No Strings Attached Show

思科高精度定位模块(Hyperlocation) 测试验证报告

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前言

近日，No Strings Attached Show受邀来到

位于美国俄亥俄州利奇菲尔德市的思科真实

环境实验室，现场了解当今创新技术的幕后

。 主要针对思科高精度定位模块（

Hyperlocation）产品组合进行了探讨。

我们确保在整个测试过程中，没有使用“隐藏

命令”或预装硬件或软件组件。简而言之，

我们希望确保读者能够亲自体验我们所看

到的一切。我们没有在配置中进行写擦操

作以便发表本测试报告。思科无线控制器

是启用超级定位模块时的基本配置 ，而本文

的目的并不是介绍如何配置高精度定位模块，

主要是为了介绍它如何工作。

为了保持测试的公正性，No Strings

Attached show主办方没有因为撰写本测

试报告而获得任何形式的经济补偿，我

们的差旅食宿费用由思科承担，同时No

Strings Attached Show获得4台安装有

Hyperlocation模块和天线阵列的3702i 无线

接入点设备，用来持续进行深度测试。

这些费用由主办方平均分摊。

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测试介绍

测试目标

本测试的目标并非是为了展示如何配置思科

高精度定位模块，也不是为了介绍配置的最

佳方法，而是为了向大家展示

Hyperlocation与传统的无线定位服务相比

定位精确性的提高。

测试过程中，我们使用了思科提供的笔记

本电脑、电话和NSA Show提供的电话和平

板电脑。尽管测试过程中的位置是事先确

定的，但NAS Show还要求对几个随机地点

进行测试。事先确定的位置并不是得出最

高精度的最佳位置，选取它们代表了最佳

和最差情形。

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产品开发历史

新产品上市时，你很难完全了解得出最终

产品之前背后的历史。当思科邀请我们前

往俄亥俄州射频卓越测试中心进行测试时

，我们想要知道的其中一件事就是产品背

后的历史。当我们开始讨论产品历史时，

一代代产品堆满地板。后退一步，你可以

看到产品开发和上市背后的困难。

从产品早期了解它，看到它从天线连接在一

起的4台Access Points缩小成3600/3700无

线接入点背后的一个模块，这种变化令人惊

奇。听工程师谈论产品各种形状和设计的

迭代过程，向我们展示对开发卓越产品的

追求。最终知道产品的历史，可以让你更

好地了解产品，并对它产生尊重。

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定位服务的类型

为了了解Hyperlocation高精度定位模块如

何工作，我们认为有必要研究定位服务的不

同类型方法。每种方法都有优缺点，部署情

境的定位精度也各不相同。Hyperlocation

高精度定位模块采用到达角度（Angle of

Arrival）方法，而传统的定位服务采用最小

二乘法（测距定位法）。

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另外两种方法是：源蜂窝小区和模式化

定位。

源蜂窝小区 采用源蜂窝小区方法确定设备位置时，不进

行距离预测。通过利用设备连接的无线接入

点设备，我们按照射频蜂窝区域假设设备位

置。对于一些用例，这些就行了。如果你只

是想知道设备是否位于服装店的某个部门，

这或许可以。不过，源蜂窝小区的问题是，

它在连接或漫游期间高度依赖设备做出正确

决策。如果因为设备对具有最强的接收信号

强度的无线接入点有依赖性，而选择连接到

地板之上或之下、或是完全不同区域中的无

线接入点设备，你就会失去定位精度。这种

情况下就是测距定位技术的价值所在。

测距定位（多边定位）技术 我们讨论测距定位技术时，我们通常将其概

