Hauptseminararbeit Methoden zur Lokalisierung von drahtlosen Endgeräten

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1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Hauptseminararbeit Methoden zur Lokalisierung von drahtlosen Endgeräten vorgelegt von: Reky Novrianto eingereicht am: geboren am: Studiengang: Studienrichtung: in Manna Ingenieurinformatik Multimediale Informations- und Kommunikationssysteme Anfertigung im Fachgebiet: Kommunikationsnetze Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Verantwortlicher Professor: Wissenschaftlicher Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz Dipl.-Ing. Dominik Schulz

2 Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Lokalisierungsmethoden Trilateration und Triangulation Methoden zur Lokalisierung/Positionsbestimmung nach Distanz und Richtung Beschreibung der einzelnen Methode ToA (Time of Arrival) TDoA (Time Difference of Arrival) RSS (Receive Signal Strength) AoA (Angel of Arrival) Vergleich der Methoden 15 4 Zusammenfassung 17 Literaturverzeichnis 19 Abbildungsverzeichnis 20 Tabellenverzeichnis 21 Erklärung 22

3 1 Einleitung 1 1 Einleitung Diese Kapitel soll die Grundlagen für die Lokalisierung von drahtlosen Endgeräten vermitteln. Darüber hinaus wird ein Überblick über Methoden zur Lokalisierung gegeben. Die dabei verwendeten Methoden werden in einem Überblick eingeordnet und erläutert. Lokalisierung beschreibt den Vorgang einer Standortbestimmung zu einem bestimmten Bezugssystem. Die weit verbreitete Satellitenortung per Global Positioning System (GPS) ist ein Beispiel der Einsatzszenarien, die zur Zeit eine sehr wichtige Rolle bei der Positionierung spielt. In drahtlosen Endgeräte (z.b. Sensornetzwerken) werden verschiedene Funklokalisierungsverfahren verwendet. Diese Verfahren basieren auf Daten, die durch die Übertragung mittels Funktechnologie gewonnen werden. Dazu kommen Methoden zur Lokalisierung von drahtlosen Endgeräten zum Einsatz, nämlich Geometrische Methoden (Trilateration, Triangulation), und Lokalisierungsmethoden (ToA, TDoA, AoA, und RSS).

4 2 Lokalisierungsmethoden 2 2 Lokalisierungsmethoden In diesem Kapitel werden Methoden für die Lokalisierung vermittelt. Es werden die Begriffe, Algorithmen, Eigenschaften, sowie Einsatzszenarien der Lokalisierungsmethoden eingeordnet und erläutert. 2.1 Trilateration und Triangulation Es gibt viele Ansätze zum Durchführen einer Lokalisierung. Bei der Messung der Position drahtloser Endgeräte (z.b Sensornetzwerke) werden Lokalisierungsmethoden nach den Bezugspunkten Umgebung, Distanz und Richtung klassifiziert. Zudem gibt es geometrische Verfahren wie die Trilateration und Triangulation, die zu den Lokalisierungsmethoden gezählt werden. Um die Position eines Punktes in Abhängigkeit des Abstandes oder der Entfernung zu bestimmen, wird das Messverfahren Trilateration eingesetzt. Vorausgesetzt wird, dass die Entfernung von jeden Punkten bekannt ist, wird von jedem Punkt ein Kreis gebildet, und die gesuchte Position ist der Schnittpunkt des Kreises. Bild 2.1 zeigt die Veranschaulichung des Messverfahrens der Trilateration. Auf dem Bild 2.1 ist zu sehen, dass wenn drei Kreise gegeben (Fall C) und die Entfernungen r 1, r 2 und r 3 bekannt sind, die gesuchte Position der Schnittpunkt der drei Kreise ist. Im Fall B mit 2 bekannten Entfernungen könnte die gesuchte Position in den beiden Schnittpunkten der Kreise um die Fixpunkte liegen. Und bei A, mit nur einem Kreis könnte die gesuchte Position überall auf einer Kreislinie sein, die sich mit dem Radius r 1 um dem Mittelpunkt 1 befinden. Im Fall GPS (Global Positioning System) muss zunächst die Entfernung mit zumindest drei Satelliten ermittelt werden. Danach bildet man wie vorher einen Kreis. Die sich dann die ergebende Position ist genau der Schnittpunkt des Kreises. Die Position des Satellits gilt als Fixpunkt oder auch Referenzpunkt. Die Lokalisierungstechnologien Time of Arrival (ToA) und Time Difference of Arrival (TDoA) basieren auf diesen Trilaterationsverfahren, eine genauere Abhandlung folgt in diesem Kapitel. Das Messverfahren Triangulation beschäftigt sich nicht mit der Entfernung, sondern

