Abschlusspräsentation Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 – SS 2005 Leitung: Odej Kao, Ulf Rerrer Externe Berater:

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1 Abschlusspräsentation Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 – SS Leitung: Odej Kao, Ulf Rerrer Externe Berater: Werner Ahrens, Jörg Littmann Teilnehmer: Tobias Beisel, Frank Brüseke, Stephan Caldewei, Eiko Gosling, Christine Haertl, Jan Hoffmann, Ludger Lecke, Nicolas Lerch, Stephan Müller, Florian Pepping, Christian Platta, Christian Schröder AG Kao Betriebssysteme und Verteilte Systeme Institut für Informatik Universität Paderborn Vorstellen: Name, Tätigkeit, Veranstaltung Siemens AG Com ESY HD Communication Enterprise Systems HiPath Development

2 Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit
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3 Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit
Szenario Gerät Position PDA (65, 7, 9) PDA (28,14,3) Positionie-rung Dienst-verwaltung Auswahl Dienst 1 2 3    Dienst 1 Dienst 2 Dienst 3 Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Einführung

4 Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit
Die Nutzung von lokationsbasierten Diensten bedingt das Zusammenspiel von drei Komponenten Mobiles Endgerät Nutzt lokationsbasierten Dienst Ermittelt und überträgt Positionsdaten Location-Server Ermittelt mit Lokationsalgorithmus die Position des Endgerätes Lokationsbasierter Dienst Verwendet ermittelte Position Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Einführung

5 Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit
Inhalt Ziele, Anforderungen & Wünsche Architektur Dienste LIVE Demonstration Fazit Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Einführung

6 Ziele, Anforderungen & Wünsche
Entwicklung einer Architektur für lokationsbasierte Dienste Lokalisierung von WLAN-Endgeräten Implementierung von lokationsbasierten Diensten Anforderungen & Wünsche der Firma Siemens Integration und Verwendung des HiPath Location-Servers von Siemens Kommunikation zwischen Location-Server und Endgerät über „WL2 Interaction Protocol“ (für optiPoint-WL2 Telefon) Siemens Location-Server … für DECT Entwickelt – Anpassungen für WLAN notwendig WL2 – sieht Registrierung vor bzw. Post-Registrierung nach Mess-Anfrage vor Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Einführung

7 Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit
Architektur im Detail „Da bin ich doch gar nicht!“ Minimap: „Zeig mir meine Position an!“ Übergebe Positionsdaten an Minimap Position unbekannt? Positioniere Endgerät Sende Karte an Endgerät zurück HTTP (Browser,…) Client Service Manager MapS Endgerät Ermittelt Positions- daten und sendet sie an den LS zurück SOAP Erstellt Karte mit Position HTTP (WL2-XML) Berechne Position des Endgeräts Frage Positionsdaten beim Endgerät ab SOAP Location-Server Dienst Dienst Dienst Positionierung Ermittle Kartenparameter Rufe Kartendienst auf Services & Karten Services & Karten Erzeuge Webseite in ISL Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

8 LBSClient Location Tracking
Cell of Origin (COO) Positionierung über aktuelle Zelle Access Point stellt aktuelle Zelle dar Positionierungsgenauigkeit ~10m (*) Received Signal Strength (RSS) Positionierung über Signalstärke Signalstärke empfangener Frames wird gemessen Positionierungsgenauigkeit abhängig vom Lokationsalgorithmus (*) Erfahrungswert bei Messungen in der Fürstenallee Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

9 LBSClient Data Collection
remote positioning Access Points lokalisieren WLAN-Endgerät spezielle Hardware erforderlich indirect remote-positioning WLAN-Endgerät ermittelt die Positionsdaten die vom Location-Server ausgewertet werden Verfügbare Daten RSS, MAC-Adressen der Access Points WLAN-Treiber Scanning (abhängig vom Treiber) WLAN-Adapter lauscht nach Beacon-Frames (Passive) WLAN-Adapter sendet Probe-Request-Frames um Access Points zu finden (Active) Client Endgerät Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

10 LBSClient technische Details
Funktionalität / Eigenschaften Signalstärke wird auf Anfrage des Location- Servers ausgelesen und an diesen übermittelt Datenaustausch über das „WL2 Interaction Protocol“ LBSClient registriert sich beim Location-Server Wenige empfangene Access Points (Passive Scanning) Teilweise schlechte Positionierungsergebnisse Verfügbare Plattformen (In C implementiert) Windows XP, Windows CE (ab V4.2) Nutzt NDISUIO Dienst für Zugriff auf WLAN-Adapter Linux basiert auf „iwlist“ Befehl aus dem „wireless-tools“ Paket Client Endgerät Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

