Positionierung im WLAN Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Stephan...
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Positionierung im WLAN
Projektgruppe Location-based Services for Wireless DevicesWS 2004/05Stephan Müller ([email protected])
AG Kao
Betriebssysteme und Verteilte SystemeInstitut für InformatikUniversität Paderborn
PG LBS: Positionierung im WLAN 228.10.2003
Motivation
<Bild / Animation>
Positionierung im WLAN
PG LBS: Positionierung im WLAN 328.10.2003
Problemstellung
• Welche Eigenschaften hat WLAN?
• Wie ermittelt man die Position eines drahtlosen Clients?
• Welche Verfahren kann man im WLAN einsetzen?
• Wie funktionieren diese Verfahren?
• Wie und wo erhalte ich die nötigen Daten?
PG LBS: Positionierung im WLAN 428.10.2003
Inhaltsübersicht
Positionierung
im WLAN
WLAN Location Tracking
Data Collection
Lösungskonzepte
Fazit
PG LBS: Positionierung im WLAN 528.10.2003
WLAN- Überblick -
• zellulare Netzstruktur• hohe Bandbreiten ( bis zu 54 MBit/s )• Operiert im 2,4GHz Frequenzraum
• Zwei Modi (ad-hoc,infrastructur) Ad-hoc – Clients kommunizieren untereinander Infrastructur – Clients kommunizieren über Access Point
Access Point teilt Existenz mittels Broadcast mit Client ist an einem Access Point angemeldet Cell ID = ESSID (Extended Service Set Identifier)
PG LBS: Positionierung im WLAN 628.10.2003
WLAN- Überblick -
• Zellatmung Access Point reguliert Sendeleistung situationsabhängig
Zelle wächst bei sinkender Teilnehmeranzahl Zelle schrumpft bei wachsender Teilnehmerzahl
• Roaming Wechsel zwischen Access Points im gleichen Netz
• Handover Wechsel des Access Points
während einer Datenübertragung Einbruch der Bandbreite nicht im WLAN Standard MC MC
APold APnew
PG LBS: Positionierung im WLAN 728.10.2003
Location Tracking
COO im Detail
RSS im Detail
Location Tracking
Lokationsverfahren
PG LBS: Positionierung im WLAN 828.10.2003
Location Tracking- Verfahren -
• Cell of Origin (COO) Positionierung über aktuelle Zelle aktueller AP entspricht aktuelle Zelle ungenau
• Angel of Arrival (AOA) Positionsberechnung über Goniometry Berechnung der Winkel
zwischen AP und Client Benötigt mehrere Antennen
& zwei Access Points sehr ungenau durch Störfaktoren im WLAN nicht möglich
PG LBS: Positionierung im WLAN 928.10.2003
Location Tracking- Verfahren -
• Received Signal Strength (RSS) Positionierung über Signalstärke sehr störanfällig – Fehlerkorrektur nötig im WLAN einsetzbar hohe Zelldichte verbessert Ergebnis
• Signal Noise Ratio (SNR) Positionierung über Signalrauschen Rauschen entsteht durch Störquellen ermöglicht keine Positionierung
PG LBS: Positionierung im WLAN 1028.10.2003
Location Tracking- Verfahren -
• Time of Arrival (TOA) / Round Trip Time of Flight (RTOF) TOA - „one way propagation time“
erfordert absolute Zeitsynchronisation zwischen AP & Client
RTOF - „round trip time“ exakte Verzögerung des Clients muss bekannt sein
mit WLAN nicht realisierbar
• Time Differential of Arrival (TDOA) Signalankunftszeiten von drei APs
Erfordert Zeitsynchronisation aller APs populäres Verfahren zur Positionierung mit WLAN nicht realisierbar
Δ
Δ
PG LBS: Positionierung im WLAN 1128.10.2003
Location Tracking- Verfahren -
• mögliche Lokationsverfahren Cell of Origin (COO) Received Signal Strength (RSS)
COO AOA RSS SNR TOARTO
FTDO
A
im WLAN verfügbar Ø Ø Ø
ermöglichtLocation Tracking
Ø Ø Ø Ø
PG LBS: Positionierung im WLAN 1228.10.2003
Location Tracking- COO im Detail -
• aktueller AP ist aktuelle Zelle
• nur ungenaue Positionierung möglich abhängig von max. Zellausbreitung Verbesserung durch höhere Zelldichte nicht möglich häufige Handover bei hoher Zelldichte
benötigte APs
1
Zelldichte APs
Abstand 10-15m
Genauigkeit ~25m
PG LBS: Positionierung im WLAN 1328.10.2003
Location Tracking- RSS im Detail -
• mathematischer Lösungansatz 3 Kreisgleichungen (2D) / 4 Kugelgleichungen (3D)
Schnittpunkte sind mögliche Positionen Heuristik zur Eliminierung falscher Positionen
ungenau aufgrund unterschiedlicher Dämpfungseigenschaften
Verfahren Triangulierung
benötigte APs
1-3
Zelldichte APs
Abstand 10m
Genauigkeit ~15m
PG LBS: Positionierung im WLAN 1428.10.2003
Location Tracking- RSS im Detail -
• Tupel (ni,pi,(ap0,s0)i,(ap1,s1)i,(ap2,s2)i) offline Trainingsphase notwendig
Probemessung & Medianberechnung Speicherung in Tabelle
• Positionsberechnung über Tabelleneinträge Tupel über Ausschlussverfahren identifizieren Euklidisches Distanzmaß ermittelt richtige(n) Tupel
Verfahren Tabellenbasiert
benötigte APs
1-3
Zelldichte APs
Abstand 10m
Genauigkeit ~10m
PG LBS: Positionierung im WLAN 1528.10.2003
