Realisierung und Evaluation eines Indor-Lokalisierunssystems mittels WLAN Ugur Teker Cognitiv Systems Universität Bremen

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1 Realisierung und Evaluation eines Indor-Lokalisierunssystems mittels WLAN Ugur Teker Cognitiv Systems Universität Bremen Mobilität und Kommunikation sind in der heutigen Gesellschaft von großer Bedeutung und zunehmend mitbestimmende wesentliche Erfolgsfaktoren. Flexibilität und schnelle Reaktionszeiten bei der Arbeit sind heutzutage Grundvoraussetungen für eine produktive Arbeitsumgebung. Moderne Arbeitsumgebungen bieten den Mitarbeitern eine flexible Umgebung, in der sie situationsund aufgabenorientiert die bestmögliche Unterstützung erhalten. Als wichtigstes Instrument zur Flexibilisierung und Informationsbereitstellung werden zunehmend das Datennetz LANs (Local Area Networks, IEEE 802.3) durch drahtlose Funknetze ergänzt bzw. ersetzt. Die derzeit verbreitetste Technologie in diesem Zusammenhang ist Funk-LANs (Wireless Lans, kurz WLAN) welche dem Standard IEEE [MaGa02] entsprechen. Laptops, Handies, PDA sind nur einige Endgeräte in mobilen Datennetzen, die in modernen Arbeitsumgebungen nicht mehr fehlen dürfen. Dabei handelt es sich nicht nur um neue Möglichkeiten vorhandene Rechenleistung zu transportieren, vielmehr eröffnen sich interessante Anwendungsgebiete, vor allem ortsunabhängige Dienstleistung. Die größte Herausforderung stellt sich offensichtlich in der Lokalisierung von Benutzern bzw. ihren Endgeräten. Dieser Herausforderung nimmt sich diese Diplomarbeit an, wobei das Ziel gesetzt ist, die Erstellung und Evaluierung eines System zu realisieren, dass es ermöglicht Endgeräte in einem WLAN zu lokalisieren. Hintergrund ist es dabei somit auch die Benutzer der entsprechenden Geräte zu orten und so eine Plattform zu pflegen, die Auskunft über den Aufenthaltsort bestimmter Geräte/Personen angibt. Grundvorrausetzungen sind weiterhin, dass das System keine spezielle Hardware benötigt und somit auch keine zusätzlichen Kosten verursacht. Die meisten Verfahren, wie sie auch in Mobilfunknetzen eingesetzt werden, versuchen mit Hilfe von Signallaufzeiten, die zwischen der mobilen Station und der Basisstation gemessen werden, auf die Position des Endgerätes zu schließen. In WLAN lassen sich Signallaufzeiten nicht bestimmen, da deren Messung nicht hardwareseitig unterstützt wird. Alternativ kommen hierbei andere Verfahren zum Einsatz, bei der die Signalstärke zur Berechnung herangezogen wird. Obwohl die Signalstärke von vielen Faktoren (Wände, Gegenstände, Personen, usw.) beeinflusst wird, können auf ihr basierende Verfahren ein relativ gutes Ergebnis erzielen. Es ist eine weitaus bessere Methode als das naive Cell of Origin (COO) [WaDe04], welches einfach von der Basisstation, über die das mobile Endgerät eingewählt ist, auf die grobe Position schließt. Im Laufe dieser Arbeit sollen dabei zwei Verfahren untersucht und evaluiert werden. Als erstes wird ein Verfahren eingesetzt, welches auf Triangulierung beruht, dessen Funktionsweise ähnlich dem im Mobilfunk eingesetztem Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) und Time of Arrival (TOA) [RoZi01] ist, mit dem Unterschied, dass es anstatt der Signallaufzeit die Signalstärke heranzieht, um den Abstand von Basisstation und mobiler Station zu bestimmen. Zusätzlich wird das tabellenbasierte Verfahren vorgestellt, welches mit Hilfe einer Tabelle von Positionsdaten den Ort einer mobilen Station bestimmen kann. Ausgewählten Positionen in der Testumgebung wurden in einer Offline-Phase Signalstärkeprofile zugeordnet. Nach kontinuierlichen Messungen der Signalstärke zwischen der mobilen Station und den umliegenden Access Points wird eine Anfrage an die Tabelle formuliert. Um den besten Eintrag aus den Tabelleneinträgen zu finden und damit die Position, die am nächsten zu der tatsächlichen Position der mobilen

