Positionierung von DECT Geräten Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS...
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Positionierung von DECT Geräten
Projektgruppe Location-based Services for Wireless DevicesWS 2004/05
Autor: Christian Platta
AG Kao
Betriebssysteme und Verteilte SystemeInstitut für InformatikUniversität Paderborn
2PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
DECT der Standard
➣Digital Enhanced Cordless Telecommunication➣Früher Digital European Cordless Telephone aber aus
Marketing-Gründen umbenannt➣Protokoll Standard für drahtlose Telefone im Haus- und
Firmenbereich seit 1992 (ESTI)➣sehr erfolgreich:
➣ alleine 2003 über 50 mio. verkaufte DECT Produkte
➣ kostengünstig
➣ verschiedene Anbieter
3PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Architektur von DECT
Portable Part (PP)Fixed Part (FP)
External NetworkCommom Air Interface
GSMX.25X.25
LANISDN
GA
P
4PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Dynamic Channel SelectionFP 1 FP 2
FP 1 FP 2
Intracell Handover
Channel 1
Channel 2
Intercell Handover
PP hat eine Signalstärke-Liste aller empfangenen FPs.PP kommuniziert im besten Kanal.
5PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
➣Abschattung, Mehrwegeausbreitung➣Über die Signalstärke kann nicht direkt auf die Entfernung
zwischen FP und PP geschlossen werden.➣Daher: Messungen durchführen, welche die reale
Signalstärken-Verteilung wiederspiegeln.
Probleme mit der Signalstärke
vs.
6PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Ansätze zur Positionierung
➣Wir haben: Signalstärken aller empfangenen FPs➣Wir suchen: Punkt, an dem sich das PP befindet➣Wir wollen nur die vorhandene Infrastruktur nutzen
➣Ansätze:➣ Next-Neighbor-Estimation
➣ GPPS
➣ Nonlinear Filtering Technique
➣ Siemens DPS
✓?!
7PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Next-Neighbor-Estimation
Ansatz 1
8PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Next-Neighbor-Estimation
➣Erstellung eines möglichst feinen Netzes von Messpunkten
➣Suche den Messpunkt, der den gemessenen Werten am ähnlichsten ist
➣Vorteil:➣ relativ einfache Realisierung
➣Nachteil:➣ nur vorher gemessene Punkte können “gefunden” werden
➣ sehr viele Messpunkte nötig
➣ benötig viele optimal angeordnete FPs
➣ sehr anfällig gegen Ausfälle von FPs bzw. Messfehlern
9PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Next-Neighbor-Estimation
➣Fazit aus NNE:➣ Messpunkte alleine reichen nicht immer aus
➣ Keine Aussagen über Punkte, die nicht explizit gemessen wurden
➣ Keine Aussagen über die Güte des geschätzten Ergebnisses
➣Daher:➣ A: Schätzung anhand mehrer benachbarter Messpunkte
➣ B: Modell zur Beschreibung des Problems
➣ Ein Modell beschreibt den Zusammenhang zw. empfangenen Signalstärken und einer Position
10PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Ansatz 2
Gaussian Process Positioning System
GPPS
11PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
GPPS
➣W’keitstheoretischer Ansatz➣Gibt Antwort auf die Frage:
“Welche Position ist bei gegebenen Signalstärken am wahrscheinlichsten?”
➣für DECT getestet, aber auch für W-LAN denkbar
12PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
➣Erstellung eines W‘keitstheoretischen Modells:➣ Beschreibt die W‘keit, das an einem Punkt t die Signalstärken
si von i Basisstationen gemessen werden
➣ pi(si|t), i= 1... Anzahl Basisstationen
➣ Wie bekommen wir p?
➣ p wird mit Hilfe von Messwerten über ein Gaussian Prozess Modell approximiert.
➣ Lokalisierung:
➣ Ermittle den Punkt, mit der größten max. W’keit für alle pi
➣ Optimierungsproblem
Modell des GPPS
13PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
GPPS
➣Genauigkeit des Verfahrens hängt stark mit den verwendeten Funktionen des Gaussian Prozess Models zusammen➣ Entscheidung für verwendete Funktionen
➣ Kalibrierung über Messdaten
➣Standorte der Basisstationen werden geschätzt➣ ∅ der 3 stärksten Messpunkte
14PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Genauigkeit des Verfahrens
Number of points for calibration
Mea
n lo
caliz
atio
n er
ror
(in m
eter
s)
15PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Ansatz 3
Nonlinear Filtering Technique
16PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Modell der Nonlinear Filtering Technique
➣Measurement Model➣ 1. Deterministischer Part: Modellierung der Signalstärke als
Funktion bezüglich der Positionen.
