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【网络老爬虫第9期-无线新技术专题】无线定位之CUPID

2018-03-15发布
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W无线定位之CUPID

文/ 朱尧贞

——网络老爬虫(无线新技术专题) 


1      背景

近年来,随着移动互联网的兴起和大数据的应用,基于WLAN网络的室内定位技术越来越炙手可热,在零售、酒店、交通、医疗等众多的行业内都有着光明的应用前景。但传统的WLAN定位技术,不论是基于传输模型的三角测量法,还是基于采样的指纹方式,其都依赖于WLAN的信号强度(RSSI)值的准确。受制于室内的应用环境,即受到电磁波的多径效应、人体对信号的遮挡等原因,RSSI值的变化非常大。虽然人们想了很多的办法来提高定位的精度,但最终结果并不能令人满意。因此H3C通过结合ATHEROS芯片底层的信息,并结合一定工程方法的运用,克服了传统的基于RSSI系统固有的弱点,开发出了一套定位精度较高的CUPIDcupid并非简称,名字起源于我司命令行设计)定位系统。


2      概述

CUPID无线定位是一种在WLAN环境中,基于时间差对无线移动终端进行实时精准定位的方案。它与传统的定位方法相比具有高精度、高实时性、无需采样的特点,并且支持对关联终端、非关联终端以及TAG的定位,它的应用场景将更加广泛,可以作用于商贸、教育、金融、医疗等各个领域。


3         CUPID定位技术实现

3.1    定位系统组成

CUPID的定位系统主要由定位信息收集设备、定位设备、定位服务引擎、第三方APP及移动终端组成,如图1所示。

定位系统组成

主要设备定义:

AC不直接参与到定位业务流程中,即定位相关的报文是AP/Server直接交互,不经过AC处理。在这里AC除了起到传统意义上的管理AP的职能外,对于定位业务来讲还有配置功能,如配置目标服务器的IP地址、端口号、定位功能等。

FIT AP除了一般意义上的STA接入功能外,对于定位业务来讲其主要的职能是收集待定位目标STA的原始定位相关信息,如信号强度、传输时间等,并发送给定位服务器。

Server定位引擎所在的服务器,即IMC定位引擎,主要的功能是下发定位请求,并通以AP上报的原始定位信息为输入,通过一定的计算过程得出目标STA的坐标信息。

MU待定位的STA终端,可以是各种类型的WLAN终端,既可以是关联终端,也可以是非关联终端。

3.2    实现原理

CUPID定位区别于传统的基于信号强度的定位方法,采用了基于时间RTT的定位算法,这种方法类似声纳的工作原理,接收和发送的时钟都来自本地AP的时钟,避免了单向测量(如GPS系统)的复杂的时钟同步。由于电磁波以恒定的光速进行传播,所以只需要计算报文的时间差,然后和速度相乘便知道APSTA的距离,如图2所示。

2 CUPID定位原理1

APTOD时间向终端发送一个Probing Packet报文,即Null data报文。经过一段时间后,终端会收到该报文并进行解析,终端处理报文的时间标记为△t。然后终端给AP回应一个ACK报文,AP收到报文的时间标记为TOA。由此我们便知道AP和终端本次报文交互的时间为TOA-TOD-t,然后AP和终端间的距离D就可以通过公式算出:D = c * (RTT - t) /2,  c是光速 ,RTT=TOA-TOD,为AP收到报文和发出报文的时间差。

当存在至少3AP的时候,会得出三个距离,然后再通过传统的三角定位方式就可以得出终端所在的位置,参与定位的AP越多,终端的定位精度越高,如图3所示。

3 CUPID定位原理2

3.3    定位交互流程

3.3.1  关联终端定位

关联终端的定位交互如图4所示。

交互流程

关联STA定位业务交互流程

1.     配置下发阶段

AC集中下发定位相关的配置信息,主要包含:

1)定位模式配置

2)使能AP上报并配置AP上报服务器的周期

3)使能/去使能定位功能

4)定位服务器的IP地址

2.     STA关联阶段

STA终端通过WIFI连接接入网络。

3.     上报关联终端列表

AP会通过report报文向定位服务器上报当前AP关联的STA终端列表,里面包含了AP的信息,radio信息以及STA信息。

4.     AP Selection

AP Selection是服务器侧的一个功能,主要用来解决大规模部署时可用性的问题。

定位AP的选择根据终端所关联的AP进行,以当前STA关联的AP坐标为基点,选择坐标最近的5AP6AP一起对STA进行定位。位置跟集合的对应关系会预先计算好,放在内存,定位过程中直接读取。

 

5.     定位测量请求

服务器在完成AP的选择后会根据信道和射频对选定的AP发出测量请求,请求报文中携带了需要测量的STA  MAC和信道。其携带的测量终端是列表的形式,一次性的把需要定位的终端地址发给特定的AP。服务器在下发定位请求报文的时候采用周期性调度,并根据上报的STA信息选择第一个测量的AP,同时确保测量的STAAP数目,确保定位的准确性和实时性。

6.     定位测量交互

该功能是通过AP与被测量终端的交互实现,即AP接收到来自服务器的测量请求后,向被测量终端连续发送多个NULL-DATA报文、并接收回应的ACK报文,并通过计算得出用于计算坐标的关键信息,如TODTOACSI数据等。

7.     定位测量回应

该功能是AP将测量结果上报给服务器用于计算终端坐标。由于CUPID定位需要较多的信息,因此上报的测量报文是针对一次NULL-DATA/ACK报文交互的数据。

8.     输出计算坐标

通过收集多个AP上报的测量信息,服务器最终计算出终端的坐标值。在定位过程中,存在一个一直运行的线程,该线程轮询终端管理器中的所有终端,判断每个终端的AP测量包数是否足够。若足够,则发起一次定位,否则跳过。流程如图5和图6所示。

 定位流程图

终端计算过程

得到多个AP的测量结果就可以根据高斯牛顿算法得出STA所在的最终位置。

3.3.2  非关联终端定位

CUPID非关联终端定位的流程较关联终端的定位流程简单,定位原理上采用的RSSI辅助RTT测量的方式,保证非关联终端的测量准确度。针对非关联定位,我们还支持只上报非关联终端信息但不进行主动测量的功能。定位流程如下:

1AP上监听未关联终端的Probe Request请求报文。

2、当AP收到Probe Request请求时,查询是否为本机关联的STA

3、若非本机关联STA,则进行稀释处理,并通知驱动对STA进行位置测量,测量结束之后平台封装报文并发送给定位服务器。

4、定位引擎根据MsgType区分关联及未关联客户端,同时向网管查询AC关联客户端信息,用以排除关联客户端。

非关联终端的定位交互如图7所示。

非关联终端定位交互流程

 

1.     配置下发阶段

AC集中下发定位相关的配置信息,主要包含:

1)定位模式配置

2)使能AP上报并配置AP上报服务器的周期

3)使能/去使能定位功能

4)定位服务器的IP地址

5)开启CUPID非关联定位

6)定位报文稀释

2.     定位测量交互

未关联终端的定位不需要定位服务器发送定位请求,AP会进行主动测量。测量方式也是通过向终端连续发送多个NULL-DATA报文、并接收回应的ACK报文,并通过计算得出用于计算坐标的关键信息,如TODTOACSI数据等。

3.     返回测量请求

AP给服务器上报两个消息,一个是AP直接上报的信息,报文里面包括AP的信息,STA的信息及RSSI信息;另外一个报文是APSTA进行RTT测量之后返回的报文,里面包含了AP的信息,非关联终端的信息及RTT信息。

4.     输出测量结果

通过收集多个AP上报的测量信息,服务器最终计算出终端的坐标值。计算过程和关联终端类似。

3.4      TAG定位

TAG属于AeroScourt 公司生产的一个自己会发包的定位终端,体积较小。一般将TAG与一些没有WIFI功能的东西进行绑定使用,便于查找特定的设备,在仓库、商场等大型环境使用前景广泛,但是TAG只能与AeroScourt 自己的服务器进行连接,因此CUPID系统通过对报文进行特殊处理,把TAG当作一个非关联终端进行定位,且定位效果良好。


