Hybride Funkortung. Diplomarbeit

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1 Hybride Funkortung Adaptive Aggregation von RFID, WLAN und ZigBee Diplomarbeit Johannes Zapotoczky Humboldt Universität zu Berlin Institut für Informatik Lehrstuhl für Rechnerorganisation und Kommunikation Gutachter: Prof. Dr. Miroslaw Malek Prof. Dr. Jens-Peter Redlich Betreuer: Peter K. Ibach 31. Oktober 2006

2 Zusammenfassung Die Information über den Aufenthaltsort eines Objekts oder einer Person wird für viele Anwendungen - ob bei der Navigation oder bei der Lokalisierung einer Warenpalette - benötigt. Mit dem Global Positioning System (GPS) hat sich mittlerweile ein Satellitenortungsverfahren auf breiter Ebene als Standard für die Outdoor-Ortung etabliert, das in den kommenden Jahren durch das Europäische Satellitenortungsyystem Galileo noch ergänzt wird. Satellitenortung hat jedoch den Nachteil der Beschränkung auf Orte, an denen Satellitensignale empfangen werden können. Zwar gelingt es, die Empfindlichkeit von GPS-Empfängen immer weiter zu erhöhen, so dass sogenannte Indoor-GPS-Empfänger verfügbar sind. In der Praxis funktioniert die Ortung innerhalb von Gebäuden mit Satellitenortungsverfahren jedoch nur sehr eingeschränkt. Da jedoch sowohl in der Logistik als auch im Bereich der ortsbezogenen Dienste (engl. Location Based Services (LBS)) eine massive Nachfrage an Ortungslösungen auch im Indoor- Bereich besteht, entstanden einige Forschungsarbeiten und kommerzielle Produkte - z.b. im Bereich der Ortung mit Hilfe von Nahbereichs-Funkortungssystemen, die auch in geschlossenen Räumen eine Ortung möglich machen. Diese Systeme stellen jedoch Insellösungen dar, da sie lediglich ein begrenztes Gebiet durch ihre Ortung abdecken und an eine bestimmte Infrastruktur gebunden sind. Darüber hinaus sind sie nicht in der Lage, andere vorhandene Funksignale adaptiv für die Ortung mit einzubinden. In der vorliegenden Diplomarbeit wird ein hybrider Ansatz für eine adaptive, technologieübergreifende Aggregation vorhandener Funkinformation entwickelt, mit dem eine genauere Ortung in mobilen und heterogenen Kontexten möglich ist. Darüber hinaus wird dieser Ansatz unter Berücksichtigung von Kosten, Zuverlässigkeit und erreichter Genauigkeit analysiert. Am Beispiel der Technologien Radio Frequency Identification (RFID), Wireless Local Area Network (WLAN) und ZigBee wird gezeigt, dass dieser hybride Ansatz die Ortungsgenauigkeit verbessert. Als Plattform dafür dient das am Lehrstuhl für Rechnerorganisation und Kommunikation im Forschungsbereich Networks of Mobile Adaptive Dependable Systems (NOMADS) entwickelte Projekt MagicMap - eine Funkortungslösung für WLAN. Das Konzept der adaptiven, hybriden Ortung wurde in MagicMap umgesetzt, darüber hinaus wurden Schnittstellen zur Ankopplung der Technologien RFID und ZigBee realisiert.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Gliederung der Arbeit Typographische Konventionen Über den Autor Problemstellung und Ziele 8 3 Ortung Definitionen Historie Klassifikation Funkortung Zellbasierte Verfahren Laufzeitbasierte Verfahren Winkelbasierte Verfahren Signalstärkebasiertes Verfahren Funktechnologien Technologieüberblick Nahbereichstechnologien Fernbereichstechnologien Wireless Local Area Network ZigBee Historie Technologie Ortung mit ZigBee Radio Frequency Identification Historie Technologie Spezialfall: Ortung mit RFID Hybride Funkortung Monotechnologische Ortung Eigenschaften hybrider Funkortung Ansätze für hybride Funkortung Bildung des Mittelwertes Bildung des gewichteten Mittelwertes Aggregation der Technologien Gewichtete Aggregation der Einzelverfahren Aggregation innerhalb der Funkortungslösung MagicMap 36 2

4 INHALTSVERZEICHNIS 6.1 Architektur von MagicMap Systemarchitektur Softwarearchitektur Plugin-Konzept Ortungskomponente Integration von ZigBee Schnittstellen Integration von RFID Schnittstellen Ergebnisse Testszenario Einzelgenauigkeiten Genauigkeit bei Bildung des Mittelwertes Genauigkeit bei gewichteter Mittelwertbildung Genauigkeit bei Technologieaggregation Genauigkeit bei gewichteter Technologieaggregation Testszenario Einzelgenauigkeiten Genauigkeit bei Bildung des Mittelwertes Genauigkeit bei gewichteter Mittelwertbildung Genauigkeit bei Technologieaggregation Genauigkeit bei gewichteter Technologieaggregation Auswertung Fazit Ergebnis Ausblick Literaturverzeichnis 48 Abbildungsverzeichnis 52 Tabellenverzeichnis 53 A Abkürzungen und Akronyme 54 B Messergebnisse Testszenario 1 57 C Messergebnisse Testszenario 2 61 D AutoIT-Skript 64 Erklärung 67 3

5 Kapitel 1 Einleitung In vielen Anwendungen - vor allem in der Navigation - wird Satellitenortung (mit GPS[1], GLONASS 1 und in Zukunft Galileo[3]) zur Positionsbestimmung verwendet. Diese ist mittlerweile flächendeckend verfügbar und durch die weite Verbreitung verhältnismäßig preiswert. Die Satellitenortung hat jedoch den Nachteil, dass sie - trotz Bestrebungen, GPS auch im Indoor-Bereich zu ermöglichen[4] - innerhalb von Gebäuden und in überdachten Bereichen nicht oder nur unzureichend funktioniert. Dabei entstehen momentan sowohl in der Industrie als auch im Konsumerbereich neue Anwendungen für ortsbezogene Dienste[5], die gerade im Indoor-Bereich durch flächendeckende Ortung einen Mehrwert erreichen wollen. Aus diesem Grund entwickelten sich einige Forschungsarbeiten (z.b. [7], [8], [9]), sowie kommerzielle Lösungen ([10], [11]), die diesen Markt erschließen wollen. Diese Indoor-Ortungssysteme wurden bisher meist als Insellösungen entweder auf existierender Infrastruktur (z.b. WLAN[12]) oder durch Ausstattung mit einer kompletten zusätzlichen Infrastruktur umgesetzt. Wir leben jedoch in einer Zeit, in der laufend neue Funktechnologien verfügbar sind und auch die Verbreitung etablierter Technologien massiv voranschreitet. Neben der nahezu flächendeckenden Verbreitung von Mobilfunk und der Vielzahl von verfügbaren WLAN-Accesspoints in Ballungsräumen, findet mit RFID und demnächst ZigBee[13] auch in der Industrie eine massenweise Verbreitung von Funktechnologien statt. Durch diese Omnipräsenz von Funkempfängern und -sendern ist nicht nur eine umfassende automatische Funkkommunikation möglich - es ist auch möglich, die Positionsinformationen der einzelnen Technologien für ortsbezogene Dienste (LBS) bzw. direkt zur Ortung zu verwenden - ein Trend, der bereits begonnen hat (s. z.b. [14], [15]). 1 Satellitennavigationssystem, das vom russischen Verteidigungsministerium betrieben wird.[2] 4

6 1.1 Gliederung der Arbeit Während nicht jede Funktechnologie separat betrachtet für eine Ortung mit ausreichender Genauigkeit verwendbar ist, so hat die Aggregation der Funkinformation das Potenzial, eine Steigerung der Ortungsgenauigkeit und zugleich auch eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Ortung zu bewirken. Abbildung 1.0.1: Funkinformation in der Umgebung Diese Arbeit stellt einen hybriden Ortungsansatz vor, mit dem vorhandene Funksignale adaptiv aggregiert werden können und die Ortungsgenauigkeit verbessert wird. Dieser Ansatz wird im Open-Source-Funkortungssystem MagicMap[16], welches am Lehrstuhl für Rechnerorganisation und Kommunikation im Forschungsbereich NOMADS[17] entwickelt wurde, implementiert. MagicMap ist ein System zur kooperativen Positionsbestimmung auf Basis von WLAN- Signalstärken. Es wird durch diese Arbeit in die Lage versetzt, grundsätzlich beliebige Technologien adaptiv zu einer hybriden Ortung zu aggregieren. Dies wird am Beispiel von RFID und ZigBee gezeigt. 1.1 Gliederung der Arbeit Nach dieser Einleitung erfolgt in Kapitel 2 die Problemstellung und Definition der Ziele dieser Arbeit. Kapitel 3 bietet eine ausführliche Einführung in das Themengebiet der Arbeit: Ortung. Neben einer historischen Einordnung wird ein allgemeiner Überblick über die unterschiedli- 5

