，電子商務/移動電子商務已成為人們消費行為的重要組成部分，但這無疑給超市、商場等傳統零售業帶來了前所未有的沖擊[1]。由于傳統商場實體店存在商品價格高、可選商品有限、用戶購物體驗差、缺乏客戶粘性以及商場自身經營成本高、運營效率低等問題，因此面臨著經營轉型的嚴峻考驗。傳統商場百貨業在“互聯網+”時代應當如何轉型升級、保持良性發展是當前業界廣為關注的熱點問題之一。

目前，很多商場通過開發手機App、注冊微信公眾號等方式宣傳其優惠活動，吸引關注，一些大型商場、購物中心還嘗試引入線上線下電子商務（Online To Offline，O2O）模式，希望借助O2O來實現其經營轉型。然而，傳統商場最大的優勢還是在線下，其轉型的關鍵也應是將線下優勢最大化，使線上成為線下的有利補充[2]，為客戶提供更高效、更完美的購物體驗。利用通信系統、軟件平臺以及互聯網、移動互聯網等技術建立智能化的商場本地服務系統，為用戶提供購物分類信息查詢、店鋪/品牌定位查詢、商品/店鋪/區域促銷信息實時精準推送以及購物導航等服務，是商場提升用戶購物體驗、增強用戶粘度、發揮線下優勢的重要途徑。

4G Small Cell是目前4G網絡實現室內深度覆蓋、增加用戶容量、進行數據流量分流，提供增值業務的重要技術手段。由于4G Small Cell具有高速、安全可靠、部署靈活以及定位精度高等特點，因此是智能化商場本地服務系統的優選網絡部署方案。

目前業界對于傳統商場的電商業務發展以及商場的O2O轉型等方面研究較多[3，4]，而對于商場本地服務的智能化研究較少，有一些前期的智慧商場方案采用WiFi技術，但由于WiFi網絡存在干擾嚴重、傳送可靠性無法保證、不能滿足大量用戶同時在線使用等要求，很大程度上影響了用戶體驗。基于此，本文提出了基于4G Small Cell的無線智能化商場方案，首先分析了4G Small Cell的技術特點及應用場景、網絡架構以及4G Small Cell小基站實現本地增值業務的關鍵技術——本地IP接入（Local IP Access，LIPA），進而給出了采用4G Small Cell構建商場無線智能導購系統的具體方案設計。

1 4G Small Cell及其本地IP接入技術

1.1 4G Small Cell技術特點及應用場景

Small Cell是一種低發射功率、小范圍覆蓋的小型基站設備，其最初源于為家庭場景設計的Femtocell（毫微蜂窩，又稱為家庭基站），隨著LTE技術的發展，Femtocell應用場景發生變化，設備形態更加豐富和多樣化，其概念也隨之擴大，在Femtocell基礎上擴充了Picocell（毫微蜂窩）、Microcell（微蜂窩）、Metrocell（城域蜂窩）等，被業界統一稱為Small Cell。4G Small Cell用于室內覆蓋，主要采用Femtocell和Picocell，Femtocell一般用于家庭、SOHO場景等；Picocell一般用于中小企業、商鋪場景等。

Small Cell小基站具有小型化、低成本、部署快速、可控性好、智能化以及與宏網用戶統一認證和管控等優勢，通過Small Cell能實現移動網絡以下4個方面的改善[5]：

（1）Hotspot and Indoor：解決熱點和室內的覆蓋和容量；

（2）Higher frequency：利用高頻段改善局部弱覆蓋；

（3）Higher bandwidth：更大帶寬，更高容量；

（4）Higher performance：更好的網絡性能和用戶體驗。

4G Small Cell目前主要用于4G室內覆蓋補盲、數據業務分流、提升網絡容量，未來將進一步應用到物聯網、移動互聯網以及5G網絡中，催生出更多新型應用。Small Cell的典型應用場景可以歸納為以下幾類：

