很多尝试进入移动互联网行业的人,对室内定位系统很感兴趣,这项技术带来了很多创新的O2O商业模式,包括产品思路。

但对室内定位的技术商业化前景,用WiFi还是Beacon?我想目前很多人都是不太确定的。BAT几个巨头也是一波WiFi大战过后又来Beacon大战。在此,EDN的编辑采访整理了一些业界工程师的非官方观点,供大家讨论交流。

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精度/成本/开发难度,三个角度PK定位方式Beacon与Wi-Fi

知乎网友猴八斤供职于上海矽睿科技有限公司(联系请至:business@qstcorp.com)。以下整理转发了他的个人见解,包括这两种定位方式在精度、网络建设成本和上层应用开发容易程度。他拜托EDN小编在此声明以下为其个人观点,如有纰漏欢迎大家一起留言讨论。

1.精度

首先我们弄清楚一点。2.4GHz因为是ISM band没有license,所以大家都喜欢用。Wi-Fi 802.11BGN、 蓝牙、Zigbee甚至Project Loon的通信链路都是它,看起来无所不能。但是这是不是意味着这个频段就适合做所有的工作呢?答案是否定的,最起码对于室内定位这一项来说。

先来说一个可能很多人都不知道的事实吧,大家有没有注意到甚至好奇为什么Wi-Fi信道的频率上限大概是2.45 GHz。(见下图,来源wikipedia by Michael Gauthier)

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恩...其实主要的原因之一是因为微波炉的主要辐射的中心频率是2.45 GHz。而即使有很好的电磁屏蔽,微波炉泄露的功率仍然可以大大影响Wi-Fi的信号。

曾经去朋友家做客,在我说完上述这段话后他恍然大悟:“难怪我一微波网就断了!”

那么,微波炉是靠什么加热的呢?让水分子振动,分子摩擦碰撞产生热能。这个过程是电磁波能量被吸收转化成热能的过程。这个过程同样会发生在Wi-Fi和蓝牙的身上,换言之,人体会对信号产生极大的衰减!

同事说过这样一句话,在你和iBeacon之间站个特别大的胖子,定位误差一下子就上去了。很可悲的是,这是事实。

有观点说对比于Wi-Fi,iBeacon的信号衰减很快速,线性区间很小。我假设X轴是距离,Y是接收到的信号强度或者路径衰减吧。Wi-Fi和蓝牙同样是2.4GHz,难道信道特性差了很多?怎么可能!距离和衰减之间的关系无论是直接用线性拟合还是套用其他更复杂的公式,从来没有看到过说发射功率的不同会对衰减特性有影响!附上最简单的一幅图,"FSPL for common 802.11 frequency bands" by Sss41,来自wiki。

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好,再转回精度的问题吧。

Wi-Fi和iBeacon的定位精确度谁好谁坏非常不好说,精度很大程度取决于应用环境,影响因素主要是节点的密度、布设位置、环境的复杂程度以及ibeacon是否使用三边定位。

多数情况下,Wi-Fi节点密度太低,不能给出十分精确的定位结果。我很难想象会有人为了更精准的定位而在现有的Wi-Fi系统中新加入路由器。Wi-Fi指纹采集将会让精度有一个质的飞跃,只可惜指纹会随着建筑物内部环境的变动而变动。就我本身的知识而言,每三个月或半年就需要重采一次以保证高精度。更复杂的指纹匹配算法能在保证精度的同时降低采集频率,这里就不展开说了。另外一个提高精度的方法就是和惯性导航结合起来,在瞄准的客户端都是智能手机的前提下这种方案几乎被所有的厂商采用,并且事实证明确实能提高精度(各家的算法在惯导上拼得跟绝对定位一样激烈)。

