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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
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PG LBS: Positionierung im WLAN 228.10.2003
Motivation
<Bild / Animation>
Positionierung im WLAN
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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?
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PG LBS: Positionierung im WLAN 428.10.2003
Inhaltsübersicht
Positionierung
im WLAN
WLAN Location Tracking
Data Collection
Lösungskonzepte
Fazit
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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)
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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
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PG LBS: Positionierung im WLAN 728.10.2003
Location Tracking
COO im Detail
RSS im Detail
Location Tracking
Lokationsverfahren
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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PG LBS: Positionierung im WLAN 2428.10.2003
Fazit
Zusammenfassung
EmpfehlungAusblick
Fazit
DECT vs. WLAN
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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
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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)
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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)
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PG LBS: Positionierung im WLAN 2828.10.2003
Vielen Dank!
Noch Fragen ?
Nächster Vortrag:
Kartendienste für LBS(Christian Schröder)