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  • 基于运营商网络的室内定位技术及应用研究

  • 发布时间:2019-01-12 18:24
  • 4.09K
  •   位置服务(LBS,Location Based Services)是一种通过定位系统获取终端位置信息,为用户提供与位置相关信息的服务。近年来,基于全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)的室外位置服务已经广泛应用于日常生活中,方便了人民的日常生活,创造了巨大的商业价值。然而,由于建筑物遮挡了卫星定位信号,室内位置服务依然没有得到普及应用。

      随着室内定位技术的不断发展,室内位置服务已经逐步应用于公共安全、人员防丢、商业娱乐、无人设备、智慧物流和特殊人群关爱等领域,如图1所示。其中,公共安全领域,室内位置服务可为受困人员疏散和救援人员调度提供路线引导;人员防丢领域,室内位置服务可对儿童位置进行定位及监控,减小犯罪行为的发生;商业娱乐领域,室内位置服务可为手机用户提供目标店铺导航,支持基于位置服务的虚拟现实和增强现实游戏;无人设备领域,室内位置服务将为其提供室内导航能力,实现无人车辆室内停车场自动泊车;智慧物流领域,室内位置服务实现危险品位置监管,提升货物管理效率;特殊人群关爱领域,室内位置服务使得老年人无人监护管理成本大幅降低。

      据预测表明,2020年室内位置服务市场规模将超2万亿。目前室内位置服务已经展现出巨大的市场需求,未来随着市场的完善与室内定位技术的普及,位置服务市场必将实现高速增长。运营商作为移动通信服务提供商,天然具备规模建网能力,不愿错过室内位置服务的巨大市场。但目前运营商并没有合适的规模化室内定位建网方案,造成这一现状的原因既包括技术因素,又包括市场因素。本论文将针对基于运营商网络的室内定位技术及应用开展研究,提出两种室内定位系统方案,解决了现有技术存在的问题,满足了运营商低成本、高精度的室内定位建网要求。同时,本论文还将介绍室内定位精度测试结果,室内位置导航和微信摇红包业务,并分析运营商在基于室内定位应用中的技术优势。

      面对室内定位服务的巨大市场,互联网公司开始积极布局蓝牙和WiFi室内定位技术,运营商也开始探索基于通信基站的室内定位技术。其中:

      1)通信基站定位:该技术是在网络端测算移动终端发送的信号,并进行位置计算。其定位过程是由多个通信基站同时检测移动终端发射的信号,将各接收信号携带与移动终端位置有关的特征信息送到信息处理中心,计算出移动终端的位置。通信基站定位技术采用的定位算法包括Cell ID定位、信号场强三角定位、信号场强指纹库定位和到达时间三角定位。

      2)WiFi定位:该技术由于WiFi网络的普及变得非常流行,室内会部署有热点(AP),每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址。WiFi终端可以程序控制扫描并收集周围的AP信号,获取到AP广播出来的MAC地址和信号强度。MAC地址可以决定归属于哪个AP范围内,信号强度可以推算出终端和AP的距离。WIFI终端将这些数据发送到位置服务器,服务器就可以计算出设备的室内位置并返回到用户设备。WiFi定位技术采用的定位算法包括Cell ID定位、信号场强三角定位、信号场强指纹库定位。

      3)蓝牙定位:该技术目前部署得比较多,也是相对比较成熟的技术。蓝牙跟WiFi的区别不是太大。2013年,苹果发布了基于蓝牙4.0低功耗协议(BLE)的iBeacon协议,主要针对零售业应用,引起广泛关注。iBeacon蓝牙信标技术的正常运作,需要蓝牙信标硬件、智能终端上的应用、云端上的应用后台协同工作。信标通过蓝牙向周围广播自身的ID,终端上的应用在获得附近信标的ID后会采取相应行动,如从云端后台提取此ID对应的位置信息、营销资讯等。终端可以测量其所在处的接收信号强度,以此估算与信标间的距离。蓝牙定位技术采用的定位算法包括Cell ID定位、信号场强三角定位、信号场强指纹库定位。