5 2 Lokalisierungsmethoden 3 A B C r 1 r 2 r 2 r 1 Fixpunkt 2 Fixpunkt 1 Fixpunkt 1 r 1 Fixpunkt 2 Fixpunkt 1 r 3 Fixpunkt 3 Abbildung 2.1: Trilateration arbeitet mit Winkelmessung, vorausgesetzt werden dabei zwei bekannte Punkte. Es wird ein Dreieck zwischen den zwei bekannten Punkten und dem gesuchten Punkt gebildet. Bild 2.2 stellt das Messverfahren Triangulation dar. P 3 ɣ ɑ y b P 1 α β P 2 x c z Abbildung 2.2: Triangulation Das Bild 2.2 lässt erkennen, dass die Strecke ā über den Sinussatz der ebenen Trigonometrie berechnet werden kann. Dann können durch die Strecke ā die gesuchten Strecken x und y im Dreieck anhand der unten aufgeführten Formel bestimmt werden. Dadurch erhält man die Information über die Position des Punktes P 3. P 1 P 3 = ā P 2 P 3 = b

6 2 Lokalisierungsmethoden 4 P 1 P 2 = c ā = b sin β sin γ (2.1) x = cos α ā (2.2) y = sin α ā (2.3) 2.2 Methoden zur Lokalisierung/Positionsbestimmung nach Distanz und Richtung Trilateration und Triangulation erreichen die Positionsschätzung durch die Messung oder Berechnung von Entfernung oder Winkel. Es gibt Lokalisierungsmethoden für drahtlose Endgeräte, die in dieser Arbeit genauer erläutert werden sollen. Sie gliedern sich wie im Bild 2.3 gezeigt: Lokalisierungsmethoden Umgebung Distanz Richtung Laufzeit Signalstärke Winkel CoO LF ToA TDoA RSS AoA Abbildung 2.3: Lokalisierungsmethoden Bild 2.3 stellt die Verteilung der Lokalisierungsmethoden, die nach Umgebung, Distanz und Richtung eingeteilt sind, dar. Mit Ausnahme von CoO (Cell of Origin) und LF (Location Fingerprint) werden in dieser Arbeit alle Methoden detailliert beschrieben.

7 2 Lokalisierungsmethoden Beschreibung der einzelnen Methode CoO (Cell of Origin) oder Zellortung stammt aus der Mobilfunktechnik und ist ein Verfahren der mobilen Positionsschätzung. Dabei wird die eindeutige Kennung eines Senders und evtl. dessen Position ausgewertet. Das GSM-Netz wird benutzt, um die Position des mobilen Geräts und dessen Nutzer zu finden. Geografische Koordinaten der Funkzelle vom mobilen Gerät werden durch CoO geliefert. Die Genauigkeit ist abhängig von der Größe der Funkzellen. Je kleiner die Funkzelle, desto genauer wird die ermittelte Position. Diese Lokalisierungsmethode benötigt nur eine Sende-/Empfangsstation, und damit ist sie sehr ungenau, da der Aufenthaltsbereich bei größeren Zellen über mehrere Kilometer erweitern kann. Endgerät Funkzelle Sendemast Abbildung 2.4: Cell of Origin LF (Location Fingerprinting) basiert auf dem Umgebungsmodell. Der Einsatz von LF-basierten Positionierungssystemen lässt sich in zwei Phasen unterteilen. Zuerst wird in der Off-line Phase werden die Lage Fingerabdrücken durch Ausführen eines Site- Erhebung des empfangenen Signalstärke (RSS) aus mehreren Zugangspunkten (APs) gesammelt. Der gesamte Bereich wird von einem rechteckigen Gitter von Punkten bedeckt. RSS wird mit genügend Statistiken gemessen, um eine Datenbank oder eine Tabelle mit vordefinierten RSS-Werte auf die Punkte des Rasters zu erstellen. Der Vektor der RSS-Werte an einem Punkt in der Startaufstellung wird den "Location Fingerprinting"von diesem Punkt genannt. Die nächste Phase ist die Phase der Lokalisierung: es wird hier durch ein rechteckiges Gitter aus Punkten dargestellt, welches das gesamte Gebiet der Positionierung beschreibt. Das Endgerät kann beweglich sein, aber die Signalstärke wird wieder von AP gemessen. Die empfangenen Signalstärke-