11 Location-Server Testumgebung
Fürstenallee 11 Grundfläche: ca. 97m x 53 m Gebäudehöhe: ca. 14m Testumgebung Access Points mit SSID "Uni Paderborn" 13 Access Points auf F0, F1 und F2 Ein Access Point auf dem Dach Messkarte für die Ebenen F0, F1 und F2 Location-Server erfordert Offline-Messungen Messraster 2,4m Offline-Messung mit LBSClient und Netstumbler Messapparatur bestehend aus Notebook, Lucent WLAN-Antenne und „mobiler Halterung“ Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

12 Location-Server Messkarte (2)
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13 Location-Server technische Details
HiPath Location-Server (Siemens) Für Einsatz mit DECT entwickelt Anpassung für WLAN erforderlich Lokationsalgorithmus unbekannt Positionierungsgenauigkeit ca. 9m UPB Location-Server (Eigenentwicklung) Abläufe im Location-Server und Einflussmöglichkeiten verstehen Lokationsalgorithmen RF Fingerprinting Tracking (mögliche Erweiterung) Positionierungsgenauigkeit ca. 3m Location-Server Positionierung Status Testserver fertig (ohne Schnittstellen) Java Implementierung in Arbeit Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

14 Service-Manager technische Details
Funktion zentraler Zugriffspunkt für Dienste Fragt Location-Server nach Positionierungsdaten Ruft geforderten Dienst mit ermittelten Positionsdaten auf Eigenschaften Kommunikation über HTTP/SOAP Bietet Infrastrukturdienste an Einfache Session-Verwaltung Dynamische Kartenerstellung (Größe, einzuzeichnende Objekte) Fremdpositionierung Anpassung der Ausgabe an das Endgerät Service Manager Dienst MapS SOAP Services & Karten technische Details Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

15 Kartendienst technische Details
Service Manager MapServer „Kalle“ F0 F1 F2 Ebenen UMN Mapserver (OpenSource) <isl/> <isl/> Dienst Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Dienste

16 Service-Manager & Dienste Ablaufschema
Allgemeiner Ablauf Position beim LS erfragen Anfrage an LS senden Positionsdaten von LBSClient erfragen Position berechnen Position an Dienst senden LS 1A:2B:3C:4D:5E:6F (76.5; 5.83; 11.54) Dienstanfrage entgegennehmen Position bei LS erfragen Dienst aufrufen Kartendienst aufrufen Ergebnis- transformation Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Dienste

17 Service-Manager & Dienste Ablaufschema
Allgemeiner Ablauf Ablauf im Dienst Karte anfordern Dienstanfrage verarbeiten SM Karte erstellen? ja nein Dienstantwort in ISL erzeugen Dienstanfrage entgegennehmen Position bei LS erfragen Dienst aufrufen Kartendienst aufrufen Ergebnis- transformation Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Dienste

18 Service-Manager & Dienste Ablaufschema
Allgemeiner Ablauf Ergebnistransformation Dienstanfrage entgegennehmen Endgerättyp? Rich / Laptop (HTML) Handy (WML) PDA (HTML) Position bei LS erfragen Rich / Laptop (HTML) XSL-Transformation für PDA XSL-Transformation für Handy XSL-Transformation für Rich-Client Dienst aufrufen Kartendienst aufrufen Ergebnis- transformation Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Dienste

19 Dienste technische Details
Minimap Position des Benutzers anzeigen Druckservice Nächsten Drucker auf Karte anzeigen Datei auf Drucker ausdrucken Find-a-Friend Andere Benutzer positionieren technische Details Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Dienste

20 Dienste Demonstration
LIVE DEMO Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit LIVE Demo

21 Weitere Dienste entwickeln
Dienst als Webanwendung konzipieren Steuerung über HTTP-Parameter (Key-Value-Paare) ServiceManager stellt SessionManagement bereit SOAP-Schnittstelle zum ServiceManager Services können in beliebiger Programmiersprache implementiert werden, die SOAP unterstützt. ServiceBase Vorlage für neue Dienste auf Java-Basis wird von uns bereitgestellt Läuft als separater Kontext im Tomcat Detaillierte Informationen auf unserer Website (URL am Ende des Vortrages) Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Fazit

22 Zusammenfassung Ergebnisse
HTTP (Browser,…) Client Service Manager MapS Endgerät SOAP HTTP (WL2-XML) SOAP Location-Server Dienst Dienst Dienst Positionierung Services & Karten Services & Karten Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Fazit

