Одна из самых популярных категорий мобильных приложений сегодня та, что предоставляет сервисы с определением местоположения устройства. Многие люди используют системы позиционирования на своих навигационных устройствах, смартфонах и планшетах. Слабая сторона этих решений в том, что использование системы Global Positioning System (GPS) недоступно внутри помещений из-за сильного погашения сигналов стенами и перекрытиями зданий. Таким образом открывается ниша для надежных решений с позиционированием в помещениях.

Сегодня существует ряд подходов и технологий для решения этой задачи. Компания Cisco уже несколько лет работает над позиционированием с помощью технологии Wi-Fi, учитывая распространенность сетей (практически в каждом помещении) и устройств (практически у каждого человека).

Первые разработки начались в 2007 года, когда была приобретена компания Cognio, чей механизм спектрального анализа был встроен в точки доступа Wi-Fi Cisco Aironet. Возможность анализировать эфир на наличие помех и определять их влияние на производительность сети Wi-Fi открыла новые возможности по обеспечению надежности и производительности беспроводных сетей. Появились и новые задачи – понять где находятся источники помех, т.к. найти их не всегда просто, особенно если помехи намеренно создаются злоумышленниками.

С тех пор алгоритм и портфель решений многократно усовершенствовались и сейчас, в 2015 году, Cisco предлагает новейшее решение позиционирование с высокой точностью, позволяющее определить координату Wi-Fi устройства с точностью до 1м. В ближайшие дни Cisco откроет это решение к заказу в России.

Методы позиционирования

Позиционирование в беспроводных сетях можно реализовать несколькими способами:

1. Метод распознавания шаблона.
Данный метод исходит из того, что в каждой точке устройство видит уникальную радио картину. Устройство сканирует радио обстановку – точки доступа и уровень их сигналов, сверяет полученную схему радиосигналов со списком шаблонов и находит координату устройства. Для настройки всей сети необходимо провести длительный процесс сканирования эфира всего помещения, на практике несколько раз, а также проводить регулярную калибровку данных, т.к. в реальности в помещениях постоянно происходят изменения.
Метод обладает преимуществом низких затрат на оборудование, но при этом стоимость владения таким решением будет высокой, а точность позиционирования низкой.

2. По точке доступа, к которой присоединен клиент.
Данный метод имеет преимущество простоты, но в точности страдает. Действительно, зона действия беспроводной сети может быть довольно большой, диаметр пятна засветки может быть 50м и более. Т.о. этот метод – лучше, чем ничего, однако он вряд ли позволит нам собрать аналитику, представляющую ценность для понимания наших клиентов.
Метод скорее позволяет определить присутствие клиента, чем спозиционировать его.

3. Триангуляция.
Этот метод уже несколько лет используется компанией Cisco и заключается он в том, чтобы определить силу сигнала от клиента на 3х-4х точках доступа Wi-Fi и в зоне пересечения возможного расположения клиента относительно каждой точки спозиционировать устройство. Данный метод является довольно информативным. При правильном развесе точек доступа он позволяет с высокой вероятностью определить координату клиента с точностью 5-7м. Хороший сценарий – это точки доступа по периметру помещения и в центре таким образом, чтобы каждая точка в пространстве «слышалась» 3мя-4мя точками доступа Wi-Fi. Препятствия на пути радиосигнала будут мешать точности определения координаты. Статичные препятствия необходимо смоделировать, а движущиеся неминуемо будут оказывать негативное влияние на точность.

Для повышения точности позиционирования в сети Wi-Fi точки доступа необходимо ставить чаще, т.к. угасание сигнала и расстояние от точки доступа имеют экспоненциальную зависимость. Рядом с точкой доступа при удалении от нее снижение уровня сигнала значительное, в отдалении – при удалении снижение уровня сигнала на единицу расстояния меньше и вычислить координату становится сложнее.

Сеть Wi-Fi с возможностями позиционирования помимо точек доступа и контроллера беспроводной сети получает еще один элемент, который будет производить вычисления координат и накапливать данные для аналитики — Mobility Services Engine (MSE). Сегодня емкость MSE позволяет накапливать данные со 100 000 клиентских устройств в течение 2-8 лет (в зависимости от количества генерируемых данных, обычно это соответствует частоте перемещения устройств, и типа MSE). Однако ввиду открывающихся задач, связанных с позиционированием в сетях Wi-Fi, MSE в последующих версиях приобретет распределённую архитектуру, позволяющую собирать данные с миллиона устройств. При этом собранная информация может подаваться на внешний аналитический движок по API практически в реальном времени.
Реализация позиционирования на сети Wi-Fi ведет к дополнительным затратам на развертывание инфраструктуры, при этом низкие затраты на эксплуатацию сети.

4. Ангуляция или позиционирование с определением угла входящего сигнала.
Метод является революционной разработкой Cisco, позволяющей добиться метровой точности позиционирования Wi-Fi клиента. Внешний модуль точного позиционирования, подключенный к модульной точке доступа Cisco Aironet, со специальной антенной позволяет дополнительно определить угол, под которым пришел сигнал и сузить сегмент возможного нахождения Wi-Fi клиента до луча. Применяя метод триангуляции к такой информации от 3-4х точек доступа, мы получаем координату, с высокой вероятностью дающую точность до 1м.

Физически устройство представляет из себя точку доступа Cisco Aironet 3600 или 3700 с включенным модулем точного позиционирования и специальной антенной. Антенна является массивом из 32 антенн, каждая из которых получает сигнал иначе, чем соседняя. Алгоритм позволяет из собранных данных рассчитать угол, под которым пришел сигнал.

