Location based Services in zellularen Netzen Peter Dornbusch Betreuer: Michael Wallbaum Lehrstuhl für Informatik 4, Professor Spaniol

Was sind LBS? LBS Location-Based Services sind ortsabhängige Dienste, die über mobile Endgeräte dem Benutzer zur Verfügung gestellt werden. Motivation der Diplomarbeit: Fehlende Architektur für LBS bekannte Ansätze hauptsächlich nur im Bereich des Mobilfunk verfügbar Untersuchung von WLANs im Hinblick auf LBS Beispiele: Navigationssysteme: Routenplaner City-Guides: Beschreibung von Sehenswürdigkeiten Notsysteme: 911  automatische Lokalisierung

Überblick Thema und Motivation Bekannte Ansätze Anforderungen an einen LBS Vorstellung einer Architektur für LBS Vorstellung des Zielsystems Lokalisierung in WLANs Möglichkeiten der Positionsbestimmung Bewertung und Ausblick

Zellulare Netze Zellulare Netze finden sich überall: hier nur Funknetze ein größeres Gebiet soll eine möglichst optimale Netzabdeckung erhalten wabenförmige Zellstruktur jede Zelle hat eigenen Frequenzbereich Handover beim Zellübergang Bekanntester Vertreter: GSM

Lokalisierung in Mobilfunknetzen (1) Global Positioning System (GPS): Mit Hilfe von Satelliten wird auf die Position der MS geschlossen Observed Time Difference (OTD), Time of Arrival (TOA) Messe Signallaufzeit oder Signallaufzeitdifferenz 1. Hyperbolische Verfahren zur Positionsberechnung 2. Kreisverfahren zur Positionsberechnung Schnittpunkte der Hyperbel, bzw. Kreise entspricht Position Angle of Arrival (AOA):  bestimme Abstand und Winkel zwischen BS und MS  2 Stationen  2 Geraden  1 Schnittpunkt Problem: Verfahren benötigt spezielle Antennen an den BS die den Winkel bestimmen können

Lokalisierung in Mobilfunknetzen (2) Signalstärke  bestimme Signalstärke-> Abstand zwischen MS und BS  Kreisverfahren zur Positionsbestimmung  im Mobilfunk: Verfahren aufgrund großer Messungenauigkeit nicht verwendbar Cell of Origin (COO): Zellkennung lässt Rückschlüsse auf Position zu  derzeit einziges Verfahren, welches im Einsatz ist (je nach Zellgröße sehr ungenau)

Mobile Positioning Protocol (MPP) Schnittstelle zwischen Positionsdaten und Anwendung Entwicklung durch Ericsson Standardisierung durch ETSI läuft derzeit

Wireless LAN (IEEE 802.11b) Wireless LAN (IEEE 802.11) Ergänzung bestehender Ethernet Infrastruktur um Funknetz relativ günstig, da Benutzung gebührenfrei leicht aufzubauende Infrastruktur hohe Datenrate

LBS in WLANs Da WLAN-Netze erst in letzten Jahren Verbreitung gefunden haben, gibt es nur sehr wenige Ansätze Ansatz 1: Reiseführer der Stadt Lancaster Verfahren: COO Ansatz 2: Carnegie Mellon University Plattform für verschiedene Dienste auf dem Campus Verfahren: COO, Verbesserungsvorschläge unter Berücksichtigung der Signalstärke Wünschenswert ist eine Schnittstelle ähnlich des MPP in Mobilfunknetzen

Anforderungen an LBS Skalierbarkeit Kann die Plattform auch große Datenmengen verwalten? Genauigkeit der Lokalisierung Wie genau kann auf die Position einer MS geschlossen werden? Flexibilität/Anpassungsfähigkeit Kann auch bei fehlenden Daten die Position ermittelt werden? Sicherheit und Privatsphäre Wer hat Zugriff auf die Daten? Kann der Benutzer des LBS entscheiden ob er lokalisiert wird? Fehlertoleranz Wie wirken sich Störfaktoren auf die Genauigkeit des Ergebnisses aus? Berücksichtigung der verfügbaren Ressourcen LBS darf nur einen Teil der Netzressourcen benötigen. Antwortzeit Wie schnell kann das System eine Antwort auf eine Anfrage realisieren?

Schichtenmodell (1) Datenerfassung: Alle zur Positionsberechnung benötigten Daten werden ausgelesen. Statische Datenerfassung: - Position der BS/APs - geographische Gegebenheiten Aktive Datenerfassung: - Signallaufzeiten - Zellkennung - Signalstärke Schnittstelle zur höheren Schicht ist netzabhängig - z.B. BS Position + Abstand MS zu BS

Schichtenmodell (2) Positionsberechnung: Mit Hilfe eines Lokalisierungsverfahrens wird aus den gewonnenen Daten die Position der mobilen Station berechnet. ->Kreisverfahren, Hyperbolisches Verfahren ... Darstellung der Positionsdaten in Breiten und Längengrad Ergänzungen: Fehlergröße, Höhe...

Schichtenmodell (3) Datenorganisation: Aufbereitung der Daten Eigentliche Schnittstelle zwischen Positionsdaten und Anwendung Austauschformat mit der Dienstschicht: XML Bei großen Datenmengen Speicherung in verteilter Datenbank Organisation des Zugriffs Zugriffskontrolle (Sicherheit) Dienst: die eigentliche Anwendung, mit Hilfe der Positionsdaten wird ein ortsabhängiger Dienst ermöglicht

Navigationshilfe, Informationsdienste... Architektur Service Navigationshilfe, Informationsdienste... Organisation MPP Berechnung COO, GPS, OTD, TOA... Datenerfassung Schichten Einordnung

Implementierung in MoPS(1) MoPS: WLAN-Netz der RWTH-Aachen Netzzugang über PPTP Zuweisung der Positionsdaten schwierig wegen doppelter IP-Adresse Probleme im Hinblick auf das zu entwickelnde System: - keine standardisierte Schnittstelle zur Datenerfassung (http,snmp,...)

Implementierung in MoPS(2)

Lokalisierung in WLANs Wie anfänglich erwähnt, gibt es nur wenige Ansätze. Bisher: - COO für WLANs - Überlegungen: COO + Signalstärke Messung von Signallaufzeiten in WLAN-Netzen wird von Herstellern bisher nicht unterstützt.

Signalstärke Messung der Signalstärke ohne Positionsveränderung

Ansätze in WLANs Je nach Verfügbarkeit 3 Stufen der Genauigkeit: (1) bei mangelnder Netzabdeckung oder schlechtem Empfang: COO (2) gute Netzabdeckung, aber keine Tabelle verfügbar: Kreisverfahren (3) gute Netzabdeckung und Tabelle verfügbar: Tabellenverfahren   Sicherheit - Anmeldung muss vor der Lokalisierung erfolgen   

COO in WLANs COO: MS ist über AP eingebucht Position des AP bekannt Sendeleistung des APs bekannt (hier: 100 mW)  Kreisumgebung in der sich MS befindet, kann ermittelt werden Ergebnis: Genauigkeit sehr schlecht (je nach Zellgröße: 30m bis 500m genau)

Ansätze zur Verbesserung MS wird auch von APs erkannt über die keine Verbindung aufgebaut wurde. Zusätzlich kann über die Signalstärke zwischen MS und AP im etwa auf den Abstand geschlossen werden.  Verfahren ähnlich der im Mobilfunk möglich Problem: Signalstärke unterliegt vielen Einflussfaktoren (1) Dämpfung durch Wände und Gegenstände (2) Dämpfung durch sich bewegende Objekte (Personen,...) (3) Verstärkung des Signals durch Reflektion (4) ...

Kreisverfahren AP Position + Signalstärkemessung -> Kreis Schnittpunkt gleich Position von MS Messfehler der Signalstärke wird hier durch Kreisdicke modelliert

Korrektur der Signalstärkemessung Theoretische Beschreibung der Beziehung zwischen Signalstärke und Abstand Problem: Funktion gilt nur unter idealen Bedingungen Korrektur der Signalstärkefunktion für Gebäude (Regression) Zu starke Dämpfung kann zur Folge haben, dass Kreise keinen Schnittpunkt besitzen Kreisgröße muss korrigiert werden

Tabellenverfahren Ausgewählten Positionen werden Signalstärken bestimmter APs zu geordnet Kontinuierliche Messung der Signalstärke zwischen MS und allen aktuell „sichtbaren“ APs Berechnung der Abweichung zwischen Messwerten und Tabelleneinträgen Wähle Eintrag/Einträge mit der geringsten Abweichung

Netzabdeckung  Lokalisierung 3 APs reichen unter Umständen nicht aus um die Position der MS genau zu bestimmen

Ausblick Genauigkeit der Lokalisierung und Fehlertoleranz Wie hoch ist die Genauigkeit maximal und mit welcher Wahrscheinlichkeit ist das Ergebnis korrekt? Bewertung und Vergleich mit anderen bekannten Arbeiten