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

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Location based Services in zellularen Netzen

Peter Dornbusch

Betreuer: Michael Wallbaum

Lehrstuhl für Informatik 4, Professor Spaniol

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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

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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

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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

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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

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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)

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Mobile Positioning Protocol (MPP)

Schnittstelle zwischen Positionsdaten und Anwendung Entwicklung durch Ericsson Standardisierung durch ETSI läuft derzeit

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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

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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

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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?

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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

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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...

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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

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Architektur

Service

Organisation

Berechnung

Datenerfassung

COO, GPS, OTD, TOA...

MPP

Navigationshilfe, Informationsdienste...

Schichten Einordnung

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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,...)

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Implementierung in MoPS(2)

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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.

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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

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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  

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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)

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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) ...

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Kreisverfahren

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

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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

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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

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Netzabdeckung Lokalisierung

3 APs reichen unter Umständen nicht aus um die Position der

MS genau zu bestimmen

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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