7 1.2 Typographische Konventionen chen Verfahren gegeben und dabei speziell die funkbasierte Ortung behandelt. Im Anschluss erfolgt in Kapitel 4 eine Klassifikation von Funktechnologien mit Schwerpunkt auf den für diese Arbeit maßgeblichen Technologien RFID, ZigBee und WLAN. In Kapitel 5 wird eine hybrider Ortungsansatz entwickelt, der es ermöglicht, unterschiedliche Funktechnologien adaptiv zu aggregieren. Dabei liegt der Fokus auf möglichst großer Ausnutzung der vorhandenen Information, um ein möglichst genaues Ortungsergebnis erreichen zu können. Die verschiedenen Stufen des Ansatzes werden außerdem in Bezug auf Ortungsgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten analysiert und bewertet. In Kapitel 6 werden die nötigen Schritte für eine erfolgreiche Aggregation dieser Technologien im System MagicMap vorgestellt. Dabei wird die Architektur auf System- und Softwareebene erklärt, und die notwendige Erweiterung des Datenmodells und der Ortungskomponente dargestellt. Darüber hinaus wird auf die Besonderheiten der Integration der Technologien RFID und ZigBee eingegangen. Im Kapitel 7 werden die Ergebnisse der Arbeit vorgestellt. Insbesondere die Frage nach einer realen Verbesserung der Ortungsgenauigkeit wird hier diskutiert und anhand der Ergebnisse zweier umfangreicher Testreihen empirisch ausgewertet. Ein abschließendes Fazit und ein Ausblick werden in Kapitel 8 präsentiert. 1.2 Typographische Konventionen Bei Einführung oder Erklärung eines Begriffs wird dieser kursiv dargestellt. Kursive Schrift wird auch für englische Eigennamen verwendet, die aus mehreren Wörtern bestehen. Liegt eine besondere Betonung auf einem Wort, so wird dieses ebenfalls kursiv geschrieben. Codefragmente und Algorithmen werden in Proportionalschrift dargestellt. Zitate und Metaphern werden unter doppelte Anführungszeichen gestellt. 1.3 Über den Autor Der Autor dieser Arbeit hat im Jahr 2004 zusammen mit drei Kommilitonen 2 für die IEEE Computer Society International Design Competition (CSIDC) ein Sensornetzwerk zur Ortung von Personen 3 entwickelt 4. Seit Ende 2005 arbeitet er am Projekt MagicMap mit. 2 Steffen Buhle, Mario Hensel, Dan Kreiser 3 Person Loss Avoidance System for Mobile Application (PLAS.MA) 4 Das Team wurde beim Finale in Washington D.C. mit einem Honourable Mention Team Award ausgezeichnet 6

8 1.3 Über den Autor Das in beiden Projekten erworbene Wissen bildet die Grundlage dieser Arbeit und soll dazu dienen, das System MagicMap durch die Integration neuer Konzepte und Technologien nachhaltig zu verbessern. 7

9 Kapitel 2 Problemstellung und Ziele Die Präsenz von Funktechnologien - sowohl in der Industrie als auch im Konsumerbereich - hat in den letzten Jahren sehr stark zugenommen. Es ist zu erwarten, dass dieser Trend sich in Zukunft noch verstärkt. Das Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) bietet erhebliches Potenzial[18], ebenso wie die RFID-Technologie[19]. Dazu kommen Technologien wie ZigBee und RuBee[20], die eines Tages in jedem Lichtschalter verbaut sein könnten, sowie Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX)[21], das breitbandige Internetverbindungen an Orte ohne DSL-Zugang bringen soll. Mit Ultra Wideband (UWB)[22] steht eine weitere Technologie in den Startlöchern, die in Zukunft den Universal Serial Bus (USB) und Bluetooth[23] bei der Anbindung von Peripherie ergänzen wird. All diese Funktechnologien bieten neben ihrem primären Anwendungszweck die Möglichkeit, durch Messung der Signalstärke oder der Signallaufzeit die Position der beteiligten Geräte festzustellen. Dies wird in vielen Anwendungen auch genutzt, im Global System for Mobile Communications (GSM)[24]-Mobilfunk 1 genauso wie z.b. in WLAN-Ortungssystemen wie MagicMap. Je nach Technologie werden dabei respektable Genauigkeiten erreicht 2. Dennoch bleibt die Einsatzmöglichkeit innerhalb einer Technologie eingeschränkt. Allfällige Signalschwankungen und Abdeckungslücken können nur schwer kompensiert werden, das Einsatzgebiet ist von den topologischen und den technischen Grenzen einer Technologie bestimmt. Dabei ist die für eine zuverlässige mobile Ortung notwendige Information an sehr vielen Orten in Form weiterer Funksignale anderer Technologien vorhanden - was fehlt ist die Möglichkeit, diese Information, die durch die Funksignale unterschiedlicher Technologien präsent ist, auszuwerten und adäquat in die Postionsberechnung einzubeziehen. Um dies tun zu können, sind auf technischer Ebene mehrere Dinge notwendig: 1 Der Netzbetreiber O2 z.b. bietet mit der Homezone einen ortsbezogenen Dienst an. 2 MagicMap z.b. ist je nach Umgebung und Infrastruktur bis zu drei Meter genau. 8

10 2 Problemstellung und Ziele 1. Ein Verfahren, mit welchem man unterschiedliche Funktechnologien gleichzeitig zur hybriden Ortung verwenden kann. 2. Eine Strategie, mit unterschiedlichen Genauigkeiten verschiedener Technologien umzugehen. 3. Ein System, das die adaptive Einbindung unterschiedlicher Funktechnologien unterstützt. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das diese Kriterien erfüllt. Dabei soll auch das Verhältnis von Kosten, Zuverlässigkeit und Ortungsgenauigkeit dieses Verfahrens untersucht werden. Darüber hinaus soll die WLAN-Funkortungslösung MagicMap erweitert werden, sodass eine technologieunabhängige Ortungslösung entsteht, die unterschiedliche Technologien adaptiv einbinden kann. Anhand von Tests in unterschiedlichen Umgebungen soll die Leistungsfähigkeit dieser Lösung untersucht und eine Grundlage für Aussagen in Bezug auf die Ortungsverbesserung geschaffen werden. 9

11 Kapitel 3 Ortung Das Wissen um die Position von Objekten oder Menschen spielt in der heutigen Zeit eine wichtige Rolle. Traditionell notwendig für eine sichere Navigation, ist Ortung heute in vielen Bereichen, vor allem auch in der Logistik[33] und für ortsbezogene Dienste (LBS) essenziell. 3.1 Definitionen Bevor auf die Geschichte und mögliche Klassifikationen von Ortung, sowie die zur Ortung verwendeten Technologien näher eingegangen wird, soll zunächst der Begriff Ortung genauer definiert werden. Die Brockhaus-Enzyklopädie[25] definiert Ortung synonym mit Ortbestimmung als einerseits Feststellung der geographischen Länge und Breite eines Ortes auf der Erdoberfläche mit Hilfe von Gestirnen, durch Funkortung oder Lotung bei der Navigation, andererseits als geographische Ortsbestimmung unter Angabe der geographischen Länge und Breite. Meyers großes Taschenlexikon[26] unterscheidet zwischen Ortsbestimmung von Personen und Gegenständen durch Angabe ihrer (ebenen oder räumlichen) Koordinaten als Ortung im engeren Sinne, als auch im weiteren Sinne der Bestimmung des Standorts, z.t. auch der Geschwindigkeit eines Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeuges. Des weiteren wird hier auch die wichtige Unterscheidung gemacht zwischen Eigenortung 1 und Fremdortung 2. Wikipedia[27] versteht unter allgemeiner Ortung die Bestimmung der Position eines Objekts, was beispielsweise Personen, Fahrzeuge, Gegenstände, Signale oder Krankheitsherde sein können. Dabei wird der Ortung vor allem in Hinblick auf die Navigation und für standortbezogende Dienste besondere Bedeutung beigemessen. Ortung im technischen Sinn wird hier als die Bestimmung der Lage in einem Bezugssystem erklärt. Laut Wikipedia kann die Ortung auf mindestens 50 Arten erfolgen, wobei dies allerdings nicht genauer 1 Von Eigenortung spricht man, wenn sich der Messgeber auf Seite des zu ortenden Objekts bzw. Fahrzeug befindet. 2 Bei der Fremdortung liegen die Messgeber an den Bezugspunkten. 10

