基于4G Small Cell的商场无线智能导购系统设计

马敏

摘 要：随着电子商务、移动电子商务的兴起，商场等传统零售业面临着前所未有的冲击，利用通信系统、软件平台以及互联网、移动互联网等技术建立智能化的商场本地服务系统，是商场提升用户购物体验、增强用户粘度、发挥线下优势的重要途径。4G Small Cell无线系统可以很好地满足智能化商场对于本地信息推送流量大、信息传送实时性强、室内定位精度要求高的应用需求。基于此，文中提出了基于4G Small Cell的无线智能化商场方案。分析了4G Small Cell的技术特点和应用场景以及4G Small Cell小基站实现本地增值业务的关键技术LIPA，进而给出了采用4G Small Cell构建商场无线智能导购系统的具体方案设计。

关键词：移动通信网；Small Cell；本地IP接入；商场智能导购；内容精准推送；目标点智能导引

中图分类号：TP39；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）08-00-05

0 引 言

随着互联网行业的不断发展，尤其是移动互联网的迅猛发展，电子商务、移动电子商务进入了爆发式增长阶段，电子商务/移动电子商务已成为人们消费行为的重要组成部分，但这无疑给超市、商场等传统零售业带来了前所未有的冲击[1]。由于传统商场实体店存在商品价格高、可选商品有限、用户购物体验差、缺乏客户粘性以及商场自身经营成本高、运营效率低等问题，因此面临着经营转型的严峻考验。传统商场百货业在“互联网+”时代应当如何转型升级、保持良性发展是当前业界广为关注的热点问题之一。

目前，很多商场通过开发手机App、注册微信公众号等方式宣传其优惠活动，吸引关注，一些大型商场、购物中心还尝试引入线上线下电子商务（Online To Offline，O2O）模式，希望借助O2O来实现其经营转型。然而，传统商场最大的优势还是在线下，其转型的关键也应是将线下优势最大化，使线上成为线下的有利补充[2]，为客户提供更高效、更完美的购物体验。利用通信系统、软件平台以及互联网、移动互联网等技术建立智能化的商场本地服务系统，为用户提供购物分类信息查询、店铺/品牌定位查询、商品/店铺/区域促销信息实时精准推送以及购物导航等服务，是商场提升用户购物体验、增强用户粘度、发挥线下优势的重要途径。

4G Small Cell是目前4G网络实现室内深度覆盖、增加用户容量、进行数据流量分流，提供增值业务的重要技术手段。由于4G Small Cell具有高速、安全可靠、部署灵活以及定位精度高等特点，因此是智能化商场本地服务系统的优选网络部署方案。

目前业界对于传统商场的电商业务发展以及商场的O2O转型等方面研究较多[3，4]，而对于商场本地服务的智能化研究较少，有一些前期的智慧商场方案采用WiFi技术，但由于WiFi网络存在干扰严重、传送可靠性无法保证、不能满足大量用户同时在线使用等要求，很大程度上影响了用户体验。基于此，本文提出了基于4G Small Cell的无线智能化商场方案，首先分析了4G Small Cell的技术特点及应用场景、网络架构以及4G Small Cell小基站实现本地增值业务的关键技术——本地IP接入（Local IP Access，LIPA），进而给出了采用4G Small Cell构建商场无线智能导购系统的具体方案设计。

1 4G Small Cell及其本地IP接入技术

1.1 4G Small Cell技术特点及应用场景

Small Cell是一种低发射功率、小范围覆盖的小型基站设备，其最初源于为家庭场景设计的Femtocell（毫微蜂窝，又称为家庭基站），随着LTE技术的发展，Femtocell应用场景发生变化，设备形态更加丰富和多样化，其概念也随之扩大，在Femtocell基础上扩充了Picocell（毫微蜂窝）、Microcell（微蜂窝）、Metrocell（城域蜂窝）等，被业界统一称为Small Cell。4G Small Cell用于室内覆盖，主要采用Femtocell和Picocell，Femtocell一般用于家庭、SOHO场景等；Picocell一般用于中小企业、商铺场景等。

