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Positionierung von DECT Geräten Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Autor: Christian Platta AG Kao Betriebssysteme und.

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1 Positionierung von DECT Geräten Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Autor: Christian Platta AG Kao Betriebssysteme und Verteilte Systeme Institut für Informatik Universität Paderborn

2 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

3 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Architektur von DECT Portable Part (PP) Fixed Part (FP) External Network Commom Air Interface GSM X.25 LAN ISDN GAP

4 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Dynamic Channel Selection FP 1FP 2 FP 1FP 2 Intracell Handover Channel 1 Channel 2 Intercell Handover PP hat eine Signalstärke-Liste aller empfangenen FPs. PP kommuniziert im besten Kanal.

5 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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.

6 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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 ? !

7 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Next-Neighbor-Estimation Ansatz 1

8 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

9 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

10 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Ansatz 2 Gaussian Process Positioning System GPPS

11 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten GPPS Wkeitstheoretischer Ansatz Gibt Antwort auf die Frage: Welche Position ist bei gegebenen Signalstärken am wahrscheinlichsten? für DECT getestet, aber auch für W-LAN denkbar

12 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Erstellung eines Wkeitstheoretischen Modells: Beschreibt die Wkeit, das an einem Punkt t die Signalstärken s i von i Basisstationen gemessen werden p i (s i |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. Wkeit für alle p i Optimierungsproblem Modell des GPPS

13 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

14 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Genauigkeit des Verfahrens Number of points for calibration Mean localization error (in meters)

15 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Ansatz 3 Nonlinear Filtering Technique

16 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

17 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Approximation der Signalstärke

18 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

19 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

20 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

21 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Ansatz 4 DECT Positioning System

22 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Pattern-Matching Verfahren B1B2B3B4B5B {{ B1B2B3B4B5B {{ B1B2B3B4B5B {{ B1B2B3B4B5B {{... B1B2B3B4B5B {{ aktuelle Messung Datenbank

23 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Pattern-Matching Verfahren Suche den Messpunkt, welcher der Messung am nächsten ist. Summe der Nachbarschaften bezüglich aller empfangenen FPs Prox total = Prox Was bedeutet Nachbarschaft in Bezug auf Signalstärken? Abstandsmaß 1: Prox = Fehlergewicht * äquivalenter euklidischer Abstand Abstandsmaß 2: Prox = Fehlergewicht * einfacher Abstand K k=1 k i k i k i

24 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

25 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Vereinfachter Ablauf einer Ortungsanfrage User DB Location Manager Map Server Ortungsanfrage PP_4711 S1S2S3S1S2S3... RSSI Maps DB PP_4711 Location Server FP

26 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Überblick: alle Verfahren Relevanz für die PG NNE relativ einfach zu realisieren Mögliche Grundlage für die PG GPPS Wkeitstheoretisches 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

27 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Positionierung der Basisstationen Anzahl der Basisstationen Einflussfaktoren I niedrige Ortungsgenauigkeithohe Ortungsgenauigkeit Ungleichmäßige Verteilung Gleichmäßige Verteilung

28 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

29 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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

30 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten 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)

31 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten ? ? ? ? ? Noch Fragen?

32 PG LBS: Positionierung von DECT Geräten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !


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