12 3.2 Historie Abbildung 3.1.1: Astronomische Ortung mit dem Jakobsstab.a a Holzschnitt aus Apians Introduction geographica (1533), Quelle: [42] belegt wird. Es werden darüber hinaus einige Arten der Ortung aufgezählt: Sichtnavigation - Ortung durch Augenschein und Karten-Gelände-Vergleich Koppelnavigation - Laufende Ortsbestimmung durch Messung von Kurs, Geschwindigkeit und Zeit Terrestrische Navigation - Ortung durch Einmessung von Fixpunkten und Landmarken Funknavigation - Ortung mit Hilfe von Funkwellen Astronomische Ortung - Messung der Lotrichtung mit Methoden der Astrogeodäsie3 (s. z.b. Abbildung 3.1) Satellitenortung - Ortung durch GPS, GLONASS oder Galileo Meterologische Ortung - Ortung auf Basis der Dynamik der unteren Erdatmosphäre und des Wetters Echoortung - Ortung durch Reflektion von Schall- oder Radiowellen 3.2 Historie Die Geschichte der Ortung reicht ca Jahre zurück. In den Anfängen wurde Ortung hauptsächlich zur Navigation - vor allem für die beginnende Seefahrt - benötigt. Bis in das 3 Methoden der Geodäsie und Astrometrie, bei denen Messungen zu Gestirnen und anderen extraterrestrischen Zielen vorgenommen werden. Es werden die Koordinatensysteme der Sphärischen Astronomie verwendet (s. auch [?]). 11

13 3.3 Klassifikation 20. Jahrhundert blieb dies das wichtigste Anwendungsgebiet, für welches stetig bessere und genauere Verfahren entwickelt wurden. Meilensteine waren unter anderem der mit Längenund Breitengraden versehene Weltatlas des Ptolemäus um 150 n. Chr., die Erfindung des Kompass 4, die Entwicklung des Sextanten[28] und die Lösung des Längengradproblems 5 Mitte des 18. Jahrhunderts. Abbildung 3.2.1: Spiegelsextant.a a Quelle: Brockhaus-Enzyklopädie[25] Im 20. Jahrhundert fanden sehr viele technische Fortschritte im Bereich Ortung statt, darunter fallen sowohl akustische Verfahren wie Sound Navigation and Ranging (Sonar)[30] und Echolot, funkbasierte Verfahren, sowie moderne optische Verfahren. Die Navigation in Schiff- und Luftfahrt ist auch heute noch das wichtigste Anwendungsgebiet für Ortung - es haben sich jedoch auch darüber hinaus wichtige Anwendungsgebiete entwickelt, wie z.b. Logistik, Sport und Sicherheitsbereich. Darüber hinaus spielen auch ortsbezogene Dienste eine immer wichtigere Rolle als Anwendungsgebiet für die Ortung. 3.3 Klassifikation Ortung kann auf viele unterschiedliche Arten erfolgen - als für den Menschen intuitivste Art der Ortung kann man die visuelle Ortsbestimmung nennen - sie ist für die Orientierung des menschlichen Körpers in seiner Umwelt quasi das Standardverfahren. Darüber hinaus werden jedoch auch die anderen Sinne (allerdings weniger bewusst) zur Ortung und Orientierung eingesetzt. Blinden Menschen beispielsweise ist mit akustischer und taktiler Wahr4 Der Kompass wurde bereits um 300 n. Chr. im Kaiserreich China erfunden, gelangte jedoch erst um 1190 nach Europa. 5 Während die Bestimmung der geographische Breite auf See relativ einfach anhand der Tageszeit, des Sonnenstandes oder durch Ermittlung der Höhe bekannnter Sterne über dem Horizont zu bestimmen ist, muss man zur Bestimmung des Längengrades die genaue Uhrzeit an Bord des Schiffes und am Heimathafen kennen. Für die Lösung dieser Aufgabe schrieb das britische Parlament nach einigen verheerenden Schiffsunglücken im Jahre 1714 im sogenannten Longitude Act einen hohen Preis zur Lösung dieses Problems aus. Gelöst wurde das Längengradproblem von John Harrison[29] 12

14 3.3 Klassifikation nehmung eine hervorragende Ortsbestimmung möglich. Die olfaktorische Ortung hingegen spielt beim Menschen durch den vergleichsweise gering ausgeprägten Geruchssinn kaum eine Rolle - in manchen Kontexten macht er sich jedoch den ausgezeichneten Geruchssinn von Tieren (meist Hunden) zu Nutze. In vielen Situationen sind jedoch die menschlichen Sinne alleine für eine Ortung nicht ausreichend, sodass technische Hilfsmittel und Verfahren entwickelt wurden, um dieses Problem zu lösen. a Quelle: Meyers großes Taschenlexikon [26] Abbildung 3.3.1: Echolot und Echograph. a Dabei kann man eine Klassifikation in für die Ortung verwendete Technologien vornehmen: Optische Ortung: Hierunter fallen alle Verfahren, die eine Ortsbestimmung mit Hilfe optischer Gerätschaften ermöglichen. Dieses ist vermutlich das weiteste Feld - von der einfachen Sichtortung über den Sextanten bis hin zur astronomischen Ortung steht eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung. Die erreichbare Genauigkeit ist dabei sehr unterschiedlich. Während ein Sextant bei der Distanzberechnung in etwa die Genauigkeit einer Seemeile erreicht, ist mit modernen optischen Autofokussystemen eine Genaugkeit im Zentimeterbereich erreichbar. Akustische Ortung: Diese Art der Ortung führt Distanzmessungen mit Hilfe von Schallwellen (meist Ultraschallwellen) durch. Gängigstes Beispiel für akustische Ortung sind die hochfrequenten Schreie von Fledermäusen, die mit Hilfe von Ultraschallwellen auch bei Dunkelheit im Flug Beutetiere jagen und Hindernissen ausweichen können. Auf See dienen Sonar (s. Abb. 3.3) und Echolot zur Identifikati- 13

15 3.4 Funkortung on von Hindernissen und Bestimmung der Wassertiefe. Heute sind darüber hinaus Ultraschall-Ortungsgeräte verfügbar, die eine Ortungsgenauigkeit im Sub-cm-Bereich ermöglichen[31]. Olfaktorische Ortung: Die geruchliche Ortung spielt in der Tierwelt eine wichtige Rolle (z.b. um Fährten zu verfolgen, oder auch Gefahren zu lokalisieren) - auch der Mensch macht sich dies zunutze, indem für bestimmte Aufgaben geschulte Hunde eingesetzt werden (z.b. als Blinden-, Jagdhunde-, Polizeihunde, etc.). Funkbasierte Ortung: Bei funkbasierter Ortung erfolgt die Ortsbestimmung mit Hilfe von Funkwellen. Funkbasierte Ortungsverfahren sind heute am weitesten verbreitet, man unterscheidet grob zwischen Nah- und Fernbereichssystemen, sowie Satellitenortungssystemen. Auf die Funkortung wird in Abschnitt 3.4 ausführlich eingegangen. Die Genauigkeit der Ortung ist bei allen Grundtechnologien im wesentlichen davon abhängig, wie genau Distanzen und Winkel zu Bezugsobjekten festgestellt werden können. Manche Verfahren benötigen außerdem eine genaue Zeitmessung und sind damit zusätzlich von der Genauigkeit der verwendeten Uhr abhängig. 3.4 Funkortung Bei der Funkortung erfolgt die Positionsbestimmung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen. Alle beteiligten Geräte müssen in der Lage sein, Daten sowohl zu empfangen als auch zu senden. Wie das Beispiel RFID (siehe Abschnitt 4.4) zeigt, muss jedoch nicht jedes Gerät ein vollwertiger Transceiver sein, auch einfachere Transponder können (teilweise) eingesetzt werden 6. Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Verfahren zur Positionsbestimmung mittels Funksignalen, von denen die wichtigsten im Folgenden vorgestellt werden Zellbasierte Verfahren Bei zellbasierten Verfahren (engl. Cell of Origin (COO)) ist lediglich bekannt, in welcher Funkzelle sich ein zu ortendes Objekt befindet, d.h. in Reichweite welcher Basisstation sich ein Transceiver befindet[41]. GSM nutzt beispielsweise dieses Verfahren - der Teilnehmer wird automatisch in die Funkzelle eingebucht, deren Signal am stärksten empfangen wird. Typischerweise sind die Empfänger auch in der Lage, die Nähe mehrerer Basisstationen festzustellen, sodass u.u. ein zusätzlicher Informationsgewinn entsteht. In Abbildung ist z.b. die Position von Teilnehmer 2 stark eingrenzbar, diejenige von Teilnehmer 3 recht genau feststellbar. Dies sind jedoch Speziallfälle - an den meisten Positionen gibt es keine Überlappungen, sodass wie im Fall von Teilnehmer 1 nur eine sehr ungenaue Ortung möglich 6 Im Gegensatz zu Transceivern können Transponder nur nach Anregung durch ein Signal aktiv werden. 14