➣ Approximierung anhand der Messwerte
➣ 2. Stochastischer Part:
➣ Unterschied zwischen deterministischem Modell und der “realen” Verteilung (Gaussian noise)
➣ Messrauschen
➣ Approximiert über mehrfache Messungen an einem Punkt
➣3. Motion Model
17PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Approximation der Signalstärke
18PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Motion Modell
➣Beschreibt Wissen über die Bewegung eines PPs➣z.B.:
➣ die max. Schrittweite eines FPs in einem Zeitintervall ist begrenzt
➣ Bereits vorher ermittelte Positionen beachten
➣ Bewegungsrichtung
➣Eingrenzung der möglichen Positionen➣Robustheit gegen Ausfall von FPs und Signal Aliasing
19PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Lokalisierung mit der NFT
➣Lokalisierung erfolgt in einer Folge von Filterschritten➣ Genauigkeit hängt von der Anzahl der durchgeführten
Filterschritte ab
➣ Genauigkeit ist durch den Anwender beeinflussbar
➣ Aussagen über die Sicherheit des Ergebnisses
20PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Genauigkeit des Verfahrens
➣Szenario:➣ 10 FPs, 30 m x 30 m großer Raum
➣ Abstand der Messpunkte: 1m
➣ Durchschnittlicher Fehler 1,22 m nach 170 Filterschritten
21PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Ansatz 4
DECT Positioning System
22PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Pattern-Matching Verfahren
B1 B2 B3 B4 B5 B600 23 56 16 58 67{ {
B1 B2 B3 B4 B5 B623 56 11 89 42 01{ {
B1 B2 B3 B4 B5 B612 65 08 12 32 12{ {B1 B2 B3 B4 B5 B656 35 24 67 66 23{ {
...
B1 B2 B3 B4 B5 B644 32 12 09 66 67{ {
aktuelle Messung
Datenbank
23PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Pattern-Matching Verfahren
➣Suche den Messpunkt, welcher der Messung am “nächsten” ist.➣ Summe der Nachbarschaften bezüglich aller empfangenen FPs
Proxtotal= ∑ Prox
➣Was bedeutet Nachbarschaft in Bezug auf Signalstärken?
➣ Abstandsmaß 1: Prox = Fehlergewicht * äquivalenter euklidischer Abstand
➣ Abstandsmaß 2: Prox = Fehlergewicht * “einfacher“ Abstand
K
k=1
ki
ki
ki
24PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Genauigkeit des Verfahrens➣Bürogebäude: <= 5m➣Industrieumgebung: <= 12m➣Zeit zur Lokalisierung: < 5 sec während eines Anrufs
< 10 sec sonst➣Anfragen pro Minute: max. 250
➣Vergleich Cell ID: ca. 100m
25PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Vereinfachter Ablauf einer Ortungsanfrage
UserDB
Location
Manager
Map Server
Ortungsanfrage PP_4711
S1S
2S3
...
RSSIMaps DB
PP_4711
Location Server
FP
26PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Überblick: alle VerfahrenRelevanz für die PG
➣NNE➣ relativ einfach zu realisieren
➣ Mögliche Grundlage für die PG
➣GPPS ➣ W’keitstheoretisches Modell
➣ Mit zusätzlichen Informationen wahrscheinlich umsetzbar
➣Nonlinear Filtering Technique➣ sehr komplexes Modell
➣ zu komplex für einen Prototypen
➣Siemens DPS➣ Erweitertes NNE-Verfahren
➣ Mit zusätzlichen Informationen wahrscheinlich umsetzbar
27PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
➣Positionierung der Basisstationen
➣Anzahl der Basisstationen
Einflussfaktoren I
niedrige Ortungsgenauigkeit hohe Ortungsgenauigkeit
Ungleichmäßige VerteilungGleichmäßige Verteilung
28PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
➣Das Vorgehen bei der Messung ist wichtig!➣ Dichte der Messpunkte
➣ Messen kostet Zeit und Geld!
➣ Anordnung der Messpunkte
➣ quadratisch vs. hexagonal
➣ Wiederholungen der Messung am gleichen Punkt
➣ Anzahl der Wiederholungen
➣ Ausrichtung bezüglich FPs
➣ “Höhe” der Messung
➣ Reproduzierbarkeit der Messwerte
➣ Unterschiedliche Zeiten
➣ Unterschiedliche Messgeräte
Einflussfaktoren II
29PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Einflussfaktoren III
➣Robustheit des Systems➣ Wie reagiert das System auf veränderte Bedingungen?
➣ Ausfall eines Routers (Leave one out test)
➣ Bauliche Maßnahmen
➣ Viele Nutzer in einer Zelle
➣Hersteller der Hardware und Software➣ Format und Schnittstellen oft nicht standardisiert
➣ Algorithmus übertragbar
➣ Die erstellte Software ggf. nur durch Anpassung
➣2D oder 3D Positionierung ➣ Die Unterscheidung von Ebenen ist oft nicht einfach
30PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Ansätze zur Verbesserung eines Modells
➣Motion Model➣Signalstärke + Laufzeitenmessung➣Lernende Algorithmen (Neurale Netze)➣Topografische Informationen➣Mehrere Messkarten für dieselbe Region, die
unterschiedliche Systemzustände repräsentieren(busy period vs. after work period)
31PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
??
??
?Noch Fragen?
32PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 09.12.2004
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !