awiloc Lokalisierung in Kommunikationsnetzen

Transkript

1 Fraunhofer-institut für integrierte Schaltungen iis awiloc Lokalisierung in Kommunikationsnetzen

2 awiloc Positionsbestimmung in WLAN-, GSM- und umts-netzen Ein großer Teil des öffentlichen Lebens spielt sich innerhalb von Gebäuden, z. B. in Bahnhöfen, Einkaufszentren, Bürogebäuden, U-Bahn-Stationen, und Städten ab. Es ist daher wichtig, ortsabhängige Dienste gerade dort anbieten zu können. Auch für professionelle Anwendungen, z. B. in Lagerhallen oder Museen, ist eine Ortung innerhalb von Gebäuden essenziell. Mit awiloc wurde vom Fraunhofer IIS eine Lösung zur Positionsbestimmung entwickelt, die vorhandene Funknetzwerke nutzt. Der Lokalisierungsalgorithmus ist dabei unabhängig von der verwendeten Übertragungstechnologie. Egal, welches Kommunikationsnetz z. B. in Form von WLAN -, GSM- und UMTS-Basisstationen in Städten und Gebäuden vorhanden ist, mobile Endgeräte können mit der Lösung des Fraunhofer IIS auf Basis von Feldstärkemessungen ihre Position selbstständig bestimmen. Da insbesondere drahtlose Funknetzwerke aus der Familie der IEEE WLAN-Standards eine hohe Verbreitung haben, werden sie vorrangig als Basis genutzt. Die Lokalisierung erreicht dabei eine Genauigkeit von wenigen Metern. Die Lokalisierung in Kommunikationsnetzen bietet eine perfekte Ergänzung zum etablierten, satellitengestützten Global Positioning System GPS. Bei der Entwicklung der awiloc -Technologie wurde in Abstimmung mit den für Datenschutz zuständigen Aufsichtsbehörden ein besonderer Wert auf die Ein haltung rechtlicher Vorgaben gelegt. Damit ist ein breiter und einfacher Einsatz für ortsabhängige Anwendungen möglich. Eine autarke Positionsbestimmung auf dem Endgerät: erhöht die Sicherheit ermöglicht neue Geschäftsprozesse optimiert Abläufe verbessert die Orientierung erlaubt autonom agierende Systeme fördert neue Serviceangebote liefert kontinuierliche Positionswerte verursacht keine Providerkosten

3 awiloc Autarke WLAN-Lokalisierung für Städte und Gebäude Die awiloc -Technologie des Fraunhofer IIS erlaubt die kontinuierliche Selbstlokalisation von mobilen Endgeräten auf Basis eines sogenannten Fingerprinting-Verfahrens. Die autarke WLAN-Lokalisierung in Städten berücksichtigt dabei sowohl kommerzielle Hot-Spots als auch private WLAN-Sender und arbeitet ohne Anmeldung und Zugriff ins Datennetz. Eine hohe Sicherheit gegen äußere Störeinflusse wie wegfallende, hinzukommende oder positionsveränderte WLAN- Sender wird durch einen robusten Ortungsalgorithmus gewährleistet. Das Hinzukommen von WLAN-Sendern beeinflußt die Positionsgenauigkeit gar nicht, das Ver schwinden von WLAN-Sendern beeinflusst in einer üblichen Stadtumgebung erst dann die Genauigkeit, wenn mehr als 50 % der WLAN-Sender wegfallen. Eine Veränderung der Position von WLAN- Sendern reduziert die Genauigkeit, führt aber durch die kontinuierliche Lokalisierung zu keinen größeren Abweichungen oder Sprüngen. Die Lösung des Fraunhofer IIS ermöglicht eine kontinuierliche Lokalisierung auch in mehrstöckigen Gebäuden oder unterirdischen Einrichtungen. Es können logische Informationen über ein Umgebungsmodell integriert und auch Funktionen wie eine Bereichserkennung realisiert werden. In Gebäuden werden mittlere Genauigkeiten zwischen 1 5 Meter erreicht (abhängig vom Umfeld, ob Bürogebäude oder Produktionshalle). Im Außenbereich werden durchschnittliche Werte von 10 Metern erreicht. Auch hier wird die Genauigkeit durch das Umfeld beeinflusst, je strukturierter, also enger die Bebauung ist, desto genauer wird die WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS. Sie stellt daher eine ideale Ergänzung zu GPS dar. Lokalisierung durch Signalstärkenmuster Für die awiloc -Technologie werden an Referenzpunkten Messwerte aufgenommen, welche alle empfangenen WLAN-Basis stationen und die dazugehörigen Empfangsinformationen enthalten. Die Empfangsinformationen beinhalten dabei lediglich die gemessenen Signalstärken der vorhandenen WLAN-Basisstationen an dem Referenzpunkt. Dieser»Abdruck«der Empfangsinformationen an Referenzpunkten d. h. das Signalstärkenmuster wird in einer Datenbank hinterlegt und auf dem mobilen Endgerät als Basis für die eigene Positionsbestimmung genutzt. Der auf dem mobilen Endgerät vorhandene Lokalisierungsalgorithmus des Fraunhofer IIS berechnet autark die aktuelle Position, indem gemessene Empfangsinformationen mit den Referenzinformationen abgeglichen werden. Damit ist die Position nur dem Nutzer bekannt. Ein Datenaustausch mit der WLAN-Station wird nicht durchgeführt. Die Position der WLAN-Sender ist unwichtig und wird nicht ermittelt. Die vom Benutzer vergebene SSID ist ebenso wie andere ausgesendete Informationen der WLAN-Station, z. B. deren Verschlüsselungsstatus für die Lokalisierung mit der awiloc -Technologie des Fraunhofer IIS nicht notwendig und wird daher nicht gespeichert.

