W無線定位之CUPID

文/ 朱堯貞

——網絡老爬蟲（無線新技術專題） 

1      背景

近年來，隨著移動互聯網的興起和大數據的應用，基於WLAN網絡的室內定位技術越來越炙手可熱，在零售、酒店、交通、醫療等眾多的行業內都有著光明的應用前景。但傳統的WLAN定位技術，不論是基於傳輸模型的三角測量法，還是基於采樣的指紋方式，其都依賴於WLAN的信號強度（RSSI）值的準確。受製於室內的應用環境，即受到電磁波的多徑效應、人體對信號的遮擋等原因，RSSI值的變化非常大。雖然人們想了很多的辦法來提高定位的精度，但最終結果並不能令人滿意。因此H3C通過結合ATHEROS芯片底層的信息，並結合一定工程方法的運用，克服了傳統的基於RSSI係統固有的弱點，開發出了一套定位精度較高的CUPID（cupid並非簡稱，名字起源於我司命令行設計）定位係統。

2      概述

CUPID無線定位是一種在WLAN環境中，基於時間差對無線移動終端進行實時精準定位的方案。它與傳統的定位方法相比具有高精度、高實時性、無需采樣的特點，並且支持對關聯終端、非關聯終端以及TAG的定位，它的應用場景將更加廣泛，可以作用於商貿、教育、金融、醫療等各個領域。

3         CUPID定位技術實現

3.1    定位係統組成

CUPID的定位係統主要由定位信息收集設備、定位設備、定位服務引擎、第三方APP及移動終端組成，如圖1所示。

圖1 定位係統組成

主要設備定義：

AC: 不直接參與到定位業務流程中，即定位相關的報文是AP/Server直接交互，不經過AC處理。在這裏AC除了起到傳統意義上的管理AP的職能外，對於定位業務來講還有配置功能，如配置目標服務器的IP地址、端口號、定位功能等。

FIT AP: 除了一般意義上的STA接入功能外，對於定位業務來講其主要的職能是收集待定位目標STA的原始定位相關信息，如信號強度、傳輸時間等，並發送給定位服務器。

Server: 定位引擎所在的服務器，即IMC定位引擎，主要的功能是下發定位請求，並通以AP上報的原始定位信息為輸入，通過一定的計算過程得出目標STA的坐標信息。

MU: 待定位的STA終端，可以是各種類型的WLAN終端，既可以是關聯終端，也可以是非關聯終端。

3.2    實現原理

CUPID定位區別於傳統的基於信號強度的定位方法，采用了基於時間RTT的定位算法，這種方法類似聲納的工作原理，接收和發送的時鍾都來自本地AP的時鍾，避免了單向測量（如GPS係統）的複雜的時鍾同步。由於電磁波以恒定的光速進行傳播，所以隻需要計算報文的時間差，然後和速度相乘便知道AP和STA的距離，如圖2所示。

圖2 CUPID定位原理1

即AP在TOD時間向終端發送一個Probing Packet報文，即Null data報文。經過一段時間後，終端會收到該報文並進行解析，終端處理報文的時間標記為△t。然後終端給AP回應一個ACK報文，AP收到報文的時間標記為TOA。由此我們便知道AP和終端本次報文交互的時間為TOA-TOD-△t,然後AP和終端間的距離D就可以通過公式算出：D = c * (RTT - ∆t) /2,  c是光速 ，RTT=TOA-TOD，為AP收到報文和發出報文的時間差。

當存在至少3個AP的時候，會得出三個距離，然後再通過傳統的三角定位方式就可以得出終端所在的位置，參與定位的AP越多，終端的定位精度越高，如圖3所示。

圖3 CUPID定位原理2

3.3    定位交互流程

3.3.1  關聯終端定位

關聯終端的定位交互如圖4所示。

圖4 關聯STA定位業務交互流程

1.     配置下發階段

AC集中下發定位相關的配置信息，主要包含：

（1）定位模式配置

（2）使能AP上報並配置AP上報服務器的周期

（3）使能/去使能定位功能

（4）定位服務器的IP地址

2.     STA關聯階段

STA終端通過WIFI連接接入網絡。

3.     上報關聯終端列表

AP會通過report報文向定位服務器上報當前AP關聯的STA終端列表，裏麵包含了AP的信息，radio信息以及STA信息。

4.     AP Selection

AP Selection是服務器側的一個功能，主要用來解決大規模部署時可用性的問題。

定位AP的選擇根據終端所關聯的AP進行，以當前STA關聯的AP坐標為基點，選擇坐標最近的5個AP，6個AP一起對STA進行定位。位置跟集合的對應關係會預先計算好，放在內存，定位過程中直接讀取。