（1）生活場景：如居民樓，城中村，地下停車場，學生宿舍等；

（2）商用場景：如寫字樓、賓館酒樓，超市商場，營業廳，臨街商鋪等；

（3）特色場景：如基于位置推送的信息服務，小基站定位服務，智能家居，視頻監控等。

1.2 4G Small Cell網絡架構

4G Small Cell小基站，即演進型家庭基站（Home Evolved NodeB，HeNB），其網絡架構如圖1所示[6]。小基站與4G 核心網的移動性管理實體（Mobility Management Equipment，MME）及服務網關（Service Gateway，S-GW）之間通過S1接口連接，小基站之間通過X2接口連接，具備LIPA功能的小基站與核心網S-GW通過S5接口連接。endprint

以上網絡架構同時還給出了部署小基站網關（HeNBGateWay，HeNB GW）的組網方案。小基站網關用于小基站大規模部署的場景，小基站網關作為多個小基站的匯聚點，實現各小基站與核心網之間的信令匯聚，降低了核心網MME的信令開銷。小基站網關與4G 核心網MME及S-GW之間，以及小基站網關與小基站之間均采用S1接口，且小基站同時只能與1個小基站網關或MME連接。

1.3 4G LIPA技術

LIPA是4G Small Cell小基站的增強功能，它具備IP能力的用戶終端（User Equipment，UE），可以通過HeNB直接接入家庭/企業網中，可與家庭/企業網中的其他具備IP能力的實體互聯互通[7]。

4G LIPA技術使4G Small Cell小基站系統在上述優點的基礎上，具有本地數據接入更優的性能，為基于4G Small Cell小基站開發更多的家庭/企業特色應用提供了技術基礎。

3GPP在R10的TR 23.829[8]中確定了LIPA的基本方案，包括架構、本地網關選擇、訪問控制、連接建立流程、連接釋放流程以及業務請求流程等，此方案架構提出在HeNB中增設本地網關（Local Gateway，L-GW），L-GW與移動核心網S-GW之間通過L-S5接口相連，該接口是在現有S5接口功能基礎上進行增強，HeNB與MME、S-GW之間通過現有的S1接口相連。3GPP在后續R11的TR 23.859[9]中又提出了L-GW與HeNB分設的架構以及L-GW獨立設立情況下LIPA的移動性，但對于HeNB和L-GW之間的接口細節，標準尚未確定。

2 基于4G Small Cell的商場無線智能導購系統方案設計

2.1 方案說明及系統總體結構

本文設計的商場無線智能導購系統，采用增強型4G Small Cell小基站（小基站具備LIPA功能）部署方案，為顧客提供一種智能化的快捷、便利的商場購物體驗。主要表現在以下幾個方面：

（1）本地信息推送功能是基于用戶精確位置的商場店鋪信息、區域促銷信息等的實時推送；

（2）用戶購物智能導航功能能夠快速、準確地導引用戶到達購物點，如某品牌店鋪，并在導引過程中，用戶可以根據系統實時推送附近店鋪的商品信息，隨時調整購物目標點；

（3）商場店鋪信息實時更新功能。商場店鋪可以利用該無線系統將店鋪商品信息、折扣信息等實時傳送給商場后臺應用服務器，使得應用服務器信息與店鋪信息迅速同步。

4G Small Cell無線系統應用于商場的智能導購，可以很好地滿足以下需求：

（1） 大流量要求：商場應用服務器需要向移動智能終端（UE）推送大量本地信息，采用4G Small Cell的LIPA技術可以實現UE與本地服務器之間的高速數據通信；

（2） 實時性要求：商場店鋪信息等內容需要根據用戶位置實時推送，4G Small Cell是4G網絡的一部分，無線系統穩定、可靠，保證了信息傳送的實時性；

（3） 室內精準定位要求：基于位置的信息推送及購物導航等都需室內精準定位，Small Cell覆蓋范圍小，因此其定位精度較高，特別適合于室內無GPS信號的基于位置的應用。