16 3.4 Funkortung Abbildung 3.4.1: Zellbasiertes Verfahren ist. Zellbasierte Verfahren sind aus diesem Grund typischerweise diejenigen Verfahren mit der geringsten Positionierungsgenauigkeit. Lediglich bei sehr kleinen Zellgrößen ist dieses Verfahren in der Lage, hohe Genauigkeiten zu erreichen. Dies liegt hauptsächlich am relativ geringen Informationgehalt dieses Verfahrens in Bezug auf die Position eines Teilnehmers. Darüber hinaus besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass sich ein Teilnehmer nicht an der am stärksten empfangenen Basisstation einbucht. Auf diese Weise kann zusätzliche Positionierungsungenauigkeit entstehen Laufzeitbasierte Verfahren Bei laufzeitbasierter Funkortung wird die Entfernung zweier Transceiver anhand der Zeit, welche für die Übertragung benötigt wird, festgestellt. Man unterscheidet zwischen Verfahren, die nur die Ankunftszeit messen (engl. Time of Arrival (TOA)) und Verfahren, die den Zeitunterschied zwischen den Ankunftszeiten der Signale (engl. Time Difference of Arrival (TDOA)) messen. Abbildung 3.4.2: Laufzeitbasiertes Verfahren 15

17 3.4 Funkortung TOA-Verfahren erfordern eine aufwändige Uhrensynchronisation, da schon geringe Abweichungen zwischen Funkempfängern zu stark verfälschten Ergebnissen führen können. Dies ist darin begründet, dass sich Funksignale mit Lichtgeschwindigkeit (c = m/s) ausbreiten. Darüber hinaus ist auch die Genauigkeit der Uhren maßgeblich - für eine Ortungsgenauigkeit von einem Meter darf eine Uhrenabweichung von 3,3ns pro Sekunde nicht überschritten werden[41]. TDOA-Verfahren messen die Unterschiede zwischen den Ankunftszeiten der Signale und berechnen daraus die Entfernungen[41]. Hier entfällt die Notwendigkeit der Uhrensynchronisation zwischen den Transceivern, die Anforderung einer präzisen Uhr bleibt jedoch bestehen. Für sehr kurze Funkdistanzen ist diese Methode deshalb relativ ungenau - hier können zusätzlich zur Zeitmessungsungenauigkeit auch Verarbeitungsverzögerungen ins Gewicht fallen. Die analoge Technologie auf Basis von Ultraschall erzielt in diesen Fällen durch die um Größenordnungen langsamere Ausbereitungsgeschwindigkeit von Schall eine deutlich höhere Genauigkeit Winkelbasierte Verfahren Winkelbasierte Verfahren (engl. Angle of Arrival (AOA)) benötigen Empfänger, welche die Richtung des Signalursprungs feststellen können[41]. Für diese Art der Funkortung werden komplexe Antennenstrukturen benötigt. Um den Signaleinfallswinkel zu bestimmten, verwendet man entweder mehrere Antennen, oder auch eine rotierende Antennne (wie z.b. bei Radio Detection and Ranging (Radar)). Für eine zweidimensionale Ortung werden mindestens zwei Winkel von unterschiedlichen Empfängern benötigt Signalstärkebasiertes Verfahren Signalstärke-basierte Funkortungsverfahren bestimmen die Entfernung zwischen zwei Transceivern über die empfangene Signalstärke. Dabei muss lediglich die Sendeleistung der jeweiligen Gegenseite bekannt sein[38]. Die Signalstärke nimmt in der Theorie im Verhältnis zur Entfernung umgekehrt proportional ab. In der Praxis spielen dabei Umweltfaktoren wie Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, räumliche Hinternisse und auch dynamische Veränderungen eine Rolle, so dass sich meist ein von der Theorie stark abweichendes Bild ergibt. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, besteht die Möglichkeit, an verschiedenen Punkten Referenzmessungen durchzuführen und diese Information in das Ortungssystem 16

18 3.4 Funkortung Abbildung 3.4.3: Theoretische erwartete Signalausbreitung a a Karte erstellt von Florian Lederer und Andreas Weiß im Rahmen der Arbeiten am Projekt MagicMap Abbildung 3.4.4: Empirische Signalausbreitung a a Signalstärken gemessen bei OECON, Braunschweig; Karte erstellt von Florian Lederer und Andreas Weiß im Rahmen der Arbeiten am Projekt MagicMap einzupflegen. Das System MagicMap ist z.b. in der Lage, Referenzpunkte zu verarbeiten und dadurch die Ortungsgenauigkeit zu verbessern. 17

19 Kapitel 4 Funktechnologien Im Kontext hybrider Funkortung ist es naheliegend, verfügbare Funktechnologien zu betrachten. Dieses Kapitel gibt einen breiten Überblick über gängige verfügbare Technologien und ihre Eigenschaften. Darüber hinaus werden die Schwerpunkttechnologien dieser Arbeit, ZigBee und RFID, ausführlich erläutert. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf WLAN, das in Form des Systems MagicMap quasi als Referenztechnologie für die hybride Ortung dient. 4.1 Technologieüberblick Funktechnologien können nach unterschiedlichen Kriterien klassifiziert werden: z.b. Anwendungsgebiet, Energieverbrauch, Frequenz, Reichweite und Datenübertragungsrate. Das ideale Funksystem ist universell einsetzbar, braucht vernachlässigbar wenig Energie bei hoher Reichweite und Übertragungsrate. In der Praxis ist es jedoch so, dass diese Eigenschaften sich widersprechen bzw. teilweise gegenseitig ausschließen. In Bezug auf Ortung kann man auch sehr grob unterscheiden zwischen Nah- und Fernbereichsortung, sowie als Spezialfall Satellitenortung. Da in dieser Arbeit insbesondere Alternativen zur Satellitenortung in Umgebungen deren Unverfügbarkeit aufgezeigt werden, wird an dieser Stelle nicht weiter auf Satellitenverfahren eingegangen Nahbereichstechnologien Bei den Nahbereichstechnologien wird an dieser Stelle noch einmal unterschieden zwischen auf minimalen Energieverbrauch optimierten Industrietechnologien und Technologien, die auf hohe Datenübertragung hin optimiert bzw. tendeziell eher für Konsumeranwendungen entwickelt wurden. Sowohl die für Industrieanwendungen optimierten Transceiver als auch die breitbandigeren Technologien bieten ein erhebliches Potenzial, in einem begrenzten räumlichen Feld durch ihre Funksignale die Ortung zu verbessern. 18

20 4.1 Technologieüberblick Technologie RFID RuBee ZigBee Standard EPC Frequenzbereich khz 132 khz 868 MHz 3-30 MHz 920 MHz 900 MHz 2,4 GHz 2,4 GHz 5,8 GHz Sendeleistung Reader: 0,1-3 W < 1 mw 1-10 mw Übertragungsrate 2,4 kbit/s 1,2 kbit/s < 500 kbit/s Reichweite 3-5 m passiv 3-30 m < 100 m < 30 m aktiv Peer-2-Peer nein möglich möglich Multihop nein nein möglich Tabelle 4.1.1: Überblick Low-Power-Nahbereichsfunk Von den Niedrigenergietechnologien ist allein die RFID-Technologie in der Lage gänzlich ohne Stromversorgung auszukommen und passive Tags mit batterieunabhängiger Lebenszeit bereitzustellen. RFID-Tags haben großes Potenzial für eine massenweise Verbreitung, da sie in großen Stückzahlen zu äußerst geringen Kosten produzierbar sind. Nachteil der Technologie ist vor allem die Notwendigkeit teurer Schreib-/Lesegeräte, sowie die Unmöglichkeit der Kommunikation der Tags untereinander. Darüber hinaus ergeben sich Kommunikationsprobleme bei Anbringung der Tags auf Metall oder Flüssigkeitsbehältern. RFID wird in Abschnitt 4.4 ausführlich behandelt. RuBee[20] ist eine sehr junge Technologie und wurde mit dem Hintergrund entwickelt, die Probleme von RFID zu lösen. Um eine Peer-to-Peer-Kommunikation zu ermöglichen, sind RuBee-Tags allerdings auf eine Energieversorgung angewiesen. Der Stromverbrauch ist dabei jedoch so gering, dass ein Betrieb über mehrere Jahre mit einer Batterie möglich ist. RuBee arbeitet darüber hinaus im Low Frequency (LF)-Bereich und ist dadurch deutlich unempfindlicher gegenüber Signaldämpfung durch Flüssigkeiten und andere physische Hindernisse. ZigBee erfordert ebenso wie RuBee aktive Transceiver. Besonderheit des Protokolls ist, dass es nicht nur Peer-to-Peer-Kommunikation ermöglicht, sondern auch Multihop-fähig ist, Signale also über mehrere Knoten weiterreichen kann. Darüber hinaus erreicht es verhältnismäßig hohe Datenübertragungsraten von bis zu 500 kbit/s und hohe Reichweiten. Auch ZigBee ist sehr energieeffizient und kann je nach Einsatzzweck über mehrere Jahre ohne Batterieerneuerung auskommen. ZigBee wird in Abschnitt 4.3 eingehender vorgestellt. Von den breitbandigeren Technologien für den Nahbereich, die im Vergleich deutlich höheren Stromverbrauch aufweisen, sind Bluetooth und UWB primär für die Anbindung von Peripherie entwickelt worden, während WLAN als drahtlose Netzzugangstechnologie entwickelt wurde. 19