括为两种不同方法：基于时间定位和基于

RSSI（接收信号强度指数）定位。如果采

用基于时间的定位服务，所有设备必须与共

用时钟源保持同步。这样要求是因为设备发

出信号有准确的开始时间，多个接收设备接

收信号，并使用这一开始时间确定发射设备

与接收设备的距离。最常见的到达时间系

统形式是全球定位系统（GPS）。到达时

间有一种变体，称为到达时差。它不要求

同步时钟源，而且用相对时间计量取代了

绝对时间计量，简化了部署。到达时差的

一个好的例子是飞机和交通指挥塔使用的

雷达系统。最后，测距定位技术的第三种

类型是 RSSI 测距定位。这是目前许多厂商

系统使用最多的定位服务方法。这一方法不

要求使用任何同步时钟或相对时间计量。对

于能够探测设备发出信号的每一台接收设备

，距离是根据接收信号的强度来测定。这种

方法需要精心设计，才能与测距定位技术一

起使用。通过提供相对稳定的网格类型布局

来确定无线接入点的位置，从定位区域边界

，应允许客户端至少听到3台在 -75dBm或

以上的无线接入点。你可以将此认为是定

位勘察或设计基础的“最佳实践”。

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模式化定位 模式化定位本身并不一定是一种方法，更大

意义上是对测距定位技术的增强。我们通常

将这称为校准过程。通过读取平面图上已知

无线接入点的数据，我们可以创建一个信号

覆盖图，其能够影响RSSI测距定位算法，

从而更准确地定位设备。这一步通常被略过

，但通常会大大提高定位精准度。

到达角度 最后，我们还有到达角度（AoA）定位法。

采用到达角方法是通过计算信号到达接收

设备的入射角来定位设备，算法利用相交

线之间的几何关系。这种定位方法要求至

少有两个接收传感器。Hyperlocation高精

度定位模块就是采用这种方法定位设备。

大多数解决方案使用一组接收元件（天线

阵列），在一个放置点对信号进行采样，

这样就不再需要复杂的天线系统了。到达

角常被称为三角测量，这与以前的三边测

量不同。

三角测量只采用到达角算法来完成。到达

角系统的例证之一是飞机导航系统所用的

超高频全向导航（VOR）。VOR发射器以

不同的入射角发送多种超高分辨率（VHR

）射线。另一个例子是手机定位服务，它

使用蜂窝网络基站塔进行三角测量和确定

设备位置。

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集成高精度定位Hyperlocation

要求

如果你已经部署了思科统一无线网络设备（

Cisco Unified Wireless Network），你很可

能已经为部署Hyperlocation高精度定位模块

做好了准备。为了部署 Hyperlocation，你

需要有Cisco 3600或3700系列无线接入点

设备、无线局域网控制器（如5508/5520）

、Prime Infrastructure和运行CMX10.2的移

动服务引擎（Mobility Services Engine -

MSE）。所有这些组件共同构成了

Hyperlocation所需的框架。对于无线接入点

设备的要求是因为只有3600或3700 无线接

入点设备才有部署Hyperlocation所需的扩展

槽。

图4.1 AIR-RM3010L-x-K9 （x 表示国家域）

设置Hyperlocation需要有模块和（图4.1）

和环绕无线接入点的环形阵列天线

（图4.2）。

图 4.2 AIR-ANT-LOC-01

该模块含有2.4GHz和5GHz监控模式无线电

，可用于进行基于RSSI的定位测量和安全

监控。除了无线之外，该模块还有5个蓝牙

低能耗信标射频，可以分别配置UUID和功

率电平。作为基于RSSI定位测量的增强版

，思科还推出了FastLocate（快速定位）功

能，可提供比RSSI定位所用的标准无线接

入点更频繁的位置更新。

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在将AIR-ANT-LOC-01 高精度定位天线与

AIR- RM3010L模块配对之后，就可以使用

到达角度定位方法，可以将5-10米的定位精

度缩小至1-3米的精度。高精度定位天线通

过思科新的DART天线连接器进行连接，它

可以将模拟和数字信号从天线传输到告警度

定位模块（见图4.3和4.4）。

这一解决方案的软件组件需要使用 Prime

Infrastructure管理无线局域网控制器和MSE

（移动服务引擎）集成，并设置所用的地图

。当你在Prime Infrastructure配置无线接入

点设备时，你将看到新的天线选项AIR-ANT-

LOC-01，它使你能够设定适当的方向（见图

4.5）。我们将在下文详细讨论。

图4.3 DART 连接器 图 4.5 Prime Infrastructure配置

图 4.4 DART插座

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部署指南

无线网络设计业已发生了显著变化，无线接

入点不会再采用最高发射功率以覆盖最大面

积的部署方式。今天的无线网络采用覆盖范围

较小及所需发射功率较低的部署方式。随着我们

将定位服务引入组合，设计改变成网格状，目

的是确保最大的定位精度。使用到达角度

定位方法，使我们能够摆脱网格状设计，但

仍要求精心设计。例如，你希望让所有的

无线接入点设备在CMX 10.2配置中朝向正

确，这并不意味着他们都需要指向北，但天

线阵列上的所有箭头都应在软件上正确体现

出来。 图4.6 朝向箭头

图4.6显示出箭头朝向。正如我们在图4.5中

所显示的，在Prime Infrastructure配置无线

接入点时，我们可以改变朝向，以便与无线

接入点面对的方向保持一致。这样要求是因

为要进行到达角度计算操作并预测位置。

另一个设计考虑的因素是你需要为无线接入

点设备准备多少高精度定位模块。需要1比1

配置部署吗？简单回答就是需要。基于高精

度定位的工作方式，你应该为每一个无线接

入点部署一个模块和天线阵列。如果采用本

定位算法，需要引入主节点和从节点的概念

。主节点是你用来传送数据的无线接入点，

从节点是计算设备位置时使用的附近无线接

入点。截至本文件出版之日，Hyperlocation

仅针对连接无线网络的关联客户端工作，不

与被动的无关联客户端工作。

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这样做的缺点与定位设备的源蜂窝小区方法类似：如果客户端错误选择关联或漫游过程

，你的定位数据可能发生偏差 - 我们将在实际测试一章详细讨论这点。Hyperlocation

只需要一个单一模块和天线就能工作吗？是这样的，但精度会略微受到影响，这样的部

署并不得到支持。下面

图 4.7 单一天线阵列 图4.8 多天线阵列

让我们看看多天线阵列与单一天线阵列的对比情况。采用单一天线阵列时，到达角度技术当

然可以确定客户端在天线阵列的哪一侧，但多天线阵列提高了定位设备的精确性（如图4.8

所示）。

从部署角度来看必须指出的是，为了获得最佳效果，Hyperlocation要求客户端具备HT/VHT

OFDM（802.11n）能力。原因是Hyperlocation发送BlockAckRequests请求到客户端设备，

然后客户端采用BlockAcks回应，由Hyperlocation天线阵列用于到达角度计算。如果客户端

不支持HT/VHT OFDM技术，Hyperlocation仍会定位，前提是客户端发送数据。使用

BlockAckRequest请求是触发客户端发送数据的简单方式，并且不会造成网络开销。图4.9

显示的是我们测试中捕获的数据包样品。你可以看到BlockAckReq申请发送至客户端，而

BlockAck返回至Access Point设备。

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图4.9 BlockAckReq请求和BlockAck数据包捕获