5.     定位測量請求

服務器在完成AP的選擇後會根據信道和射頻對選定的AP發出測量請求，請求報文中攜帶了需要測量的STA  MAC和信道。其攜帶的測量終端是列表的形式，一次性的把需要定位的終端地址發給特定的AP。服務器在下發定位請求報文的時候采用周期性調度，並根據上報的STA信息選擇第一個測量的AP，同時確保測量的STA及AP數目，確保定位的準確性和實時性。

6.     定位測量交互

該功能是通過AP與被測量終端的交互實現，即AP接收到來自服務器的測量請求後，向被測量終端連續發送多個NULL-DATA報文、並接收回應的ACK報文，並通過計算得出用於計算坐標的關鍵信息，如TOD、TOA、CSI數據等。

7.     定位測量回應

該功能是AP將測量結果上報給服務器用於計算終端坐標。由於CUPID定位需要較多的信息，因此上報的測量報文是針對一次NULL-DATA/ACK報文交互的數據。

8.     輸出計算坐標

通過收集多個AP上報的測量信息，服務器最終計算出終端的坐標值。在定位過程中，存在一個一直運行的線程，該線程輪詢終端管理器中的所有終端，判斷每個終端的AP測量包數是否足夠。若足夠，則發起一次定位，否則跳過。流程如圖5和圖6所示。

 圖5 定位流程圖

圖6 終端計算過程

得到多個AP的測量結果就可以根據高斯牛頓算法得出STA所在的最終位置。

3.3.2  非關聯終端定位

CUPID非關聯終端定位的流程較關聯終端的定位流程簡單，定位原理上采用的RSSI輔助RTT測量的方式，保證非關聯終端的測量準確度。針對非關聯定位，我們還支持隻上報非關聯終端信息但不進行主動測量的功能。定位流程如下：

1、AP上監聽未關聯終端的Probe Request請求報文。

2、當AP收到Probe Request請求時，查詢是否為本機關聯的STA。

3、若非本機關聯STA，則進行稀釋處理，並通知驅動對STA進行位置測量，測量結束之後平台封裝報文並發送給定位服務器。

4、定位引擎根據MsgType區分關聯及未關聯客戶端，同時向網管查詢AC關聯客戶端信息，用以排除關聯客戶端。

非關聯終端的定位交互如圖7所示。

圖7 非關聯終端定位交互流程

1.     配置下發階段

AC集中下發定位相關的配置信息，主要包含：

（1）定位模式配置

（2）使能AP上報並配置AP上報服務器的周期

（3）使能/去使能定位功能

（4）定位服務器的IP地址

（5）開啟CUPID非關聯定位

（6）定位報文稀釋

2.     定位測量交互

未關聯終端的定位不需要定位服務器發送定位請求，AP會進行主動測量。測量方式也是通過向終端連續發送多個NULL-DATA報文、並接收回應的ACK報文，並通過計算得出用於計算坐標的關鍵信息，如TOD、TOA、CSI數據等。

3.     返回測量請求

AP給服務器上報兩個消息，一個是AP直接上報的信息，報文裏麵包括AP的信息，STA的信息及RSSI信息；另外一個報文是AP對STA進行RTT測量之後返回的報文，裏麵包含了AP的信息，非關聯終端的信息及RTT信息。

4.     輸出測量結果

通過收集多個AP上報的測量信息，服務器最終計算出終端的坐標值。計算過程和關聯終端類似。

3.4      TAG定位

TAG屬於AeroScourt 公司生產的一個自己會發包的定位終端，體積較小。一般將TAG與一些沒有WIFI功能的東西進行綁定使用，便於查找特定的設備，在倉庫、商場等大型環境使用前景廣泛，但是TAG隻能與AeroScourt 自己的服務器進行連接，因此CUPID係統通過對報文進行特殊處理，把TAG當作一個非關聯終端進行定位，且定位效果良好。