21 4.1 Technologieüberblick Bei der Entwicklung von Bluetooth[23] standen geringe Kosten, kleine Bauform und auch geringer Stromverbrauch im Vordergrund. Anwendungsgebiet sind vor allem Mobiltelefone, Personal Digital Assistent (PDA)s und Laptops, sowie deren Zubehör. Bluetooth hat allerdings in Bezug auf geringen Stromverbrauch und Kosten die Erwartungen und Anforderungen der Industrie nicht erfüllt - was letztlich zur Entwicklung von ZigBee führte. Im Bereich der drahtlosen Anbindung von Peripherie hat es sich jedoch mittlerweile gegenüber Infrarot (IR) als Quasi-Standard durchgesetzt. Technologie Bluetooth UWB WLAN Standard a a/b/g Frequenzbereich 2,4 GHz 3,1-10,6 GHz 2,4 GHz 5 GHz 5 GHz Sendeleistung Kl.1: 100 mw 0,6 mw 100 mw (b/g) Kl.2: 2,5 mw mw (a) Kl.3: 1 mw Übertragungsrate 2,1 Mbit/s Mbit/s Mbit/s Reichweite Kl.1: 100 m 10 m m Kl.2: 50 m Kl.3: 10 m Peer-2-Peer möglich möglich möglich Multihop nein nein möglich Tabelle 4.1.2: Überblick Nahbereichstechnologien Um in der Lage zu sein, den zukünftigen Anforderungen hoher Bandbreiten z.b. durch Videostreaming gerecht zu werden, wurde UWB[22] entwickelt, das über kürzere Strecken Übertragungsraten über 1 Gbit/s erreicht. Damit ist UWB in der Lage, im Nahbereich zukünftig Kabelverbindungen wie USB und FireWire zu ergänzen und zu ersetzen. WLAN wurde entwickelt, um die Funktionalität eines Local Area Network (LAN) kabelungebunden zur Verfügung stellen zu können. Dabei stellt meist ein AccessPoint (AP) mehreren Clients Verbindungen zur Verfügung. Es ist aber auch eine Adhoc-Kommunikation ohne APs möglich. Moderne Protokolle (z.b. Wireless Distribution System (WDS) oder Optimized Link State Routing (OLSR)) erlauben sogar Multihop-Kommunikation. Einige ortungsspezifische Aspekte von WLAN werden auch in Abschnitt 4.2 behandelt Fernbereichstechnologien Für eine flächendeckende Funkortung spielen vor allem die Fernbereichstechnologien eine wichtige Rolle, da Sie eine wichtige Grundlage für die Zuverlässigkeit der Ortung bilden. In einem Szenario, in dem man im Außenbereich GPS[1] zur Ortung verwendet und in geschlossenen Räumen andere lokal verfügbare Funktechnologien, stellen sie das Bindeglied zwischen den innenliegenden Bereichen mit umfangreicher Infrastruktur und dem Außenbereich dar. GSM[24] wurde Anfang der 90er Jahre entwickelt, mit dem Ziel ein europäisches Mobil- 20

22 4.2 Wireless Local Area Network Technologie GSM WiMAX UMTS Standard GSM UMTS Frequenzbereich 900 MHz 2-11 GHz 1,9 GHz 1800 MHz 2,1 GHz 1900 MHz Sendeleistung 2 W (900 MHz) unbekannt 0,25 mw 1 W (1800 MHz) Übertragungsrate 115,2 kbit/s 108 Mbit/s 10 Mbit/s Reichweite 35 km 50 km 10 km Peer-2-Peer nein nein nein Multihop nein nein nein Tabelle 4.1.3: Überblick Fernbereichstechnologien funksystem zu schaffen, das gute Sprachqualität, billige Endgeräte, internationales Roaming und neue Services möglich macht und zudem ISDN-kompatibel ist. Wichtigster Dienst ist auch heute noch die Telefonie, daneben spielen auch SMS-Versand sowie Daten- und Faxdienste eine wichtige Rolle. Mit dem General Packet Radio Service (GPRS) ist heute durch Bündelung von Zeitslots eine Datenübertragungsrate von bis zu 115,2 kbit/s möglich. WiMAX[21] ist eine relativ junge Technologie, mit der Internetdienste über regionale Funknetze angeboten werden können. Ziel ist die Überbrückung der sogenannten letzten Meile in Regionen, in denen die Nachrüstung kabelgebundener Infrastruktur unwirtschaftlich wäre. Es sind verhältnismäßig hohe Datenraten möglich, außerdem können auch größere Distanzen überbrückt werden. In der Praxis ist eine Abdeckung eines Bereichs von ca. 2 km Durchmesser mit Bandbreiten von 1-3 Mbit/s realistisch. UMTS[18] - als Mobilfunk der dritten Generation stark beworben - setzte sich deutlich langsamer durch als erwartet. Es fehlt nach wie vor die Killerapplikation. Die in der Praxis erreichbare Datenübertragungsrate liegt bei 1-2 Mbit/s. 4.2 Wireless Local Area Network Wireless Local Area Network (WLAN)[12] zeichnet sich durch eine relativ hohe Reichweite aus und bietet hohe Datenübertragungsraten (aktuell bis 54Mbit/s). WLAN ist praktisch die Standardtechnologie zur drahtlosen Vernetzung von Büroumgebungen, sowie für die Bereitstellung von drahtlosem Internetzugang in abgeschlossenen Bereichen. Durch seine weite Verbreitung ist es für die Ortung gut geeignet, da die Infrastruktur häufig schon vorhanden ist. Außerdem können die vielen öffentlich verfügbaren WLAN-Hotspots mit einbezogen werden. Darüber hinaus sind die benötigten Geräte relativ preiswert und leicht erhältlich. Nachteilig ist jedoch der recht hohe Energiebedarf der Technologie. Geräte, die einige Wochen oder gar Monate unabhängig von externer Stromversorgung arbeiten sind mit WLAN nicht möglich. 21

