Positionierung im WLAN Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Stephan Müller (stephan.mueller@upb.de) AG Kao Betriebssysteme und Verteilte Systeme Institut für Informatik Universität Paderborn Vorstellen: Name, Tätigkeit, Veranstaltung

Motivation <Bild / Animation> Positionierung im WLAN 28.10.2003

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? 28.10.2003

Inhaltsübersicht WLAN Location Tracking Positionierung im WLAN Fazit Data Collection Lösungskonzepte 28.10.2003

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) 28.10.2003

WLAN - Überblick - Zellatmung Roaming Handover 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 APold APnew 28.10.2003

Location Tracking Lokationsverfahren Location Tracking COO im Detail RSS im Detail 28.10.2003

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 28.10.2003

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 28.10.2003

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 Δ 28.10.2003

Location Tracking - Verfahren - mögliche Lokationsverfahren Cell of Origin (COO) Received Signal Strength (RSS) COO AOA RSS SNR TOA RTOF TDOA im WLAN verfügbar  Ø ermöglicht Location Tracking 28.10.2003

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 28.10.2003

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 28.10.2003

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 28.10.2003

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 28.10.2003

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 28.10.2003

Location Tracking - RSS Vergleich - Joint Clustering liefert die höchste Genauigkeit Genauigkeit Offline Training Triangulation ~15m nein Tabellenbasiert ~10m ja CMU - TMI Joint Clustering ~3m 28.10.2003

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 28.10.2003

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 Treibern möglich 28.10.2003

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 28.10.2003

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 28.10.2003

Lösungskonzept - (1) COO & ESSID - Ziel Implementierung und Test von Location Based Services ermöglichen Auswertung Verwaltung Verfahren Cell of Origin Topologie remote positioning Daten ESSID Genauigkeit ~25m ESSID Location Based Service 28.10.2003

Lösungskonzept - (2) RSS & Clientanwendung - Ziel Einsatzfähige Lösung für Location Based Services Verfahren Received Signal Strength Topologie indirect remote positioning Daten RSS Joint Clustering Genauigkeit ~3m 28.10.2003

Fazit DECT vs. WLAN Zusammenfassung Fazit Ausblick Empfehlung 28.10.2003

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 28.10.2003

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) 28.10.2003

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) 28.10.2003

Vielen Dank! Noch Fragen ? Nächster Vortrag: Kartendienste für LBS (Christian Schröder) 28.10.2003