Small Cell小基站具有小型化、低成本、部署快速、可控性好、智能化以及与宏网用户统一认证和管控等优势，通过Small Cell能实现移动网络以下4个方面的改善[5]：

（1）Hotspot and Indoor：解决热点和室内的覆盖和容量；

（2）Higher frequency：利用高频段改善局部弱覆盖；

（3）Higher bandwidth：更大带宽，更高容量；

（4）Higher performance：更好的网络性能和用户体验。

4G Small Cell目前主要用于4G室內覆盖补盲、数据业务分流、提升网络容量，未来将进一步应用到物联网、移动互联网以及5G网络中，催生出更多新型应用。Small Cell的典型应用场景可以归纳为以下几类：

（1）生活场景：如居民楼，城中村，地下停车场，学生宿舍等；

（2）商用场景：如写字楼、宾馆酒楼，超市商场，营业厅，临街商铺等；

（3）特色场景：如基于位置推送的信息服务，小基站定位服务，智能家居，视频监控等。

1.2 4G Small Cell网络架构

4G Small Cell小基站，即演进型家庭基站（Home Evolved NodeB，HeNB），其网络架构如图1所示[6]。小基站与4G 核心网的移动性管理实体（Mobility Management Equipment，MME）及服务网关（Service Gateway，S-GW）之间通过S1接口连接，小基站之间通过X2接口连接，具备LIPA功能的小基站与核心网S-GW通过S5接口连接。endprint

以上网络架构同时还给出了部署小基站网关（HeNBGateWay，HeNB GW）的组网方案。小基站网关用于小基站大规模部署的场景，小基站网关作为多个小基站的汇聚点，实现各小基站与核心网之间的信令汇聚，降低了核心网MME的信令开销。小基站网关与4G 核心网MME及S-GW之间，以及小基站网关与小基站之间均采用S1接口，且小基站同时只能与1个小基站网关或MME连接。

1.3 4G LIPA技术

LIPA是4G Small Cell小基站的增强功能，它具备IP能力的用户终端（User Equipment，UE），可以通过HeNB直接接入家庭/企业网中，可与家庭/企业网中的其他具备IP能力的实体互联互通[7]。

4G LIPA技术使4G Small Cell小基站系统在上述优点的基础上，具有本地数据接入更优的性能，为基于4G Small Cell小基站开发更多的家庭/企业特色应用提供了技术基础。

3GPP在R10的TR 23.829[8]中确定了LIPA的基本方案，包括架构、本地网关选择、访问控制、连接建立流程、连接释放流程以及业务请求流程等，此方案架构提出在HeNB中增设本地网关（Local Gateway，L-GW），L-GW与移动核心网S-GW之间通过L-S5接口相连，该接口是在现有S5接口功能基础上进行增强，HeNB与MME、S-GW之间通过现有的S1接口相连。3GPP在后续R11的TR 23.859[9]中又提出了L-GW与HeNB分设的架构以及L-GW独立设立情况下LIPA的移动性，但对于HeNB和L-GW之间的接口细节，标准尚未确定。

2 基于4G Small Cell的商场无线智能导购系统方案设计

2.1 方案说明及系统总体结构

本文设计的商场无线智能导购系统，采用增强型4G Small Cell小基站（小基站具备LIPA功能）部署方案，为顾客提供一种智能化的快捷、便利的商场购物体验。主要表现在以下几个方面：

（1）本地信息推送功能是基于用户精确位置的商场店铺信息、区域促销信息等的实时推送；

（2）用户购物智能导航功能能够快速、准确地导引用户到达购物点，如某品牌店铺，并在导引过程中，用户可以根据系统实时推送附近店铺的商品信息，随时调整购物目标点；

（3）商场店铺信息实时更新功能。商场店铺可以利用该无线系统将店铺商品信息、折扣信息等实时传送给商场后台应用服务器，使得应用服务器信息与店铺信息迅速同步。

4G Small Cell无线系统应用于商场的智能导购，可以很好地滿足以下需求：

（1） 大流量要求：商场应用服务器需要向移动智能终端（UE）推送大量本地信息，采用4G Small Cell的LIPA技术可以实现UE与本地服务器之间的高速数据通信；

