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(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)。■