Популярным становится использование радиомаячков, использующих Bluetooth Low Energy (BLE) – энергоэффективных устройств, способных подобно пожарному датчику периодически подавать сигналы. Радиомаячки способны определить приближение к ним устройств с включенным BLE и сообщить об этом серверу мобильного приложения, который эту информацию использует как координату устройства.
Радомаячки привлекательны своей низкой ценой, однако стоимость эксплуатации такого решения будет существенной, т.к. необходимо отслеживать реальное местоположение и заряд батареи маячков, при чем делать это путем физического присутствия специалиста на объектах.

Однако при интеграции двух подходов может возникнуть интересное решение. Инфраструктура Wi-Fi обеспечивает общее позиционирование, а уточнение координаты у определенного объекта, для которого принципиально важно в 1м находится от него устройство или в 3х – музейного экспоната, кассы, входа — происходит с помощью радиомаячка. Интеграция сетей Wi-Fi и BLE при этом позволяет добиться снижения затрат на эксплуатацию гибридной сети. На интерфейсе к MSE уже сегодня можно отслеживать реальное местонахождение радиомаячков относительно запланированного, «чужие» радиомаячки, а модуль точного позиционирования имеет в себе встроенный радиомаячок, в котором батарейка не закончится. В плане развития решения точного позиционирования Cisco также мониторинг заряда батареи и использование объединенной информации от Wi-Fi сети и BLE устройств для позиционирования и аналитики.

За инновационный модуль точного позиционирования компания Cisco получила целый ряд наград — Best of INTEROP 2015 в Лас Вегасе (апрель 2015), в Токио (июнь 2015) и Wireless Broadband Alliance в номинации Best WiFi Service Solution for Consumers or Enterprises в Сан Хосе (октябрь 2015). Преимущества метода – высокая точность позиционирования, низкие затраты на эксплуатацию, интеграция с BLE.

Частота обновления координаты

Позиционирование устройства в сети Wi-Fi может использоваться для целого ряда приложений:
А) обнаружение активов, помеченных метками Wi-Fi
Б) подключение к сети Wi-Fi с учетом местонахождения клиента
В) навигация по помещению
Г) отправка высокоэффективных предложений с учетом местонахождения клиента
Д) сбор аналитики поведения клиентов

Для приложений В)-Д) помимо точности позиционирования важна частота, с которой эта координата определяется.
Пока клиентское устройство не подключено к сети Wi-Fi, координата может определяться по пробам (probe requests), которые периодически отправляет устройство. Устройство не подключено к сети Wi-Fi, но мы уже получаем информацию о его передвижении. Пробы отправляются бродкастом, т.е. по всем частотным каналам – все точки доступа могут их услышать и триангуляция по пробам прекрасно работает.
Небольшая проблема состоит в том, что пробы отправляются устройством каждые 15-30-60 секунд в зависимости от алгоритма, заданного производителем устройства. Кроме того, производители мобильных устройств стремятся к сокращению количество отправляемых проб, т.к. это увеличивает энергоэффективность устройства. Собирая данные таким образом мы знаем, что клиент был в точке А и через, например, 30 секунд в точке Б, но не имеем информации о том, что он делал между А и Б. Для навигации в помещении, а также сбора аналитики о поведении клиентов такие промежутки времени также великоваты.

Для повышения частоты определения координаты разработчики Cisco реализовали метод позиционирования устройства по трафику данных, что позволило увеличить частоту сбора данных до 10 раз в минуту — FastLocate.
FastLocate может быть реализован на отдельном модуле для модульных точек доступа Cisco Aironet серий 3600 и 3700. Модуль WSM будет сканировать эфир и собирать информацию для расчета координат устройств примерно каждые 8 секунд.
Второй вариант использования FastLocate подходит для любых точек доступа Cisco Aironet и не требует дополнительного модуля. Точка доступа на короткий промежуток времени выходит из режима обслуживания клиентов и переключается в режим сканирования эфира (Enhanced Local Mode — ELM). В ELM точка, как и в предыдущем случае, собирает информацию для расчета координат устройств и переключается обратно в режим обслуживания клиентов. Такой метод имеет цену в виде снижения производительности сети Wi-Fi примерно на 15%, т.к. точки доступа не могут обслуживать клиентов 100% времени.

Клиентское устройство должно быть подключено к сети Wi-Fi, т.е. в интересах владельца помещения становится предлагать клиентам Wi-Fi подключение, мотивируя клиентов информативностью приложения и специальными предложениями.
Если в результате большая доля клиентов подключится владелец площадки сможет извлечь для себя много информации из подобной аналитики:

Сегодня более 2000 организаций по всему миру используют решения с позиционированием в сетях Cisco Wi-Fi и достигают нового уровня удовлетворенности клиентов, повышают эффективность своего бизнеса и маркетинговых программ.

Об этом оборудовании и технологиях можно узнать на конференции Cisco Connect в рамках потока Инфраструктура корпоративной сети.

Дополнительные материалы
В корпоративном блоге Cisco о решении высокоточного позиционирования
В корпоративном блоге Cisco о решении высокоточного позиционирования
Cisco CMX 10.0 Feature overview and demo video
Официальная web страница Cisco о решении высокоточного позиционирования
Описание решения высокоточного позиционирования
Статья о том, как использовать возможности позиционирования в сетях Wi-Fi