（2） 实时性要求：商场店铺信息等内容需要根据用户位置实时推送，4G Small Cell是4G网络的一部分，无线系统稳定、可靠，保证了信息传送的实时性；

（3） 室内精准定位要求：基于位置的信息推送及购物导航等都需室内精准定位，Small Cell覆盖范围小，因此其定位精度较高，特别适合于室内无GPS信号的基于位置的应用。

（4） 高密集并发用户要求：商场是人员相对密集的场所，尤其在节假日或有促销活动等情况下，故要求商场无线系统能满足高并发用户数需求，4G Small Cell则用于4G覆盖的补盲补弱以及提升网络容量，特别适合高密集并发用户的应用场景。

图2所示是本文设计的商场无线智能导购系统结构示意图，系统主要包括智能导购应用服务器、增强型4G Small Cell小基站（即HeNB，包含L-GW）、移动通信网、本地局域网、移动智能终端（UE）等。智能导购应用服务器设置在本地，如商场的设备管理室。商场内布放多个小基站（≥3），小基站增加本地网关L-GW功能后，通过本地局域网与应用服务器连通，移动智能终端通过4G无线网络接口与小基站连通，小基站通过4G核心网接口与4G核心网连通。

2.2 系统流程

商场无线智能导购系统流程主要为室内定位流程、4G LIPA流程、智能导购应用流程及商场店铺信息实时更新流程。

2.2.1 室内定位流程

商场无线智能导购系统中基于用户位置的本地信息精准推送以及用户购物智能导引等都需要室内精准定位。本系统的室内定位流程如下所示：

（1）UE选择一个小基站（HeNB）向其发送Random Access Preamble，通知HeNB有一个随机接入请求；

（2）HeNB向UE返回随机接入应答（Random Access Response），在该应答消息中包含了HeNB估计的其与UE之间的传输时延；

（3）UE根据该收发时间差可以计算出UE与该小基站之间的距离；

（4）UE随机接入过程完成后，UE立即发起释放无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）连接过程，不通知网络侧则主动进入空闲状态；

（5）UE重新选择一个小基站，重复上述（1）～（4）的步骤，以此类推，至少选择3个以上小基站接入；

（6）每个小基站都有一个固定经纬度坐标值，通过3个以上小基站坐标信息以及UE与各小基站的距离，根据三点定位原理计算出UE的经纬度坐标。

以上流程采用UE根据收发时间差进行三点定位，具有精度高，误差小的优点，但为获取时间差，要专门进行3个以上小基站的随机接入过程。如果商场内小基站信号比较好，UE也可以根据小基站信号强度来进行三点定位，UE无需与基站进行专门的交互过程，但定位精度会低于时间差方式。endprint

2.2.2 4G LIPA流程

LIPA技術是UE通过4G Small Cell小基站直接接入本地局域网，实现大量本地信息交互应用的关键技术。4G LIPA流程主要分为分组数据网（Packet Data Network，LIPA PDN）连接建立过程、UE触发的服务请求过程、L-GW触发的服务请求过程以及连接释放过程[8]。

2.2.2.1 LIPA PDN连接建立过程

LIPA PDN连接建立过程如下所示：

（1）UE通过HeNB向MME发起PDN连接请求，消息中包含了LIPA的存取点名称（Access Point Name，APN）标识、HeNB支持LIPA的能力、L-GW的IP地址。

（2）MME在归属签约用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）中检查UE的订阅信息，以确定UE是否被允许访问所请求的LIPA APN。如果允许，MME将该L-GW的IP地址告知S-GW。

（3）S-GW通过L-GW的IP地址向L-GW请求创建连接，L-GW进行创建连接响应，响应中包含了S5 PGW（PDN GateWay，PDN网关），隧道端点ID（Tunnel Endpoint ID，TEID），即L-GW用户面TEID。S-GW向MME发送L-GW的创建连接响应，从而创建了一条L-GW---S-GW---MME之间的信令和数据通路。

