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(jià)值。然而，由于建筑物遮擋了衛(wèi)星定位信號(hào)，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(duì)兒童位置進(jìn)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(jī)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(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)無人車輛室內(nèi)停車場(chǎng)自動(dòng)泊車；智慧物流領(lǐng)域，室內(nèi)位置服務(wù)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)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(hù)管理成本大幅降低。
圖1 室內(nèi)定位服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域
據(jù)預(yù)測(cè)表明，2020年室內(nèi)位置服務(wù)市場(chǎng)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(chǎng)需求，未來隨著市場(chǎng)的完善與室內(nèi)定位技術(shù)的普及，位置服務(wù)市場(chǎng)必將實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)。運(yùn)營(yíng)商作為移動(dòng)通信服務(wù)提供商，天然具備規(guī)模建網(wǎng)能力，不愿錯(cuò)過室內(nèi)位置服務(wù)的巨大市場(chǎng)。但目前運(yùn) 2018.9 互聯(lián)網(wǎng)天地 35 Academy 學(xué)苑營(yíng)商并沒有合適的規(guī)�；覂�(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(chǎng)因素。本論文將針對(duì)基于運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)商低成本、高精度的室內(nèi)定位建網(wǎng)要求。同時(shí)，本論文還將介紹室內(nèi)定位精度測(cè)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(yùn)營(yíng)商在基于室內(nèi)定位應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
圖2 基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)
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(duì)室內(nèi)定位服務(wù)的巨大市場(chǎng)，互聯(lián)網(wǎng)公司開始積極布局藍(lán)牙和WiFi室內(nèi)定位技術(shù)，運(yùn)營(yíng)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(cè)算移動(dòng)終端發(fā)送的信號(hào)，并進(jìn)行 位置計(jì)算。其定位過程是由多個(gè)通信基站同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)終端發(fā)射的信號(hào)，將各接收信號(hào)攜帶與移動(dòng)終端位置有關(guān)的特征信息送到信息處理中心，計(jì)算出移動(dòng)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)三角定位、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指紋庫定位和到達(dá)時(shí)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(huì)部署有熱點(diǎn)（AP），每一個(gè)無線AP都有一個(gè)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(hào)，獲取到 AP廣播出來的MAC地址和信號(hào)強(qiáng)度。MAC地址可以決定歸屬于哪個(gè)AP范圍內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度可以推 36 互聯(lián)網(wǎng)天地 CHINA INTERNET Academy 學(xué)苑算出終端和AP的距離。W IFI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(jì)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)三角定位、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指紋庫定位。
3) 藍(lán)牙定位：該技術(shù)目前部署得比較多，也是相對(duì)比較成熟的技術(shù)。藍(lán)牙跟WiFi的區(qū)別不是太大。2013年，蘋果發(fā)布了基于藍(lán)牙4.0低功耗協(xié)議（BLE）的iBeacon協(xié)議，主要針對(duì)零售業(yè)應(yīng)用，引起廣泛關(guān)注。iBeacon藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)的正常運(yùn)作，需要藍(lán)牙信標(biāo)硬件、智能終端上的應(yīng)用、云端上的應(yīng)用后臺(tái)協(xié)同工作。信標(biāo)通過藍(lán)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(huì)采取相應(yīng)行動(dòng)，如從云端后臺(tái)提取此ID對(duì)應(yīng)的位置信息、營(yíng)銷資訊等。終端可以測(cè)量其所在處的接收信號(hào)強(qiáng)度，以此估算與信標(biāo)間的距離。藍(lán)牙圖1 室內(nèi)定位服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域[1] 2018.9 互聯(lián)網(wǎng)天地 37 Academy 學(xué)苑定位技術(shù)采用的定位算法包括Cell ID定位、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)三角定位、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)三角定位算法、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指紋庫定位算法和到達(dá)時(shí)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)，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(jì)用戶室內(nèi)位置。
2) 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算路徑損耗，根據(jù)路徑損耗計(jì)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(jì)算用戶室內(nèi)位置。
3) 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)指紋庫，根據(jù)下行或上行測(cè)量用戶的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，將測(cè)量結(jié)果在指紋 庫中匹配，估計(jì)用戶室內(nèi)位置。
4) 到達(dá)時(shí)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(gè)定位設(shè)備測(cè)量同一個(gè)用戶的上行信號(hào)時(shí)延，根據(jù)時(shí)延計(jì)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(jì)算用戶室內(nèi)位置。
2.3. 主流室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比分析
三種主流室內(nèi)定位技術(shù)的對(duì)比分析，如表格1 所示。
1) 定位方式：通信基站定位技術(shù)為被動(dòng)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(shí)即完成了室內(nèi)定位功能，適合于運(yùn)營(yíng)商大數(shù)據(jù)分析。WiFi和藍(lán)牙技術(shù)為主動(dòng)式，即用戶需要開啟WiFi和藍(lán)牙，有時(shí)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(gè)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(chǎng)報(bào)價(jià)分析，通信基站成本最高，達(dá)到千元級(jí)別，WiFi設(shè)備成本為百元級(jí)別，藍(lán)牙設(shè)備成本為十元級(jí)別，在設(shè)備成本方面，藍(lán)牙定位技術(shù)具有明顯的設(shè)備成本優(yōu)勢(shì)。
4) 維護(hù)成本：通信基站已有日常巡檢和維護(hù)操作，該定位技術(shù)的維護(hù)成本最低，而WiFi和藍(lán)牙設(shè)備為獨(dú)立設(shè)備，需要安排專人定期進(jìn)行維護(hù)檢修，因此這兩項(xiàng)定位技術(shù)的維護(hù)成本最高。
5) 用戶安全性：通信基站和藍(lán)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(chǎng)所搭建一個(gè)虛假WiFi 環(huán)境發(fā)射信號(hào)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(xiǎn)。