4 awiloc -Softwarebaukasten und Prozesskette Für die Lokalisierung mit IEEE WLAN steht ein umfangreicher Softwarebaukasten zur Verfügung. Die autarke Selbstlokalisierung von Endgeräten ermöglicht dabei der awiloc MobileLocator. Der MobileLocator unterstützt u. a. die Plattformen Windows Mobile, Android und ios. Für spezifische Umgebungen sind spezielle Lokalisierungsalgorithmen entwickelt worden. So steht z. B. für Städte der MobileLocator City, für Messen der MobileLocator Fair zur Verfügung. Neben verschiedenen Schnittstellen für die Steuerung und Positionsübergaben kann das Werkzeug awiloc ModelBuilder für die Erstellung von 3D-Modellen genutzt werden. Damit unsere Geschäftspartner ihre eigenen Referenzdaten erstellen und neue Lokalisierungsdienste schnell und einfach in Städten und Gebäuden anbieten können, bieten wir umfassendes Softwarezubehör und flexible Prozessierungs- und Serviceleistungen für die Erfassung von WLAN-Referenzdaten sowie die Datenverarbeitung und -integration an. awiloc für Städte und Gebäude: Projektablauf zur Referenzdaten- und Modellgewinnung Gebäude Überprüfung und Beratung zur WLAN-Infrastruktur für die Lokalisierung Erstellung eines Gebäudemodells für die Lokalisierung Planung der Einmesspfade für die Erhebung der Messdaten Erhebung der Messdaten Generierung von Referenzdaten aus den Messdaten Referenzdaten für eine stadtweite Lokalisierung Städte Erstellung eines Umgebungsmodells für die Lokalisierung Planung der Einmesspfade für die Erhebung der Messdaten Erhebung der Messdaten Messdaten: Signalstärkenmuster der vorhandenen WLAN-Infrastruktur Referenzdaten: gefilterte und aufbereitete Signalstärkenmuster zur Lokalisierung

5 Die Realisierung Die awiloc -Technologie des Fraunhofer IIS zur autarken WLAN- Lokalisierung ist eine reine Softwarelösung, die leicht in mobile Endgeräte integriert werden kann. Location Based Services sind dabei sowohl als lokale Dienste auf dem Endgerät als auch als netzseitige Dienste realisierbar. Ortsabhängige Applikation Umgebungs-/ Anwendung awiloc MobileLocator awiloc -Referenzdaten Gebäudemodell Ortsabhängige Applikation auf Basis von awiloc -Komponenten

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7 awiloc -Testumgebung und Konsortium Für die Entwicklung und Evaluierung realer Anwendungen betreibt das Fraunhofer IIS awiloc -Testumgebungen in mehreren Städten Deutschlands (u. a. Nürnberg). Die Testumgebung bietet eine funktionierende Plattform zur Lokalisierung per WLAN in Innenstädten und in Gebäuden und ermöglicht so eine schnelle Entwicklung von ortsabhängigen Diensten. Die am offenen awiloc -Konsortium beteiligten Unternehmen, Forschungspartner und Anwender können hier frühzeitig, optimal abgestimmte Technologien und Anwendungen entwickeln und testen. Im Rahmen der Testumgebungen stehen dem Konsortium dafür neben den kommerziell verfügbaren Referenzdaten auch freie Referenzdaten zur Verfügung. Anwender, Firmen und Forschungspartner können im Konsortium gemeinsame Projekte und Kooperationen initiieren. Hierzu finden regelmäßig Partnertreffen an verschiedenen Standorten statt. Ein Beitritt zum Konsortium ist für Firmen, Anwender und Forschungseinrichtungen jederzeit möglich.