（4） 高密集并發用戶要求：商場是人員相對密集的場所，尤其在節假日或有促銷活動等情況下，故要求商場無線系統能滿足高并發用戶數需求，4G Small Cell則用于4G覆蓋的補盲補弱以及提升網絡容量，特別適合高密集并發用戶的應用場景。

圖2所示是本文設計的商場無線智能導購系統結構示意圖，系統主要包括智能導購應用服務器、增強型4G Small Cell小基站（即HeNB，包含L-GW）、移動通信網、本地局域網、移動智能終端（UE）等。智能導購應用服務器設置在本地，如商場的設備管理室。商場內布放多個小基站（≥3），小基站增加本地網關L-GW功能后，通過本地局域網與應用服務器連通，移動智能終端通過4G無線網絡接口與小基站連通，小基站通過4G核心網接口與4G核心網連通。

2.2 系統流程

商場無線智能導購系統流程主要為室內定位流程、4G LIPA流程、智能導購應用流程及商場店鋪信息實時更新流程。

2.2.1 室內定位流程

商場無線智能導購系統中基于用戶位置的本地信息精準推送以及用戶購物智能導引等都需要室內精準定位。本系統的室內定位流程如下所示：

（1）UE選擇一個小基站（HeNB）向其發送Random Access Preamble，通知HeNB有一個隨機接入請求；

（2）HeNB向UE返回隨機接入應答（Random Access Response），在該應答消息中包含了HeNB估計的其與UE之間的傳輸時延；

（3）UE根據該收發時間差可以計算出UE與該小基站之間的距離；

（4）UE隨機接入過程完成后，UE立即發起釋放無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）連接過程，不通知網絡側則主動進入空閑狀態；

（5）UE重新選擇一個小基站，重復上述（1）～（4）的步驟，以此類推，至少選擇3個以上小基站接入；

（6）每個小基站都有一個固定經緯度坐標值，通過3個以上小基站坐標信息以及UE與各小基站的距離，根據三點定位原理計算出UE的經緯度坐標。

以上流程采用UE根據收發時間差進行三點定位，具有精度高，誤差小的優點，但為獲取時間差，要專門進行3個以上小基站的隨機接入過程。如果商場內小基站信號比較好，UE也可以根據小基站信號強度來進行三點定位，UE無需與基站進行專門的交互過程，但定位精度會低于時間差方式。endprint

2.2.2 4G LIPA流程

LIPA技術是UE通過4G Small Cell小基站直接接入本地局域網，實現大量本地信息交互應用的關鍵技術。4G LIPA流程主要分為分組數據網（Packet Data Network，LIPA PDN）連接建立過程、UE觸發的服務請求過程、L-GW觸發的服務請求過程以及連接釋放過程[8]。

2.2.2.1 LIPA PDN連接建立過程

LIPA PDN連接建立過程如下所示：

（1）UE通過HeNB向MME發起PDN連接請求，消息中包含了LIPA的存取點名稱（Access Point Name，APN）標識、HeNB支持LIPA的能力、L-GW的IP地址。

（2）MME在歸屬簽約用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）中檢查UE的訂閱信息，以確定UE是否被允許訪問所請求的LIPA APN。如果允許，MME將該L-GW的IP地址告知S-GW。

（3）S-GW通過L-GW的IP地址向L-GW請求創建連接，L-GW進行創建連接響應，響應中包含了S5 PGW（PDN GateWay，PDN網關），隧道端點ID（Tunnel Endpoint ID，TEID），即L-GW用戶面TEID。S-GW向MME發送L-GW的創建連接響應，從而創建了一條L-GW---S-GW---MME之間的信令和數據通路。

（4）MME向HeNB發送承載建立請求，該請求中包含了S5 PGWTEID，HeNB為UE建立無線承載，HeNB建立與L-GW之間用于LIPA數據傳輸的直接隧道。