（4）MME向HeNB发送承载建立请求，该请求中包含了S5 PGWTEID，HeNB为UE建立无线承载，HeNB建立与L-GW之间用于LIPA数据传输的直接隧道。

（5）HeNB与UE之间进行无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）空口连接的重配置；

（6）HeNB向MME发送PDN连接完成消息，LIPA PDN连接建立。

2.2.2.2 服务请求过程

LIPA PDN连接建立后，当UE请求服务时，UE通过NAS Service Request消息发起用户面的上行数据服务请求，MME发送S1-AP：Initial Context Setup Request给HeNB，该初始上下文建立的请求中包含了S5 PGW TEID，HeNB使用该 TEID建立同L-GW的数据链路。

L-GW触发的服务请求过程：对于下行数据，L-GW收到第一个下行数据包会发送一个伪包给S-GW，并缓存下行包，S-GW发送下行数据提醒消息给MME，MME对UE寻呼，UE通过Service Request消息发起用户面的连接请求，数据链路建立后，L-GW将缓存的数据包通过无线承载转发给UE。

2.2.2.3 连接释放过程

（1）当UE处于空闲模式时，HeNB向MME发送S1-AP：S1 UE Context Release Request，提出释放连接请求；

（2）MME向S-GW发送释放接入承载请求；

（3）S-GW向MME返回释放接入承载响应；

（4）MME向HeNB发送S1-AP：S1 UE Context Release Command，告知HeNB，MME和S-GW之间的承载连接已释放，HeNB通知L-GW释放L-GW与UE之间的用户面信道；

（5）HeNB释放与UE之间的RRC空口连接；

（6）HeNB向MME发送S1-AP：S1 UE Context Release Complete，整个连接释放完成。

2.2.3 智能导购应用流程

商场智能导购应用流程示意图如图3所示。

具体说明如下：

（1）用户持移动智能终端（UE）进入商场，下载、安装、打开定制的商场智能导购应用客户端，而UE会关联一个小基站。

（2）通过调用LIPAPDN连接建立过程，建立起UE到商场本地局域网的IP接入连接。

（3）通过调用定位流程，UE可获得其当前的精确位置信息，调用UE触发服务请求过程，UE通过小基站将其当前位置发送给商场应用服务器。

（4）应用服务器通过小基站向UE推送商场店铺信息。应用服务器中存放商场店铺信息表，包括店铺名称、店铺位置信息、店铺商品信息、促销信息等。

（5）用户在UE上浏览商场店铺概览，选择一个或多个购物目标店铺，如几个品牌专卖店，UE将用户选定的目标店铺发送给应用服务器。

（6）应用服务器根据UE发来的店铺名称检索出目标店铺的位置信息，发送给UE。

（7）UE智能导购应用客户端根据UE当前位置以及目标店铺的位置，规划出顾客的最佳购物导引路线，用户依照显示的最优购物路线可以依次到达各目标店铺。在此过程中，UE启动位置更新定时器，定时计算其最新位置信息，以便智能导购应用客户端能够实时追踪用户的位置，进行导引路径提示。同时服务器根据UE最新位置，实时向UE推送用户路线途经位置附近的商铺信息，显示给用户，用户可以返回步骤（5），重新选择新的目标店铺。

2.2.4 店铺信息实时更新流程

利用商场4G Small Cell无线系统，商场各店铺可以非常方便的将其店铺最新的商品信息、促销信息等发送给商场应用服务器。店铺信息实时更新流程如下：

（1）商场店铺UE安装并打开定制的应用客户端；

（2）UE关联小基站，调用UE请求LIPA PDN连接建立过程；

（3）调用UE触发服务请求过程（LIPA PDN连接已存在）；

（4）UE通过小基站向商场应用服务器发送其最新的店铺信息，包括商品信息、促销信息等；

（5）应用服务器更新其存放的相关店铺信息表。endprint

2.3 4G Small Cell小基站系统构成

2.3.1 硬件系统

4G Small Cell小基站硬件系统主要由基带子系统、LTE射频子系统、以太网子系统、电源子系统等构成，如图4所示。

基带子系统主要包括LTE基带处理器（含多核CPU以及DSP处理模块）、内存、Flash等；LTE射频子系统包括AD模数转换模块、功放模块、收发天线等；以太网子系统包括千兆以太网PHY（物理接口收发器）、隔离变压器、SFP光口及RJ45电口等；电源子系统提供交直流转换、PoE供电等。