iBeacon系统因为属于新设系统,保证不串扰过度的情况下可以布得很密,当然这个要考虑成本。Proximity系统我们就不说了,根据POI的个数和位置可以自由调整所需节点的个数。这里我们重点讨论和Wi-Fi定位同样的,需要覆盖使用场景的三边定位。现在几乎所有的iBeacon节点都是用电池供电的,每个iBeacon节点的发射功率并不能调的过高否则后续维护频率会过高。这就意味着iBeacon节点不能太稀疏。以我目前的经验来看,假定使用的是普通纽扣电池,电池使用寿命不少于6个月(如果可以容忍很慢的位置刷新频率的话,电池使用寿命可以更长),想实现三边定位的话节点的密度大概为三十平方米左右一个(办公区域)到七八十平方米一个(室内或室外开阔空间)的水平。使用以上的布置,我们的团队做到了3米的精度(只靠BLE),对于大多数应用还是可以接受的。

这里就有一个我很喜欢强调的观点:定位精度、硬件成本以及算法复杂度之间肯定是要有互相妥协的,三个变量函数对应等号的另外一端是你要求达到的客户体验。个人观点:Wi-Fi的定位精度对于大多数室内应用来说应该是足够的,5m哪怕是10m以内,左右走两步看看就基本上可以找到你要找的东西。而且Wi-Fi暂时有一个iBeacon短期之内做不到或者很难做的优势:可以反向定位。

2.网络建设整体成本

首先,一个室内定位系统的成本一定会包含地图制作的成本,这个成本可大可小。有了室内建筑蓝图,还是可以很容易地制作出精度比较高的室内地图的。但是如果是像笔者知道的有的企业靠人工丈量——时间成本就不提了,精度有保证么?

就定位系统成本来说,如果不考虑新加节点的话,Wi-Fi三边定位可以认为是最小的。你需要的仅仅是软件层面的适配,不论是正向还是反向定位。Wi-Fi指纹匹配系统的话,成本就要高很多,主要是收集和更新指纹的成本。

如上文所说,如果要实现三边定位的话iBeacon系统需要布设大量的蓝牙节点。对于大型应用场景来说节点的数量不容小觑。以一个三万平米的商场为例,平均五十平方米布置一个节点的话,覆盖全部范围需要600个节点。以大量生产每个三十RMB左右的成本计算,需要18K RMB。听起来还可以对吧?但是!在目前的BLE框架下实现全自动的电量监测汇报很困难。如果使用诸如CSR MESH之类的技术的话操作不当甚至会更快地耗尽电池,得不偿失。那么,商场或者需要派人经常性巡检,或者需要每年把全部节点的电池换一遍,还要担心在商场里随时会出现service outage(这不是开玩笑,蓝牙节点里总会有次品,会用数倍于其他节点的速度烧干电池!)。我想这对于商家来说是近乎不可接受的。

3.上层应用开发

应用开发层面从上往下包含UI、地图、算法等几个部分。据我所知,Wi-Fi和iBeacon在这几个方面的难易程度几乎没有任何区别。除了一点,iOS系统在iOS5还是iOS6时代(具体我记不清了),下架了所有的Wi-Fi扫描类APP并且关闭了公用的API。后续的类似应用或者是基于Wi-Fi的定位APP几乎都是用私有API实现的,而且结果似乎都不理想。但是好像最近在iOS8上情况有了变化,请知道的同学不吝赐教,多谢。

总的来说我的观点是:对于中小型应用场景,在布设成本和维护成本可以接受的情况下,可以考虑用iBeacon系统来做比较高精度的室内定位。而对于大型应用场景,使用Wi-Fi和惯导覆盖大部分的区域,配合在关键路口、POI布设的iBeacon节点进行临近定位校准,方为上上之策。

定位算法业者眼中的Beacon与Wi-Fi

很多朋友对Beacon的定位方案与Wi-Fi定位在准确度、网络建设整体成本和上层应用开发容易程度上存在疑问,来自知乎的网友沈晓龙是一位WiFi/beacon等多种无线信号定位算法从业人员,以下是他的分享:

1.准确度:

本身,WiFi的定位精度呈现出一个方差较大的高斯,均值在5m左右,而决定因素通常来说取决于建设成本。而这里面的建设成本又分为硬件成本和初始化成本。通常来说,实验室环境我见过0.7m的,而通常工业应用大概在4~6m之间,而还有一些仁兄不知道为什么还是做到了10m开外。具体什么什么,在下面的分析中再讲吧。