23 4.3 ZigBee 4.3 ZigBee ZigBee[13] ist ein effizientes Protokoll für Multihop-fähige drahtlose Adhoc-Netzwerke. Der Name ZigBee stammt laut ZigBee Alliance vom Zickzack-Tanz der Honigbienen ab, mit dem diese den anderen Koloniemitgliedern mitteilen, in welcher Richtung und Entfernung sich Futterquellen befinden. Nach Ansicht von Biologen ist diese Namensgebung jedoch falsch und vermutlich der Tatsache geschuldet, einen marketingfähigen Namen für das Protokoll zu finden. Honigbienen benutzen nämlich zur Kommunikation entweder einen Rundtanz oder einen Schwänzeltanz Historie Es existieren mittlerweile viele Standards im Bereich der mittleren bis hohen Datenraten (Bluetooth, GPRS, UMTS, WLAN). Für selbstorganisierende Adhoc-Netzwerke kleiner und einfacher Geräte und Sensoren sind diese Geräte aufgrund ihrer Eigenschaften jedoch nicht geeignet, da sie entweder zu hohen Stromverbrauch, zu lange Reaktionszeiten oder zu geringe Zuverlässigkeit besitzen. Daher begann 1998 die Entwicklung eines neuen Standards für energiesparende, über Funk kommunizierende Endgeräte mit geringen Datenraten. Im Mai 2003 wurde mit dem Standard IEEE die Grundlage für ZigBee geschaffen. Während das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) nur die physikalische Schicht (PHY) und die Subschicht für die Medienzugriffskontrolle (Media Access Control (MAC)) standardisiert hat, hat die ZigBee Alliance im Dezember 2004 die ZigBee- Spezifikation verabschiedet und sie im Juni 2005 für die Öffentlichkeit verfügbar gemacht. Für den Zugang zur ZigBee-Spezifikation ist allerdings eine Mitgliedschaft in der ZigBee Alliance erforderlich, die mindestens 3500$ pro Jahr kostet Technologie Ein wichtiges Entwicklungsziel von ZigBee waren geringe mögliche Baugrößen. Dass dies gelungen ist, zeigt Abbildung 4.3.1: die obere Platine enthält sämtliche Funkkomponenten sowie den Mikrocontroller (die untere dient nur als Batteriefach und Debugschnittstelle). Herzstück ist dabei der in der oberen Bildhälfte sichtbare quadratische Chip, welcher Mikrocontroller und Funklogik in sich vereint. Während der Standard IEEE die grundlegenden Eigenschaften der Hardware auf der physikalischen und der MAC-Schicht beschreibt, setzt der ZigBee-Stack darauf auf. Zig- Bee ist optimiert für kurze Arbeitszyklen, um Strom zu sparen. Das Zeitintervall zwischen Umschalten von Sleep- auf Active-Modus dauert lediglich ca. 15ms. ZigBee unterstützt nativ Stern-, Peer-to-Peer- und Meshnetzwerktopologien. Dabei unterscheidet man in einem ZigBee-Netzwerk grundsätzlich zwischen zwei Knotentypen: Fully Functional Devices (FFD) und Reduced Functional Devices (RFD). RFD-Knoten können keine Netzwerkkoordinatorfunktion ausführen und sind beschränkt auf eine Stern-Topologie. Um ein Netzwerk aufzubauen, ist mindestens ein FFD notwendig. 22

24 4.4 Radio Frequency Identification Abbildung 4.3.1: ZigBee-Modul von Chipcon/Texas Instruments Ortung mit ZigBee ZigBee eigent sich hervorragend zur mobilen Ortung. Aufgrund der geringen Stromaufnahme sind mit Hilfe von ZigBee Ortungslösungen auch in Bereichen möglich, in denen keine Netzstromversorgung gewährleistet ist. Darüber hinaus sind mit ZigBee sehr kleine Gerätebaugrößen möglich - die Größe einer Streichholzschachtel oder auch eines Armbanduhrgehäuses scheinen erreichbar - abhängig von der verwendeten Batterie. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Multihop-Kommunikation - die Ortungsinformation kann dadurch dezentral an eine Datenerfassungsstation erfolgen. Darüber hinaus sind keine teuren Lesegeräte oder Basisstationen erforderlich - jeder Knoten kann praktisch Teil der Infrastruktur sein (wobei es für die Ortung natürlich notwendig ist, dass es ausreichend viele Knoten mit fester bzw. bekannter Position gibt). 4.4 Radio Frequency Identification Die Radio Frequency Identification (RFID)[34] ist eine Technologie zur automatischen Identifikation und auch Lokalisierung von Objekten. Im heutigen Sprachgebrauch werden mit RFID meist passive RFID-Transponder (s.u.) assoziiert, als Nachfolgetechnologie für die heute weit verbreiteten Strichcodes auf Waren Historie Diese relativ junge Technologie hat jedoch bereits eine umfangreiche Historie - so wurden bereits am Ende des zweiten Weltkrieges erste RFID-Anwendungen zur Freund-/FeindErkennung eingesetzt. In den 1960er Jahren wurde mit der Siemens Car Identification (SICARID) ein erstes industrielles System entwickelt, das die Prinzipien der RFID-Technologie verwendete. Die SICARID wurde bis in die 1980er Jahre benutzt, um Autoteile automatisch zu identifizieren 23

25 4.4 Radio Frequency Identification - als Identifikationsträger wurden Hohlraumresonatoren verwendet. In den 1970er Jahren kamen elektronische Warensicherungssysteme auf den Markt, die auf Mikrowellentechnik und Induktion basierten. Der erste Backscatter-Transponder 1 wurde 1975 in einem IEEE-Aufsatz vorgestellt. Im Jahre 1979 entstanden zahlreiche neue Entwicklungen, insbesondere für die Tiererkennung in der Landwirtschaft. Als in den 1980er Jahren Norwegen und einige Bundesstaaten der USA beschlossen, RFID-Transponder für Mautsysteme im Straßenverkehr einzusetzen, erfuhr die Technologie einen weiteren größeren Schub. Diese Entwicklung setzte sich in den 1990er Jahren fort, darüber hinaus wurde RFID nun zunehmend auch in anderen Bereich verwendet (z.b. Zutrittskontrollen, bargeldloses Bezahlen, elektronische Wegfahrsperren) wurde mit Gründung des Auto-ID-Centers am Massachusetts Institute of Technology (MIT) der Grundstein für einen globalen Standard zur Warenidentifikation gelegt. Produkt der Arbeiten am MIT ist der Electronic Product Code, der seit seiner Ratifizierung im Jahre 2003 durch die EPCglobal Inc. betreut wird. Abbildung 4.4.1: Passiver UHF-Transponder der 1. Generation Technologie Ein RFID-System besteht aus einem Schreib-/Lesegerät (meist Reader genannt) und dazu (in der Frequenz) passenden Transpondern (auch RFID-Tags). Die Datenübertragung zwischen Transpondern und Reader erfolgt mittels elektromagnetischer Wellen (bei niedrigen Frequenzen über ein induktives Nahfeld, bei höheren über ein elektromagnetisches Fernfeld). Funktionsweise RFID-Tags haben teils sehr unterschiedliche Bauform und -größe - prinzipiell hat jedoch jedes Tag ein Trägermaterial (meist Kunststoff), eine Antenne, einen Transponderschaltkreis, einen Mikrochip, sowie einen permanenten Speicher. 1 Reflektion oder Absorption des elektromagnetischen Feldes des Readers - dieser wertet die Manipulation des elektromagnetischen Feldes aus. 24

26 4.4 Radio Frequency Identification Tritt ein RFID-Tag in das elektromagnetische Feld eines Readers ein, so entsteht in der Antenne des Tags Induktionsstrom, welcher den Mikrochip des Tags aktiviert. Sobald ein Tag aktiviert ist, kann es vom Reader Befehle empfangen. Indem das Tag das vom Reader ausgesendete elektromagnetische Feld moduliert, kann es an diesen Daten übertragen - das Tag sendet jedoch nicht selbst, weshalb es nur im elektronmagnetischen Nahfeld gelesen werden kann. Klassifikation Wesentliches Klassifikationsmerkmal von RFID-Tags ist in erster Linie die Art der Stromversorgung: Passive Tags beziehen ihre Energie einzig aus den empfangenen Funkwellen des Readers (oft als Continous Wave bezeichnet). Dabei dient die Antenne des Tags als Spule und lädt einen Kondensator auf, welcher das Tag mit Strom versorgt. Aufgrund der geringen möglichen Kapazität des Kondensators muss die Continous Wave permanent aufrechterhalten bleiben. Die Reichweite dieser Tags reicht je nach Sendeleistung des Readers und Art des Tags von einigen Millimetern bis zu wenigen Metern 2. Aktive Tags besitzen eine Batterie zur Stromversorgung. Sie sind für minimalen Stromverbrauch optimiert und befinden sich normalerweise im Ruhezustand. Durch das Aktivierungssignal des Readers werden sie eingeschaltet. Die Reichweite dieser Tags erreicht bis zu 100m. Dabei wird die Batterie nicht etwa zur Erzeugung des modulierten Rücksignals verwendet - ihr Vorteil liegt allein im geringeren Energieverbrauch an Feldenergie3. Abbildung 4.4.2: Passiver UHF-Transponder der 2. Generation Frequenzbereiche Darüber hinaus lassen sich die Tags auch nach Frequenzbereich unterscheiden: 2 3 Die neuesten UHF Tags der 2. Generation erreichen Reichweiten bis zu 5 Metern. Dadurch wird die größere Reichweite möglich. 25

