Σύστημα εντοπισμού θέσης συσκευών ασύρματων δικτύων

 
Το τεκμήριο παρέχεται από τον φορέα :
Πανεπιστήμιο Κρήτης
Αποθετήριο :
E-Locus Ιδρυματικό Καταθετήριο
δείτε την πρωτότυπη σελίδα τεκμηρίου
στον ιστότοπο του αποθετηρίου του φορέα για περισσότερες πληροφορίες και για να δείτε όλα τα ψηφιακά αρχεία του τεκμηρίου*
κοινοποιήστε το τεκμήριο



Wireless network device position location system
Σύστημα εντοπισμού θέσης συσκευών ασύρματων δικτύων

Παπαδάκης, Στέφανος Εμμανουήλ

Τραγανίτης, Απόστολος

Οι υπηρεσίες που παρέχονται με βάση τη θέση του χρήστη κερδίζουν συνεχώς έδαφος και έχουν συντελέσει στην ανάπτυξη μιας νέας περιοχής εφαρμογών. Η βασική λειτουργία που είναι απαραίτητη για την παροχή αυτών των υπηρεσιών είναι ο εντοπισμός της θέσης του χρήστη. Πολλές τεχνικές και συστήματα εντοπισμού είναι ήδη διαθέσιμα, με το GPS να είναι το πλέον διαδεδομένο. Εφόσον όμως το GPS βασίζεται σε ένα δίκτυο δορυφόρων δεν μπορεί να καλύψει εσωτερικούς χώρους και πολλά από τα συστήματα που χρησιμοποιούνται μέσα σε κτήρια χρειάζονται εξειδικευμένο υλικό και λογισμικό. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η αναλυτική διερεύνηση, ανάπτυξη και πειραματική επαλήθευση με προσομοιώσεις και μετρήσεις πεδίου μιας νέας προσέγγισης για την δημιουργία ενός αποτελεσματικού συστήματος εντοπισμού θέσης. Στο σύστημά μας χρησιμοποιούμε ασύρματες δικτυακές συσκευές και υποδομές που βασίζονται στο πρότυπο IEEE 802.11, επιτρέποντας τον εντοπισμό θέσης των περισσότερων σύγχρονων κινητών υπολογιστικών συσκευών. Η πλειοψηφία των συστημάτων εντοπισμού που χρησιμοποιούν 802.11 βασίζονται στην κατασκευή χαρτών κατανομής της ισχύος σήματος, μία χρονοβόρα και επίπονη διαδικασία. Προτείνουμε, διερευνούμε, αναπτύσσουμε και αξιολογούμε μία καινοτόμο τεχνική εντοπισμού θέσης, την Signal Strength Difference on Arrival (SSDoA). Κάνουμε χρήση των διαφορών της ισχύος λήψης σε τρία ή περισσότερα σημεία παρατήρησης, που βρίσκονται σε γνωστές θέσεις, για την παραγωγή ενός συστήματος εξισώσεων που επιτρέπουν μία εκτίμηση της θέσης του πομπού. Αυτές οι εξισώσεις ορίζουν καμπύλες υπερβολών στις οποίες μπορεί να βρίσκεται ο πομπός. Παράλληλα η χρήση σταθερών και γνωστών σημείων παρατήρησης βοηθά στον υπολογισμό του εκθέτη απωλειών διάδοσης, που είναι χαρακτηριστικό του περιβάλλοντος. Η γνώση των χαρακτηριστικών της ραδιομετάδοσης υποκαθιστά την ανάγκη για την χαρτογράφηση της ισχύος του σήματος. Βασικό χαρακτηριστικό του προτεινόμενου συστήματος είναι η αποφυγή της χρονοβόρας διαδικασίας βαθμονόμησης, η αποδέσμευση από εξειδικευμένο υλικό και η απεμπλοκή του τελικού χρήστη από την διαδικασία. Αυτό έγινε δυνατό με την εισαγωγή της σχέσης που συνδέει την διαφορά ισχύος λήψης (SSD) με την διαφορά της απόστασης. Γενικά η παρούσα εργασία θέτει τις βάσεις για την δημιουργία ενός καινοτόμου και ευέλικτου συστήματος εντοπισμού θέσης, ικανού για τον ακριβή και άμεσο εντοπισμό οποιασδήποτε 802.11 συσκευής. Για την πειραματική επαλήθευση του συστήματός μας χρησιμοποιήσαμε εμπορικά access points της Cisco τα οποία είναι μέρος της ασύρματης δικτυακής υποδομής του κτηρίου μας (κτήριο ΙΤΕ) και κατασκευάσαμε μία εφαρμογή εντοπισμού σε γλώσσα προγραμματισμού Java. Τα access points της Cisco έχουν μία ειδική δυνατότητα παρακολούθησης όπου συλλέγονται όλα τα πακέτα και καταγράφεται η τιμή της ισχύος σήματος. Η εφαρμογή επικοινωνεί με τα access points, τα οποία είναι ουσιαστικά τα σημεία παρατήρησης, που προωθούν τα δεδομένα που συλλέγουν στην εφαρμογή. Τα δεδομένα αυτά περιέχουν την πληροφορία της ισχύος σήματος ανά πακέτο και η εφαρμογή παρέχει έναν ειδικό αποκωδικοποιητή πακέτων, για την αποκωδικοποίηση αυτής της πληροφορίας. Έπειτα γίνεται επεξεργασία της πληροφορίας της ισχύος σήματος και με τη χρήση της τεχνικής SSDoA δίνεται μια εκτίμηση της θέσης. Με τη χρήση προσομοιώσεων διερευνήσαμε λεπτομερώς όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια εντοπισμού. Οι παράγοντες αυτοί είναι η διακριτική ικανότητα (βήματα του ενός dB) στη μέτρηση της ισχύος σήματος, η τιμή του εκθέτη απωλειών διάδοσης, η μέθοδος επίλυσης υπερβολικών συστημάτων, η επιλογή του αρχικού σημείου για την επίλυση του συστήματος, το μέγεθος του χρόνου κυλιόμενου παραθύρου, ο αριθμός και η γεωμετρία των σημείων παρατήρησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι πιο σημαντικοί παράγοντες είναι ο αριθμός και η γεωμετρία των σημείων παρατήρησης. Ακόμα η χρήση φίλτρου παρακολούθησης είναι απαραίτητη για την απόρριψη των λύσεων όπου υπάρχει απόκλιση. Με βάση τα αποτελέσματα προτείναμε τις κατευθύνσεις για επιτυχημένη εφαρμογή του συστήματος. Οι επιδόσεις του προτεινόμενου συστήματος είναι πολύ ικανοποιητικές με μία μέση ακρίβεια της τάξης των δύο μέτρων κάτω από άσχημες συνθήκες. Επιπλέον πειραματική χρήση της εφαρμογής μας σε ένα υπάρχον δίκτυο 802.11 έδωσε πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Πιστεύουμε ότι η παρούσα εργασία θα μπορούσε με μικρή προσπάθεια να αποτελέσει τη βάση για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου περιβάλλοντος εντοπισμού εφάμιλλου των καλύτερων εμπορικών συστημάτων (EL)