4      CUPID定位技術優勢

4.1      高精度定位

無論是傳統的三角定位還是指紋定位，都依賴於信號強度（RSSI），但是信號強度具有電磁波特性，容易受到室內多徑效應的影響，導致信號產生錯誤或者信號失真，並且電磁波容易被水吸收，而人體60%的成分都是水，因此電磁波在被人體遮擋後信號能衰減10~20db。直接影響到終端的定位精度。圖8所示為一個位置的RSSI信號強度變化，在一定範圍內不斷波動。

圖8 RSSI信號采樣

而CUPID定位係統是采用基於時間的算法，接收和發送的時鍾都是本地AP時鍾，高精度的時鍾確保了測量結果的準確性，直接提升了定位精度。並且CUPID定位係統可以識別直射路徑、反射路徑的信號，有效的避免了室內多徑效應的影響。

圖9 CUPID能識別直射信號

4.2      低延遲

CUPID定位係統采用AP對STA進行主動測量，能夠較快的得到STA的位置坐標。降低了測量的延遲。而傳統的定位方法需要大規模采樣再進行位置計算，延遲較高。

4.3      支持跨信道部署

CUPID定位係統支持AP跨信道部署，同信道部署會加劇空口衝突，降低了網絡的接入能力，尤其是在客戶端較多的環境下。而CUPID定位支持跨信道測量，能大幅降低空口衝突，保證接入質量且不會影響STA的定位精度。

4.4      CUPID係統具有高度自動化係統

指紋定位方式需要進行事先采樣之後才能進行測量，這樣的定位方式在一些環境下並不適用，比如大型商貿環境，校園環境。這樣的環境假如出現店鋪分割或者環境變遷，都需要重新采樣之後才能進行定位，增加了用戶的負擔及定位的複雜度。CUPID定位係統不需要事先采樣，也不需要進行手動校準。隻需要將AP按照要求和規則進行部署之後就能直接進行定位。

4.5      CUPID定位係統具有抗睡眠機製

無線定位係統需要AP和STA進行測量交互。手機終端為了節能都會有休眠機製。CUPID定位係統做了有效的抗睡眠機製，能做到即使手機在休眠狀態下也能通過技術手段將其喚醒，令其回應ACK報文，有效的保證了定位的效果及實時性。

CUPID與其他定位技術總結對比如圖10所示。

圖10 CUPID與其他定位技術總結對比

5      應用場景

隨著大數據的崛起，越來越多的商家意識到數據即是資源，掌握了數據才能掌握客戶的需求，才能針對需求做出相應的產品及營銷方案。WIFI定位恰恰給商戶提供了一個真實可信的大數據獲取途徑，商戶可以根據數據進行客流分析、進出店統計、促銷推送等行為。

CUPID定位的主要應用有：

廣告推送

圖11 廣告推送應用

廣告推送是商家非常看重的業務，係統可以實現精準的廣告推送，如基於位置的廣告推送，細分人群的個性推送等。

室內導航

圖12 廣告推送應用

室內導航提供用戶POI的搜索，以及路線的規劃、實時導航等

反向尋車

圖13 反向尋車應用

反向尋車是擴展的導航應用，用於解決大型停車場的找車難的問題。停車時在APP上確認當前位置，購物完成後根據導航找到停車位。商家也可以應用無線定位做一個網絡側的統計分析，包括：單用戶行動軌跡分析

圖14 軌跡分析應用

軌跡分析：記錄用戶的行動軌跡和停留時間，可按日/月/年等粒度進行累計分析，挖掘用戶的行為和消費習慣。

區域熱圖分析

圖15 區域熱圖分析

熱圖分析：記錄不同區域的用戶出現的累加情況，可按日/月/年等粒度進行熱圖呈現，用於確定熱點區域。

門店數據分析

圖16 門店數據分析

門店數據分析：結合線下數據，可實現到店人數、回頭客、客戶分類（如金銀銅牌等），用於指導門店的銷售等。

6      發展趨勢

隨著越來越多的項目都進入雲管理模式，未來我們也會將CUPID定位服務器放在雲端，通過遠程網絡連接就能直接看到具體的定位效果，對於參數的調整，定位效果的調優等等都不需要再奔赴現場，隻需通過上層互聯網就能完成一鍵部署，這將大大增強項目的便利性和可操作性。我們也會繼續根據市場需求導向不斷對CUPID定位係統進行創新和優化，為客戶提供一個更方便更可靠的定位係統。