4      CUPID定位技术优势

4.1      高精度定位

无论是传统的三角定位还是指纹定位,都依赖于信号强度(RSSI),但是信号强度具有电磁波特性,容易受到室内多径效应的影响,导致信号产生错误或者信号失真,并且电磁波容易被水吸收,而人体60%的成分都是水,因此电磁波在被人体遮挡后信号能衰减10~20db。直接影响到终端的定位精度。图8所示为一个位置的RSSI信号强度变化,在一定范围内不断波动。

8 RSSI信号采样

CUPID定位系统是采用基于时间的算法,接收和发送的时钟都是本地AP时钟,高精度的时钟确保了测量结果的准确性,直接提升了定位精度。并且CUPID定位系统可以识别直射路径、反射路径的信号,有效的避免了室内多径效应的影响。

9 CUPID能识别直射信号

4.2      低延迟

CUPID定位系统采用APSTA进行主动测量,能够较快的得到STA的位置坐标。降低了测量的延迟。而传统的定位方法需要大规模采样再进行位置计算,延迟较高。

4.3      支持跨信道部署

CUPID定位系统支持AP跨信道部署,同信道部署会加剧空口冲突,降低了网络的接入能力,尤其是在客户端较多的环境下。而CUPID定位支持跨信道测量,能大幅降低空口冲突,保证接入质量且不会影响STA的定位精度。

4.4      CUPID系统具有高度自动化系统

指纹定位方式需要进行事先采样之后才能进行测量,这样的定位方式在一些环境下并不适用,比如大型商贸环境,校园环境。这样的环境假如出现店铺分割或者环境变迁,都需要重新采样之后才能进行定位,增加了用户的负担及定位的复杂度。CUPID定位系统不需要事先采样,也不需要进行手动校准。只需要将AP按照要求和规则进行部署之后就能直接进行定位。

4.5      CUPID定位系统具有抗睡眠机制

无线定位系统需要APSTA进行测量交互。手机终端为了节能都会有休眠机制。CUPID定位系统做了有效的抗睡眠机制,能做到即使手机在休眠状态下也能通过技术手段将其唤醒,令其回应ACK报文,有效的保证了定位的效果及实时性。

CUPID与其他定位技术总结对比如图10所示。

10 CUPID与其他定位技术总结对比


5      应用场景

随着大数据的崛起,越来越多的商家意识到数据即是资源,掌握了数据才能掌握客户的需求,才能针对需求做出相应的产品及营销方案。WIFI定位恰恰给商户提供了一个真实可信的大数据获取途径,商户可以根据数据进行客流分析、进出店统计、促销推送等行为。

CUPID定位的主要应用有:

广告推送

图片9.png

11 广告推送应用

广告推送是商家非常看重的业务,系统可以实现精准的广告推送,如基于位置的广告推送,细分人群的个性推送等。

室内导航

图片9.png

12 广告推送应用

室内导航提供用户POI的搜索,以及路线的规划、实时导航等

反向寻车

图片10.png

13 反向寻车应用

反向寻车是扩展的导航应用,用于解决大型停车场的找车难的问题。停车时在APP上确认当前位置,购物完成后根据导航找到停车位。商家也可以应用无线定位做一个网络侧的统计分析,包括:单用户行动轨迹分析

14 轨迹分析应用

轨迹分析:记录用户的行动轨迹和停留时间,可按日//年等粒度进行累计分析,挖掘用户的行为和消费习惯。

 

区域热图分析

15 区域热图分析

热图分析:记录不同区域的用户出现的累加情况,可按日//年等粒度进行热图呈现,用于确定热点区域。

门店数据分析

16 门店数据分析

门店数据分析:结合线下数据,可实现到店人数、回头客、客户分类(如金银铜牌等),用于指导门店的销售等。


6      发展趋势

随着越来越多的项目都进入云管理模式,未来我们也会将CUPID定位服务器放在云端,通过远程网络连接就能直接看到具体的定位效果,对于参数的调整,定位效果的调优等等都不需要再奔赴现场,只需通过上层互联网就能完成一键部署,这将大大增强项目的便利性和可操作性。我们也会继续根据市场需求导向不断对CUPID定位系统进行创新和优化,为客户提供一个更方便更可靠的定位系统。


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1
zhiliao_2Fq1d 知了小白
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zhiliao_xiIJv 知了小白
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