8 Anwendungen und Projekte Die Verfügbarkeit einer Echtzeit-Ortsinformation in und außerhalb von Gebäuden ermöglicht in vielen Branchen eine Optimierung von bestehenden Prozessen und die Möglichkeit von neuen Anwendungen und Angeboten. Eine Anpassung der awiloc -WLAN-Lokalisierungstechnologie des Fraunhofer IIS an verschiedene Umgebungen wie ganze Stadtgebiete, Messen, Flughäfen, Museen, Bahnhöfe, Industriehallen oder Einkaufszentren wurde bereits realisert. Stadtnavigationssystem Die Anwendung»MobileWALK«der IT2media GmbH startete 2009 als GPS-unabhängige Lokalisierung für die Städte Nürnberg, Fürth und Erlangen. Neben Innenstadtkarten können in Abhängigkeit vom eigenen Standort z. B. nächstgelegene Geschäfte und Restaurants, aber auch Banken oder Krankenhäuser mit Hintergrundinformationen auf dem eigenen Handy angezeigt werden. Basis für die Ortung ist awiloc, die autarke WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS. Messenavigator Seit 2004 wurden für verschiedene Messen (u. a. Messe Frankfurt, Messe Nürnberg) bereits elektronische Messeführer mit einer kontinuierlichen WLAN-Lokalisierung realisiert. Besucher können damit ihre persönliche Ausstellerliste zusammenstellen und sich gezielt zu den ausgewählten Ständen führen lassen. Dabei bietet die WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS neue Möglichkeiten, da sie sowohl auf dem Freigelände als auch in den Messehallen eine Orientierung auf wenige Meter genau ermöglicht. Multimedia-Museumsführer Die Besucher des Museums Industriekultur in Nürnberg können seit 2010 die Ausstellung auf ganz besondere Art erkunden. Ein mobiles Multimedia-Führungssystem der Firma art2guide bietet vertiefendes Hintergrundwissen an abgestimmt auf den jeweiligen Standort des Besuchers. Das mobile Führungssystem erkennt dabei dank awiloc metergenau, wo sich der Besucher gerade aufhält und zeigt ihm den aktuellen Standort sowie umliegende Ausstellungsstücke mit Zusatzinformationen an. Der Besucher kann dann wählen, zu welchen Exponaten er weiterführende Informationen in Form von Videos, Ani mationen, Hörbeispielen oder Fotos möchte. Optimierung regionaler Entfluchtungen 2009 startete das Forschungsprojekt REPKA des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zur Simulation von Szenarien zur Evakuierung von Regionen. Damit die Optimierungsund Simulationsmodelle möglichst realitätsnah werden, ist die Erfassung von Echtzeit-Ortsinformation von Personen auf Basis der WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS ein zentraler Baustein im Projekt. Für eine sehr robuste Lokalisierung wird die WLAN- Lokalisierung mit satellitengestützter Lokalisierung (GPS) und Lokalisierung in Mobilfunknetzen (GSM-Fingerprinting) fusioniert.

9 Navigationshilfe für den öffentlichen Nahverkehr Die mobile Navigationshilfe»ROSE«der Friedrich-Alexander- Universität Erlangen-Nürnberg kombiniert Fußgängernavigation mit positions- und zeitabhängiger Verbindungssuche. ROSE zeigt Fahrgästen den Weg zur Haltestelle und stellt Informationen über die zu benutzenden Verkehrsmittel und Umsteigemöglichkeiten zur Verfügung. Für die Positions ermittlung kommt die autarke WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS zum Einsatz und ergänzt damit GPS im innerstädtischen Bereich und in Gebäuden. Damit ist eine Lokalisierung nicht nur in engen Gassen sondern auch in Bahnhöfen und U-Bahn-Stationen möglich. Ortung in Ad-hoc-Netzen Mit dem EU-Forschungsprojekt IMSK soll die Sicherheit von Personen bei Veranstaltungen erhöht werden. Dafür realisiert das Fraunhofer IIS eine mobile Ad-hoc-Kommunikation mit der dazugehörigen Netzwerkstruktur und Lokalisierungskomponente. Um auch Sicherheits- und Einsatzkräften eine Lokalisierung in solchen Ad-hoc-Kommunikationsnetzen zu ermöglichen, wird an Algorithmen gearbeitet, die eine relative Ortung zu definierten Punkten erlauben (z. B. Infrastrukturknoten mit bekannter Position, andere Einsatzkraft). Unterstützt werden kann dies durch eine WLAN-basierte Bewegungsdetektion. Lokalisierung in industriellen Umgebungen Industrielle Anwendungen reichen von der Staplerortung für die genaue und vollautomatische Verfolgung von Paletten und Waren bis zur Ortung von mobilen Bedienterminals in der Produktion. Die mit der Firma SEP LOGISTIK realisierte Staplerlokalisierung über WLAN ermöglicht z. B. eine verbesserte Warenverfolgung. Hier sind spezielle Anforderungen wie die sich stark ändernden Umweltbedingungen durch eine spezielle Auslegung der Algorithmik berücksichtigt worden. Lokalisierung im digitalen Zuhause Speziell für drahtlose Heimnetze wurde eine Anpassung der WLAN-Lokalisierung vorgenommen, die es dem Nutzer von Multimediageräten erlaubt, automatisch seine Medien an der räumlich nächstgelegenen Wiedergabeeinheit, z. B. einem Fernseher abzuspielen.

