Verfahrensmodelle

4.1.1 LBS mit zellbasierender Ortung (Cell of Origin)

Die wichtigste Information für einen standortbezogenen Dienst ist die Position des Clients. Um diese zu ermitteln ist das Einfachste, jedoch auch Ungenaueste, das

„Cell of Origin“-Verfahren. Es wird ermittelt, über welchen Access-Point der Client eingeloggt und mit dem System verbunden ist. Über den Standort des APs, welcher bekannt ist, kann auf die ungefähre Position des Clients geschlussfolgert werden.

Der Einsatz dieser Methode ist eine einfache Lösung zur Positionsortung der Clients.

Mittels der IP- oder MAC-Adresse kann der Access-Point identifiziert werden, von dem aus eine Anfrage an den Dienst gestellt wurde. Die Daten können direkt vom Dienst verarbeitet werden. Der Umstand, dass die Positionsdaten nicht berechnet werden müssen, sondern durch simplen Datenbankabgleich ermittelt werden kön-nen, führt dazu, dass keine Technik mit enormer Rechenleistung zur Ermittlung des Standortes zum Einsatz kommen muss.

Die Verarbeitung der Daten wird serverseitig realisiert. Die Clients müssen lediglich den Dienst aufrufen und erhalten dann die passenden Informationen zu ihrem Standort zurück. Dies hat den Vorteil, dass ein Server alle Lokalisierungen zentral durchführen kann und die Rechenleistung effektiver ausgenutzt wird. Teure leis-tungsfähige Client-Hardware ist damit nicht nötig.

Der Nachteil des „Cell of Origin“-Verfahren ist jedoch seine Ungenauigkeit. Mit dieser Lösung ist eine Lokalisierung auf circa 20 Meter und damit nur eine grobe Einord-nung des Clients möglich. Das Access-Point-Netz muss möglicherweise aufgestockt beziehungsweise ergänzt werden um eine gleichmäßige Verteilung der APs zu errei-chen.

Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Handover-Strategie des WLAN-Controllers.

Wechsel aufgrund der relativen Signalstärke

Ein Handover erfolgt immer dann, wenn ein anderer Access-Point eine höhere Sig-nalstärke aufweist.

Relative Signalstärke mit Schranke

Ein Wechsel wird erst dann ausgeführt, wenn die Signalstärke des neuen Access-Points stärker ist und die des Alten unter einer bestimmten Grenze liegt. So werden frühzeitige Wechsel verhindert.

Wechsel aufgrund relativer Signalstärke mit Hysterese

Ein Handover wird nur dann ausgelöst, wenn das neue Signal um einen bestimmten Betrag höher ist, als das Alte. Vermieden wird damit ein „Pingpong-Effekt“, der durch etwa gleichstarke Signale zweier Access-Points entstehen kann. Überflüssige Wech-sel werden dadurch minimiert.

Wechsel aufgrund von relativer Signalstärke mit Schranke und Hysterese In diesem Handover-Verfahren werden die beiden letzten Verfahren kombiniert.

Für das zellgenaue Verfahren tritt mit den Handover-Strategien das Problem auf, dass die Zellen nicht genau abgegrenzt sind, sondern ineinander verschwimmen. Im Gegensatz zur normalen Funktion der Datenübermittlung im WLAN soll im „Cell of Origin“-Verfahren idealer Weise immer der am nächst gelegene Access-Point ver-wendet werden. Der Wahrscheinlichkeit nach ist der mit der größten Signalstärke auch der am nächst Gelegene. Aus diesem Grund wir die Handover-Strategie

„Wechsel aufgrund der Signalstärke“ bevorzugt. Dies kann jedoch Nachteile – wie den frühzeitigen Wechsel zwischen APs – für den normalen Betrieb des WLANs mit sich bringen.

Ein grober Ablauf eines informierenden LBS mit einer „Cell of Origin“-Ortung sieht wie folgt aus:

€ Ein Client ist über den Access-Point „AP-X“ mit dem WLAN verbunden. Er stellt eine Anfrage an den LBS-Dienst.

€ Der LBS-Dienst vergleicht die ermittelte MAC-Adresse mit einer Datenbank.

Falls der AP erfasst wurde sendet der Dienst, die mit dem AP verknüpften In-formationen zum Standort an den Client zurück. Anderen Falls wird dem Client die Meldung gesendet, dass keine Informationen zum Standort vorlie-gen.

