基于WLAN定位技術的商圈行業應用

焦繼堯

(中國電信股份有限公司上海分公司，上海 210041)

基于WLAN定位技術的商圈行業應用

焦繼堯

(中國電信股份有限公司上海分公司，上海 210041)

在移動互聯的今天，商業競爭也要結合網絡技術才能跟上時代的步伐。商圈的從業者和消費者對WLAN網絡都有需求，利用WLAN定位技術可取得雙方共贏的效果。在分析WLAN各種定位技術的基礎上，提出了一種基于位置指紋法的優化WLAN定位方法，以及一種實際可行的系統組網架構，并給出了具體的商圈應用示例。

無線局域網絡； 定位技術； 位置指紋法； 商圈應用

近年來，國內、外商場競爭的重點已經從硬件的競爭轉移到服務的競爭。在傳統服務項目已非常成熟的今天，如何在同業競爭中領先一步，為客戶提供更全面、周到的服務，是商場管理應該考慮的問題。

隨著智能終端的普及和APP應用的流行，在商場內部署無線網絡，不僅能提升現代化商場的服務與管理水平，同時也能很好地為商場顧客帶來便利，實現雙贏[1]。

在商場中部署無線局域網絡(wireless local area network，WLAN)具有以下優勢[2]：① WLAN網絡具有的便利性和靈活性特點，可以方便商家自己搭建；② 由于WLAN網絡的資費優勢，商家可以免費向顧客提供WLAN上網業務；③ WLAN網絡兼容性更好，幾乎支持所有的移動終端；④ WLAN網絡覆蓋范圍小，定位更準確，更適合于商圈的室內定位應用，實現室內導航。因此，WLAN網絡可幫助商場實現無線辦公、Portal頁面和商場APP發布廣告、商場導航、(免費)WLAN上網等功能，從而提高商場管理水平，提升顧客的購物感受。

本文分析了WLAN各種定位技術，提出了一種基于位置指紋法的優化WLAN定位方法，給出了可行的商圈環境下的WLAN組網方案，并進行了案例應用示范，表明該方法適合實際運用。

1 WLAN定位技術

WLAN定位技術的原理如下：通過測量終端與多個探針間的距離或角度，根據已知的探針位置，計算出用戶(終端)所處(最有可能)的位置。

按照采集信號強度來源的不同，WLAN定位技術可分為基于網絡的系統定位技術和基于終端的終端定位技術[3]。其中，系統定位技術通過探針網絡感知用戶終端，根據探知到用戶終端的若干探針數據推算出用戶終端所在的位置。該類技術只需要用戶終端打開WLAN開關即可，適用場景為自身部署探針網絡的熱點。終端定位技術指用戶終端根據搜索到的周圍WLAN信號來推算自身所在的位置。該技術一般需要有一個收集大量WLAN設備位置的平臺，通過終端將數據上傳至平臺進行定位計算，故要求用戶終端在線(WLAN或移動數據通信)，適用場景為該平臺收集到的WLAN設備的熱點。表1所示為兩種定位技術的比較。

表1 兩種WLAN定位技術的比較

終端定位技術的典型應用為Google Maps的WLAN定位，其精度取決于大量WLAN設備的信號、位置采集；系統定位技術更多適合運營商使用。

目前，根據定位依據的不同，WLAN定位技術有幾何方法定位和信號強度定位兩大類[4-6]。

(1) 幾何方法定位[7]。包括三邊測量法[8]和三角測量法[9]，它們分別是基于距離和方位的測量技術。但是，由于WLAN覆蓋范圍小，若位置相差不大，則測距方法較難辨識其差別，且WLAN有多徑效應，對距離測量、角度測量帶來很大的挑戰。因此，幾何方法定位在WLAN室內定位時基本不可用。

(2) 信號強度定位。包括最強基站法和位置指紋法。最強基站法是將無線終端接入的熱點位置，近似地作為無線終端的估計位置。其優點是不需要復雜的算法和任何的參數估計，也不需要在客戶端添加新的軟件；缺點是該方法的精度受限于無線訪問接入點(Wireless Access Point，AP)的覆蓋范圍，難以精確定位。

位置指紋法是在WLAN網絡環境保持不變的條件下，根據空間某位置處于不同時刻的無線信號強度變化趨勢相同的時間一致性規律，基于場景分析原理，通過匹配實測信號與信號采集指紋之間的相似度來確定用戶終端位置[10-11]。其主要以RSSI(Received Signal Strength Indication)作為采樣點的參考指紋，通過離線階段的采樣測試建立指紋數據庫，在定位階段將終端實時測得的RSSI值與指紋數據庫進行比對，按照一定的算法估算終端的位置[12]。最強基站法也可認為是該方法的特例，即在比對時只選取最鄰近的基站(Nearest Neighbors in Signal Space，NNSS)[13]。

