AG Kao Betriebssysteme und Verteilte Systeme Institut für Informatik Universität Paderborn

1. Positionierung im WLANProjektgruppe Location-based Services for Wireless DevicesWS 2004/05Stephan Müller (stephan.mueller@upb.de) AG KaoBetriebssysteme und Verteilte SystemeInstitut für InformatikUniversität Paderborn

2. Motivation <Bild / Animation> Positionierung im WLAN

3. 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?

4. Inhaltsübersicht Location Tracking WLAN Positionierung im WLAN Fazit Data Collection Lösungskonzepte

5. 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)

6. MC MC APold APnew WLAN- Überblick - • Zellatmung • 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

7. Location Tracking Lokationsverfahren Location Tracking COO im Detail RSS im Detail

8. 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

9. 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

10. Δ Δ Location Tracking- Verfahren - • Time of Arrival (TOA) / Round Trip Time of Flight (RTOF) • TOA - „one way propagation time“ • erfordert absolute Zeitsynchronisationzwischen 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 • mit WLAN nicht realisierbar

11. Location Tracking- Verfahren - • mögliche Lokationsverfahren • Cell of Origin (COO) • Received Signal Strength (RSS)

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. Location Tracking- RSS Vergleich - • Joint Clustering liefert die höchste Genauigkeit

18. 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

19. Data Collection- Client - • Lösungen • Ekahau Client (u.U. modifizierter WLAN Treiber benötigt) • Horus (MAPI API)

20. Data Collection- Access Point - • Lösungen • RADAR (HostAP) • Airespace Control System (modifizierte Access Points) • Newbury Wireless Watchdog (WLAN Sensoren)

21. Data Collection- Vergleich - • mögliche Verfahren • Cell of Origin -> Access Point • RSS -> Client

22. Auswertung Verwaltung Lösungskonzept- (1) COO & ESSID - • Ziel • Implementierung und Test von Location Based Services ermöglichen ESSID Location Based Service

23. Lösungskonzept- (2) RSS & Clientanwendung - • Ziel • Einsatzfähige Lösung für Location Based Services

24. Fazit Zusammenfassung DECT vs. WLAN Fazit Ausblick Empfehlung

25. Fazit- DECT vs. WLAN -

26. 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)

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