€ Der Client erhält die Informationen zum Standort.

4.1.2 LBS mit Ortung per RF-Fingerprinting

Ein LBS mit einer Positionsbestimmung mittels der „Radio Frequency Fingerprint“-Methode ist im Gegensatz zur zellbasierenden Variante aufwändiger in der Umset-zung, bringt jedoch auch ein genaueres Ergebnis.

In einer „Offline Phase“ wir der Bereich in Lokale aufgeteilt. Für die Lokale werden sogenannten Fingerprints der Referenzpunkte erstellt und in der „Online Phase“ mit denen der Clients verglichen. Der Ähnlichste wird als Standort des Clients ausgege-ben. Die Lokalisierung ist dabei nur so genau, wie die Einteilung der Lokale (siehe 2.5.5 Radio Frequency Fingerprinting).

Auch dieses Verfahren ist serverbasierend. Im Gegensatz zu „Cell of Origin“, wird eine große Rechenleistung benötigt, um die komplexen Vergleichsvorgänge durch-führen zu können. Für die Erstellung der Fingerprints und der Lokalbestimmung wird eine Location-Appliance, wie zum Beispiel die LA-200 von Trapeze, benötigt. Dage-gen werden an die Clients keine großen AnforderunDage-gen gestellt und es wird auch hier keine teure leistungsfähige Technik benötigt. Durch die zusätzliche Location-Appliance und aufwändige Einmessungen der Fingerprints verursacht die Methode erheblich mehr Kosten, als eine Lösung mit „Cell of Origin“.

Ein Nachteil dieser Lösung ist die Anfälligkeit auf Veränderungen im Raum bzw. im Gebäude. Das „RF Fingerprint“-Verfahren macht sich im Gegensatz zu Anderen die

Wenn diese Gegebenheiten nun geändert werden, beispielsweise durch Umräumen von Möbel, besteht die Gefahr, dass die eingemessenen Punkte nicht mehr reprä-sentativ sind und Fehler in der Ortung der Clients entstehen. Dies hätte die Notwen-digkeit der Neueinmessung der Referenzpunkte bzw. der Fingerprints zur Folge.

Im Falle des Naturkundemuseums könnten solche Probleme bei einer Neuanord-nung oder Umdekoration von Ausstellungstücken auftreten. Auch große Menschen-ansammlungen könnten sich negativ auf die Ortung auswirken.

Ein weiterer Nachteil ist die, aufgrund des komplexen Vergleichvorganges der Fin-gerprints der Clients mit denen der Referenzpunkte, auftretende Trackingzeit von über 30 Sekunden. Wartezeiten einer solchen Dauer erscheinen für ein kunden-freundliches System zu lang.

Die Genauigkeit des Verfahrens ist stark von der Lokalität abhängig, in der sie einge-setzt werden soll. In der Umgebung des „Das Tietz“ ist eine auf zwölf Meter genaue Messung realistisch.

Ein informierendes LBS mit einer auf das „RF Fingerprint“-Verfahren basierenden Ortung läuft wie folgt ab:

€ Ein Client ist über den Access-Point „AP-X“ mit dem WLAN verbunden. Er stellt eine Anfrage an den LBS-Dienst.

€ Der Dienst ermittelt die MAC-Adresse des Clients, von dem die Anfrage ge-stellt wurde.

€ Der Dienst stellt eine Ortungsanfrage an die Location-Appliance für den Client und übermittelt die dessen MAC-Adresse.

€ Die LA identifiziert den Client mittels der MAC-Adresse, erstellt von ihm einen Fingerprint und vergleicht diesen mit den Referenzpunkten. Wird ein entspre-chend ähnlicher gefunden, übermittelt die LA dem Dienst den aktuellen Stand-ort (Lokal) des Clients. Anderenfalls wird dem Dienst mitgeteilt, dass sich der Client im „Elsewhere“ befindet.

€ Der Dienst ermittelt nun die zum Lokal passenden Informationen aus einer Datenbank und sendet sie dem Client.

€ Der Client erhält die Informationen zum Standort.

4.1.3 LBS mit Ortung mittels COO und RF-Fingerprinting

Eine weitere Lösungsmöglichkeit für die Positionsbestimmung in einem LBS ist die Kombination der beiden Verfahren „Cell of Origin“ und „RF-Fingerprinting“.

