Location based Services in zellularen Netzen Peter Dornbusch Betreuer: Michael Wallbaum Lehrstuhl...
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Location based Services in zellularen Netzen
Peter Dornbusch
Betreuer: Michael Wallbaum
Lehrstuhl für Informatik 4, Professor Spaniol
Was sind LBS?
LBSLocation-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 Positionsberechnung2. 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 SchnittpunktProblem: 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
Frequenzband 2.4 GHz (anmelde-und gebührenfrei)
Datenüber-tragungsraten
1, 2, 5.5 und 11 Mbit/s
Netzstruktur Zellular mitAccess Points (AP)
Sendeleistung 100 mW
Zellradius In Gebäuden: 20 – 50 mIm Freien: 150 – 500 m
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 UniversityPlattform für verschiedene Dienste auf dem CampusVerfahren: 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
Architektur
Service
Organisation
Berechnung
Datenerfassung
COO, GPS, OTD, TOA...
MPP
Navigationshilfe, Informationsdienste...
Schichten Einordnung
Implementierung in MoPS(1)MoPS: WLAN-Netz der RWTH-AachenNetzzugang 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
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0 1000 2000 3000 4000
Zeit [s]
[dB
m]
Signalstärke
Rauschen
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 aufgebautwurde.
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
r
keSignalstär4
log20 10
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