2 基于位置指紋法的優化WLAN定位技術

位置指紋法的主要特點是“離線建庫”，即在定位區域選取基準點，利用RSSI建立指紋庫，并做好指紋庫的日常維護；通常，基準點的數量決定了WLAN定位的準確性，即基準點越多，定位越準確。但是，在建立密集的基準點的同時也增加了日常維護的測試工作量，即增加了維護成本。降低指紋庫日常維護成本的途徑有2個：① 減少基準點的數量，優化WLAN定位技術；② 降低對路測人員的技術要求，即降低人工成本，甚至可以委托合作商戶進行路測。

由于基準點是離散的，通常與實際地點之間有偏離；而且，雖然在無明顯地產生無線信號反射、折射、透射及衍射等環境下，無線信號依然會按照正常的無線電信號傳播規律衰減。因此，本文考慮利用傳播模型法，根據信號強度的序列與指紋庫間的差別對基準點進行定位修正。

傳播模型法是WLAN的主要測距方法之一，其利用信號強度作為距離測量的媒介，根據信號的傳播模型將信號強度轉換為距離[14]。傳播模型法有兩種信號傳播模型：統計傳播模型和確定性傳播模型[15]。其中，確定性傳播模型基于無線電信號傳播的物理本質，適用于所有的環境，該模型的實現需要一個巨大的環境特征數據庫；而位置指紋法中的指紋庫正好可以滿足其要求。

基于位置指紋法的優化WLAN定位方法如下：

(1) 將各個基準點測試得到的指紋庫按WLAN信號源分層；

(2) 根據對應的WLAN信號源的實際部署位置，按照確定性傳播模型在整個定位區域進行位置預測；

(3) 將預測結果與該WLAN信號源在指紋庫中的測試數據(位置及對應的RSSI)進行比較，并進行插值修正；修正后的數據包含了環境的影響因素，與統計傳播模型類似。

需要注意的是，為提高WLAN定位的計算速度，上述修正機制應在離線時完成，即在實際基準點的基礎上，在WLAN定位區域內，先確定更密集的虛擬基準點位置，虛擬基準點的指紋由實際基準點的指紋修正后獲得；而在實際對終端進行WLAN定位時，只需要比對指紋庫即可。

3 商圈行業應用示例

3.1基于WLAN定位技術的商圈應用組網

商圈WLAN應用主要通過在后臺增設相應的服務器來實現相關功能。當然，WLAN定位也需要在熱點區域內增設相當數量的探針(僅偵測WLAN信號，不為用戶提供服務的設備)，以保證WLAN定位的精確性。

(1) 增設Portal策略服務器，以確定向用戶彈出Portal的內容。策略服務器的主要功能是根據用戶信息確定需要在Portal頁面上展現的素材資料，并對這些素材資料進行管理。

(2) 增設WLAN定位系統，包括網絡側的WLAN位置服務器和物理側的探針網。WLAN位置服務器可根據選用的WLAN定位方法，以及由探針上傳的信息，計算出用戶目前所在的位置；在物理側，需要根據選用的WLAN定位方法，在覆蓋的熱點區域按要求部署探針網絡，有些AP本身就能用作探針。

(3) 增設應用服務器，以實現各種商圈行業應用，如商場導航、用戶消費行為分析等。

圖1所示為基于WLAN定位技術的商圈行業應用組網圖。

圖1 基于WLAN定位技術的商圈行業應用組網

3.2用戶信息獲取

商圈行業應用需要針對不同的用戶更精確地提供服務，故需要獲取用戶信息。用戶信息可以分為用戶位置信息和用戶身份信息。

(1) 用戶位置信息主要通過WLAN定位系統來獲取。WLAN網絡的覆蓋范圍小，設備密度大，因此，WLAN定位較GPS/移動通信定位的精度更高，更適合在商場等室內場景使用。

為確保WLAN定位的準確性，需要增加、部署探針。這是由于WLAN定位系統需要用若干臺無線設備偵測到同一用戶終端，才能提高定位的精度；且WLAN定位系統需要無線設備頻繁偵測用戶終端信號，才能提高定位的速度；并且，大多數AP不具有同時偵測用戶終端和提供數據業務的能力。

(2) 用戶身份信息主要通過用戶的WLAN賬號、從AAA服務器獲得。若用戶已使用WLAN賬號登錄網絡，則記錄用戶終端的MAC地址與WLAN賬號的對應關系，以方便在用戶未登錄的情況下以終端的MAC地址確認用戶；對于異網用戶，在其免費體驗或購買時長卡時都可能已使用過電信WLAN網絡，故可獲取相應終端的MAC地址或異網手機號、時長卡賬號等關聯關系。商圈行業則可利用這些信息，通過數據挖掘了解用戶感興趣的領域、商品等信息，以便及時為用戶提供針對性的服務等。