8 2 Lokalisierungsmethoden 6 werte werden anhand mehrerer Statistiken gemessen, um eine Datenbank oder eine Tabelle mit vorgegebenen RSS-Werten auf den Punkten des Gitters zu erstellen. Diese Daten werden zum Server gesendet und mit der Datenbank des Servers verglichen. Der Server sendet weiterhin die Zustandpunkte des gesuchten Endgeräts in Daten des Fingerabdruck. Der Server verwendet einen Algorithmus, um den Standort der MS abzuschätzen und meldet die Schätzung zurück zur MS (oder die Anwendung Anfordern der Positionsinformation). Die häufigste Algorithmus, um die Position abzuschätzen, berechnet die euklidische Distanz zwischen der gemessenen RSS Vektor und jedem Fingerabdruck in der Datenbank. Cell of Origin und Location Fingerprinting sind Lokalisierungsmethoden bezüglich der Umgebung. Zu der Distanzmessung sind ToA (Time of Arrival), TDoA (Time Difference of Arrival) und RSS (Receive Signal Strength). ToA und TDoA berechnen die Positionschätzung bezüglich der Laufzeit, während RSS die Positionschätzung bezüglich der Signalstärke (Empfangsfeldstärke) berechnet ToA (Time of Arrival) ToA (Time of Arrival) ist die Laufzeit eines Funksignals von einem einzigen Sender zu einem entfernten einzelnen Empfänger. ToA bestimmt die Distanz zwischen dem Sender und dem Empfänger durch Signallaufzeitmessung. Mittels Trilateration kann aus den Distanzen zu mindestens drei ortsfesten Knoten (Sender/Basisstation (BS)) die Position eines MS (Mobile Station) Knotens bestimmt werden. Bei dem ToA Verfahren ist also die elektromagnetische Wellen zu berücksichtigen, die breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit (c = m ) aus. Mit der Lichtgeschwindigkeit c kann die s Distanzmessung gemacht werden. Bei ToA-Messung ist es sehr wichtig, BSn und MS zu synchronisieren, um Ungenauigkeiten zu vermeiden. Es muss eine exakte Taktsynchronisation zwischen BS und MS hergestellt werden. a i = (t i t 0 )c (2.4) Die Distanz zwischen dem MS und BS i ist gegeben durch a i. Die Zeit t 0 ist die Empfangszeitzeit von MS und t i ist die Sendezeit an BS i. Die Zeit t 0 und t i sind bekannt. Im Bild ist zu erkennen, dass a 1, a 2 und a 3 die Distanzen zwischen den einzelnen BSn zur MS sind. Diese können genutzt werden, um die Position MS (x m, y m ) zu schätzen. Es ist hier wichtig, dass alle BSn gleiche Taktzeiten benutzen, d.h. sie sind alle synchronisiert. BS 1 hat die bekannte Position (0, 0), dann kann die Distanz a 1 so berechnet werden:

9 2 Lokalisierungsmethoden 7 (x 3, y 3 ) BS 3 BS 1 (0, 0) MS (x m, y m ) ɑ 1 ɑ 3 ɑ 2 BS 2 (x 2, y 2 ) Abbildung 2.5: ToA mit drei BTs Da x 1 = 0 und y 1 = 0, es folgt: a 2 1 = (x 1 x m ) 2 + (y 1 y m ) 2 Für BS 2 und BS 3 folgen diese Gleichungen: a 2 1 = x 2 m + y 2 m (2.5) a 2 2 = (x 2 x m ) 2 + (y 2 y m ) 2 (2.6) a 2 3 = (x 3 x m ) 2 + (y 3 y m ) 2 (2.7) Die Gleichungen (2.5), (2.6) und (2.7) hängen von zwei Variablen (x m, y m ) ab. Diese definieren die Position der MS. Drei BSn erzeugen drei Gleichungen. Wenn mehr als drei BSn vorhanden sind, ergeben sich auch entsprechend mehr Gleichungen. In diesem Falle ist das System überbestimmt und die Gleichungen können nicht gelöst werden. Dafür gibt es allerdings eine Lösung: die kleinste Quadrate-Lösung oder auch Least-Squares-Verfahren genannt. Das Least-Squares-Verfahren ist eine Ausgleichrechnung. Statt des eindeutigen Lösens der Gleichungen, versucht man nur, die Summe der Quadrate des Residuums zu minimieren. Das Verfahren funktioniert bezüglich der drei oben genannte Gleichungen wie folgt: Durch das Subtrahieren der Gleichungen (2.6) und (2.7) mit der Gleichung (2.5)

10 2 Lokalisierungsmethoden 8 ergibt sich: a 2 2 a 2 1 = x 2 2 2x 2 x m + y 2 2 2y 2 y m (2.8) = x y 2 2 2x 2 x m 2y 2 y m (2.9) = K 2 2 2x 2 x m 2y 2 y m (2.10) a 2 3 a 2 1 = 2x 3 x m + y3 2 2y 3 y m (2.11) = x y3 2 2x 3 x m 2y 3 y m (2.12) = K3 2 2x 3 x m 2y 3 y m (2.13) Es lässt sich durch die Subtraktion zwischen den Gleichungen (2.6) und (2.5) der Ort des Endgeräts berechnen. Die Distanz ergibt sich aus der Subtraktion der Gleichung (2.7) mit der Gleichung (2.5).Zunächst erhält man die vereinfachte Matrizengleichung. Die Gleichung lässt sich also mit der Matrizengleichung Hx = b vereinfachen: H = x 2 y 2, x = x m, b = 1 K2 2 a a 2 1 x 3 y 3 y m 2 K3 2 a a 2 1 Die oben definierten Gleichungen gelten nur für drei BSn, aber wenn mehr als drei vorhanden sind, braucht man nur die neue Gleichung von den der neuen BS i in der oben definierten Formel hinzufügen. Dazu folgt am Ende ein neues Least-Squares-Verfahren: K x 2 y a a 2 1 H = x 3 y 3, b = 1 K 3 2 a a K4 2 a a x T = (H T H) 1 H T b (2.14) Alle oben definierten Gleichungen zeigen die Positionsbestimmung der MS in Abhängigkeit der Anzahl der BSn. Wie am Anfang des Kapitels ToA erwähnt, ist genaue Synchronisation wichtig, um Fehler bei der Messung/Schätzung zu vermeiden. Das ToA-Verfahren erfordert genaue Taktsynchronisation zwischen den MS und BSn, sodass sich die Distanzmessungen r i in den eigentlichen Distanzen annähern. Eine Ungenauigkeit bei der Taktsynchronisation führt zu einer ungenauen Position. Das ToA-Verfahren kommt in Satellitennavigationssystem (z.b. GPS) zum Einsatz.