（5）HeNB與UE之間進行無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）空口連接的重配置；

（6）HeNB向MME發送PDN連接完成消息，LIPA PDN連接建立。

2.2.2.2 服務請求過程

LIPA PDN連接建立后，當UE請求服務時，UE通過NAS Service Request消息發起用戶面的上行數據服務請求，MME發送S1-AP：Initial Context Setup Request給HeNB，該初始上下文建立的請求中包含了S5 PGW TEID，HeNB使用該 TEID建立同L-GW的數據鏈路。

L-GW觸發的服務請求過程：對于下行數據，L-GW收到第一個下行數據包會發送一個偽包給S-GW，并緩存下行包，S-GW發送下行數據提醒消息給MME，MME對UE尋呼，UE通過Service Request消息發起用戶面的連接請求，數據鏈路建立后，L-GW將緩存的數據包通過無線承載轉發給UE。

2.2.2.3 連接釋放過程

（1）當UE處于空閑模式時，HeNB向MME發送S1-AP：S1 UE Context Release Request，提出釋放連接請求；

（2）MME向S-GW發送釋放接入承載請求；

（3）S-GW向MME返回釋放接入承載響應；

（4）MME向HeNB發送S1-AP：S1 UE Context Release Command，告知HeNB，MME和S-GW之間的承載連接已釋放，HeNB通知L-GW釋放L-GW與UE之間的用戶面信道；

（5）HeNB釋放與UE之間的RRC空口連接；

（6）HeNB向MME發送S1-AP：S1 UE Context Release Complete，整個連接釋放完成。

2.2.3 智能導購應用流程

商場智能導購應用流程示意圖如圖3所示。

具體說明如下：

（1）用戶持移動智能終端（UE）進入商場，下載、安裝、打開定制的商場智能導購應用客戶端，而UE會關聯一個小基站。

（2）通過調用LIPAPDN連接建立過程，建立起UE到商場本地局域網的IP接入連接。

（3）通過調用定位流程，UE可獲得其當前的精確位置信息，調用UE觸發服務請求過程，UE通過小基站將其當前位置發送給商場應用服務器。

（4）應用服務器通過小基站向UE推送商場店鋪信息。應用服務器中存放商場店鋪信息表，包括店鋪名稱、店鋪位置信息、店鋪商品信息、促銷信息等。

（5）用戶在UE上瀏覽商場店鋪概覽，選擇一個或多個購物目標店鋪，如幾個品牌專賣店，UE將用戶選定的目標店鋪發送給應用服務器。

（6）應用服務器根據UE發來的店鋪名稱檢索出目標店鋪的位置信息，發送給UE。

（7）UE智能導購應用客戶端根據UE當前位置以及目標店鋪的位置，規劃出顧客的最佳購物導引路線，用戶依照顯示的最優購物路線可以依次到達各目標店鋪。在此過程中，UE啟動位置更新定時器，定時計算其最新位置信息，以便智能導購應用客戶端能夠實時追蹤用戶的位置，進行導引路徑提示。同時服務器根據UE最新位置，實時向UE推送用戶路線途經位置附近的商鋪信息，顯示給用戶，用戶可以返回步驟（5），重新選擇新的目標店鋪。

2.2.4 店鋪信息實時更新流程

利用商場4G Small Cell無線系統，商場各店鋪可以非常方便的將其店鋪最新的商品信息、促銷信息等發送給商場應用服務器。店鋪信息實時更新流程如下：

（1）商場店鋪UE安裝并打開定制的應用客戶端；

（2）UE關聯小基站，調用UE請求LIPA PDN連接建立過程；

（3）調用UE觸發服務請求過程（LIPA PDN連接已存在）；

（4）UE通過小基站向商場應用服務器發送其最新的店鋪信息，包括商品信息、促銷信息等；

（5）應用服務器更新其存放的相關店鋪信息表。endprint

2.3 4G Small Cell小基站系統構成

2.3.1 硬件系統

4G Small Cell小基站硬件系統主要由基帶子系統、LTE射頻子系統、以太網子系統、電源子系統等構成，如圖4所示。

基帶子系統主要包括LTE基帶處理器（含多核CPU以及DSP處理模塊）、內存、Flash等；LTE射頻子系統包括AD模數轉換模塊、功放模塊、收發天線等；以太網子系統包括千兆以太網PHY（物理接口收發器）、隔離變壓器、SFP光口及RJ45電口等；電源子系統提供交直流轉換、PoE供電等。

