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

□ 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藍牙信標技術(shù)的正常運作，需要藍牙信標硬件、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。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。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。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，此時無法形成標準三點定位形狀，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。基于藍牙定位技術(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（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（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。當用戶走進藍牙信標覆蓋范圍內(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)。■