11 2 Lokalisierungsmethoden TDoA (Time Difference of Arrival) TDoA arbeitet wie ToA, es verwendet Signallaufzeitmessung, um die Distanz zwischen MS und BS zu erhalten. Jedoch mit dem Unterschied, dass man bei TDoA die Möglichkeit hat, dass der Sender (MS) ein Signal gleichzeitig an mehreren Empfängern (BSn) senden kann. Alle BSn merken sich das ankommende Signal als Zeitstempel und vergleichen diesen mit dem Zeitstempel anderer BSn. TDoA wird auch als Hyperbelnavigation bezeichnet und es beseitigt das Problem mit Taktsynchronisation. Darüber hinaus kann TDoA von mehreren gesendeten Impulsen von dem MS gemittelt werden, um die Genauigkeit zu verbessern. Anders als bei ToA ist es TDoA nicht erforderlich, beide Seiten zu synchronisieren, da es nur auf der Seite des Empfängers (BSn) synchronisiert werden muss. Die MS oder BS müss wissen, wann das Signal gesendet wurde, was sich mit einem mitgesendeten Zeitstempel (Taksynchronisation) realisieren lässt Abbildung 2.6: TDoA In Abbildung 2.6 ist zu sehen, dass die MS näher bei der oberen BS liegt, d.h. der Zeitstempel dort wäre kleiner als bei den anderen BSn. Es folgt die Aussage, dass die errechnete Position dort nah bei der oberen BS liegt. Eine genauere Darstellung, die die Positionsschätzung durch das TDoA-Verfahren zeigt, erfolgt später: Bild (2.7) zeigt die Hyperbeldarstellung des TDoA-Verfahrens. Die Hyperbels h(bs 1 ; BS 2 ) und h(bs 1 ; BS 3 ) sind die Lösungshyperbelkurven zwischen BS 1 und BS 2, und zwischen BS 1 und BS 3. Der Schnittpunkt der beiden Hyperbeln entspricht der Position

12 2 Lokalisierungsmethoden 10 BS 3 ɑ 3 MS h(bs 1 ;BS 3 ) ɑ 1 ɑ 2 BS 1 BS 2 h(bs 1 ;BS 2 ) Abbildung 2.7: Hyperbeldarstellung des TDoA-Verfahren der gesuchten MS. Die Distanz lässt sich ähnlich wie bei ToA wie folgt berechnen: a i1 = a i a 1 = (t i t )c (t 1 t )c = (t i t 1 )c (2.15) Wie bei ToA ist die Distanz zwischen dem MS und BS i durch a i1 wiedergegeben. Die Zeit t ist die Sendezeit von MS und t i ist die Empfangszeit an BS i. Genauso wie ToA wird bei TDoA auch das Least-Squares-Verfahren genutzt. Die Gleichung (2.15) zeigt, dass der Fehler, der in der Taktzeit t vorhanden ist, schon beseitigt wurde. Durch das Subtrahieren wie bei den Gleichungen (2.6) und (2.7) mit der Gleichung (2.5) ergibt sich: (a 21 + a 1 ) 2 = K 2 2 2x 2 x m 2y 2 y m + a 2 1 x 2 x m y 2 y m = a 21 r (a2 21 K 2 2) genauso gilt es bei dem BS 3 : (a 31 + a 1 ) 2 = K 2 3 2x 3 x m 2y 3 y m + a 2 1 x 3 x m y 3 y m = r 31 r (r2 31 K 2 3) Es lässt sich wieder mit der Matrizengleichung Hx = a 1 c + d vereinfachen:

13 2 Lokalisierungsmethoden 11 x 2 y 2 H = x 3 y 3, c = a 21, d = 1 K2 2 a 2 21 a 31 2 K3 2 a Um a 1 zu lösen, es wird die Matrizengleichung Hx = a 1 c + d wieder benutzt: x = a 1 H 1 c + H 1 d (2.16) Die oben berechneten Gleichungen gelten nur für drei BSn. Im Falle mehr als drei Gleichungen reicht es, aus eine neue Gleichung von den neuen BS i in die oben berechneten Formel einzusetzen. x 2 y 2 x H = 3 y 3, c = x 4 y 4.. a 21 a 31 a 41. K 2 2 a 2 21, d = 1 K 3 2 a K4 2 a Diese führt zur unten definierten neuen Least-Squares-Lösung. Um eine endgültige Positionsschätzung zu erhalten, kombiniert man die neue Least-Squares-Gleichung wieder mit der Gleichung (2.5), um die Distanz zu berechnen. x 1 = (H T H) 1 H T (a 1 c + d) (2.17) Das TDoA-Verfahren wird in vielen Bereichen eingesetzt. Sogar während des Zweiten Weltkrieges wurde ein britisches Funknavigations-System GEE (Generalized Estimating Equation) benutzt. Auch für Mobile Phone Tracking spielt das TDoA-Verfahren eine wichtige Rolle. Es gibt auch andere Einsatzszenarien, wie z.b. für das LORAN (Long Range Navigation) Navigations-System.(Quelle: [lin]) RSS (Receive Signal Strength) Receive Signal Strength (RSS) bedeutet Empfangsfeldstärke, d.h die Position der Mobilen Station MS wird durch die empfangenen Signalstärken unterschiedlicher BSn errechnet. Die Aktuell gemessenen Signalstärken werden mit Referenzwerten an Basisstationen für die Positionen verglichen und danach wird die Summe der Abweichungen minimiert. Wie im Bild (2.8) zu erkennen ist, kann es bei der Positionsschätzung Fading (Interferenz) aufgrund von Gegenständen kommen, das später zur Abschwächung des Signals

14 2 Lokalisierungsmethoden 12 Wand indirekt MS BS Access Point direkt Abbildung 2.8: RSS führt. ( ) 2 P r λ = G t G r (2.18) P t 4πR R = λ (Pt ) G t G r 4π P r (2.19) Mittels der von Friis oben definierten Transmissionsgleichung lässt sich die Distanz berechnen. P r ist die empfangene Leistung, P t ist die Sendeleitung vom Sender, λ ist die Wellenlänge, R ist die Distanz zwischen Sender und Empfänger und G t und G r sind die Antennengewinnen. Durch Umstellen der Formel erhält man die gesuchte Distanz R der Messung AoA (Angel of Arrival) Die Lokalisierungsmethode Angle of Arrival (AoA) beschäftigt sich nicht mehr mit der Signallaufzeit wie bei ToA und bei TDoA, sondern mit der Ermittlung des Winkels zwischen der Ausbreitungsrichtung einer Funkwelle (Antenna-Array) und einer Referenzsrichtung im Empfänger (BS). Wie im Bild (2.9), handelt es sich um einen Sender (MS) mit zwei Empfängerstationen (BSn), welche die Amplituden und die Phasendifference des Signals zu bestimmen sind. Bei diesem Verfahren wird der aus dem Funk-oder Radarsignal reflektierte Winkel ermittelt.

15 2 Lokalisierungsmethoden 13 (x m, y m ) MS BS ɑ ɑ sin α1 b sin α2 (x 1, y 1 ) (x 2, y 2 ) α 1 α 2 ɑ cos α 1 ɑ cos α 2 b BS Abbildung 2.9: AoA Durch das dargestellte Bild kann diese Gleichungen aufgestellt werden: x m = a cos α 1 y m = a sin α 1 Durch Vereinfachung mit Matrizengleichung Hx = b erhält man: x m = a cos α 1 y m a sin α 1 Bei BS 2 erhält man folgende Gleichungen: x m = x 2 + b cos α 2 y m = y 2 + b sin α 2 x m = x 2 b cos α 2 y m y 2 b sin α 2 x m = x i + r 1 cos α 2 y m y i r 1 sin α 2 Für eine andere Basisstation BS i : x m = x i + a i cos α i y m y i b i sin α i

16 2 Lokalisierungsmethoden a cos α a sin α x 2 + b cos α H =, x = x m y, b = 2 + b sin α 2 y m x n + a n cos α n 0 1 y n + b n sin α n Die Least-Squares- Lösung: x = (H T H) 1 H T b (2.20) Bei dem AoA-Verfahren tauchen Fehlern wie Rauschen und Interferenz auf. Zudem gibt es auch einen Nachteil von AoA, da AoA nur bei Sichtverbindung einwandfreie Ergebnisse liefert. Als Einsatzszenarien kann das AoA-Verfahren für Radar, GSM und für die Geolokation von Handy zur Verfügung stehen. (Quelle: [lin06]) Jede Methode der Lokalisierung hat Vorteile und Nachteile, die sich gemäß den Parametern Genauigkeit, Störungsanfälligkeit und Einsatzszenarien unterscheiden. Diese werden in dem nächsten Kapitel behandelt.

17 3 Vergleich der Methoden 15 3 Vergleich der Methoden Wie im vorherigen Kapitel schon erwähnt wurde, unterscheidet sich jedes Verfahren in Hinsicht auf die Parameter Genauigkeit, Störanfälligkeit und Einsatzszenarien. Die unten dargestellte Tabelle zeigt die Unterschiede der einzelnen Verfahrens. Lokalisierungsmethoden Genauigkeit Einsatzszenarien Störanfälligkeit Trilateration - GPS Störanfällig wegen Interferenz, Rauschen Triangulation - GPS sehr Störanfällig aufgrund von Gegenständen (z.b. Wand) ToA + GPS, Radiolokationssystem Störanfällig, Taktsynchroni- sationsfehler TDoA ++ Mobile Phone weniger Stör- Tracking, GEE und LORAN Navigation System RSS + indoor/outdoor WLAN Positionierung AoA + Geolocation von Handy, Radar und GSM Tabelle 3.1: Vergleich der Lokalisierungsmethoden anfällig, aber nichtlineare Problem bei der Positionsschätzung Störanfällig wegen Gegenstände Störanfällig wegen Gegenstände Tabelle (3.1) zeigt den direkten Vergleich zwischen den einzelnen Lokalisierungsmethoden. Das Messverfahren Trilateration ist sehr störanfällig aufgrund von Interferenz, und es ist deshalb ungenau bei der Positionschätzung des Endgeräts. Ebenfalls ungenau ist das Messverfahren Triangulation, bei Hindernissen ist das Verfahren auch

18 3 Vergleich der Methoden 16 sehr störanfällig und damit ungenau. Das TDoA-Verfahren hat gegenüber ToA mehr Genauigkeit, da die Taktsynchronisationsfehler bei TDoA nicht mehr auftreten. Einsatzbeispiele für das ToA-Verfahren sind zur Zeit GPS (Global Positioning System) und Radiolokationssysteme. Das TDoA-Verfahren wird in vielen Einsatzgebieten zur Verfügung gestellt, z.b bei der Mobile Phone Tracking und GEE. Das AoA-Verfahren wird für Radar, GSM und für die Geolokation von Handy zur Verfügung gestellt, es hat die Genauigkeit von 0,5-1 m. (Quelle: [Fra]) RSS-Verfahren hat einer große Genauigkeit, hat aber für die Positionsschätzung des Endgeräts im Gebäuden viele Abschwächung des Signals aufgrund von vielen Gegenständen. Die Genauigkeit von RSS ist 3-5 m, mit einem durchschnittlichen Lokalisierungsfehler von ca. 0,5 m. (Quelle: [Tar10]) Für die genauere Beschreibung der Genauigkeit zwischen der Lokalisierungsmethoden wird in die zweite Tabelle beschrieben: Messung Lokalisierungstechnik Genauigkeit Signalstärke RSS (Receive Signal Strength) 4-12 db Laufzeit ToA (Time of Arrival) m Laufzeitdifferenz TDoA (Time Difference of Arrival) m Winkel AoA (Angle of Arrival) 5 10 Tabelle 3.2: Vergleich der Genauigkeit zwischen den RSS-, ToA-, TDoA- und AoA- Verfahrens (Quelle: [GG05]) Tabelle (3.2) zeigt eine detaillierte Beschreibung der Genauigkeit von den Lokalisierungsmethoden RSS, ToA, TDoA und AoA. Die Genauigkeitswerte sind abhängig von der Umgebung, wo die Messung stattfindet. Ein Unterschied in der Umgebung könnte beispielweise eine dicht bevölkerte Großstadt oder in die Wüste sein. (Quelle: [GG05])