对应的,beacon的定位精度呈现出一个方差较小的高斯,均值在3m左右,而决定因素通常来说不受太多东西的影响了,真的看过beacon的信号,你会发现它是一个非常漂亮的快速衰落到平稳后的样子,而几乎线性衰落的区间真的是很容易很短...所以这东西适合用来做什么呢,做近距离的近场确认。但是这东西就如同给了一个小范围的圈圈,那么理想情况下,是可以做到2~3m的精度的。但是本身蓝牙没办法做很好的基于RSSI的方案来实现一个连续性很高的定位,所以如果要实现一个还不错的,连续性的,可定位的系统,对于安装布设的要求会很高。

2.建设成本:

按照刚才说的,不同的精度对应了不同的建设成本。

WiFi定位的实现方式,有很多种,总的来说分成我需要自己安装硬件的壕方案,和我就用现成信号的壕方案。

那么安装硬件的方案呢,我现在看过的除了一些创业者的工作,还是主要说cisco/高通/Aruba之类的做的吧,这些的部署成本大概一个商场需200万RMB,定位精度呢,平均在7m左右。

那么用现成信号的方案呢,经典的做法大概没什么硬件成本(不排除有些大厂会带着自己的设备采集...不过会被保安大大打出去吧),但是时间成本比较高,大概一个商场按平均 5 层算起来大概需要个15天能够完成初始化设置(采信号嘛)。。。而现在我看到的最快的方案同等量级也大概在2天左右吧。而且初始化的时候大概需要专业的工程师(人员成本)。某种程度上,这里付出的时间成本会在很大程度上与精度相关联。而大部分我看到的方案,大概也能做到7m左右的精度。

我们就假设精度差不多的条件下,WiFi就是硬件方案的成本为采购成本(200W RMB),而软件方案的成本为时间成本(ave 5days)和人员成本(工程师工资)。

那么beacon的建设成本就好估量很多了,如果按照精度保持2m的这个优势的状况的话,那么请以3平方米一个beacon的价格估算建设成本,再加上布设 这些的人员成本..如果客官您说也要7m行不行,原来的我我只能说,臣妾做不到啊,这个要不然就超出了有效范围,要不就没法用RSSI对吧,可是如果, 嗯,您愿意用大概5平米一个beacon的价格建设呢,我差不多做个7m的精度出来也是满满当当可以的。

所以精度差不多的情况下,beacon的建设成本约为5平米(有效面积,墙里面又不用做)加布设成本(人员工资)。

3.应用开发难度:

显然,对于WiFi软件方案和beacon提供的定位,就是SDK、API的调用,无论WiFi还是beacon的方案。自然功能提供商可能要跟手机硬件厂商扯皮,不过这个也不是开发者关心的了吧。

不过这里面值得一提的便是,WiFi硬件解决方案的话,需要连接他们的WiFi来实现定位功能。而WiFi的那种我反正不用连你们路由器,我就用你们信号的机(liu)智(mang)的实现方式就大概没这个问题了。

剩下的,就是精度对于您app开发的难度的影响了,如果您足够机智,可以在拿到相关信息之后自己再写算法啊,优化啊,跟地图app拿到原始GPS结果之后做的大量算法优化一样,把结果搞的好看一点,那么,sorry了,这个难度貌似是不小...

4.成功应用案例:

各位大大啊,beacon不是设计来做定位的啊,你们实在是强求了啊...

做个近场checkin,发发优惠券,传达传达必要信息就好了嘛...硬要拿它做定位,然后用定位的精度去要求也是不那么合理的..