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故障检修 Hyperlocation

尽管Hyperlocation系统很简单，但你必须确

保在部署前实际看到你期望的位置精度。幸

运的是，Hyperlocation系统包括部署前后验

证精度测量的几种工具。这些工具主要围绕

CMX产品的几个功能，这些功能被用于进

行精度测试。这些功能将从你上传的地图上

采点，将这些点与Hyperlocation系统认为它

所处的点进行比较，然后在你认为的位置和

实际位置之间提供一个位置，并准确测量（

通常以米为单位）。

你在CMX图上选择了客户端后，从屏幕右

手侧客户端信息窗格中选择定位精度测试

。在指定测试和按下“回车”键后，你面

临着最复杂的Hyperlocation系统元件 - 在

地图上显示你的客户端位置，精度达到

“像素”的程度（见图5.1）。我们将在

下一章解释测试情景时详细介绍X/Y坐标。

图5.1 定位测试客户端

你并不会猜到这个区域，由于这里即使是小

的偏差（任何方向上偏差一个像素）都有可

能降低你的CMX计算位置精度的能力。 在

测试进行一段时间后（比如一分钟），你从

对话框中选择“暂停”键，使你能够看到具

体设备的定位结果，或是将其移动到另一个

位置 - 如果你是在有单一客户端设备类型的

设施做批量测试，这很有用。

Hyperlocation系统的神奇在测试期间显现出

来。如果你注意到测试过程中数据包层面

所发生的一切，无线接入点设备正在向客

户端发送很小的块确认申请（BAR）数据

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包，这与我们以前讨论的一样。正是这种

积极发送和接收数据的过程，激发客户端

设备继续为系统提供反馈。也正是这种具

体机制使我们能够克服其他系统仅跟踪探

测相应帧（Probe Response - 相对不太频

繁）的限制。Hyperlocation 系统接受这

些数据包，对客户位置进行了相当复杂

的到达角度计算，然后为你们反馈测量

精度。

尽管将单一客户端设备定位精度、平均误差

距离和精度误差距离不断提升看上去很有

意思，但大多数Hyperlocation部署将多次

经受这种精度验证流程。所有其他的位置衡

量标准和精度都是隐藏的，主要通过API调

用提供更准确的位置。

平稳调用Hyperlocation将数据呈现给你和你

们用户的方式相对简单。 这一解决方案的

意义在于进一步增强了你获得的定位数据

（X、Y坐标）的准确性，

不需要复杂、耗时的校准。准确性的提高来

自思科CMX Hyperlocation天线阵列的朝向

和放置数据，而且所有到达角度的计算数据

（繁重的任务）都是透明的。

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拓展Hyperlocation

从历史上来看，定位服务要求在厂商提供的用户界面之外进行大量的开发。思科CMX 10.2

是一个“开箱即用”的解决方案，能够满足许多用户的需求，大多数用例都无需开发第三

方应用。对于我们的测试，我们利用API（应用程序编程接口）进行精度测试，以节省时间

。API使你能够通过简单的RESTful询问，得到JSON或XML回复，获得呈现给CMX用户界

面的所有数据。如需了解API更多信息，请点击链接：https://developer.cisco.com/site/cmx-

mobility-services/。我们还在下方提供了一份脚本，向大家展示使用cURL（例如，查询开

始和停止精度测试）其实很简单。 curl -X POST -d '{ "macaddress": "84:38:35:5c:a2:e2",

"floorid": "720576004803788800", "x": 130.2, "y": 71.5 }'

-H "Content-Type: application/json" http://localhost:5555/api/location/v1/tests/start/NSA-MC-Tests6-CL15

通过cURL进行简单的API调用，我们对已知地点特定楼层上的给定mac地址进行了定位精

度测试。然后，测试结果显示在用户界面，也可SSH进入MSE（移动服务引擎），在测试

日志文件夹中进行浏览获得。 curl -X GET http://localhost:5555/api/location/v1/tests/stop/NSA-MC-Tests6-CL15

因为测试调用没有计时，我们在测试运行一段时间后，发送API请求，停止测试。

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真实环境测试高精度定位 Hyperlocation

思科为我们的测试设置了两个CMX平台：一个基于RSSI定位，一个基于于到达角度进行高

精度定位。所有无线接入点设备都连接到一台思科2504无线局域网控制器，运行8.1.131.11

代码。两种情境都使用了9台3702i 无线接入点设备。每台无线接入点的射频资源管理

(RRM)配置都相同。我们的目标是尽可能接近地模拟真实的办公室环境。图7.1是Richfield

办公室平面图、无线接入点部署位置和定位测试位置。如图中所示，

图7.1 AP 和测试位置

办公室设有开放区域、独立办公室和小房间。我们选择在开放区域和小房间进行测试。同样

，选择的测试位置并不是最佳情境。选择它们只是为了综合反映客户端设备可能处于的情

境。思科创建了网格系统，网格中的任何一点都可以轻松准确定位。他们开发的X/Y坐标

系跟用于测试的Prime Infrastructure和CMX使用的X/Y坐标系关联。在真实场景下测试部署

时，你需要找出一些可将你所在的数据点与CMX使用的X/Y坐标关联起来的数据点。你可

以用激光测距仪

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和已知点参照做到这一点，但本文对此不做深入讨论。我们确定了已知的测试位置后，选