19 4 Zusammenfassung 17 4 Zusammenfassung Diese Arbeit stellt eine Übersicht über Lokalisierungsmethoden, deren Realisation sowie Funktionalität dar. Alle Methoden zur Positionsschätzung unterscheiden sich voneinander durch ihre Funktionalität, Algorithmen, Genauigkeit und Einsatzszenarien. Grundsätzlich verwenden die Lokalisierungsmethoden die Messverfahren Trilateration und Triangulation. Trilateration misst die Position des Endgeräts durch direkte Distanzmessung zu den drei bekannten Referenzpunkten. Je mehr Referenzpunkte vorliegen, umso besser die Genauigkeit der Messung. Gegenüber Trilateration arbeitet das Verfahren Triangulation mit der Winkelmessung, welches durch ein Dreieck, das durch die beiden Referenzpunkte und dem gesuchten Punkt gebildet werden kann. ToA und TDoA basieren auf dem Messverfahren Trilateration und benutzen denselben Algorithmus. Der Unterschied besteht darin, dass das ToA-Verfahren Taktsynchronisation jedes beteiligten Punktes braucht, während dies bei dem TDoA-Verfahren nur Synchronisation bei den Empfengern zu berücksichtigt werden muss. Im Vergleich der Genauigkeit, ist das TDoA-Verfahren genauer als das ToA-Verfahren, obwohl das ToA-Verfahren selbst gute Genauigkeit zeigt. Es kann Interference und Rauschen auftauchen, was die Genauigkeit der Messung stark beeinflusst. Dieses Problem kann jedoch durch das Lösungsverfahren Least-Squares behoben werden. Durch Einfügen zusätzliches Sensoren am Referenzpunkt (Basisstation), wird die Genauigkeit des beiden Verfahren viel besser und viel genauer. Das AoA-Verfahren basiert auf Triangulation, und es ermittelt die Amplituden und Phasendifferenze des einfallenden Signals. Das AoA-Verfahren ist auch störanfällig gegen Rauschen, zeigt jedoch gute Genauigkeit bei der Positionsschätzung. Auf der anderen Seite gibt es das Verfahren Receive Signal Strength (RSS) oder Empfangsfeldstärke, das die empfangenen Signalstärkewerten am Empfänger ermittelt. Es kann eine Abschwächung des Signals aufgrund von Gegenständen wie z.b Wand eines Gabäude auftauchen.

20 18 Anhang

21 Literaturverzeichnis 19 Literaturverzeichnis [Fra] Fraunhofer (Hrsg.): BlackFIR/Angle-of-Arrival Measurement. Fraunhofer, fraunhofer [GG05] Gustafsson, Fredrik ; Gunnarsson, Fredrik: Mobile Positioning Using Wireless Networks, July RD24-Mobile-positioning-using-wireless-networks.pdf [lin] Navigational Aids. : Navigational Aids, navaids/gee/gee1.htm [lin06] Diplomarbeit: Untersuchung and Entwicklung von effizienten Hostory- Funktionalitäten bezüglich Navigation anhand des mobilegame. : Diplomarbeit: Untersuchung and Entwicklung von effizienten Hostory-Funktionalitäten bezüglich Navigation anhand des mobilegame, Oktober ifi.uzh.ch/pax/uploads/pdf/publikation/1697/bujas_ante.pdf [Tar10] Tarasov, Mikhail: A Refinement Scheme for Location Estimation Prozess in Indoor Wireless Sensor Networks, stamp.jsp?tp=&arnumber= &tag=1

22 Abbildungsverzeichnis 20 Abbildungsverzeichnis 2.1 Trilateration Triangulation Lokalisierungsmethoden Cell of Origin ToA mit drei BTs TDoA Hyperbeldarstellung des TDoA-Verfahren RSS AoA

23 Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen 21 Tabellenverzeichnis 3.1 Vergleich der Lokalisierungsmethoden Vergleich der Genauigkeit zwischen den RSS-, ToA-, TDoA- und AoA- Verfahrens (Quelle: [GG05])

24 Erklärung 22 Erklärung Die vorliegende Arbeit habe ich selbstständig ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen angefertigt. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Form oder auszugsweise im Rahmen einer oder anderer Prüfungen noch nicht vorgelegt worden. Ilmenau, den Reky Novrianto