      主流室内定位算法可以划分为Cell ID定位算法、信号场强三角定位算法、信号场强指纹库定位算法和到达时间三角定位算法。其中:

      1)Cell ID定位算法:定位精度较低,为定位基站间距的1/2。根据下行或上行信号场强,判断用户归属定位设备。根据用户归属定位设备的室内位置,估计用户室内位置。

      2)信号场强三角定位算法:定位精度适中,为定位基站间距的1/3。根据下行或上行信号场强计算路径损耗,根据路径损耗计算定位设备和用户之间的距离(差),根据三角定位原理计算用户室内位置。

      3)信号场强指纹库定位算法:定位精度适较高,为定位基站间距的1/4。采集下行或上行信号场强指纹库,根据下行或上行测量用户的信号场强,将测量结果在指纹库中匹配,估计用户室内位置。

      4)到达时间三角定位算法:定位精度适较高,为定位基站间距的1/4。几个定位设备测量同一个用户的上行信号时延,根据时延计算定位设备和用户之间的距离(差),根据三角定位原理计算用户室内位置。

      1)定位方式:通信基站定位技术为被动式,即用户无需开启任何应用程序,在终端接入通信网络时即完成了室内定位功能,适合于运营商大数据分析。WiFi和蓝牙技术为主动式,即用户需要开启WiFi和蓝牙,有时还需要打开应用程序才能完成室内定位功能,适合于个人应用,例如室内定位导航等。

      2)定位精度:三中主流室内定位技术的定位精度主要由定位算法和定位基站间距决定,即定位算法越复杂,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决定了室内定位成本。

      3)设备成本:根据目前市场报价分析,通信基站成本最高,达到千元级别,WiFi设备成本为百元级别,蓝牙设备成本为十元级别,在设备成本方面,蓝牙定位技术具有明显的设备成本优势。

      4)维护成本:通信基站已有日常巡检和维护操作,该定位技术的维护成本最低,而WiFi和蓝牙设备为独立设备,需要安排专人定期进行维护检修,因此这两项定位技术的维护成本最高。

      5)用户安全性:通信基站和蓝牙定位技术的安全性较高,WiFi技术的安全性较低。由于商用WiFi技术门槛低,在公共场所搭建一个虚假WiFi环境发射信号诱导用户连接使用,这在技术上非常容易做到,为黑客搞定用户账户和密码创造了巨大风险。

      6)微信摇一摇:三种定位技术中仅有蓝牙支持微信摇一摇。微信摇一摇是指当用户走到商家门前时,开启蓝牙并用微信摇一摇周边,就可以获取优惠券和广告等信息,目前在O2O领域广泛应用。

      7)终端适配度:通信基站定位技术仅支持特定运营商终端,具有一定局限性,而WiFi和蓝牙定位技术可以支持全部终端。

      通信网具有良好的覆盖,但由于现有通信网主要面对通信需求,并未针对定位需求进行优化,因此通信网在定位领域处于边缘地位[5]。目前运营商室内通信网主要分为两大类:无源室分,以无源DAS为代表,有源室分,以分布式皮站为代表。其中,无源DAS由RRU信源和无源室分天线组成,由于无源室分天线无法进行独立区分,因此无源DAS不具备室内定位能力。分布式皮基站平均站间距为30-40米,定位精度大于10米,无法满足室内定位需求,如果要实现5-7米室内定位精度,皮基站间距需要缩小至20米,大幅提高了室内通信络建设成本。因此,目前运营商暂时没有可以大规模应用的室内定位技术。

      目前室内定位应用主要分为两大类,主动定位应用和被动定位应用。其中,主动定位应用以室内定位导航为代表,用户主动打开应用APP调用定位导航软件,适合采用蓝牙定位技术。被动定位应用以室内大数据分析为代表,运营商通过收集大量用户信息进行特征人群画像分析,适合采用通信基站定位技术。接下来详细介绍针对无源室分和有源室分的运营商级室内定位系统。

