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Positionierung im WLAN Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Stephan Müller AG Kao Betriebssysteme.

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Präsentation zum Thema: "Positionierung im WLAN Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Stephan Müller AG Kao Betriebssysteme."—  Präsentation transkript:

1 Positionierung im WLAN Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Stephan Müller AG Kao Betriebssysteme und Verteilte Systeme Institut für Informatik Universität Paderborn

2 PG LBS: Positionierung im WLAN Motivation Positionierung im WLAN

3 PG LBS: Positionierung im WLAN 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?

4 PG LBS: Positionierung im WLAN Inhaltsübersicht Positionierung im WLAN WLAN Location Tracking Data Collection Lösungskonzepte Fazit

5 PG LBS: Positionierung im WLAN 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)

6 PG LBS: Positionierung im WLAN 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 AP old AP new

7 PG LBS: Positionierung im WLAN Location Tracking COO im Detail RSS im Detail Location Tracking Lokationsverfahren

8 PG LBS: Positionierung im WLAN 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

9 PG LBS: Positionierung im WLAN 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

10 PG LBS: Positionierung im WLAN 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

11 PG LBS: Positionierung im WLAN Location Tracking - Verfahren - mögliche Lokationsverfahren Cell of Origin (COO) Received Signal Strength (RSS) COOAOARSSSNRTOARTOFTDOA im WLAN verfügbar Ø ØØ ermöglicht Location Tracking Ø ØØØ

12 PG LBS: Positionierung im WLAN 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 APs1 Zelldichte APsAbstand 10-15m Genauigkeit~25m

13 PG LBS: Positionierung im WLAN 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 VerfahrenTriangulierung benötigte APs1-3 Zelldichte APsAbstand 10m Genauigkeit~15m

14 PG LBS: Positionierung im WLAN Location Tracking - RSS im Detail - Tupel (n i,p i,(ap 0,s 0 ) i,(ap 1,s 1 ) i,(ap 2,s 2 ) i ) offline Trainingsphase notwendig Probemessung & Medianberechnung Speicherung in Tabelle Positionsberechnung über Tabelleneinträge Tupel über Ausschlussverfahren identifizieren Euklidisches Distanzmaß ermittelt richtige(n) Tupel VerfahrenTabellenbasiert benötigte APs1-3 Zelldichte APsAbstand 10m Genauigkeit~10m

15 PG LBS: Positionierung im WLAN 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 VerfahrenCMU-TMI benötigte APs1-3 Zelldichte APsAbstand 10m Genauigkeit~10m

16 PG LBS: Positionierung im WLAN 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 NameJoint Clustering Kennzeichen probability distribution clustering of map locations Genauigkeit~3m

17 PG LBS: Positionierung im WLAN Location Tracking - RSS Vergleich - Joint Clustering liefert die höchste Genauigkeit GenauigkeitOffline Training Triangulation ~15mnein Tabellenbasiert ~10mja CMU - TMI ~10mja Joint Clustering ~3mja

18 PG LBS: Positionierung im WLAN 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

19 PG LBS: Positionierung im WLAN Data Collection - Client - Lösungen Ekahau Client (u.U. modifizierter WLAN Treiber benötigt) Horus (MAPI API) Topologieindirect remote positioning DatenRSS (ESSID, IP) QuelleTreiber Sonstigesnicht mit allen Treibern möglich

20 PG LBS: Positionierung im WLAN Data Collection - Access Point - Lösungen RADAR (HostAP) Airespace Control System (modifizierte Access Points) Newbury Wireless Watchdog (WLAN Sensoren) Topologieremote positioning DatenESSID, IP (RSS) QuelleAccess Point Sonstigesnur angemeldete Clients sichtbar

21 PG LBS: Positionierung im WLAN Data Collection - Vergleich - mögliche Verfahren Cell of Origin -> Access Point RSS -> Client VorteileNachteile ClientClient-Anwendung mit LBS- Anwendung kombinierbar nicht jeder Treiber stellt Daten bereit Client-Anwendung benötigt APDaten direkt am AP auslesbar keine Client-Anwendung benötigt nur angemeldete Clients sichtbar RSS aller Clients nur durch Software-/Hardware- modifikation ermittelbar

22 PG LBS: Positionierung im WLAN Lösungskonzept - (1) COO & ESSID - Ziel Implementierung und Test von Location Based Services ermöglichen Location Based Service Auswertung Verwaltung ESSID VerfahrenCell of Origin Topologieremote positioning DatenESSID Genauigkeit~25m

23 PG LBS: Positionierung im WLAN Lösungskonzept - (2) RSS & Clientanwendung - Ziel Einsatzfähige Lösung für Location Based Services VerfahrenReceived Signal Strength Topologieindirect remote positioning DatenRSS VerfahrenJoint Clustering Genauigkeit~3m

24 PG LBS: Positionierung im WLAN Fazit Zusammenfassung EmpfehlungAusblick Fazit DECT vs. WLAN

25 PG LBS: Positionierung im WLAN Fazit - DECT vs. WLAN - DECTWLAN 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 e) Handover verursacht Verbindungseinbruch Kein automatischer Wechsel zum AP mit größter Signalstärke Positionierung über Signalstärke (Messung am Client) mit Standardhardware

26 PG LBS: Positionierung im WLAN 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)

27 PG LBS: Positionierung im WLAN 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)

28 PG LBS: Positionierung im WLAN Vielen Dank! Noch Fragen ? Nächster Vortrag: Kartendienste für LBS (Christian Schröder)


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