3.3應用示例

3.3.1 商業廣告 ① 通過Portal頁面推送。若用戶終端未登錄，則主要根據用戶位置信息發送相關廣告；若用戶終端已登錄，則可結合用戶身份信息發送相關廣告；若用戶終端正在登錄，則可在邀請用戶觀看一段廣告后提供免費WLAN業務，也可結合用戶位置信息和用戶屬性信息選擇相關的廣告。② 通過APP應用或客戶端推送。若用戶終端不在商圈范圍內，則主要根據用戶身份信息發送相關廣告；若用戶終端在商圈范圍內，則可結合用戶位置信息發送用戶感興趣的、其附近的商戶廣告。

3.3.2 商場導航 ① 可在APP應用中提供商場地圖，及時顯示用戶所處位置，并根據WLAN定位的精度，確認商場導航提供的業務能力(僅精確到大區，還有具體的貨柜等)。② 由于Portal頁面不能隨時更新，故不提供該業務。

4 結 語

越來越多的商圈提供了免費的WLAN接入。但僅靠商場單方面投入，無法從消費者處得到明顯的回報，這種模式是無法持久的。本文在分析各種WLAN定位技術的基礎上，提出了一種基于位置指紋法的優化WLAN定位方法，給出了可行的商圈環境下的WLAN組網方案，更加適合實際運用，商場和消費者都能取得雙方共贏的效果。

[1] 黃浦數字商圈. 大數據應用案例分析：數字商圈WIFI大數據平臺描述[EB/OL].(2017-03-22)[2017-04-01].http://www.sohu.com/a/129703528_672350.

[2] 潘毅明,陳文,沈世錦.無線城市的覆蓋策略研究 [J]. 電信科學, 2008, 24(5): 14-18.

[3] 艾康.移動定位技術原理 [J]. 甘肅科技縱橫, 2007, 36(2): 39-40.

[4] 謝良哲.基于WLAN的室內定位技術研究 [J]. 信息與電腦:理論版, 2016(21):66-68.

[5] 唐泉.WLAN定位方法綜述 [J]. 電子世界, 2014(20):419.

[6] 張明華.基于WLAN的室內定位技術研究 [D].上海：上海交通大學, 2009：31-34.

[7] 李新.無線傳感器網絡中節點定位算法的研究 [D]. 合肥：中國科學技術大學, 2008：50-52.

[8] 由曉鵬,陳天偉.基于三邊測量原理的用戶定位方法研究 [J].移動通信, 2016, 40(22): 41-44.

[9] LE KN. On angle-of-arrival and time-of-arrival statistics of geometric scattering channels [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009, 58(8): 4257-4264.

[10] 許建波.基于WLAN位置指紋的室內定位技術研究與實現 [D].北京：北京工業大學, 2014：32-35.

[12] 楊章林.基于RSSI的WLAN定位系統研究與實現 [D].大連：大連理工大學, 2009：18-25.

[13] CANNISI D, YUAN Bo. Design space exploration for k-nearest neighbors classification using stochastic computing [C]// IEEE International Workshop on Signal Processing Systems. Dallas, TX, USA:IEEE, 2016: 321-326.

[14] 丁滔,何桂立.室內傳播模型校正方法研究 [J].電信網技術, 2016(1): 68-72.

[15] 付昆鵬. 移動通信中電波傳播模型的研究 [D]. 昆明：云南師范大學, 2009：32-36.

Application of WLAN Positioning to Commercial Areas

JIAOJiyao

(China Telecom Corporation Limited Shanghai Branch, Shanghai 200041, China)

In commercial competitions, the network technology should be applied so as to keep up with the pace of development in the mobile internet era. Business people and consumers all need WLAN networks. The WLAN-based location technique benefits both the business and consumers. By analyzing various WLAN positioning techniques, an improved method based on location fingerprinting and a practical network architecture are proposed. A specific example of commercial area is given.

wireless local area network(WLAN); location technique; location fingerprinting; commercial area

signal strength indication measurements softwre for WLAN fingerprinting indoor positioning accuracy imrovement [J]. EPRA International Journal of Multidisciplinary Research ，2016，2(3)：196-202.

TN 926.3

A

2017 -07 -02

焦繼堯(1963-)，男，工程師，主要研究方向為互聯網寬帶網絡、家庭網絡組網， E-mail：jiaojy@shtel.com.cn

2095 - 0020(2017)04 -0244 - 05