      本论文提出的基于无源室分的室内定位系统如图2所示,包括基带单元、近端信源、智慧室分天线和独立放装式蓝牙信标。其中,近端信源在实际应用时可以采用大功率宏站或中等功率微站实现,其内部集成蓝牙网关。智慧室分天线为内置蓝牙信标的室分天线,与近端信源通过射频馈线相连接,基于通直流无源网络实现供电和管控。独立放装式蓝牙信标用于提高室内定位精度而额外增补,与智慧室分天线内置的蓝牙信标相互通信实现管控能力。

      基于无源室分的室内定位系统组网示意图如图3所示,近端信源具有两个射频输出端口,每个外接一个四公分器,其输出射频端口再外接一个四公分器,最后接到四副智慧室分天线。基于蓝牙定位技术,该方案可提供的定位精度由智慧室分天线和独立放装式蓝牙信标的间距决定。

      本论文提出的基于有源室分的室内定位系统如图4所示,包括基带单元、路由单元、远端信源、智慧室分天线和蓝牙信标。其中,远端信源在实际应用时可以采用皮基站实现,其内部集成蓝牙网关。智慧室分天线为内置蓝牙信标的室分天线,与远端信源通过射频馈线相连接,基于通直流无源网络实现供电和管控。独立蓝牙信标用于提高室内定位精度而额外增补,与远端信源通过网线相连接,同时具备供电和管控能力。

      基于有源室分的室内定位系统组网示意图如图5所示,每个远端信源具有两个射频输出端口,每个外接一个四公分器,再接到四副智慧室分天线。基于蓝牙定位技术,该方案可提供的定位精度由智慧室分天线和独立放装式蓝牙信标的间距决定。此外,每个远端信源还可以提供室内用户大数据收集和分析能力。

      室内定位精度是指定位结果和实际位置之间的误差值,本次测试针对图5方案进行。每个测试点采样30个数据,绘制CDF(累积分布)图后,67%的误差值称为该测试点的室内定位精度。图6为室内定位精度的测试结果,基于信号场强三角定位原理。其中定位精度较差点均为室内环境边缘处,此时无法形成标准三点定位形状,定位精度较好点周围至少有三个定位参考点。测试了32个点,平均定位精度为3.7米,可以满足室内定位应用需求。

      采用本论文提出的基于运营商网络的室内定位系统,运营商在搭建室内通信网络同时就完成了室内定位网络搭建,大幅降低了室内定位网络成本。基于蓝牙定位技术,可以为全部终端用户(人和物)提供室内位置导航服务。如图7所示,通过微信摇一摇界面进入室内定位地图,手机打开蓝牙后收集周围多个蓝牙信标(iBeacon)发射的MAC地址和信号场强信息,通过移动通信网络上传到定位搜索引擎,位置计算后再发送给手机终端,在定位地图页面上显示当前位置。选取起点和终点后,系统进行路径规划并显示,通过文字、语音、图示等引导用户走向目的地。

      基于室分天线内置蓝牙信标(iBeacon),通过微信摇一摇功能,运营商可以为商家提供摇红包或广告推送功能,起到为商场引流作用,也提升了运营商网络价值。如图8所示,商家在微信后台申请iBeacon的UUID、Major和Minor后,配置摇一摇周边的结果页面,如优惠券或红包。当用户走进蓝牙信标覆盖范围内时,通过摇一摇周边获取UUID、Major和Minor,并通过后台获取对应的结果页面链接。用户点击链接后,通过内置浏览器打开,就可以看到红包信息了。

      本论文首先分析了室内位置服务的巨大市场需求及应用领域,介绍了主流室内定位工作原理和室内定位算法,对比了三种主流室内定位技术的优劣势。接下来,结合运营商的通信网络能力,提出了基于无源室分和有源室分的室内定位系统,满足了运营商低成本、高精度和普适性的室内定位建网需求。最后,介绍了室内定位系统的定位精度达到3.7米,满足室内定位应用需求,可以提供室内位置导航和微信摇红包等业务。

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