Location Tracking- RSS im Detail -
• Triangulation Mapping Interpolation (TMI) Entwickelt an der Carnegie Mellon University offline Trainingsphase notwendig
mögliche Positionen müssen bekannt sein Triangulation zur Positionsberechnung Mapping von Signal auf physikalische Position
Verfahren CMU-TMI
benötigte APs
1-3
Zelldichte APs
Abstand 10m
Genauigkeit ~10m
PG LBS: Positionierung im WLAN 1628.10.2003
Location Tracking- RSS im Detail -
• Location Clustering Messung der Signalstärke je Position Gruppierung der Positionen in Clustern
reduziert nötige Berechnungen für Lokalisierung erhöht Genauigkeit & Skalierbarkeit
Offline Trainingsphase notwendig
Name Joint Clustering
Kennzeichen
• probability distribution• clustering of map locations
Genauigkeit ~3m
PG LBS: Positionierung im WLAN 1728.10.2003
Location Tracking- RSS Vergleich -
• Joint Clustering liefert die höchste Genauigkeit
Genauigkeit Offline Training
Triangulation ~15m neinTabellenbasiert ~10m ja
CMU - TMI ~10m jaJoint Clustering ~3m ja
PG LBS: Positionierung im WLAN 1828.10.2003
Data Collection
• Welche Daten kann man ermitteln? ESSID (Extended Server Set Identifier) IP (IP Adresse des Access Points) RSS (Received Signal Strength)
• Wo kann man die Daten auslesen? Client
self-positioning indirect remote-positioning
Access Point remote positioning indirect self-positioning
PG LBS: Positionierung im WLAN 1928.10.2003
Data Collection- Client -
• Lösungen Ekahau Client (u.U. modifizierter WLAN Treiber
benötigt) Horus (MAPI API)
Topologie
indirect remote positioning
Daten RSS (ESSID, IP)
Quelle Treiber
Sonstiges
nicht mit allen Treibernmöglich
PG LBS: Positionierung im WLAN 2028.10.2003
Data Collection- Access Point -
• Lösungen RADAR (HostAP) Airespace Control System (modifizierte Access Points) Newbury Wireless Watchdog (WLAN Sensoren)
Topologie
remote positioning
Daten ESSID, IP (RSS)
Quelle Access Point
Sonstiges
nur angemeldete Clients sichtbar
PG LBS: Positionierung im WLAN 2128.10.2003
Data Collection- Vergleich -
• mögliche Verfahren Cell of Origin -> Access Point RSS -> Client
Vorteile Nachteile
Client
•Client-Anwendung mit LBS-Anwendung kombinierbar
•nicht jeder Treiber stellt Daten bereit
•Client-Anwendung benötigt
AP •Daten direkt am AP auslesbar
•keine Client-Anwendung benötigt
•nur angemeldete Clients sichtbar
•RSS aller Clients nur durch Software-/Hardware-modifikation ermittelbar
PG LBS: Positionierung im WLAN 2228.10.2003
Lösungskonzept- (1) COO & ESSID -
• Ziel Implementierung und Test von
Location Based Services ermöglichen
Location
BasedService
Auswertung
Verwaltung
ESSID
Verfahren Cell of Origin
Topologie remote positioning
Daten ESSID
Genauigkeit
~25m
PG LBS: Positionierung im WLAN 2328.10.2003
Lösungskonzept- (2) RSS & Clientanwendung -
• Ziel Einsatzfähige Lösung für Location Based Services
Verfahren Received Signal Strength
Topologie indirect remote positioning
Daten RSS
Verfahren Joint Clustering
Genauigkeit
~3m
PG LBS: Positionierung im WLAN 2428.10.2003
Fazit
Zusammenfassung
EmpfehlungAusblick
Fazit
DECT vs. WLAN
PG LBS: Positionierung im WLAN 2528.10.2003
Fazit- DECT vs. WLAN -
DECT WLAN•mittlere Bandbreite (bis
1,2MBit/s)•Optimierung für Telefonie
(Sprache 32KBit/s)•Handover zwischen
Basisstationen ohne Verbindungseinbruch
•Automatische Verbindungswechsel zur BS mit größter Signalstärke
•Positionierung über Signalstärke (Messung am Endgerät) – Software/Hardwaremodifikation
•hohe Bandbreite (bis zu 54MBit/s)
•Optimiert für Datenübertragung (Verbesserung für VoIP - 802.11e)
•Handover verursacht Verbindungseinbruch
•Kein automatischer Wechsel zum AP mit größter Signalstärke
•Positionierung über Signalstärke (Messung am Client) mit Standardhardware
PG LBS: Positionierung im WLAN 2628.10.2003
Fazit- Zusammenfassung -
• Positionsbestimmung Cell of Origin & Received Signal Strength
• Optimierung der Positionsbestimmung Tabellenbasiertes Verfahren Joint Clusterting / Incremental Triangulation
• Data Collection Client (indirect remote positioning) Access Point (remote positioning)
PG LBS: Positionierung im WLAN 2728.10.2003
Fazit- Empfehlung & Ausblick -
• ZIEL genaue Position eines Clients ermitteln
• to do … Testen der WLAN Positionierung Konzeptionierung der LBS Architektur stufenweise Entwicklung des Positionierungsverfahren
• Verbesserung der Positionierung durch Hardwaremodifikation Verbesserte Messung der RSS direkt am AP Ermöglichung von TDOA (Time Difference of Arrival)
PG LBS: Positionierung im WLAN 2828.10.2003
Vielen Dank!
Noch Fragen ?
Nächster Vortrag:
Kartendienste für LBS(Christian Schröder)