因为本身,你定位精度准了,不也就是用来实现一些功能么,那么实话就是,更精细的定位精度,beacon也做不了,在它精度范围内的功能,就是check-in能够做到的事情,那么,的话,你管它准不准呢,位置服务从来都是用来支持 service不是么~

两点驳斥 + iBeacon的真正优点缺点

最后,附上网友猴八斤对iBeacon优缺点的解读。

两点驳斥:

作为一个目前正在做相关系统的人,首先我先驳斥一下iBeacon或者更广层面说BLE技术可以做到毫米级别定位精度的说法:信道衰减模型描述实际信号的衰减有多么不靠谱你造么?芯片发射功率有多不稳定你造么?2.4GHz被人体吸收得多厉害你造么?!

其次,再来驳斥一下有关只能做到5米左右还需要一大堆节点的说法,这个我只能说您并没有真正摸过系统。排除多次平均以及结合地图信息不说,如果室内的环境不是特别复杂而且算法所使用的模型基本匹配的话,每三十平方米一个节点做到3-5米的精度(我指半径)还是可以的。多次平均加错误结果排除的话在中心区域精度高于两米也是完全OK的!最起码我们用自己的办公区域实验(哎。。可以说是最差的实验环境之一)也做到了三米的精度。

再补充点iBeacon相对于其他定位系统的优势:

一、功率小可以做到无源,普通的节点可以工作几个月到一两年没有问题。这个优势可大可小,有些实用场景譬如说商场的户外部分或者是停车场很难找到电源插座。

二、基于第一点iBeacon系统可以布得比较密,一个Wi-Fi router可以动不动就覆盖上千平米的面积,所以在你想用Wi-Fi定位的时候自然不会为了定位这个附加功能而故意加大路由器的密度。消费者电子领域中,目前能在密度上和它相提并论的也就是LED室内定位了。不过我士就是学这个的,负责任的说虽然欧美都已经开始了先行的实验,理论也很美好但是现实生活中问题一大堆。我就说最要命的一点,现在的系统架构要求LED系统中,始终开着前摄像头。所以当你悠哉悠哉逛了半个小时手机突然告诉你亲没电了哦,你会不会抓狂。

三、iBeacon节点的成本目前大概在二三十人民币一个的水平,相对于其他定位的物理层实现要低一些。别再说LED定位只是每个灯几块的成本添加了,还是那句话,问题一大堆…

四、iBeacon在移动平台要求的是蓝牙,所以相对于UWB、RFID等技术,对于消费电子平台要友好得多。相应的支持像微信摇一摇、未来的各种O2O平台也有优势。

接下来缺点也来了:

一、定位精度不高,这个是相对的。相对于目前Wi-Fi号称的三米级(其实是10米左右,不要跟我提指纹,每六个月甚至每三个月一采还是很要命的)的精度还是可以的。当然你可以说我用WiFi+PDR啊,问题来了,BLE不能加PDR?!当然了,相对于UWB以及LED三角定位中的厘米级精度还是只有哭晕的份儿。

二、成本。咦?上面不是说成本是优势之一么?恩,问题就是出在主要竞争对手Wi-Fi这里。精度要求不高的情况下Wi-Fi定位要求的额外硬件成本为零。这一点iBeacon无论如何都做不到。

三、维护。无源是好事也是个坏事。比起别的系统出问题再需要维护来说,你总得惦记着哪天哪个节点没电了。现在的标准下,BLE系统比不了Zigbee,状态监控和数据汇总简直就是一个噩梦。这个还等看后续蓝牙标准的发布。

四、最后一点单独说吧,现在的室内定位并不是技术和成本所限,而是你要拿它干嘛,商业模式是什么样子。室内导航听起来很酷,但是你很快就会发现并没有钱给商家赚。如果没有钱赚,成本再低也不会有人去做这明显赔本的买卖。当然,商家一时的心血来潮,想要提供跟别人不一样的客户体验是一种可能,但并不会持久而且普遍性太差。我们也是费了很大心思才终于找到了适合的商业模式。

小结:正如网友猴八斤所说的那样,“每个人的知识面都有限,我也是一样。”希望有问题、有疑惑都可以留言,我们一起讨论,为各种应用场景实现最理想的定位方式,并找到更好的商业模式来使用这些技术。

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