27 4.4 Radio Frequency Identification LF-Tags bewegen sich im Bereich von kHz. Sie weisen eine geringe Reichweite auf, sind für Anwendungen mit geringen Datenmengen jedoch ausreichend. Sie werden in vielen Bauformen angeboten, kommen gut mit erschwerten Bedingungen (Metall, hohe (Luft-)Feuchtigkeit) zurecht und sind sehr preisgünstig. High Frequency-Tags arbeiten im Bereich von 3-30MHz. Sie besitzen eine kurze bis mittlere Reichweite und eine mittlere Übertragungsgeschwindigkeit. Dabei sind sie noch relativ preisgünstig. Ultra High Frequency-Tags benutzen die Frequenzbänder von MHz, 2,4-2,5GHz und um 5,8 GHz. Diese Tags zeichnen sich durch eine sehr hohe Reichweite 4 aus und erlauben eine hohe Lesegeschwindigkeit. Passive Transponder sind dabei im Gegensatz zu aktiven noch relativ preiswert Spezialfall: Ortung mit RFID Betrachtet man die RFID-Technologie, so erscheint das Vorhaben diese zur Ortung verwenden zu wollen, zunächst nicht unbedingt naheliegend. Insbesondere die kurze Reichweite der Tags scheint einer sinnvollen Ortung zu widersprechen. Dies kann man jedoch auch aus einem anderen Blickwinkel betrachten. Da die Ortung mit WLAN oder ZigBee momentan maximal nur ca. drei Meter Genaugkeit liefert (dafür aber sehr kostengünstig ist), ergibt sich die Begehrlichkeit, zumindest an bestimmten Stellen eine genauere Ortsinformation bzw. -sicherheit zu haben, ohne jedoch die Kosten um Größenordnungen in die Höhe zu treiben. Passive RFID-Tags, angebracht an das WLAN- oder ZigBee-Transceivergerät können dies leisten - bei (relativ) geringen Kosten (im Vergleich zu global genaueren Lösungen), bzw. quasi ohne Mehrkosten in Anwendungen, die ohnehin bereits mit RFID-Technik ausgestattet sind (z.b. in Logistik und Warenwirtschaft). Die einfache Information des Vorhandenseins eines RFID-Tags in Reichweite einer RFID- Antenne ist allerdings nur dann ausreichend für eine Ortung, wenn die Reichweite sehr kurz ist (<0,5m). Moderne Ultra High Frequency (UHF)-Reader besitzen jedoch eine recht hohe Reichweite (bis zu 5m), sodass neben der Empfangsrichtung auch die Entfernung zur Antenne bekannt sein sollte. Während die Empfangsrichtung nicht automatisch feststellbar ist (die Ausrichtung der Antenne muss im Ortungssystem eingegeben werden), kann die Entfernung durch Modulation der Sendeleistung im Intervallhalbierungsverfahren relativ genau bestimmt werden (ca. 0,5m genau) m für passive Tags, über 30m für aktive Tags 26

28 Kapitel 5 Hybride Funkortung Hybride Verfahren sind Verfahren, welche die Vorteile und spezifischen Eigenschaften von Einzelverfahren zu einem neuen, besseren Verfahren kombinieren. Dieses Prinzip wird in der Technik häufig verwendet, Beispiele sind hybride Antriebssysteme in der Automobiltechnik 1, hybride Raketenantriebe 2 oder auch hybride Verschlüsselungsverfahren 3. In dieser Arbeit wird ein Ansatz entwickelt, mit dem Funkortung - durch Kombination mehrerer Funktechnologien - genauer und zuverlässiger wird. Vorhandene Funksignale werden aggregiert, um mit der auf diese Weise zusätzlich verwertbaren Information die Genauigkeit zu verbessern. Ausfall oder Verlassen der Reichweite einer bestimmten Technologie bedeutet nicht mehr den Ausfall der Ortung - die Abdeckung, sowie die Zuverlässigkeit werden verbessert. Man kann demzufolge von hybrider Funkortung sprechen. Den Vorteilen von größerer Zuverlässigkeit und höherer Genauigkeit stehen die höheren Kosten bei Verwendung mehrerer Technologien gegenüber. Zwar vertritt der Autor die Auffassung, dass diese in der Praxis nur wenig ins Gewicht fallen, da die hybride Ortung adaptiv einsetzt, sobald mehrere Funktechnologien verfügbar sind. Dennoch benötigt natürlich zumindest das zu ortende Objekt Transceiver für alle beteiligten Technologien. Um den hybriden Ansatz mit anderen Verfahren besser vergleichen zu können, wird der Kostenfaktor dennoch aus pessimistischer Perspektive betrachtet, d.h. unter Annahme der kompletten Ausstattung eines Bereichs mit zusätzlicher Technologie. Der Fokus liegt in dieser Arbeit auf signalstärkebasierter Funkortung. Die Kombination der vorgestellten Ansätze mit laufzeitbasierten und anderen Verfahren, welche auf Distanzmessung beruhen, ist dabei uneingeschränkt möglich. Dei Kombination mit anderen Verfahren (z.b. winkelbasierte Verfahren (AOA)) ist nur eingeschränkt möglich. 1 Meist eine Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor. Hier kann z.b. die Bremsenergie in elektrischen Strom umgewandelt werden, welcher mit Hilfe des Elektromotors einen Teil der für Beschleunigungen zusätzlich notwendigen Antriebskraft zur Verfügung stellen kann. Dadurch wird geringerer Treibstoffverbrauch erreicht. 2 Eine Mischung aus Feststoff- und Flüssigkeitsantrieb. 3 Kombination mehrerer Verschlüsselungsverfahren, um Angriffe zu erschweren. 27

29 5.1 Monotechnologische Ortung 5.1 Monotechnologische Ortung Funkortungslösungen basieren häufig auf einer einzigen Technologie (z.b. GPS, WLAN) und sind dann von deren Funkabdeckung und Ortungsgenauigkeit abhängig. Für manche Anwendungen (z.b. GPS-Navigationssysteme in Fahrzeugen) ist das ausreichend, manchmal wird die fehlende Abdeckung jedoch zum Problem (bei GPS-Fahrzeugnavigation z.b. in Großstadtstraßenschluchten, Parkhäusern, Tunnels). Die Ortungsgenauigkeit ist von nur einer Technologie abhängig - bei GPS z.b. liegt sie zwischen 10m und 20m[43]. Genauigkeitsschwankungen können nur durch Metainformationen (wie z.b. dem Straßenverlauf bei Navigationslösungen) ausgeglichen werden. Darüber hinaus ist die Zuverlässigkeit der Ortung von einem einzigen System abhängig. Fällt beispielsweise das GPS-System oder der GPS-Empfänger aus, so ist keine GPS-Ortung mehr möglich. In Bezug auf die Kosten, ist ein monotechnologisches Ortungssystem verhältnismäßig preiswert, da die Endgeräte nur über eine einzige Technologie verfügen müssen. Als Grundlage für den Vergleich von monotechnologischer Ortung mit den Ansätzen zur hybriden Funkortung, seien folgende Parameter angenommen: Eine Zuverlässigkeit R von 0, 9 für alle beteiligten Funkortungssysteme 4. Ein Kostenfaktor C von 1 für eine Funkortungstechnologie 5. Eine Positionierungsgenauigkeit G A einer Ortungstechnologie A mit einer mittleren Abweichung a. Die folgenden Ansätze zur hybriden Ortung sollen auch an ihren Kosten und ihrer Zuverlässigkeit gemessen werden - nicht nur an der Verbesserung der Ortungsgenauigkeit. 5.2 Eigenschaften hybrider Funkortung Hybride Funkortungsverfahren verwenden zwei oder mehr Technologien zu Ortung. Durch die dadurch vorhandene Redundanz entsteht ein Ortungssystem mit deutlich höherer Zuverlässigkeit. Im Gegenzug erhöhen sich die Kosten für so ein System im Vergleich zu nur einer Technologie. Zu beachten ist dabei, dass der Zuverlässigkeitsgewinn im Verhältnis deutlich größer ist: Z.B. bei einem auf zwei Funktechnologien basierenden Ortungssystem mit Zuverlässigkeiten R von jeweils 0, 9 verdoppeln sich die Kosten im Vergleich zu einem Einzelsystem, während sich gleichzeitig die Zuverlässigkeit verzehnfacht. 4 Dies ist natürlich eine stark vereinfachende Annahme. In konkreten Anwendungsfällen können sich für unterschiedliche Technologien sehr unterschiedliche Einzelzuverlässigkeiten ergeben. 5 Auch dies ist eine vereinfachende Annahme, in der Praxis kosten unterschiedliche Technologien meist unterschiedlich viel. Zur Veranschaulichung der Größenordnungen sollte diese Annahme hier jedoch ausreichend sein. 28