Bei dieser Variante wird durch das COO-Verfahren zunächst der grobe Standort des Clients eingeschränkt. Mit Hilfe des Fingerprint-Verfahren wird die Position genauer bestimmt. Aufgrund der Einschränkung auf eine Access-Point-Zelle können einige Lokale ausgeschlossen und somit Fehler bei der Bestimmung des Lokales, in der sich der Client befindet, eingeschränkt werden.

Um eine Einschränkung der Fingerprints der Referenzpunkte vornehmen zu können, muss für jeden einzelnen Access-Point erfasst werden, welche Lokale in der Funk-zelle des APs liegen oder an sie angrenzen. Diese Daten könnten mittels einer Da-tenbank gespeichert und abgerufen werden.

Mit dem Einsatz der „RF Fingerprint"-Methode tritt auch bei dieser Lösung das Prob-lem der Anfälligkeit auf Veränderung der Struktur des Raumes auf.

Durch die Einschränkung der Lokale müssen nicht mehr alle Datensätze miteinander verglichen werden und es ist mit einem Performancegewinn zu rechnen. Die Genau-igkeit der Lokalbestimmung wird nicht verbessert, jedoch wird die FehlerhäufGenau-igkeit bei dieser verringert.

Der Ablauf eines LBS mit einem kombinierten Verfahren sieht wie folgt aus:

€ Ein Client ist über den Access-Point „AP-X“ mit dem WLAN verbunden. Er stellt eine Anfrage an den LBS-Dienst.

€ Der LBS-Dienst ermittelt mittels MAC-Adresse über welchen Access-Point die Anfrage gestellt wurde und vergleicht die ermittelte MAC-Adresse mit einer Datenbank.

€ Falls der AP erfasst wurde, sucht der Dienst aus einer Datenbank alle Lokale, die in der Funkzelle des APs liegen oder an sie angrenzen und ermittelt die

€ Die LA identifiziert den Client mittels der MAC-Adresse, erstellt von ihm einen Fingerprint und vergleicht diesen mit den Referenzpunkten. Wird ein entspre-chend ähnlicher gefunden, übermittelt die LA dem Dienst den aktuellen Stand-ort (Lokal) des Clients. Anderenfalls wird dem Dienst mitgeteilt, dass sich der Client im „Elsewhere“ befindet.

€ Der Dienst ermittelt nun die zum Lokal passenden Informationen aus einer Datenbank und sendet sie dem Client.

€ Der Client erhält die Informationen zum Standort.

4.2 Zusammenfassende Betrachtung der Verfahren

Mit Hilfe der vorgestellten Verfahren ist es möglich ein Location Based Service für die Besucher des Naturkundemuseums anzubieten. Jedoch reicht der alleinige Einsatz der momentan verfügbaren technischen Methoden nicht aus, um dies kundenfreund-lich zu gestalten.

Die Lösung mittels COO bietet nur eine Genauigkeit von ca. 20 Metern. Damit ist der Standort des Clients zu grob und es können keine spezifischen Informationen er-bracht werden.

Mit der Fingerprint-Methode ist zwar eine genauere Positionierung möglich, jedoch entstehen durch hohe Vergleichsarbeit der Fingerprints lange Trackingzeiten von über 30 Sekunden. Die Kunden müssten über diese Dauer auf die angeforderten Informationen warten. Auch die Fehlerquote bei der Erkennung der Lokale in einer nicht optimalen IT-Infrastruktur ist mit 40% noch recht hoch (siehe 3. Studie in der Testumgebung). Aus diesen Gründen wird eine Optimierung der Verfahren als drin-gend erforderlich angesehen.

Eine Verbesserung der Tracking-Geschwindigkeit kann über eine Kombination der beiden Verfahren erreicht werden. Durch die Einschränkung der Lokale müssen nicht alle Daten miteinander verglichen werden. Zusätzlich wird dann jedoch die Zeit zur Ermittlung der Funkzelle benötigt. Eine Performancesteigerung sollte trotzdem mög-lich sein.

Durch Integration einer dienstseitigen Logik und einer Interaktivität des Nutzers könn-ten Trackingzeit und Genauigkeit weiter optimiert werden. Diese Punkte sind speziell

5. Konzeption einer konkreten Lösung für „Das Tietz“