6) 微信搖一搖：三種定位技術(shù)中僅有藍(lán)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(shí)，開啟藍(lán)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(yùn)營(yíng)商終端，具有一定局限性，而WiFi和藍(lán)牙 ! 圖3 基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖、圖4 基于有源室分的定位系統(tǒng)
圖3 基于無源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖
圖4 基于有源室分的定位系統(tǒng)
3. 基于運(yùn)營(yíng)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(duì)通信需求，并未針對(duì)定位需求進(jìn)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(yùn)營(yíng)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(jìn)行獨(dú)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(shí)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(yùn)營(yíng)商暫時(shí)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(dòng)定位應(yīng)用和被動(dòng)定位應(yīng)用。其中，主動(dòng)定位應(yīng)用以室內(nèi)定位導(dǎo)航為代表，用戶主動(dòng)打開應(yīng)用APP調(diào)用定位導(dǎo)航軟件，適合采用藍(lán)牙定位技術(shù)。被動(dòng)定位應(yīng)用以室內(nèi)大數(shù)據(jù)分析為代表，運(yùn)營(yíng)商通過收集大量用戶信息進(jìn)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(xì)介紹針對(duì)無源室分和有源室分的運(yùn)營(yíng)商級(jí)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(dú)立放裝式藍(lán)牙信標(biāo)。其中，近端信源在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采用大功率宏站或中等功率微站實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部集成藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)。智慧室分天線為內(nèi)置藍(lán)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(shí)現(xiàn)供電和管控。獨(dú)立放裝式藍(lán)牙信標(biāo)用于提高室內(nèi)定位精度而額外增補(bǔ)，與智慧室分天線內(nèi)置的藍(lán)牙信標(biāo)相互通信實(shí)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(gè)射頻輸出端口，每個(gè)外接一個(gè)四公分器，其輸出射頻端口再外接一個(gè)四公 分器，最后接到四副智慧室分天線。基于藍(lán)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(dú)立放裝式藍(lán)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)
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(yuǎn)端信源、智慧室分天線和藍(lán)牙信標(biāo)。其中，遠(yuǎn)端信源在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采用皮基站實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部集成藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)。智慧室分天線為內(nèi)置藍(lán)牙信標(biāo)的室分天線，與遠(yuǎn)端信源通過射頻饋線相連接，基于通直流無源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)供電和管控。獨(dú)立藍(lán)牙信標(biāo)用于提高室內(nèi)定位精度而額外增補(bǔ)，與遠(yuǎn)端信源通過網(wǎng)線相連接，同時(shí)具備供電和管控能力。
圖5 基于有源室分的室內(nèi)定位系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖
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(gè)遠(yuǎn)端信源具有兩個(gè)射頻輸出端口，每個(gè)外接一個(gè)四公分器，再接到四副智慧室分天線�；谒{(lán)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(dú)立放裝式藍(lán)牙信標(biāo)的間距決定。此外，每個(gè) 遠(yuǎn)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(yùn)營(yíng)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(cè)試結(jié)果
室內(nèi)定位精度是指定位結(jié)果和實(shí)際位置之間的誤差值，本次測(cè)試針對(duì)圖5方案進(jìn)行。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)采樣30個(gè)數(shù)據(jù)，繪制CDF（累積分布）圖后， 67%的誤差值稱為該測(cè)試點(diǎn)的室內(nèi)定位精度。圖6為室內(nèi)定位精度的測(cè)試結(jié)果，基于信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)三角定位原理。其中定位精度較差點(diǎn)均為室內(nèi)環(huán)境邊緣處，此時(shí)無法形成標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)定位形狀，定位精度較好點(diǎn)周圍至少有三個(gè)定位參考點(diǎn)。測(cè)試了32個(gè)點(diǎn)，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)定位精度的測(cè)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(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)商在搭建室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)同時(shí)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(lán)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(jìn)入室內(nèi)定位地圖，手機(jī)打開藍(lán)牙后收集周圍多個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)（iBeacon）發(fā)射的MAC地址和信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)信息，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到定位搜索引擎，位置計(jì)算后再發(fā)送給手機(jī)終端，在定位地圖頁面上顯示當(dāng)前位置。選取起點(diǎn)和終點(diǎn)后，系統(tǒng)進(jìn)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
4.3. 微信搖紅包
基于室分天線內(nèi)置藍(lán)牙信標(biāo)（iBeacon），通過微信搖一搖功能，運(yùn)營(yíng)商可以為商家提供搖紅包或廣告推送功能，起到為商場(chǎng)引流作用，也提升了運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)價(jià)值。如圖8所示，商家在微信后臺(tái)申請(qǐng)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(jìn)藍(lán)牙信標(biāo)覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，通過搖一搖周邊獲取UUID、Major和Minor，并通過后臺(tái)獲取對(duì)應(yīng)的結(jié)果頁面鏈接。用戶點(diǎn)擊鏈接后，通過內(nèi)置瀏覽器打開，就可以看到紅包信息了。
圖8 微信搖紅包應(yīng)用
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(chǎng)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(duì)比了三種主流室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)。接下來，結(jié)合運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)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(dá)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)。
文件來源：2018年9月發(fā)表于《互聯(lián)網(wǎng)天地》