择了两种测试方案：单一客户端设备和多客户端设备。单一和多设备之间不应有差别，但

鉴于我们可以访问100个客户端（跟我们在其他论文中进行AP2700压力测试和RX-SOP测

试使用的客户端相同），有必要尝试一下。

首先让我们看看单一客户端设备的测试情况。思科事先确定了20个测试地点，我们还随机

选择了2个地点。我们在这22个测试地点全部使用思科提供的苹果iPhone和NSA Show提供

的三星Tab 4客户端设备，使用iPhone和Android设备的有趣之处在于我们有时确实看到它们

的漫游方式不同，和RSSI方式对比其对到达角的精度影响更大。图7.2显示了iPhone和

Android设备使用Hyperlocation时每个数据点记录的数据。图7.3则是使用RSSI时记录的数

据。正如我们所看到的，使用Hyperlocation的精度明显好于使用RSSI的精度。这些数据还

图7.2 iPhone 6 RSSI vs AoA 误差精度

20m

图 7.3 三星Tab4 RSSI vs AoA 误差精度

15m

16m 12m

12m 9m

8m 6m

4m 3m

0m 0m

AoA 精度 RSSI 精度 AoA 精度 RSSI 精度 显示了客户端错误选择无线接入点设备进行关联时对定位精度影响的情况。从Android终端

定位结果图中可以看到Hyperlocation测试精度的峰值，这是因为Android设备在小房间区域

时没有适当选择无线接入点进行漫游的后果。在继续进行测试前，我们先关掉再打开无线

连接，让其选择更好的无线接入点进行关联。

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当然你会质疑这是否会影响数据合法性，我们在测试期间对此进行了讨论。山姆和我决定不

测试漫游算法，但测试定位精度。我们认为，我们应利用Hyperlocation算法计算设备位置

。研究累积分布函数（CDF）图，比较到达角度和RSSI两种定位方法的误差距离（米），

我们可以看到部署Hyperlocation具有极大优势，它减小了开放区域（图7.5）和小房间（图

7.6）的定位误差距离。

图7.4 开放区域误差距离

图7.5 小房间误差距离

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对于我们的多客户端测试，我们选择采用基于Apple和Windows的设备进行精度测试。这些