23 Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit
Ausblick Services Dynamische Aktivierung Semantische Suche Routing auf Gebäudekarten verbesserte Ergebnisvisualisierung LBSClient Unterstützung weiterer Plattformen Location-Server zusätzliche, alternative Lokationsalgorithmen Sicherheit Verschlüsselte Kommunikation über HTTPS Integration eines Benutzerkonzeptes beim Service Manager Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Fazit

24 Ende Vielen Dank! Gibt es noch Fragen?
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25 Jetzt ausprobieren! Unsere Homepage besuchen: LBSClient herunterladen, installieren und starten Services testen unter ‚Start der Software‘ auf unserer Website Projektgruppe Location-based Services

26 LBSClient verwendete API‘s
Windows Windows Management Instrumentation (WMI) Skriptbasierter Zugriff Keine einheitliche Schnittstelle Eingeschränkte Steuerbarkeit (z.B. Intervalle) NDIS User Mode I/O Protokoll (NDISUIO) NDIS = Network Driver Interface Specification Ermöglicht Applikationen im Usermode Verbindungen zum WLAN-Adapter aufzubauen und Operationen auszuführen Besser steuerbar durch Vielzahl an Kommandos benötigt exklusiven Zugriff auf WLAN Adapter  Wireless Zero Configuration Dienst muss beendet werden Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

27 LBSClient verwendete API‘s (2)
Windows CE WMI nicht unterstützt NDISUIO WZC muss nicht beendet werden NDISUIO muss nicht explizit gestartet werden Lediglich Handle auf NDIS-Treiber benötigt Zugriffe wie in Windows XP Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

28 LBSClient verwendete API‘s (3)
Linux Basiert auf dem „wireless-tools“ Paket Anpassung der iwlist Funktion (iw_scanning, iwlist.c) IW_EVENTS SIOCGIWAP MAC-Adresse SIOCGIWRATE Signalstärke SIOCGIWESSID SSID WLAN Device kann automatisch ermittelt oder übergeben werden Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

29 Location-Server Lokationsalgorithmus
RF Fingerprinting Positionsberechnung über Tupel idi,xi,yi,zi (ap0,s0)i ,(ap1,s1)i ,… Offline Phase Messdaten erfassen & Medianberechnung Tupel bilden Signalraum (gespeichert in DB) Online Phase Distanzbestimmung zu allen Punkten im Signalraum Angepasste Metrik und Mittelung der besten Treffer berechnen Position Genauigkeit ~10m (RADAR, Microsoft Research) drei Access Points auf 43,5x22,5m (*) (*) Erfahrungswert aus RADAR-Paper Location-Server Positionierung Status Testserver fertig (ohne Schnittstellen) Java Implementierung in Arbeit Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

30 UPB Location-Server Probleme & Ergebnisse
Positionierungsgenauigkeit Siemens Location-Server ca. 9m UPB Location-Server ca. 3m Hohe Schwankungen innerhalb des Gebäudes Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

31 Service-Manager technische Details
Realisierung: Applikationsserver mit Webschnittstelle für Benutzer. Erzeugt geräteabhängiges Markup z.B. wichtig für kleine Displays auf PDAs Dienste liefern geräteunabhängiges Markup (ISL) Wichtige Schnittstellen: Service Manager Image getMap(X, Y, ..) Coordinate getPosition(MacAddress) ISL doService(Coordinate, Parameters, UploadedFiles) Coordinate getPosition(MacAddr) Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur

32 Dienste technische Details
Eigenschaften Dienste sind Webanwendungen Anwendungsprotokoll über HTTP-Parameter Sessionverwaltung notwendig Dienste kapseln ihre Daten Druckdienst kennt Positionen der Drucker Find-a-Friend-Dienst realisiert eigene Benutzerverwaltung Dienste können andere Dienste verwenden Infrastrukturdienste des Service-Managers andere Web Services Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Dienste

33 Location Server Positionierung
Positionierungsdauer (tP) = tC + tT + tX = 5 bis 10s Sammeln von Positionsdaten (tC): 2s Positionsberechnung (tT): 2s Nachrichtenlaufzeit (tX): s Erkenntnisse „Location Tracking“ über Cell of Origin (COO) erfolgt nur, wenn nicht mehr als ein Access Point empfangen wird Netstumbler findet mehr Access Points über Active Scanning – Signalstärke bleibt gleich Verschiedene WLAN-Adapter lassen sich nahezu gleich gut positionieren Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste LIVE Demo Fazit Architektur