Lokalisierung durch Messung von WLAN-Signallaufzeiten

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1 Lokalisierung durch Messung von WLN-Signallaufzeiten Mario Haustein Herbsttreffen der GI/ITG-Fachgruppe etriebssysteme 11. November 2011 Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15 Motivation Einleitung WLN-Laufzeitlokalisierung hat das Potential zum Indoor-GPS. Laufzeitmessungen werden im Vergleich zu Feldstärkemessungen weniger durch die Umwelt beeinflusst. Es gibt bereits ähnliche nsätze. Diese sind aber meist auf spezielle Hardware ausgelegt oder tauschen Daten mit Teilnehmern hinter dem ccess Point aus. Ziel: Weite Verbreitungsmöglichkeit sicherstellen. Keine Spezial-Hardware Off-the-shelf Keine Firmware- oder Hardware-Modifikationen Keine ssoziierung mit ccess Point Die Grenzen von IEEE einhalten Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15

2 Theorie Laufzeitmessung (allgemein) Wie misst man die Signallaufzeit? Time-of-Flight-Verfahren: Nachrichtenaustausch T 1 T 1 R R T 2 T 2 Es ist keine Uhrensynchronisation notwendig. = T 2 T 1 =(T 1 T 1 )+(R T 1 )+(T 2 R )+(T } {{ } } {{ } } {{ } 2 T 2 )=2t + d + g } {{ } t d g t Nach Umstellen erhält man: t = 1 2 ( d g) Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15 Theorie Laufzeitmessung (WLN) Die IEEE MC-Schicht IEEE stellt die Zustellung von Frames bereits auf MC-Ebene sicher. TX RX DT 2t + SIF S TX RX SIF S CK Dieser Mechanismus stellt eine TOF-Sequenz dar. Wurde bereits in der Vergangenheit zur Lokalisierung genutzt. Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15

3 Theorie Laufzeitmessung (WLN) Das NULL-CK-Verfahren NULL-Frames transportieren keine Nutzlast. Sie dienen der Umsetzung von Stromsparfunktionen. TX RX NULL 2t + SIF S TX RX SIF S CK + Keine ssoziierung mit dem ccess Point notwendig + Keine elastung des Netzwerks hinter dem ccess Points + Keine eeinflussung durch Verschlüsselung + Kürzere Durchlaufzeit - Erzeugung nicht so einfach wie bei DT-CK-Sequenzen Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15 Der TSF-Zähler Theorie IEEE Nach Kapitel 1.11 in IEEE in jedem WLN-dapater vorhanden. Viele dapter vermerken den Wert des TSF beim Empfang eines Frames. uflösung: 1 µs, Kein Jitter! Problem enötigte Sendezeitstempel können nicht ohne Weiteres erfasst werden. Lösung Ein zweiter Monitor-dapter in Nähe von M ei M müssen nur Empfangsereignisse gemessen werden. Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15

4 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen Mittels wiederholter Messungen und statistischer Verfahren kommt man mit der groben uflösung des TSF aus. Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen T 1 T 1 T1 +1 T2 1 T 2 T2 Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15

5 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen P T 1 T 1 T1 +1 T2 1 T 2 T2 o hängt vom Offset o ab. Ist o gleichverteilt, folgt einer Zweipunktverteilung (P... uflösung). 0 < o P P < 1 P = +1 1 > o P P 1 P Es gilt: E[ ] = Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15 Implementierung Erfassung, Erzeugung & uswertung Erfassung und Erzeugung der NULL-CK-Sequenzen Erfassung Heutzutage überwiegend SoftMC -dapater im Einsatz Der Linux MC80211-Stack erlaubt sog. Monitor-Schnittstellen Frames werden samt Metainformationen 1 an nwendungen weitergegeben. itrate, TSF, Kanal / Frequenz,... Gewöhnlicher Paket-Sniffer einsetzbar. Erzeugung Keine Patches notwendig Über Monitor-Schnittstellen können beliebige Frames in den normalen Paketstrom eingeschleust werden ( Packet Injection ). Z.. einfaches C-Programm in Verbindung mit libpcap. Kernelpatch zur Festlegung einer itrate 1 vgl. Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15

6 Implementierung Erfassung, Erzeugung & uswertung Die uswertung von NULL-CK-Sequenzen uswerten der Paket-Sniffer ufzeichnungen. 1. NULL-CK-Sequenzen identifizieren. 2. berechnen. 3. Messfehler filtern. Fehlerhafte TSF-Zähler machen eine Filterung notwendig: 1 TTSF [10 6 Ticks] T PCP [s] Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15 Versuchsergebnisse Ergebnisse 54 Mit/s, Intel-Karte (IWL6000), ca bis 9000 Einzelmessungen pro Schätzung [µs] r [m] Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15

7 Versuchsergebnisse Ergebnisse 54 Mit/s, theros-us-stick (TL-WN422G), ca bis 9000 Einzelmessungen pro Schätzung 49 [µs] r [m] Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15 Genauigkeit Ergebnisse Einzelmessungen 1000 Einzelmessungen 40 σ [ns] r [m] Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15

8 Ergebnisse usblick Eine Software-basierte Laufzeitmessung ist möglich! Erreichen Modellgenauigkeit. Nicht jede Hardware-Plattform ist geeignet. Technische Schwierigkeiten erfordern ein zweites WLN-Gerät Kann evt. durch Firmwaremodifikationen behoben werden. Treiber mit quelloffener Firmware: carl In baulich schwierigen Umgebungen werden WLN-Signale reflektiert und haben einen längeren Funkweg. IEEE y setzt die Laufzeitmessung in Zukunft Hardware-seitig um. 2 Mario Haustein (TU Chemnitz) Lokalisierung durch WLN 11. November / 15