Location Based Services (LBS) are continuously gaining popularity and enabling a new area of innovative applications. The basic functionality needed in order to provide LBS is the position location of the user. Many localization systems and techniques are already available, with the GPS being the most widespread. Since GPS is based on a network of satellites it cannot cover indoor environments and many of the positioning systems used indoors require proprietary hardware and software. The objective of the dissertation is to investigate analytically and verify experimentally through simulations and field trials a novel approach for the development of a positioning system. We consider IEEE 802.11-based wireless network devices and infrastructure in our positioning system, thus enabling the location positioning for the majority of contemporary mobile computing devices. Most of the localization solutions using 802.11 are based on the creation of signal strength maps, a time consuming and labor intensive process. We are proposing and evaluate a novel position location technique, the Signal Strength Difference on Arrival (SSDoA). We use the differences of the received signal strength in three or more observation points that are in known positions to generate a set of equations that provide an estimation of the transmitter's position. These equations define the hyperbolic curves where the transmitter may lie. In parallel the use of fixed and known observation points assists the calculation of the radio-environment characteristic, the radio propagation path loss exponent. The knowledge of the propagation characteristics substitutes the need of signal strength mapping. The primary contribution of our work is that the developed system does not require any time consuming calibration or specific/proprietary hardware. Also we achieved this without requiring any involvement from the end user, as long as they are actually using their device to transmit any data. This became feasible by introducing the signal strength difference (SSD) to the distance difference relation. Overall this work has produced a novel and flexible location positioning system which enables any IEEE 802.11 client device to be accurately and promptly located. In order to have a proof of concept we used off-the-self Cisco access points that are part of our building's wireless infrastructure and created a tracking application in Java programming language. The Cisco access points have a special monitor mode where all the wireless packets are captured and the value of the received signal strength is recorded. The application is communicating with the access points, that are essentially the observation points, that push the captured data to the application. The captured data have the signal strength information per packet and the application implements a special packet decoder for the decoding of their information. Then the signal strength information is processed and with the use of SSDoA the position estimate is obtained. Using simulations we have investigated in detail all the factors that influence the accuracy. These factors are the granularity (one dB steps) in the signal strength measurement, the value of the path loss exponent, the hyperbolic solution method, the initial guess point for the hyperbolic solution method, the sliding time window size, the number and geometry of the observation points. The results revealed that the most important factors are the observation points geometry and their number. Also the use of a tracking filter is essential for the rejection of the deviating estimates. Based on these results we proposed guidelines for the successful implementation of our system. The results of the simulations for our proposed system are quite promising, with an average accuracy of about 2 meters under harsh conditions. Furthermore we conducted some preliminary experiments with the use of our Java application in an existing 802.11 infrastructure with very encouraging results. It is clear that this work could provide, with little effort, a complete working product comparable to the most advanced commercial ones. (EN)

text

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

2009-10-30




*Η εύρυθμη και αδιάλειπτη λειτουργία των διαδικτυακών διευθύνσεων των συλλογών (ψηφιακό αρχείο, καρτέλα τεκμηρίου στο αποθετήριο) είναι αποκλειστική ευθύνη των αντίστοιχων Φορέων περιεχομένου.