设备分散在整个区域，因为测试目的不是强调测试单一位置，而是要同时测试定位多个位置

。正如大家看到的，大多数设备的位置都高度精确。可以看到一台设备的精度误差较大，这

是由于该客户端没有关联合适的无线接入点。我们在修正后运行了随后的测试，下图只是但

想突出情境对定位的影响。

图 7.6 多客户端测试位置

图7.7 多客户端误差精度

15m

12m

9m

6m

3m

0m 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 23

测试点

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实际用例

零售 Hyperlocation解决方案可以在各种垂直情境

中使用，零售环境就是最容易理解的一种环

境。当今，人们对“商场是展示厅”（逛商

场只是为了在线购买）日益担忧，驱动人们

关注到零售场所客户的忠诚度和参与度。

利用Hyperlocation提高设备定位精度对零售

奖励方案具有极大吸引力。如果在针对性的

优惠券和更长的驻留时间之间选择，这对于

那些希望增加到店客人并实现购买转化率的

客户很有价值。例如，实际情况可能是大型

科技零售商已有移动应用并鼓励奖励计划客

户下载。在客户选择加入后，就有可能了解

用户智能手机的位置；如果他们在卖场的家

庭影院区，或许是在降价销售的电视机前停

留几

分钟，APP会给销售助理发送提醒，提醒

他与客户交流，向客户介绍当前的促销活

动，帮助核对存货、资金结算或客户可能

有的任何其他需求。尽管Hyperlocation在

这一用例中的角色相当透明，能够准确定

位是区分随意买家和感兴趣买家的重要因

素。

博物馆

今天的现代化博物馆 已经发展成了一个数字化的

现场学习环境，这里各种媒体和信息丰富，远远

超出了传统的展览。在博物馆环境下，有许多利

用Hyperlocation 解决方案提高精确度的用

例。过去的博物馆使用视频引导设备，引

导游客逐一观看展览，对博物馆的各个方

面进行介绍。很容易设想出一种新的顾客

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参与模式，以智能手机设备为中心，安装有

关于博物馆的应用。提高跟踪解决方案的精

度可以提供顾客的具体位置，以及顾客在特

定区域和在某个展品前面停留时间的应用数

据。提高博物馆的参与度为游客创造了更好

的体验，利于改进对成功吸引回头顾客的展

品的分析，也大大提高了客户满意度。更重

要的是，提高了顾客保留率和学习水平。

机场 / 主题公园 与博物馆和零售场所非常相似，机场和主

题公园必须提高效率，以更有效的方式吸

引游客。Hyperlocation就提供了这样做的

一种方式。许多乘客都知道，航班高峰期

间的安全检查等待时间在增加，如果有方

法知道人员流动效率较高的检查点，我们

可以相应地安排人们的路线。更准确地了解

从安检到登机口的行走路径，有助机场更好

地了解人们在机场的走动轨迹。与安全检查

很像，乘机采用相同的程序，我们可以确定

特定航班的平均等待时长。通过app或显示

方法来提供等待时间，目标是确保乘客/游

客到达他们要去的地方，或是能够搭乘他们

的航班，最终提高客户满意度。

企业 在前面的用例中，我们强调了吸引客户、

主顾、游客/乘客等有有效参与的重要性。

你将这些用例用于不同情境时，逻辑是合

理的。当我们准备在企业环境中部署

Hyperlocation时，需要考虑它能带来哪些

价值？你或许想知道员工在大型企业园区

内的移动路径，或是他们闲逛逗留的地方

，但对我来说明显的用例是开放平面图概

念。这里，我们并不是指我们都不喜欢的

带有矮侧墙的开放平面图，我们所讨论的

是入

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住酒店和未分配房间的想法。设想你进入

办公大楼内，在大厅里看到每层都有一些

小房间打开着，你可以挑选想去的楼层。

精度达到1米的Hyperlocation可以达到这种

准确度，能够描述出每层可以开放的区域

，指引人们进入开着的房间。

“Hyperlocation是一个解决问题的解

决方案吗？” 在谈到Hyperlocation的潜在用例时，许多

人都会问到这个问题。Hyperlocation的潜

力要求我们用不同的思维模式来看待。如

果你还没有从事过运营或营销工作，这种

潜力可能并没有被认识到。但是，如果你

具有这种经验，就更容易理解这种潜力。

今天，Hyperlocation有许多用例，包括客

户面临（使用前端设备或应用）和没有面

临的情况。问题在于是否能够充分实现这

些解决方案。

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9

总结

思科高精度定位(Hyperlocation)解决方案提

供了一种拓展无线基础设施的简单方式，将

Wi-Fi连接客户端的高度准确定位信息提供

到任何外部系统。Hyperlocation本身实现了

多年前所做的Wi-Fi系统能够实现资产跟踪

定位所需精度的承诺，加之今天移动应用

APP的驱动，使我们能够满足许多企业环境

中蓝点导航的业务需求。NSA Show直接观

察到典型企业级客户端和消费级平板电脑设

备的精度。我们相信，在具备了这样的精度

后，Hyperlocation解决方案能够在今天实现

过去梦想的定位服务。实现高精度需要达到

一定的网络设计要求，但这些要求可能并不

适合每一种环境。对你们环境的

现实影响可以通过实证方法衡量，我们将鼓

励为你们具体的配置相应地设定期望值。只

要你按照厂商的建议的最佳实践方法使用，

它就可以达到期望的定位精度，也易于使用

，是可在多种应用环境利用的可扩展的健壮

的接口。

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布雷克的结论： 我使用定位服务已经有段时间了，期间使用思科2710、MSE，AeroScout RTLS、Ekahau

RTLS和BLE解决方案作了大量测试。Hyperlocation解决了无线定位服务精度和复杂性的问

题。我还想继续研究测试完全部署环境的蓝点导航应用，看看它与蓝牙低能耗解决方案相比

的不同之处，不过，思科高精度定位绝对是位置感知的冠军。

山姆的结论： 看到真实环境中使用已经上市的硬件和软件实现快速精确定位，的确令人感到兴奋。我对思

科无线网络基础设施所能达到的定位精度感到很满意，我期待着看到该产品在未来几年继

续演进。定位和Wi-Fi是天生的一对，而思科高精度定位(Hyperlocation)终于带给我们多年来

一直期望的和 RFID（无线射频识别）解决方案一致的定位精度。

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