2.3.2 软件系统

4G Small Cell小基站（含L-GW功能）的软件系统主要包括基本通信处理子系统、核心网接口协议处理子系统、LTE无线接口转换子系统以及配置维护管理子系统等，其系统构成如图5所示。

基本通信处理子系统主要提供基本的网络通信功能；LTE无线接口转换子系统主要处理LTE无线网与核心网之间的协议转换；配置维护管理子系统完成OAM&P、SNMP、TR-069等功能；核心网接口协议处理子系统实现与LTE核心网的接口协议，而LIPA功能主要在该子系统中完成。

核心网接口协议处理子系统包括S1-AP模块、GTP-U模块以及LIPA功能模块等。S1-AP模块完成信令面S1-MME接口功能，通过S1-AP协议转发信令信息；GTP-U模块完成用户面S1-U接口功能，通过GTP-U协议转发用户面IP数据包；LIPA功能模块完成L-GW功能，根据3GPP LIPA规范标准[8]对用户面数据进行分流，并通过GTP-U模块转发。

来自UE的本地流量经过小基站处的L-GW被分流出去，用专用的存取点名称（Access Point Name，APN）来标识需要进行业务分流的PDN，运营商核心网中的业务则用与该PDN不同的PDN连接进行传递。以下伪代码说明了4G Small Cell小基站基于PDN连接的LIPA分流逻辑判断和转发过程：

for each PDN connection， do：

if APN equals（“local”）

traffic in bearers of this connection GOTO LocalNetwork-IO；

else

traffic in this connection GOTO CoreNetwork-IO；

end if

end for

3 结 语

4G Small Cell能够提升LTE网络容量，解决4G室内深度覆盖不足的问题，并且可以利用其大流量、实时性强、有OoS保证等特点以及LIPA等增强技术，开发出更多有吸引力的特色应用，商场的智能导购就是移动互联网的特色应用之一，本文详细说明了基于4G Small Cell的商场无线智能导购系统的方案设计。

目前4G Small Cell小基站产品和技术已经日趋成熟，但基于4G Small Cell的各种行业应用还远未展开，相信Small Cell在未来的网络和应用中会发挥更大的作用，Small Cell技术和产品也将在实际应用中得到进一步完善和发展。

参考文献

[1]薛景梅，杜晓丽，刘红亚.电子商務环境下实体店商业模式研究[J].商业经济研究，2016（17）：69-70.

[2]朱芳.互联网+时代传统商场的O2O转型思考[J].企业改革与管理，2016（10X）.

[3]孙宏年.O2O模式在零售企业内的应用研究[D].兰州：兰州交通大学，2014.

[4]郝迪慧.连锁百货业的电商业务发展探索[J].经营管理者，2016 （12）：278-279.

[5]闫文斌.SmallCell在异构网建设中的应用研究[J].移动通信，2015，39（21）：85-90.

[6] 3GPP TS36.300 V11.4.0， Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial RadioAccess Network （E-UTRAN）； Overall description； Stage 2（Release 11） [S].2012-12.

[7] 3GPP TS 22.220 V11.4.0， Service requirements for Home Node B （HNB） and Home eNode B （HeNB） （Release 11） [S].2011-12.

[8] 3GPP TR 23.829 V10.0.1， Local IP Access and Selected IP Traffic Offload （LIPA-SIPTO） （Release 10） [S].2011-10.

[9] 3GPP TR 23.859 V0.4.0， LIPA Mobility and SIPTO at the Local Network （Release 11） [S].2011-07.endprint