2 Station liegt, verwendet man das Euklidische Distanzmaß. Folgende Grafik verdeutlicht schematisch ein Szenario: Abbildung 1: Lokalisierung im WLAN [PeMa] Architektur Die beste Lösung für die Systemarchitektur des Lokalisierunssystems ist die eines Client - Server Modells, wobei der Client die Umgebungsparameter seiner Position misst, diese an einen Server übermittelt, damit diese bei der Positionsberechnung vom Server wieder abrufen werden. Die zentrale Datenhaltung aller gemessener Signalparameter auf dem Server hat den eindeutigen Vorteil, dass Veränderungen an der Empfangssituation nur an einer Stelle aktualisiert werden müssen, Clients unabhängig vom jeweiligen Gebäude betrieben werden können (es muss dem Client nur der Lokalisierungs-Server bekannt sein) und auch die Realisierung eines Verzeichnisdienstes zum Aufspüren von Clients hiermit denkbar wäre. Server Der Server verwaltet und pflegt eine zentrale Datenbank aller im System angemeldeten Clients und deren Signalparameter (MAC Adresse, Kanal, Signalstärke, Rauschen, Signal-Rausch Abstand). Der Server ist eine Datenbank, der über das Netz ständig aktualisiert wird. Dabei erhält der Server in regelmäßigen Abständen von jedem im WLAN angemeldeten und aktivierten Client Signalparameter gesendet, die er zentral speichert. Als Datenbasis dient eine relationale Datenbank. Anhand der vom Server verwalteten Signalparameter kann bei Anfrage nach der Position eines Clients die zur Berechnung der erfragen Position notwendigen Signalparameter an den anfragenden Client geschickt werden. Somit dient der Server als zentraler Datenspeicher, der neben den Signalparametern auch weitere wichtige Informationen bereitstellt. Dabei ist der Einsatzort des Server nicht unbedingt auf das jeweilige Subnetz beschränkt, sondern kann bei entsprechend schneller Anbindung auch an einem weiter entfernten Ort liegen. Das ermöglicht den gemeinsamen Einsatz eines Servers für unterschiedliche Anwenderkreise an unterschiedlichen Orten. Es spricht aber selbstverständlich nichts dagegen jeweils für eine Umgebung einen eigenen Server einzusetzen. Client Das Client-Modul ist eine Anwendung, die auf allen zu ortenden Endgeräten zu installieren ist. Installiert und aktiviert, liest sie in regelmäßigen Abständen die Signalparameter der WLAN-Verbindungen aller in Reichweite befindlichen Access Points aus. Nachdem diese ermittelt worden sind, werden sie über das WLAN-Intranet an den Server zur zentralen Speicherung gesendet. Das Client- Modul ermöglicht zusätzlich wahlweise eine Suchanfrage oder auch mehrere Suchanfragen an den Server zu senden, um die aktuelle Position eines Clients oder auch gleichzeitig mehrerer Clients zu ermitteln.

3 Wlan-Tracker 1.0 Beta Der Wlan Tracker 1.0 Beta ist das Ergebnis der Bemühungen eine Software zur Lokalisierung von WLAN Endgeräten herzustellen, die es ermöglicht durch anschließende Tests Messreihen zu erstellen, um eine Aussage über die Zuverlässigkeit verschiedener Lokalisierungstechniken und Optimierungsmethoden zu treffen. Auch wenn die Hauptanwendung des Wlan Trackers die Lokalisierung der eingeloggten User ist, bietet die Software eine umfangreiche und benutzerfreundliche grafische Benutzeroberfläche, die für weitere nützliche Aufgaben vorgesehen ist. Folgende Anwendungen werden durch den Wlan Tracker erschlossen: Lokalisierung und Online Tracking Erstellung von Fingerprint Maps Loggen und erstellen von Messreihen Benutzerverzeichnis WLAN Sniffing Schnittstelle für Plugins für Optimierungen der Lokalisierung Da es sich um eine Beta Version handelt sind noch nicht alle zusätzlichen Funktionen implementiert. Vorgesehen sind mitunter folgende Erweiterungen: Authoring Tool zum Erstellen von Fingerprint Maps Visuelles Online Tracking (Darstellung auf einem Lageplan) Funktionen zur Programmeinstellungen (Menupunkt "Settings") Routenberechnung (nach Stationen oder Zeit geordnet) Benutzerverwaltung (Anlegen, Bearbeiten von User) Chat zur Client Client Kommunikation Der Wlan Tracker wurde mit dem Anspruch der Plattformunabhängigkeit entwickelt, sodass der Einsatz in auf verschiedenen Endgeräten und Betriebssystemen denkbar ist. Um diesem Ziel gerecht zu werden, wurde auf die weit verbreitete Java Entwicklungsumgebung gesetzt. Java ist mittlerweile auf vielen mobilen Endgeräten bereits vorinstalliert und bietet somit schon die idealen Voraussetzungen für eine Portierung auf diese Plattformen. Der Wlan Tracker ist 100% in Java implementiert und Bedarf bei einer Portierung keiner Neukompilierung des Programmcodes. Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Entwicklung war die Wahrung der Erweiterbarkeit des Systems. Dazu wurde der Wlan Tracker von Anfang an mit einem hohen Maß an Modularität entwickelt. Im Detail bedeutet dies, dass das System auf mehreren mit einander kommunizierenden Komponenten besteht und zudem eine Schnittstelle zum Laden von externen Softwarekomponenten (Plugins) anbietet. So können über die Plugins schnell und einfach Methoden zur Positionsberechnung und Optimierung der Messergebnisse integriert werden. Dabei erkennt der Wlan Tracker die neuen Plugins und lädt sie zur Laufzeit um sie später als neue Funktionen bei der Berechnung der Position zur Verfügung zu haben. Aber damit nicht genug: die Plugins können sogar eigene grafische Benutzeroberflächen mitbringen, sodass der Anwender über diese Einstellungen machen kann, über die das Verhalten der jeweiligen Plugins kontrolliert werden können. Bei der Entwicklung des Lokalisierungsdienstes wurde viel Wert auf die leichte Benutzbarkeit und Administration eines solchen Systems gelegt. Mit dieser Motivation entstand die Lokalisierungssoftware Wlan Tracker 1.0 Beta die eine funktionsreiche und benutzerfreundliche grafische

