WLAN-Ortung im Projekt MagicMap Referenzpunkteverwaltung

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1 WLAN-Ortung im Projekt MagicMap Referenzpunkteverwaltung Stefan Rauch Humboldt-Universität zu Berlin Institut für Informatik Lehrstuhl für Rechnerkommunikation und Kommunikation Leiter: Prof. Dr. Miroslaw Malek Seminar: Networks of Mobile Adaptive Dependable Systems Betreuer: Peter Ibach

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Grundlagen WLAN MagicMap Karte Access-Point Referenzpunkte Referenzpunkteverwaltung Szenarien Ortung nur mit fixierten Access-Points Ortung mit fixierten Access-Points und Referenzpunkten Ortung mit Referenzpunkten Schlussbemerkung Quellenverzeichnis

3 1 Einführung Ziel ist es, mit dem aktuellen Stand der Software MagicMap 1 die Möglichkeiten aufzuzueigen, Referenzpunkte für die Verbesserung der Ortung verwenden zu können. Im Rahmen des Seminars wurden Testinstallationen aufgebaut und Messungen durchgeführt, die eine Grundlage bilden sollen, um die aktuelle Entwicklung zu beurteilen und weitere Möglichkeiten aufzuzeigen. 2 Grundlagen 2.1 WLAN Da die Ortung mittels Funknetze durchgeführt wird, werden Grundkenntnisse kurz beschrieben, nicht jedoch im Detail erläutert. Der Schwerpunkt ist die Verwaltung der Referenzpunkte, nicht die dem zugrunde liegende Technik. Einige Störquellen für Funknetze werden an dieser Stelle kurz benannt, da diese zu Ortungsungenauigkeiten führen. Referenzpunkte bieten, wie wir später sehen werden, einige Möglichkeiten, diese Störquellen zu erfassen und mit ihnen umzugehen. Gegenstände mit hohen Dämpfungseigenschaften können zu Reflexionen führen, wodurch Interferenzen entstehen können. Große Metallanteile können als Reflektor wirken, die die Übertragungsqualität negativ beeinflussen können. Funkschatten sind Bereiche, die nicht direkt durch den Access-Point mit einem Signal versorgt werden können. Durch Reflexionen kann man allerdings auch diese Bereiche abdecken. Starke Schwankungen führen zu Ortungsschwierigkeiten, da u. a. die Signalstärke zur Positionsbestimmung benutzt wird. Der zunehmende Netzverkehr kann auch zu einem Problem für die Ortung werden, wenn z. B. mehrere Netze den gleichen Kanal benutzen. 2.2 MagicMap Das Projekt MagicMap beschäftigt sich mit der Positionsbestimmung über WLAN. Für die Untersuchungen wurde die MagicMap-Client-Version: beta2 für Windows XP 2 benutzt Karte Für die Testszenarien wurde eine Karte angefertigt, die die Grundrisse der Umgebung darstellt. Bei der Umgebung handelt es sich um eine Etage eines üblichen Bürogebäudes, Störquellen sind demzufolge in üblichem Maß vorhanden Access-Point Die Access-Points sind die Zugriffspunkte in einem Funknetzwerk (Adhoc nicht betrachtet). Die Signalstärken, die ein Client empfängt, werden für seine Positionsbestimmung benutzt. Ein stark schwankendes Signal, kann dazu führen, dass die Lokalisation an Qualität verliert. 1 Ein System zur kooperativen Positionsbestimmung über WLAN [ 2 Windows XP ist ein Betriebsystem der Microsoft Corporation - 3 -