10 Unser Angebot awiloc -Testumgebung und Partnerkonsortium Für die Entwicklung und Erprobung neuartiger Dienste und Anwendungen auf Basis der WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS stehen Ihnen in mehreren Städten Deutschlands (u. a. Nürnberg) Testumgebungen zur Verfügung. Sie umfassen gesamte Innenstädte und decken exemplarisch sowohl Einkaufszentren, Wohngebiete, Nah- und Fernverkehrszugänge als auch Industrieareale und Bürogebäude ab. Wir informieren Sie gerne zu den Teilnahmemöglichkeiten. awiloc -Softwarelizenzierung Ein flexibles Lizenzmodell ermöglicht Ihnen die Nutzung der awiloc -Technologie zur WLAN- Lokalisierung und deren Integration in Ihre eigenen Produkte. Um den unterschiedlichen, kundenspezifischen Anforderungen an die Lokalisierung in zellularen Netzwerken bezüglich Genauigkeit, Zeitverhalten und Anwendungsbereich gerecht zu werden, stehen dabei verschiedene, skalierbare Algorithmen zur Verfügung, die sich an die Spezifika der Zielumgebung anpassen lassen. Für die zentrale Verwaltung von Positionen unabhängig von der Positionierungstechnologie wie z. B. Sensornetze, WLAN, GSM, GPS wurde ein Position-Server entwickelt. Referenzdaten und Einmesswerkzeuge Für ausgewählte Innenstädte stehen bereits Referenzdaten für die WLAN-Lokalisierung zur Verfügung. Diese Referenzdatenbank können Sie über die Partner des awiloc -Konsortiums für Ihre Anwendung lizenzieren. Für die eigene Referenzdatengewinnung stehen die notwendigen Werkzeuge wie Einmessboxen, Trainingswerkzeuge und Prozessierungssoftware zur Verfügung. Wir schaffen so für unsere Kunden die Möglichkeit, eigene Referenzdaten zu gewinnen und neue Dienstleistungen anzubieten. Umgebungsmodell Die Modellierung der Umgebung (z. B. Stadtteile, Gebäude, Ebenen, Räume) in 3D ermöglicht viele Anwendungen: Visualisierung der Position, Routing, Finden logischer Positionen (z. B. Raumnummer), Bereichsüberwachung oder auch das Hinterlegen von geographischen Informationen. Wir bieten Werkzeuge zum Erzeugen, Importieren und Visualisieren von Modellen sowie speziell abgestimmte Lokalisierungsalgorithmen.

11 Kundenspezifische Entwicklungen und Anpassungen Entsprechend Ihren Anforderungen oder den erstellten Spezifikationen entwickeln wir maßgeschneiderte Lösungen zur Positionsbestimmung sowie für kontext- und ortsabhängige Dienste und Anwendungen. Vorhandene Hard- und Softwarelösungen können als Basis für Weiterentwicklungen oder zur schnellen Produktumsetzung lizenziert werden. Beratung, Messungen und Systemkonzepte Wir unterstützen Sie bei der Einführung oder Entwicklung von Ortungs- und Navigationslösungen in zellularen Netzen. Dazu führen wir u. a. Simulationen und Messungen in der geplanten Umgebung durch. Gemeinsam mit Ihnen entwickeln wir daraufhin Systemkonzepte für geplante Produkte. Evaluation-Kits Mit unseren Evaluation-Kits können Sie die Möglichkeiten der WLAN-Lokalisierung in Ihrer Zielumgebung erproben und die Integration in Ihre Systeme prototypisch aufsetzen. Seminare und Workshops Wir bieten Ihnen Seminare und Workshops zum Thema»Lokalisierung«und den verwendeten Technologien an. Hier können Sie mit unseren Wissenschaftlern und Entwicklern die neuesten Trends diskutieren.

12 Weitere Informationen finden Sie unter Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Institutsleitung Prof. Dr.-Ing. Albert Heuberger Am Wolfsmantel Erlangen Abteilung Kommunikationsnetze Nordostpark Nürnberg Dipl.-Ing. (FH) Dipl.-Wirt.Ing. (FH) Karin Loidl Telefon Fax /2011 Ritter