30 5.3 Ansätze für hybride Funkortung Dies liegt daran, dass für die Zuverlässigkeit R Gesamt eines parallelen Systems aus zwei gleich zuverlässigen Einzelsystemen gilt[zv2]: R Gesamt = 2R Einzelsystem R 2 Einzelsystem. Im allgemeinen Fall von n identisch zuverlässigen Einzelsystemen gilt: R Gesamt = 1 (1 R Einzelsystem ) n In Abbbildung wird das auf diese Weise entstehende Verhältnis zwischen Kosten und Zuverlässigkeit eines hybriden Systems veranschaulicht. Abbildung 5.2.1: Verhältnis von Kosten und Zuverlässigkeit Dabei ist das Verhältnis von Kosten und Zuverlässigkeit bei allen hybriden Techniken ähnlich, lediglich bei den aggregierend ortenden Verfahren (5.3.3 und 5.3.4) gewinnt man den zusätzlichen Vorteil, dass eine Ortung auch noch möglich ist, wenn beide beteiligten Technologien alleine nicht mehr orten können. Dieser Aspekt wird in nochmals aufgegriffen. 5.3 Ansätze für hybride Funkortung Grundsätzlich kann man zwei verschiedene Klassen von Verfahren unterscheiden: 1. Ansätze, die Einzelergebnisse als Eingabe verwenden, d.h. jeweils für eine Funktechnologie eine Ortung durchführen und danach die Ergebnisse zusammenführen. 29

31 5.3 Ansätze für hybride Funkortung 2. Ansätze, die die unterschiedlichen Technologien integral einbinden, d.h. bereits die in die Ortung einfließenden Faktoren entspringen beiden Verfahren und beeinflussen das Ergebnis zu einem früheren Berechnungszeitpunkt. Man könnte nun einwenden, dass Verfahren, die ausschließlich dem ersten Ansatz entsprechen, strenggenommen keine hybriden Verfahren sind - schließlich verrechnen sie nur Ergebnisse, die jeweils nur einer einzelnen Technologie entsprechen. Der Begriff hybrid ist jedoch weiter gefasst, auch die Zusammenführung mehrerer für sich abgeschlossener Verfahren fällt darunter. In dieser Arbeit werden Verfahren beider Strategien betrachtet und evaluiert. Darüber hinaus werden die theoretischen Ergebnisse auch empirischen Testreihen gegenübergestellt Bildung des Mittelwertes Diese Art der Hybridisierung ist offensichtlich die einfachste: die Ortung für beide Technologien unabhängig durchzuführen und dann einfach den Mittelwert der Ergebnisse als Resultat zu verwenden. Abbildung 5.3.1: Einfache Bildung des Mittelwerts Als Eingabe dieses Verfahrens dienen die berechneten Positionen aus den einzelnen Verfahren. Ausgabe ist dann der daraus berechnete Mittelwert dieser Positionen. 30

32 5.3 Ansätze für hybride Funkortung Leider ist dieses Verfahren aber auch jenes, welches die geringste theoretisch mögliche Genauigkeit erzielt. Insbesondere fließt keinerlei Metainformation in die Berechnung ein - aufwändig erzielte Einzelergebnisse werden von diesem Verfahren genauso behandelt wie Einzelergebnisse, die auf minimalen Informationen beruhen. Abbildung 5.3.2: Ortungsverschlechterung bei einfacher Mittelwertbildung Den höheren Kosten dieses Ansatzes steht lediglich die höhere Zuverlässigkeit durch die mit der Beteiligung mehrerer Technologien einhergehende Redundanz gegenüber. Die Genauigkeit verbessert sich durch diesen Ansatz nicht notwendiger Weise. Es ist sogar eine Verschlechterung des Ergebnisses möglich. Dies ist abhängig von der Genauigkeit der Einzelverfahren - unterscheiden sie sich stark, so besteht die Gefahr, dass die ungenauere Technologie das Ortungsergebnis verschlechtert. Abbildung visualisiert dieses Problem: Der geortete Punkt P, der innerhalb des Abweichungsbereichs a der Technologie A liegen müsste, wird durch Mittelwertbildung mit dem ungenaueren Verfahren B aus dem erwarteten Bereich E bewegt Bildung des gewichteten Mittelwertes Dieses Verfahren beruht ebenfalls auf der Eingabe von Einzelergebnissen, deren originärer Informationsgehalt nicht mehr vollständig verfügbar ist. Im Vergleich zum einfachen Mittelwert bietet es jedoch den Vorteil, Metainformationen in die Berechnung einbringen zu können. Beispielsweise kann ein erwartet genaueres Teilergebnis stärker gewichtet werden als andere, was eine Erhöhung der Endgenauigkeit erwarten lässt. Als Eingabe dieses Verfahrens dienen neben den einzeln berechneten Positionen der beteiligten Verfahren auch Genauigkeitsfaktoren für jedes Verfahren. Die Position wird dann aus dem Mittelwert der Produkte der einzeln berechneten Positionen und des zugehörigen Genauigkeitsfaktors berechnet. Der Genauigkeitsfaktor lässt sich dabei auf folgende Art errechnen: Sei A das genauere Verfahren, B ein beliebiges ungenaueres Verfahren und a die mittlere Abweichung von A, b die mittlere Abweichung von B. Dann ist B genau um k = b/a ungenauer als A und darf nur 1/k-faches Gewicht von A in der Berechnung haben. 31

33 5.3 Ansätze für hybride Funkortung Abbildung 5.3.3: Gewichtete Bildung des Mittelwerts Durch die einstellbare Gewichtung der Einzelergebnisse ist mit diesem Ansatz eine höhere Genauigkeit erreichbar. Allerdings ist eine automatische korrekte Gewichtung nur bedingt möglich, sodass dieses Verfahren auch die Gefahr in sich birgt, dass die Ortung sich durch veraltete Gewichtungsparameter verschlechtert. Gegen dieses Problem lässt sich auf unterschiedliche Art vorgehen: Einerseits könnte eine automatische Auswertung von Metainformationen auf Systemseite Abhilfe schaffen, andererseits könnten auch intelligente lernfähige Algorithmen die Gewichtung steuern. Dennoch bleibt das Problem, dass eine nicht verfahrensinhärente Komponente schlecht kontrollierbar ist. Darüber hinaus lässt sich mit diesem Ansatz keine Trennung zwischen Genauigkeit aufgrund der vorhandenen Information und Genauigkeit des Verfahrens herstellen. Dieser Ansatz bringt jedoch im Vergleich zur einfachen Mittelwertbildung durch die Gewichtung die Sicherheit, dass sich das Ortungsergebnis nicht verschlechtert. Kosten und Zuverlässigkeit bleiben unverändert Aggregation der Technologien Aggregiert man Einzelberechnungen der Einzelverfahren zu einem früheren Zeitpunkt, so gewinnt man den Vorteil, dass der Informationsanteil der Einzeltechnologien verfahrensinhärent anteilig gewichtet einfließt. D.h. bei Vorhandensein von z.b. sechs benachbarten ZigBee-Knoten und drei WLAN-Accesspoints stellt die ZigBee-Technologie zwei Drittel der 32

34 5.3 Ansätze für hybride Funkortung Abbildung 5.3.4: Aggregation der Technologien Information bereit und die WLAN-Technologie nur ein Drittel. Somit wird der höhere Informationsanteil der ZigBee-Knoten in diesem Beispiel automatisch adaptiv einbezogen. Das Ortungsergebnis ist mit hoher Wahrscheinlichkeit genauer als die Bildung des Mittelwertes, da anzunehmen ist, dass in diesem Beispiel das Einzelergebnis von ZigBee genauer ist als jenes der WLAN-Ortung. Bei einfacher Mittelwertbildung würde dies nicht berücksichtigt. Gewichtete Mittelwertbildung käme diesem Ergebnis zwar näher, unterscheidet sich jedoch im Ergebnis. Dieses Verfahren bringt ein zusätzliches Maß an Zuverlässigkeit, da es auch noch arbeiten kann, wenn mit den einzelnen beteiligten Technologien keine Ortung mehr möglich wäre. Sind z.b. zwei ZigBee-AccessPoints und ein WLAN-AccessPoint in Reichweite, so ist mit diesem Verfahren noch eine Ortung möglich, während mit den beiden Mittelwertverfahren keine Ortung mehr möglich wären, da sie von jeder Technologie mindestens drei AccessPoints brauchen. Wie stark dieser Faktor zu bewerten ist, hängt umgekehrt proportional von der Dichte der AccessPoints ab. Angenommen es gibt in einer Umgebung nur je drei AccessPoints von Technologie A und Technologie B. A und B sind dann für sich betrachtet serielle Systeme, d.h. der Ausfall eines AccessPoints würde zum Ausfall jedes Systems führen. Habe nun jeder AccessPoint eine Zuverlässigkeit R AP von 0,9. Dann gilt für die Einzelsysteme: R Einzel = R A = R B = R 3 AccessP oint = 0,