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 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 Fazit Einführung

3 Einführung Architektur Dienste 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 Fazit Einführung

4 Einführung Architektur Dienste Fazit
Inhalt Ziele, Anforderungen & Wünsche Architektur Dienste Fazit Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Einführung

5 Ziele, Anforderungen & Wünsche
Entwicklung einer Architektur für lokationsbasierte Dienste Lokalisierung von WLAN-Endgeräten Implementierung von lokationsbasierten Diensten Anforderungen Integration und Verwendung des HiPath Location-Servers von Siemens Wünsche Kommunikation zwischen Location-Server und Endgerät über „WL2 Interaction Protocol“ (für „optiPoint WL2“) 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 Fazit Einführung

6 Ziele, Anforderungen & Wünsche (2)
Siemens Location-Server (HiPath LS) Ursprünglich für die Positionierung von DECT-Geräten entwickelt Blackbox (kein Source-Code, nur Benutzerdokumentation verfügbar) Lokationsalgorithmus unbekannt Benötigt Offline-Messdaten zur Positionierung 3 HTTP(S)-Schnittstellen GetPosXML: Benutzerschnittstelle um Positionierung zu initiieren und Positionsdaten auszulesen CSTA-XML: Kommunikation mit HiPath DAKS zum Abfragen der Positionsdaten Webschnittstelle zur Steuerung des HiPath LS per Browser Endgeräte werden über ihre DECT-ID angesprochen Anpassung für den WLAN-Einsatz notwendig Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Einführung

7 Ziele, Anforderungen & Wünsche (3)
WL2 Interaction Protocol Überträgt Positionierungsanfragen an Endgerät und Positionsdaten an Location-Server Anfrage und Antwort im „WL2-XML“-Format Registrierung des Endgerätes beim Location-Server erforderlich Re-Registrierung (in regelmäßigen Abständen) möglich De-Registrierung wenn Client abgeschaltet wird Datenaustausch zwischen Location-Server und Endgerät erfolgt mittels HTTP-POST Verschlüsselte Datenübertragung über HTTPS mit selbstsignierten Zertifikaten Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Einführung

8 Einführung Architektur Dienste 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 Fazit Architektur

9 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 Fazit Architektur

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

11 LBSClient technische Details
Funktionalität Signalstärke wird auf Anfrage des Location- Servers ausgelesen und an diesen übermittelt Eigenschaften Einfacher Webserver nimmt Anfragen entgegen Datenübertragung im „WL2-XML“-Format Re-Registrierung möglich De-Registrierung über Timeout Kommunikation über HTTP (HTTPS mit selbstsignierten Zertifikaten als mögliche Erweiterung) Implementierungen (in C) Windows XP, Windows CE (ab V4.2), Linux Client Endgerät Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

12 LBSClient Ablaufschema
Allgemeiner Ablauf Registrierung beim Location-Server Success Request generieren RegistrationRequest senden RegistrationResponse Response parsen LBSClient stoppen LS Konfiguration einlesen LBSClient registrieren Webserver starten Messen (Endlosschleife) Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

13 LBSClient Ablaufschema
Allgemeiner Ablauf MeasurementRequest verarbeiten MeasurementRequest empfangen Request parsen Signalstärke messen und Ø berechnen Response generieren MeasurementResponse senden LS Konfiguration einlesen LBSClient registrieren Webserver starten Messen (Endlosschleife) Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

14 LBSClient Probleme & Ergebnisse
Client empfängt beim passiven Scannen oft nur wenige Beacon-Frames im Messzeitraum Ergebnisse/Erkenntnisse schlechte Positionierungsergebnisse, wenn nur wenige Beacon-Frames empfangen werden Durch aktives Scannen können mehr Access Points gefunden werden Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

15 Location-Server Testumgebung
Fürstenallee 11 Grundfläche: ca. 97m x 53 m Gebäudehöhe: ca. 14m Testumgebung Fünf Access Points auf der Ebene F0 Je vier Access Points auf den Ebenen F1 und F2 Ein Access Point auf dem Dach Messkarte für die Ebenen F0, F1 und F2 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 Fazit Architektur

16 Location-Server Messkarte (2)
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17 Siemens Location-Server technische Details
Bridge (eigene Erweiterungen) Ermöglicht Kommunikation zwischen WL2-fähigem Endgerät und HiPath Location-Server Remote Locating Interface (eigene Erweiterungen) SOAP-Schnittstelle zum Service-Manager Implementiert Teilmenge von GetPosXML Client Bridge HiPath LS Positionierung Positionierung Location-Server WL2-XML CSTA-XML Endgerät Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

18 Siemens Location-Server Probleme & Ergebnisse
Schwierigkeiten bei der Umsetzung von DECT-IDs auf MAC-Adressen Ergebnisse/Erkenntnisse Positionierungsergebnisse bis auf ca. 9m genau Hohe Schwankungen innerhalb des Gebäudes Keine Verbesserung durch Parameteranpassung am HiPath Location-Server Dass wir verschiedene Experimente gemacht haben (verschiedene WLAN-Karten, verschiedene Antennen, verschiedene Höhen der Apparatur, Personen zwischen Client und AP, ...) Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

19 UPB Location-Server technische Details
Hintergrund Abläufe im Location-Server und Einflussmöglichkeiten auf Messergebnisse untersuchen Eigenschaften Lokationsalgorithmen RF Fingerprinting Tracking (mögliche Erweiterung) Offline-Messdaten für Berechnung der Euklidischen Distanz erforderlich Datenaustausch über „WL2 Interaction Protocol“ und SOAP UPB LS Positionierung Status Testserver fertig (ohne Schnittstellen) Java Implementierung in Arbeit Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

20 UPB Location-Server Probleme & Ergebnisse
Positionierungsgenauigkeit von ca. 3m Hohe Schwankungen innerhalb des Gebäudes Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

21 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 Service Manager Dienst MapS SOAP Services & Karten technische Details Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Architektur

22 Dienste technische Details
Kartendienst Stellt Gebäudekarten für andere Dienste zur Verfügung Minimap Position des Benutzers anzeigen Druckservice Nächsten Drucker auf Karte anzeigen Datei auf Drucker ausdrucken Find-a-Friend Andere Benutzer positionieren Ablaufschema technische Details Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Dienste

23 Einführung Architektur Dienste Fazit
Druckservice Schritt 1 Eigenschaften wählen Logindaten eingeben Druckersuche starten Schritt 2 Nächster Drucker wird angezeigt Dokument hochladen Schritt 3 Rückmeldung des Druckservices Druckerposition noch einmal ansehen Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste Fazit Dienste

24 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 Fazit Fazit

25 Einführung Architektur Dienste 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 Fazit Fazit

26 Ende Vielen Dank! Gibt es noch Fragen? 2. Präsentation mit Live Demo
Mittwoch :00 Fürstenallee 11, F0.530 Projektgruppe Location-based Services

27 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 Fazit Architektur

28 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 Fazit Architektur

29 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 Fazit Architektur

30 UPB Location-Server Lokationsalgorithmus
RF Fingerprinting Positionsberechnung über Tupel 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 Bekannte Implementierung RADAR (Microsoft Research) Genauigkeit ~10m drei Access Points auf 43,5x22,5m (*) (*) Erfahrungswert aus RADAR-Paper Projektgruppe Location-based Services Einführung Architektur Dienste 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 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 Fazit Dienste

33 Service-Manager & Dienste Ablaufschema
Allgemeiner Ablauf Position beim LS erfragen Anfrage an LS senden Messdaten 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 Fazit Dienste

34 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 Fazit Dienste

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