4 Um eine gute Ortung zu ermöglichen, wurden vier Access-Points mit unterschiedlichen Reichweiten in der Testumgebung angebracht und in der MagicMap-Karte fixiert. Um die Abstandsmessungen zu ermöglichen, wurde der Client (grün im Bild) auch auf der Karte fixiert. Der Idealzustand, der als Referenz zu den Messungen herangezogen wurde, ist in Abbildung 1 zu sehen Referenzpunkte Referenzpunkte liefern zusätzliche Umgebungsinformationen, die durch einen Vergleich mit den gemessenen Signalstärken des Clients zur Positionsbestimmung herangezogen werden können. Beim Ausmessen eines Referenzpunktes werden die Signalstärken zu den erreichbaren Access-Points auf dem Server zur Position des Referenzpunktes gespeichert. Referenzpunkte werden meist erstellt, wenn ein Benutzer weiß, an welcher Stelle er sich auf einer Karte befindet. 3 Referenzpunkte Abbildung 1: Idealzustand der Positionsbestimmung Das Hinzufügen von Referenzpunkten bietet die Möglichkeit, die Auswirkungen von Störquellen auf die Qualität der Ortung im Einzugsbereich zu verringern. Der Vergleich der gemessenen Werte mit denen der umliegenden Referenzpunkte lässt eine Annäherung an die eigentliche Position zu. Die zur Verfügung stehenden Informationen sollten mit einer geeigneten Gewichtung in die Positionsberechnung integriert werden. Störquellen, die eine konstante Signalausbreitung verhindern, könnten auf diesem Wege ermittelt werden. Signalstärkeänderungen innerhalb einer kurzen Distanz (z. B. ½ Meter) könnten durch das Setzen von Referenzpunkten erkannt werden. Das Ursprungssignal des Access-Points kann durch einen nahen Referenzpunkt, der auf ein Abweichen von der normalen Signalcharakteristik hinweist, für die Berechnung niedriger priorisiert werden. Durch diese Zusatzbetrachtungen könnten Signalgüteklassen für die Positionsbestimmung errechnet werden, d. h. dass gestörte Signale nur wenig oder nicht berücksichtigt werden, falls bessere Signale zur Verfügung stehen

5 3.1 Verwaltung von Referenzpunkten Sobald eine Karte über Referenzpunkte verfügt, stellt sich die Frage der optimalen Verwaltung. Jeder Referenzpunkt sollte zielgerichtet gesetzt werden, allerdings setzt das eine vorherige Analyse der Umgebung voraus und ist bei unbekanntem Umfeld nicht gewährleistet. Eine automatische Berechnung der Positionen für Referenzpunkte ist nicht trivial. Abstände zueinander und zu den Access-Points müssen eingehalten werden, um den Berechnungsaufwand nicht unnötig zu erhöhen. Testmessungen haben ergeben, dass die Ortungsqualität in Abhängigkeit von der Anzahl der nahe liegenden Referenzpunkte stark von der Umgebung und den vorhandenen Störquellen abhängt. Pauschal ist demzufolge keine Aussage zu treffen. Ein anderer Ansatz ist, nach bestimmten Zeitintervallen automatisch Referenzpunkte zu messen und zu dem Server zu schicken. Eine Erweiterung ist die zusätzliche Betrachtung der zurückgelegten Strecke zwischen zwei Messungen. Der Server könnte regelmäßig die Notwendigkeit der benachbarten Referenzpunkte überprüfen. Bei der Verwaltung mehrerer Karten, kann es zu einer starken Beanspruchung des Servers kommen. 4 Szenarien Durch das Hinzufügen von Referenzpunkten sollte sich die Ortungsgenauigkeit erhöhen. Folgende Testszenarien ergaben diese Ortungsunterschiede. Für die Testdurchläufe wurden zwei mobile Computer benutzt, die nahezu baugleich waren. Die Antennenanordnung der Clients war gleich. Da die Benutzeroberfläche des Clients mit steigenden Informationseinflüssen sehr unübersichtlich wird, konnten einige Ortungen nicht nachvollzogen werden. Der Entwicklungsstand der Software MagicMap lässt in dieser Version leider kaum Schlüsse auf Fehlerquellen zu. 4.1 Ortung nur mit fixierten Access-Points. Die Grundlage der Ortung bildeten vier fixierte Access-Points. Die Ortung verbesserte sich mit der Zeit, allerdings kam es zu keinem guten Ergebnis mit den Client-Rechnern, obwohl kaum Signalschwankungen zu messen waren (Abbildung 2). Abbildung 2: Positionsbestimmung mit fixierten Access-Points - 5 -