2.3.2 軟件系統

4G Small Cell小基站（含L-GW功能）的軟件系統主要包括基本通信處理子系統、核心網接口協議處理子系統、LTE無線接口轉換子系統以及配置維護管理子系統等，其系統構成如圖5所示。

基本通信處理子系統主要提供基本的網絡通信功能；LTE無線接口轉換子系統主要處理LTE無線網與核心網之間的協議轉換；配置維護管理子系統完成OAM&P、SNMP、TR-069等功能；核心網接口協議處理子系統實現與LTE核心網的接口協議，而LIPA功能主要在該子系統中完成。

核心網接口協議處理子系統包括S1-AP模塊、GTP-U模塊以及LIPA功能模塊等。S1-AP模塊完成信令面S1-MME接口功能，通過S1-AP協議轉發信令信息；GTP-U模塊完成用戶面S1-U接口功能，通過GTP-U協議轉發用戶面IP數據包；LIPA功能模塊完成L-GW功能，根據3GPP LIPA規范標準[8]對用戶面數據進行分流，并通過GTP-U模塊轉發。

來自UE的本地流量經過小基站處的L-GW被分流出去，用專用的存取點名稱（Access Point Name，APN）來標識需要進行業務分流的PDN，運營商核心網中的業務則用與該PDN不同的PDN連接進行傳遞。以下偽代碼說明了4G Small Cell小基站基于PDN連接的LIPA分流邏輯判斷和轉發過程：

for each PDN connection， do：

if APN equals（“local”）

traffic in bearers of this connection GOTO LocalNetwork-IO；

else

traffic in this connection GOTO CoreNetwork-IO；

end if

end for

3 結 語

4G Small Cell能夠提升LTE網絡容量，解決4G室內深度覆蓋不足的問題，并且可以利用其大流量、實時性強、有OoS保證等特點以及LIPA等增強技術，開發出更多有吸引力的特色應用，商場的智能導購就是移動互聯網的特色應用之一，本文詳細說明了基于4G Small Cell的商場無線智能導購系統的方案設計。

目前4G Small Cell小基站產品和技術已經日趨成熟，但基于4G Small Cell的各種行業應用還遠未展開，相信Small Cell在未來的網絡和應用中會發揮更大的作用，Small Cell技術和產品也將在實際應用中得到進一步完善和發展。

參考文獻

[1]薛景梅，杜曉麗，劉紅亞.電子商務環境下實體店商業模式研究[J].商業經濟研究，2016（17）：69-70.

[2]朱芳.互聯網+時代傳統商場的O2O轉型思考[J].企業改革與管理，2016（10X）.

[3]孫宏年.O2O模式在零售企業內的應用研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[4]郝迪慧.連鎖百貨業的電商業務發展探索[J].經營管理者，2016 （12）：278-279.

[5]閆文斌.SmallCell在異構網建設中的應用研究[J].移動通信，2015，39（21）：85-90.

[6] 3GPP TS36.300 V11.4.0， Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial RadioAccess Network （E-UTRAN）； Overall description； Stage 2（Release 11） [S].2012-12.

[7] 3GPP TS 22.220 V11.4.0， Service requirements for Home Node B （HNB） and Home eNode B （HeNB） （Release 11） [S].2011-12.

[8] 3GPP TR 23.829 V10.0.1， Local IP Access and Selected IP Traffic Offload （LIPA-SIPTO） （Release 10） [S].2011-10.

[9] 3GPP TR 23.859 V0.4.0， LIPA Mobility and SIPTO at the Local Network （Release 11） [S].2011-07.endprint