4 Benutzeroberfläche, über die der Benutzer allen Aufgaben zur Lokalisierung durchführen kann. So entstand parallel zur Realisierung eines Lokalisierungsdienstes eine umfangreiche grafische Benutzeroberfläche. Neben der Realisierung und Evaluierung des Lokalisierungsdienstes kristallisierte sich dies als ein weiterer Schwerpunkt des Projektes. Mit den hohen Ansprüchen ein benutzerfreundliches System zu realisieren, entstand somit eine Software, die nicht nur im Rahmen der Diplomarbeit zu wissenschaftlichen Zwecken genutzt werden konnte, sondern auch als vollwertiges Lokalisierungsdienst in realen Arbeitsumgebungen eingesetzt werden unterstützt dabei nicht nur die Anwender sondern auch die Administratoren. So gibt es nicht nur Oberflächen zur Lokalisierung von Personen sondern auch welche die eine Installation und Administration eines Lokalisierungsdienstes ermöglichen. Im mittleren Bereich der grafischen Benutzeroberfläche befinden sich 8 Registrierkarten. Die Registrierkarten haben unterschiedliche Aufgaben und sind mit teilweise unterschiedlichen Oberflächen gestaltet worden. Abbildung 2: Hauptansicht des Wlan-Trackers kann. Die grafische Benutzeroberfläche

5 Hostmanager Der Hostmanager ist eine Komponente des Wlan-Trackers, die mit den Funktionen der Lokalisierung selber nichts zutun hat. Die Aufgabe des Hostmanager ist es eine Verbindung zum Server aufzubauen und die Datenbankverbindung zu initialisieren. Nach erfolgreicher Initialisierung der Verbindung versuchte er anhand der eingetragenen Login Informationen eine Anmeldung beim Server durchzuführen. Falls der User ein registrierter Anwender ist und die Accountinformationen übereinstimmen, so wird der User im Lokalisierungssystem angemeldet. Der Account besteht aus der eindeutigen Adresse des anzumeldenden Users und des Passwortes. Abbildung 3: Hostmanager Recorder Der Recorder ist ein Tool zum Aufzeichnen von Fingerprints. Es soll dem Admin oder Superuser dazu dienen in der Offline Phase unterschiedlich Positionen zu vermessen. Anhand der durch diese Vermessungen entstandenen Daten werden die Fingerprints erstellt und dienen später in der Online Phase als Basis zur Berechnung der Position. Bei der Vermessung stellt sich die Person an einen zu vermessenden Ort und startet den Recorder. Mithilfe des Recorders so eine beliebige Anzahl von Positionen dem System bekannt gemacht werden. Auch eine schrittweise Vermessung über unterschiedliche Tage hinweg ist denkbar. So können neu dazu gekommene Räumlichkeiten auch später vom System vermessen werden, sodass die lokalisierbare Fläche beliebig erweitert werden kann. Abbildung 4:Recorder

6 Literatur [PeMa] [RoZi01] Peter Dornbusch, Max Zündt: Realisierung von Positionsortungen in WLAN. München Roger Zimmermann: Lokalisierung mobiler Geräte, Seminar Mobile Computing, Fachbereich Informatik, ETH Zürich, 2001 [WaDe04] [MaGa02] Peter Wackersreuther, Stefan Derowski: Hauptseminar: Dienste & Infrastrukturen mobiler Systeme. Institut für Informatik, Ludwig Maximilians Universität München, Wintersemester 03/04 Mattew S. Gast: Wireless Networks. O'Reilly Verlag, Sebastopol, CA, USA, 2002