6 4.2 Ortung mit fixierten Access-Points und Referenzpunkten Durch das Ausmessen verschiedener Referenzpunkte (in der Nähe umliegender Störquellen) kam es zu einer deutlichen Verbesserung der Ortung. Allerdings waren die Signalstärkemessungen der Access-Points seltsamerweise für die Ortung eher hinderlich (Abbildung 3). Abbildung 3: Positionsbestimmung mit Access-Points und Referenzpunkten Durch das Hinzufügen von Referenzpunkten in sehr dichtem Abstand zueinander wurde das Ergebnis nicht verbessert. Die Dauer der Positionsbestimmung verlängerte sich jedoch mit steigender Anzahl der Referenzpunkte. 4.3 Ortung mit Referenzpunkten Das beste Ergebnis der Positionsbestimmung wurde erzielt, als der Client nur seine Referenzpunkte für die Ortung benutzte (Abbildung 4). Wie bereits erwähnt, konnte das Ergebnis durch das Hinzufügen der fixierten Access-Points zu den Berechnungen nicht verbessert werden. Abbildung 4: Ortung mit Referenzpunkten - 6 -

7 5 Messunterschiede Für die Testmessungen wurden zwei annähernd baugleiche Computer benutzt. Die Grafiken zeigen, dass die Signalmessungen trotz identischer Position stark variieren. Die Grundlage für weiterführende Tests war dadurch nicht gegeben. Ursachenforschungen lassen darauf schließen, dass der Netzwerkstumbler falsche Werte in Kombination mit speziellen Geräten liefert (Abbildung 5 & 6). Abbildung 5: Messung: Client 1 Abbildung 6: Messung: Client 2-7 -

8 6 Schlussbemerkung Das Benutzen der Software MagicMap gestaltet sich an sehr vielen Stellen schwierig. Die Software ist spärlich dokumentiert und an vielen Stellen für den Benutzer nur schwer verständlich. Ansatzweise wurden durch die Testdurchläufe mehrere Schwachstellen in der Software entdeckt, die auftraten, als sich mehrere Clients mit unterschiedlichen Funknetzwerkkarten versuchten, in einer Karte zeitgleich zu orten. Nahezu identische Positionen wurden nicht gleich interpretiert und führten zu großen Ortungsunterschieden. Die Testdurchläufe mit mehreren Clients wurden daraufhin eingestellt, bis die Fehler in der Software behoben sind. Gerade diese Szenarien bieten viele Möglichkeiten, eine Karte besser und genauer kennen zu lernen, da eine Vielzahl von Messungen in einer Karte vorliegt. Eine karteninterne Abbildung der einzelnen Reichweiten der Access-Points könnte so zu einer besseren Ortung führen, da Qualitätsinformationen über die Signale in vielen Bereichen der Karte vorliegen. Leider hat der aktuelle Stand der Software nicht zugelassen, alle Testszenarien durchführen zu können. Sobald die Transparenz der Ortungsabläufe für den Benutzer besser sichtbar ist, könnten anhand vieler unterschiedlicher Umgebungen Anhaltspunkte für eine intelligentere Referenzpunkteverwaltung ermittelt werden. Das Vorhaben der Ortung mittels WLAN ist zukunftsweisend, da es auf meist vorhandene Infrastruktur aufbaut und kaum zusätzliche Kosten verursacht. Referenzpunkte haben ein großes Potential, die Ergebnisse zu optimieren, da gezielt Störquellen sichtbar gemacht werden können. Es bedarf allerdings noch Entwicklungsarbeit, vor allem im Bereich der Nutzerfreundlichkeit

9 7 Quellenverzeichnis Rech, Jörg: Ibach, Peter, u.a: Ibach, Peter, u.a: Wireless LANs WLAN-Technologie und praktische Umsetzung im Detail, Heise Zeitschriften Verlag 2006 MagicMap - Help, URL: Stand: MagicMap - Development, URL: Stand: