Positionsbestimmung im WLAN

2.5.1 Allgemeiner Aufbau (Vergleich zum GSM Netz)

Im Rahmen der Arbeit soll der Aufbau eines Location Based Services in einem Wire-less Local Area Network dargestellt werden. Aus diesem Grunde wird in diesem

Ein WLAN gestaltet sich vom Aufbau ähnlich wie ein GSM-Netz. Um die Gemein-samkeiten aufzuzeigen, werden die zwei Funknetze kurz verglichen.

Ein GSM-Netz besteht aus Endgerät (Client), Base Station Subsystem (BSS), wel-ches sich aus Basisstation (BTS) und Controller (BSC) zusammensetzt, und Network Switching Subsystem (NSS), das den Zugang zum Festnetz, Internet und anderen BSS realisiert (siehe 2.4.1 Allgemeiner Aufbau).

Ein Wireless Local Area Network besteht aus „Client“, „Access-Point“, „Access Point Controller“ und einem „Gateway“ für die Verbindung nach außen (siehe Abbildung 10: Aufbau eines WLAN).

Ein WLAN-fähiges Gerät (Client) verbindet sich mit genau einem Access-Point (AP).

Es ist möglich, dass sich mehrere Clients mit Einem verbinden. Mit zunehmender Teilnehmerzahl schrumpft jedoch der Abdeckungsbereich des APs. Sobald die Teil-nehmerzahl sinkt, wird der Abdeckungsbereich wieder größer. Dieses Phänomen wird als „Zellatmung“ bezeichnet. Jeder AP ist über LAN-Verkabelung mit dem „Ac-cess-Point-Controller“ (APC) verbunden. Dieser organisiert die Steuerung der APs.

Er regelt beispielsweise das Umschalten zwischen Senden und Empfangen und ist für das „Handover“ zuständig. Als Handover wird der Übergang von Clients zwischen den Abdeckungsbereichen der Access-Points bezeichnet. Dieser Controller stellt aber auch die Verbindung zum Gateway her, welches die Verbindung in das fest installierte Hausnetzwerk (Local Area Network, LAN) und Internet realisiert (siehe Abbildung 10: Aufbau eines WLAN).

Beim Vergleich des Aufbaus eines WLAN und eines GSM (siehe 2.4.1 Allgemeiner Aufbau) fällt deren Ähnlichkeit auf. Bei beiden verbinden sich die Clients über eine Antenne, welche im GSM die Basisstation und im WLAN der Access-Point darstellt.

Diese Antennen werden über einen Controller (BSC und APC) gesteuert. Über ein Gateway wird die Verbindung zu externen Netzen hergestellt.

Auf Grund dieser Ähnlichkeit im Aufbau ist zu vermuten, dass die Positionsbestim-mungsmethoden eines GSM auch in einem WLAN einsetzbar sind.

Diese Methoden werden nun auf ihre Umsetzbarkeit untersucht.

2.5.2 Umsetzbarkeit der GSM-Verfahren im WLAN

Um die Verfahren auf deren Umsetzbarkeit zu analysieren, werden diese auf ihre technische Einsetzbarkeit, entstehende Kosten, Genauigkeit und auf Probleme bei der Messung untersucht.

Das Verfahren „Angle of Arrival“ (AOA) beruht auf der Winkelmessung des einfallen-den Signals. Diese Methode zur Positionsbestimmung kann auch in einem WLAN angewendet werden. Die Access Points müssen dazu die Winkelmessung der

ein-gekauft oder Altgeräte nachgerüstet werden und ist daher mit Kosten verbunden.

Aber auch der Kauf neuer spezieller Geräte, die die Fähigkeit zur Signal-Winkelmessung besitzen, gestaltet sich schwierig und kostenintensiv, da diese kaum zur Verfügung stehen. Laut einer Studie von [WON08] ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit mit bis zu ca. zwei Metern zu erreichen.

Auch das „Received Signal Strength“-Verfahren kann in einem Wireless Network zur Lokalisierung eingesetzt werden. Hierbei wird die vom Client ausgehende Stärke des Signals gemessen. Diese nimmt mit der Entfernung zum Sender quadratisch ab. Die so ermittelte Signalstärke wird mit der bekannten Ausgangsleistung des Senders verglichen und der Abstand zum Empfänger mit Hilfe von Algorithmen ermittelt. Um den Standort des Senders zu orten, müssen sich mehrere Access-Points in der Reichweite des Clients befinden. Die Genauigkeit der Messung ist in einem WLAN größer als im GSM-Netz, da der Abdeckungsbereich eines Access-Points mit bis zu 100 Metern wesentlich kleiner, als der einer Basisstation ist. Die Signalstärke ver-mindert sich auf Grund der nicht linearen Ausbreitung in einem kleinen Bereich schneller, als in einem Großen. Unterschiede werden so schneller deutlich.

Ein wesentlicher Vorteil der Technik ist, dass standardmäßige Access-Points einge-setzt werden können, da keine zusätzliche Hardware erforderlich ist. In den meisten APs ist eine Verstärkerstufe integriert, die die Stärke des eintreffenden Signals misst und anpasst. Lediglich eine Schnittstelle zum Auslesen der empfangenen Signalstär-ken wird benötigt. Dies wirkt sich auch positiv auf die Kosten aus.

Ein Client kann laut [PAV03] mit der RSS-Methode auf ca. vier Meter geortet werden.

Die zeitbasierenden Methoden „Time of Arrival“ (TOA), „Round Trip Time of Flight“

(RTOF) und „Time Difference of Arrival“ (TDOA) sind prinzipiell in einem WLAN durchführbar, allerdings werden die Messergebnisse sehr ungenau. Dies ist der Tatsache zu schulden, dass die Signalausbreitungsgeschwindigkeit im WLAN, ana-log der im GSM-Netz, der Lichtgeschwindigkeit (299.792 km/s) entspricht. Es werden

können, sind sehr teuer und ziehen hohe Investitionen mit sich. Nach [HAL07] kann mit Hilfe dieser Technik eine Genauigkeit von bis zu ca. zwei Metern erzielt werden.

Ebenso kann die „Cell of Origin“-Methode eingesetzt werden. Hier wird mittels der Information, mit welchem Access-Point der Client verbunden ist, der Standort abglei-tet. Da die Abdeckungsbereiche der Antennen im WLAN wesentlich kleiner sind (bis zu 100 Metern) als die der Basisstationen im GSM Netz (bis zu 35km), nimmt die Genauigkeit der Technik im WLAN gegenüber GSM zu. Die Position kann so exakter angegeben werden. Jedoch sind die laut [DOR02] erzielten Messergebnisse, die zwischen 20 und 25 Metern liegen, für eine exakte Standortbestimmung zu ungenau.

Da es für dieses Verfahren bedeutend ist, in welcher Zelle sich der Client befindet, ist das Handover, die Übergabe des Clients zwischen den Zellen, besonders wichtig.

Ein Handover wird je nach Hersteller und Konfiguration des Access-Point-Controllers eingeleitet. Die bekanntesten Strategien zum Wechsel zwischen den APs erfolgen aufgrund der relativen Signalstärke (mit / ohne Schranke) und der relativen Signal-stärke mit Hysterese (mit / ohne Schranke) (siehe auch 4.1.1 LBS mit zellbasierender Ortung (Cell of Origin)). Für eine Ortung ist es wichtig klar abgegrenzte Zellen zur Verfügung zu haben, die Konfiguration kann sich so positiv aber auch negativ auf die Genauigkeit des Verfahrens auswirken. Eine dynamischen Anordnung hat zur Folge, dass Bereiche nicht mehr klar abgegrenzt werden können.

Auch das Problem der „Zellatmung“ erschwert eine genaue Ortung. Als Zellatmung bezeichnet man den Effekt, der bei großen Benutzerschwankungen auftritt. Sind viele Benutzer über einen Access-Point verbunden, wird dessen Abdeckungsbereich kleiner. Verkleinert sich die Anzahl, so wird der Abdeckungsbereich wieder größer.

2.5.3 Probleme der Mehrwegeausbreitung

Bei Messungen in einem WLAN tritt das Problem der Mehrwegeausbreitung auf.

Diese bewirkt, dass ein Signal auf verschiedenen Wegen seinen Empfänger erreicht oder durch Refraktion (Brechung) und Beugung verfälscht wird. So kann beispiels-weise ein gleiches Signal in unterschiedlichen Signalstärken und auf verschiedenem Wege beim Empfänger eintreffen. Damit ergibt sich ein Problem für die „Received

„Verfälschten“ unterscheiden muss. Eine Lösung ist zum Beispiel den Messwert mit der größten Signalstärke weiter zu verarbeiten.

Ein ähnliches Problem ruft die Mehrwegeausbreitung bei den zeitbasierten Verfahren hervor. Hier muss auch von echten und unechten Werten unterschieden werden, da die eintreffenden Signale unterschiedliche Laufzeiten aufweisen. Ein Lösungsansatz ist, dass das zu erst eintreffende Signal genommen wird. Denn das Signal, welches die geringste Zeit benötigt, hat den direktesten Weg genommen und wurde wahr-scheinlich nicht abgelenkt oder verfremdet.

2.5.4 Vergleich der Verfahren

Von den aufgezeigten Verfahren sind zum heutigen Stand der Technik nur die „Cell of Origin“- und die „Received Signal Strength“-Methode fassbar zu implementieren.

Die „Angel of Arrival“-Methode benötigt Antennen, die eine Winkelmessung unter-stützen. Die Messungen sind sehr umständlich und anfällig auf die Mehrwegeaus-breitung. Die „Time Based“-Verfahren sind mit der Hürde belegt, dass sie genaueste Zeitmessungen benötigen, was aufgrund der Anforderung einer metergenauen Or-tung unrealistisch wirkt. Fassbar sind nur die Verfahren „COO“ und „RSS“. Das COO-Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es eine begrenzte Genauigkeit (ca. 25 Me-ter) aufweist.

Für eine möglichst genaue Standorterfassung in einem WLAN bleibt somit nur das auf der Signalstärke basierende Verfahren „Received Signal Strength“ übrig.

Durch die Mehrwegeausbreitung ergibt sich allerdings auch bei diesem ein Problem.

Bei direktem Sichtkontakt zwischen Client und Access-Point (Line of Sight, LOS) breiten sich die Signalwellen gleichmäßig aus und es kann die Entfernung des Clients exakt berechnet werden. Befinden sich jedoch Hindernisse (Wände, Regale, Störfrequenzen etc.) zwischen Client und AP, wird die Signalstärke durch diese ver-fälscht. In den meisten Fällen kommt es durch Reflexion und Dämpfung der Wellen zu einem frühzeitigen Abschwächen der Signalstärke. Damit ergibt sich auch ein Problem für die Berechnung des Abstandes des Endgerätes zum Access-Point, da

Diesen kritischen Punkt umgeht das „Radio Frequency Fingerprinting“-Verfahren, das auf die RSS-Methode aufbaut und sich Reflexion und Dämpfung, im Gegensatz zu den anderen Verfahren, zu Nutze macht.

2.5.5 Radio Frequency Fingerprinting

Das „Radio Frequency (RF) Fingerprinting“-Verfahren ist eine tabellenbasierte Stand-ortbestimmungsmethode. Im Gegensatz zu den anderen Ortungsverfahren, die mit allgemeinen Formeln rechnen, wird die Position mit Hilfe von Referenzdaten und aktuellen Daten ermittelt.

In der sogenannten „Offline Phase“ werden an bestimmten Referenzpunkten die Signalstärken der sichtbaren Access-Points gemessen und als Fingerabdruck (Fin-gerprint) in einer Tabelle gespeichert. Reflektion und Dämpfung, die durch Hinder-nisse (Wände, Möbel etc.) entstehen, werden so in die Messung mit einbezogen.

In der „Online Phase“ werden die aktuellen sichtbaren Signalstärken mit denen der Referenzpunkte verglichen. Der ähnlichste Referenzpunkt wird als Standort des Endgerätes angeben.

Eine nähere Erläuterung des Verfahrens erfolgt im nächsten Abschnitt.