Diplomarbeit. Aufbau einer Location Based Services Infrastruktur im Wireless Local Area Network des Chemnitzer Kulturkaufhauses.

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Diplomarbeit

Aufbau einer Location Based Services Infrastruktur im Wireless Local Area Network des Chemnitzer

Kulturkaufhauses .

Vorgelegt am: 14. September 2009

Von: Patric Pfüller

Viebigweg 18 09573 Leubsdorf

Studiengang: Wirtschaftsinformatik

Seminargruppe: WI06

Matrikelnummer: 4060500

Praxispartner: NetConsult Dr. Franke GmbH Beckerstraße 22

09120 Chemnitz

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ... 01

2. Rahmenbedingungen für ein Location Based Service ... 02

2.1 Begriff und Funktion eines Location Based Services... 02

2.2 Potentiale eines Location Based Services ... 04

2.3 Verfahren zur Standorterfassung... 05

2.4 Funkbasierende Positionsbestimmung ... 07

2.4.1 Allgemeiner Aufbau / GSM ... 07

2.4.2 Angle of Arrival (AOA) ... 08

2.4.3 Received Signal Strength (RSS) ... 09

2.4.4 Time Based Method... 11

2.4.5 Cell of Origin (COO) ... 14

2.5 Positionsbestimmung im WLAN... 15

2.5.1 Allgemeiner Aufbau (Vergleich zum GSM Netz)... 15

2.5.2 Umsetzbarkeit der GSM-Verfahren im WLAN ... 17

2.5.3 Probleme der Mehrwegeausbreitung... 19

2.5.4 Vergleich der Verfahren... 20

2.5.5 Radio Frequency Fingerprinting ... 21

3. Studie in der Testumgebung ... 22

3.1 Kundenumgebung... 22

3.2 Versuchsaufbau ... 23

3.2.1 Eingesetzte Technik ... 24

3.2.2 Lokalität ... 25

3.2.3 Arbeitsweise des Verfahrens ... 26

3.3 Messmethoden und Ergebnisse ... 28

3.4 Auswertung der Messreihen ... 33

4. Design anhand der Kundenumgebung ... 36

4.1 Verfahrensmodelle... 36

4.1.1 LBS mit zellbasierender Ortung (Cell of Origin)... 36

4.1.2 LBS mit Ortung per RF-Fingerprinting ... 38

4.1.3 LBS mit Ortung mittels COO und RF-Fingerprinting... 40

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5.1 Verfahrensweise ... 42

5.2 Logik der Bewegungsmöglichkeiten ... 43

5.3 Interaktivität des Nutzers ... 46

5.4 Programmablaufplan der Lokalisierungslösung ... 47

6. Fazit ... 49 7. Literaturverzeichnis ...V 8. Ehrenwörtliche Erlärung...VII

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 01: Aufbau eines Location Based Services ... 03

Abbildung 02: Funksysteme ... 06

Abbildung 03: Aufbau eines GSM ... 08

Abbildung 04: Angle of Arrival (AOA) ... 09

Abbildung 05: Received Signal Strength (RSS) ... 10

Abbildung 06: Time of Arrival (TOA) ... 12

Abbildung 07: Round Trip Time of Flight (RTOF)... 13

Abbildung 08: Time Difference of Arrival (TDOA) ... 14

Abbildung 09: Cell of Origin (COO) ... 15

Abbildung 10: Aufbau eines WLAN ... 16

Abbildung 11: Grundriss 1.OG ... 22

Abbildung 12: Allgemeiner Versuchsaufbau ... 23

Abbildung 13: Strategie 1 ... 28

Abbildung 17: Bewegungslogik ... 43

Abbildung 18: Beispiel Bewegungslogik... 45

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: LA-200 ... 25

Tabelle 2: Messung ohne Gleichschaltung ... 27

Tabelle 3: Protokoll 1-1 ... 29

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Tabelle 11: Erkannte Lokale... 33 Tabelle 12: Fingerprints der Lokale... 34 Tabelle 13: Lokalwahrscheinlichkeit... 44

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1. Einleitung

Standortbezogene Dienste entwickeln sich immer mehr zum Schlüsselwort für „Mobi- le Service“-Anbieter. Ein stark wachsender Markt, ein rasanter Fortschritt der Technik und ständig neue Einsatzgebiete sind der Grund dafür.

„Location Based Services“ finden heutzutage schon vielfach ihre Anwendung in drahtlosen Netzen. Exemplarisch steht hierfür der Einsatz in Handynetzen. Zahlrei- che Anwendungen, ob im Unterhaltungs-, Informations- oder Rettungsbereich, finden hier ihren Gebrauch. Durch Positionsortungsverfahren im GSM-Netz und Unterstüt- zung durch GPS ist es möglich, Nutzer metergenau zu orten und ihnen spezifische Daten zu liefern.

Dagegen steht der Einsatz im Nahfunkbereich, wie im WLAN, noch in den Kinder- schuhen. Doch die Technologie zeigt in letzter Zeit eine fortschrittliche Entwicklung auf. WLAN-Systeme erfreuen sich aufgrund der Möglichkeit zur Mobilität immer grö- ßerer Beliebtheit und werden vielerorts eingesetzt. Informationen werden vom Stand- ort des Clients unabhängig übermittelt und können nur vom Nutzer bzw. System speziell abgefragt werden. Die Möglichkeit der Lokalisierung des Endgerätes bietet die Verknüpfung von Position und Information und damit eine standortbezogene Bereitstellung von Inhalten.

Die konkrete Machbarkeit des Einsatzes eines solchen Systems soll in dieser Arbeit anhand der Umgebung des „Das Tietz“ in Chemnitz analysiert werden. Im Rahmen dessen soll erarbeitet werden, inwieweit die Umsetzung von Lokalisierungsverfahren, mit der heute verfügbaren Technik, realistisch ist und ob diese für die konkrete ge- plante Anwendung ausreichen. Durch Integration und Auswertung einer Teststellung im Umfeld des „Das Tietz“, sollen Schwächen der Technik aufgedeckt und explizite Messergebnisse geliefert werden, die für die Konzeption einer Lösung notwendig sind.

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2. Rahmenbedingungen für ein Location Based Service

2.1 Begriff und Funktion eines Location Based Services

„Location Based Services“ (LBS) sind standortbezogene Dienste, die mit Hilfe von personen-, zeit- und positionsabhänigen Daten dem Nutzer Informationen selektiv zur Verfügung stellen oder Dienste anderer Art erbringen.

Es wird unterschieden zwischen proaktiven und reaktiven Location Based Services.

Reaktive standortbezogene Dienste handeln nur auf einen Anstoß von außen. Der Nutzer muss den Dienst ausdrücklich anfordern, erst dann wird dieser aktiv und reagiert auf die Anfrage. Ein solcher ist zum Beispiel die Filial-Suche der Deutschen Post (siehe [POS09]). Hier muss der Nutzer den Standort (in Form der PLZ oder des Ortes) eingeben und bekommt alle Filialen in seiner direkten Umgebung angezeigt.

Eine weitere Anwendung eines reaktiven LBS ist der CityGuide von TeleAtlas ([TEL09]). Bei diesem werden städtespezifische Informationen zu Points of Interest (POI) angeboten. Dies können etwa Angaben zu Sehenswürdigkeiten, Kinos oder Firmen sein.

Ein proaktiver LBS reagiert dagegen auf bestimmte Ereignisse ohne direkte Anforde- rung durch den Nutzer. Der Dienst handelt so zu sagen im Voraus (initiativ). Ein solches System ist beispielsweise der Mobilfunk-Anbieterwechsel beim Überschrei- ten der Landesgrenze. Das Überqueren wird erkannt und der Nutzer erhält meist eine SMS, in welcher er über den Wechsel informiert wird oder er die Aufforderung dazu erhält, soweit dies nötig ist. Auch in manchen Krankenhäusern kommen proak- tive Dienste zum Einsatz. Mitunter werden die Standorte von Betten, Ärzten oder Patienten verfolgt um im Notfall schnellst möglich auf diese zugreifen zu können ([TRN09]).

An einem Location Based Service sind mehrere Akteure beteiligt. Im Wesentlichen besteht er aus Dienstanbieter, Dienstnutzer, Ortsbestimmer, Positionsbestimmer und

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reicht und die Positionsermittlung mittels der Ortungsinfrastruktur des Dienstbetrei- bers durchgeführt wird und zum anderen das endgerätbasierende Ortungsverfahren, bei dem der Client selbst diese Aufgabe übernimmt.

Je nach Verfahren schickt der Positionsermittler oder das Endgerät selbst seine rohen Positionsdaten an den Ortsbestimmer. Dieser bereitet die Daten so auf, dass sie an den Dienstanbieter übermittelt werden können und er diese dem Dienst ent- sprechend mit weiteren Informationen bestücken und mit den zeit- und personenspe- zifischen Daten des Dienstnutzers verknüpfen kann. Im Finitum erhält der Nutzer die aufbereiteten Informationen (siehe Abbildung 01: Aufbau eines Location Based Ser- vices).

Endgerät können identisch sein

= Dienstnutzer

2 Anfrage Info

1 rohe

Positionsdaten

Positionsbestimmer Ortsbestimmer Dienstanbieter Aufbereitete

Daten 1 Netzbasierende Ortung

2 Endgerätbasierende Ortung

Abbildung 01: Aufbau eines Location Based Services Beispiel zum Funktionsprinzip

Ein Nutzer sucht die nächstgelegene Post-Filiale in seiner Umgebung. Dazu ruft er via Handy einen webserverbasierenden POI-Dienst auf, bei dem er seine Handy- nummer angeben muss. Der Dienstanbieter reicht die Anfrage nun an einen Server

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realisiert (Positionsbestimmer). Beim Senden der SMS werden die Standortdaten des Handys aktualisiert. Der Server erfährt so, welche Sendeantenne dem Mobil- funkgerät am nächsten ist. Bei einem zellgenauen Verfahren kann der Ortsbestim- mer die Koordinaten der Sendeantenne mittels einer Tabelle ermitteln und die unge- fähre Position des Handys feststellen. Diese Koordinaten werden dem Dienstbetrei- ber übermittelt und mit Daten aus seiner Datenbank ergänzt. In diesem Fall sind es die Adressen der Postfilialen in der Nähe des Nutzers, die als Tabelle oder auf einer geografischen Karte dem Dienstnutzer dargestellt werden.

2.2 Potentiale eines Location Based Services

Die kommerzielle Vermarktung standortbezogener Dienste ist ein zurzeit stark wachsender Markt.

Zu Rettungszwecken sind diese schon allgegenwärtig. Hilfesuchende, sowie Ret- tungskräfte werden per Handy geortet, um den Standort dieser auszumachen und so eine möglichst schnelle Hilfe organisieren zu können.

In den letzten Jahren traten immer mehr Dienstleister in den Vordergrund, die Stand- ortbezogene Dienste anbieten. Ein Wesentlicher ist beispielsweise das Informieren über Points Of Interest (Kinos, Autowerkstatt, Touristeninformation etc.) in unbekann- ten Umgebungen.

Aber auch der Einsatz im Arbeitsumfeld ist denkbar. So kann die Information über den Standort von Mitarbeitern in einer non-territionalen Arbeitsumgebung über Loca- tion Based Services erbracht werden und eine Verknüpfung von flexibler Arbeitsum- gebung und gezielten Zugriff auf Mitarbeiter realisiert werden. Diese Strategie wird momentan schon in einzelnen Krankenhäusern verfolgt.

Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Informationsverbreitung in öffentlichen Einrichtun- gen oder in Museen. Dem Besucher könnten beispielsweise Informationen zu bestimmten Bereichen und Ausstellungstücken erbracht werden.

Standortbezogene Dienste können vielseitig eingesetzt werden und besitzen damit

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2.3 Verfahren zur Standorterfassung

Die wichtigste Information für die Ausführung eines Location Based Services ist der Standort des Endgerätes beziehungsweise des Nutzers. Um diesen zu erfassen, gibt es drei Verfahrensweisen. Die nutzerbasierende Erfassung, die Ortung mit Hilfe von Funksystemen und die physikalische Erfassung.

Bei der nutzerbasierenden Erfassung gibt der Anwender selbst seine Position an.

Dies kann durch eine Positionsangabe auf einer Karte oder durch Eingabe der Posi- tionsdaten (zum Beispiel die Postleitzahl oder die Postadresse) geschehen.

Der Nachteil dieser Methode ist die mögliche Ungenauigkeit der Positionsangabe, die durch Unwissenheit oder Fehleingabe entstehen kann. Falls der Dienst ein infor- mierender Dienst im Sinne eines POI-Services ist, liegt der Vorteil dieses Verfahrens darin, dass der Nutzer unabhängig von seiner aktuellen Position beliebige Daten angeben kann, um etwa Informationen über zukünftige Standorte abzufragen.

Ein Client kann auch über physikalische Systeme erfasst werden. Eine typische Methode ist das „Tracing und Tracking“-Verfahren via Barcode (vergleiche [DHL09]).

Es wird hauptsächlich im Logistikbereich zur Sendungsverfolgung (Pakete, Ein- schreiben etc.) eingesetzt und dient zur Feststellung des Zustandes einer Lieferung.

Tracking steht hierbei für die Lokalisierung und Tracing für weiterführende Informati- onen, wie den Arbeitsgang, den die Lieferung passiert hat. Durch Kennzeichnung mit einem eindeutigen Barcode kann die Sendung an allen Umschlagsorten, bei allen Abholungen und Verschiebungen gescannt und somit lokalisiert werden. Der Dienstleister hat dadurch die Möglichkeit die Übergabe der Sendungen an andere Dienstleister zu überwachen und Zustellungsfehler zu vermeiden bzw. diese erleichtert beheben zu können. Auch der Service-Bereich kann seine Kunden besser und einfacher zufrieden stellen, indem er über die Position der Sendung Auskunft geben kann.

Weitere Möglichkeiten der physikalischen Erfassung sind die Registrierung per Ka- mera (Nummernschilderfassung) oder die Verfolgung durch Induktionsschleifen, die jedoch nur zwischen den Zuständen „Objekt hat passiert“ und „Objekt hat nicht pas-

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Ein Teil der physikalischen Methoden, allerdings auf Grund seiner Eigenständigkeit als separates Verfahren betrachtet, ist die Möglichkeit der Ortung mittels Funksyste- men.

In der Abbildung 02: Funksysteme“ werden „die unterschiedlichen Funksysteme dargestellt. Man unterscheidet zwischen Lokalen und Globalen. Zu den Lokalen (örtlich begrenzten) Systemen gehören Infrarot, Ultra Breitband (UWB), Bluetooth, nicht standardisierte Radio-Frequenzen und die Wireless-Local-Area-Network (WLAN) Technologie. Globale Funksysteme werden nochmals unterteilt in satelliten- gestützte (GPS, Galileo, Glonass) und telekommunikationsbasierende Systeme (2G e.g. GSM und 3G e.g. UMTS).

Funksysteme

Local Global

Satelliten- Telekommunikations- gestützt basierend

WLAN Infrarot Ultrabreit-

band (UWB)

GPS Galileo 2G 3G nicht standard. (USA) (Europa) e.g. e.g.

Radio Frequenzen Bluetooth GSM UMTS Glonass

Ultraschall (RUS)

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2.4 Funkbasierende Positionsbestimmung 2.4.1 Allgemeiner Aufbau / GSM

Die Information über den Standort des Nutzers / Endgerätes ist für einen Location Based Service von großer Bedeutung. Um diesen mittels eines funkgestützten Sys- tems ausfindig zu machen, gibt es eine Vielzahl von Techniken. In den folgenden Abschnitten werden die Positionsbestimmungsmethoden in einem Mobilfunknetz näher erläutert.

Es gibt vier „Radio frequency“ (RF) -basierende Verfahren zur Standortbestimmung.

Es handelt sich um die Methoden „Angle Of Arrival“ (AOA), „Received Signal Strength“ (RSS), „Time Based Methode“ und „Cell of Origin“ (COO).

Allgemein liegt folgender Aufbau eines „Global System for Mobile Communication“

(GSM) vor:

Jedes Endgerät (Mobiltelefon) ist stets, sofern möglich (kein „Funkloch“), an genau einer Basisstation („Base Tranceiver Station“, BTS) angeschlossen. Der Abde- ckungsbereich einer BTS kann unterschiedlich sein, da die Antenne nur eine bestimmte Anzahl an Endgeräten versorgen kann. Im städtischen Bereich sind diese demzufolge kleiner (bis zu einem Radius von zwei bis drei Kilometern) und im ländli- chen Sektor größer (bis zu 35 Kilometer). Jede Basisstation ist an einen Controller („Base Station Controller“, BSC) gekoppelt. Dieser stellt die wesentliche Logik, beispielsweise das Umschalten der BTS zwischen Senden und Empfangen oder einen Frequenzwechsel, bereit. Zusammen ergeben die Basisstation und der Controller das „Base Station Subsystem“ (BSS). Das BSS ist mit dem „Network Switching Sub- system“ verbunden, welches die Verbindung zu anderen Mobiltelefonen und die Schnittstelle zum Festnetz realisiert (Vergleiche Abbildung 03: Aufbau eines GSM).

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Abbildung 03: Aufbau eines GSM

2.4.2 Angle of Arrival (AOA)

Die Messmethode „Angle of Arrival“ basiert auf der Auswertung des Einfallwinkels des Signals an mehreren Basisstationen. Diese messen jeweils den Winkel zum Endgerät aus (siehe Abbildung 04: Angle of Arrival (AOA)).

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Dieses Verfahren wird in der Praxis nur sehr wenig eingesetzt, da es zwei wesentliche Nachteile mit sich bringt. Zum Einen muss immer eine direkte Sichtverbindung („Line of Sight“, LOS) zu den Basisstationen vorhanden sein. Sobald diese behindert oder nicht vorhanden ist, versagt das Verfahren. Zum Anderen müssen die Antennen der Basisstation eine Winkelmessung des Signals unterstützen. Diese Funktionen sind meist nicht vorhanden und müssten kostenintensiv nachgerüstet werden.

Abbildung 04: Angle of Arrival (AOA) 2.4.3 Received Signal Strength (RSS)

Das „Received Signal Strength“-Verfahren basiert auf der Messung der Feldstärke.

Es stützt sich auf die Tatsache, dass die Feldstärke einer elektromagnetischen Welle mit dem Quadrat der Entfernung vom Sender abnimmt. Dabei wird von einer kugel- förmigen, isotropen Ausbreitung ausgegangen (siehe Abbildung 05: Received Signal Strength (RSS)).

Um eine Lokalisierung durchzuführen, muss die Feldstärke an verschiedenen Refe- renzpunkten gemessen werden. Diese sind fest installierte Knoten (Basisstationen), deren Standort bekannt ist.

Ein Problem der Methode ist die Anfälligkeit auf Dämpfungs- und Mehrwegeausbrei- tungseffekte, die Verstärkungen oder Auslöschungen der Funkwellen hervorrufen können und somit die Ergebnisse verfälschen.

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Der Vorteil der Methode ist, im Gegensatz zum AOA-Verfahren, die universelle Ein- setzbarkeit. In fast jedem Funkempfänger ist eine Verstärkerstufe vorgeschalten, die die Feldstärke misst, um die Signalstärke anzupassen. Auf Grund dessen ist dieses Verfahren sehr verbreitet und liefert laut [ADU02] eine Genauigkeit von ca. 150m.

Abbildung 05: Received Signal Strength (RSS)

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2.4.4 Time Based Method

Die zeitbasierenden Methoden nutzen die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funkwellen, um die Position des Endnutzers zu bestimmen. In einer Nanosekunde legen die Wellen ca. drei Meter zurück. Es existieren die Ansätze „Time of Arrival”,

„Round Trip Time of Flight” und „Time Difference of Arrival”.

Time of Arrival (TOA)

Bei der Positionsortungstechnik „Time of Arrival“ wird die Zeit gemessen, die das Signal benötigt, um von der Basisstation zum Client zu gelangen. Anhand der Sig- nalausbreitungsgeschwindigkeit (nahezu Lichtgeschwindigkeit) kann die Distanz zwischen Basisstation und Client berechnet werden. Für ein eindeutiges Ergebnis sind mindestens drei Basisstationen notwendig (siehe Abbildung 06: Time of Arrival (TOA))

Nach [STA02] ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit von ca. 125 Meter zu erreichen.

Der Vorteil der Technik ist, dass clientseitig keine Hard- oder Softwareerweiterung notwendig ist. Jedoch brauchen die Basisstationen sehr genaue Messtechnik, um die kurzen Zeitintervalle beziehungsweise Zeitunterschiede erfassen zu können. Auch die Synchronisation von Sender und Empfänger muss sehr genau sein, da durch die hohe Signalausbreitungsgeschwindigkeit schon kleinste Abweichungen enorme Fehler in der Standortbestimmung zur Folge haben. Weicht diese auch nur um eine Mikrosekunde ab, so bedeutet dies einen Fehler von ca. 300 Metern.

Dieser Zeitabgleich ist aber sehr schwierig und kostenintensiv. Die Basisstation kann nicht einfach den Zeitstempel des Endgerätes übernehmen, da so eine Abweichung um die Dauer entstehen würde, die er für die Übertragung benötigt. Diese „Time of Flight“ ist jedoch auch genau die Zeit, die zur Positionsortung genutzt wird. Algorith- men wie der „Berkeley-Algorithmus“ oder der „Christians-Algorithmus“ umgehen das Problem rechnerisch.

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Abbildung 06: Time of Arrival (TOA) Round Trip Time of Flight (RTOF)

Bei der „Round Trip Time of Flight”-Methode wird die kostenintensive Zeitsynchroni- sation der „Time of Arrival“-Technik nicht mehr benötigt. Hier wird die Zeit gemessen, die das Funksignal benötigt, um von der Basisstation zum Endgerät und zurück zu gelangen (siehe Abbildung 07: Round Trip Time of Flight (RTOF)). Die Basisstation ist Sender und Empfänger zugleich, und es wird nur eine Uhr benötig. Eine Synchro- nisation ist in diesem Fall überflüssig. Jedoch ist es problematisch, dass das Endge- rät der Basisstation nach einer festgelegten Zeit antworten muss. Dies kann allerdings nie hundertprozentig gewährleistet werden. Diese Methode ist gegenüber der

„Time of Arrival“-Technik zwar günstiger, die Genauigkeit der Positionsangabe sinkt jedoch.

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Abbildung 07: Round Trip Time of Flight (RTOF) Time Difference of Arrival (TDOA)

Das „Time Difference of Arrival”-Verfahren berechnet den Standort über die Zeitun- terschiede zwischen dem Eintreffen des Signals an verschiedenen Base Tranceiver Stations. Das Endgerät sendet gleichzeitig ein Signal an alle erreichbaren Basisstati- onen, welches beim Eintreffen einen Zeitstempel auslöst. Die so gewonnenen „Ti- mestamps“ werden verglichen. Es gilt der Grundsatz: Je näher sich ein Endgerät an einer Basisstation befindet, desto geringer ist die Zeit, die das Signal von Sender zu Empfänger benötigt und so kleiner ist auch der Zeitstempel. Mit Hilfe dieser Daten wird der Standort berechnet (siehe Abbildung 08: Time Difference of Arrival (TDOA)).

Da lediglich die Basisstationen die Zeitstempel vergleichen, müssen auch nur diese die Zeit synchronisieren. Das Endgerät ist dabei nicht von Bedeutung und benötigt keine zusätzliche Technik zur Zeitsynchronisation.

Auch hier ist eine Positionierung auf ca. 150 Meter möglich.

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Abbildung 08: Time Difference of Arrival (TDOA)

2.4.5 Cell of Origin (COO)

Die technisch Einfachste, jedoch auch ungenaueste Methode zur Ortung ist „Cell of Origin“. Es wird festgestellt, über welche Basisstation sich das Endgerät eingelockt und eine Verbindung aufgebaut hat. Über die Position der Basisstation kann so der ungefähren Ort des Endgerätes bestimmt werden (Funkzelle).

Die Genauigkeit dieser Methode ist sehr infrastrukturabhängig. Dies wird am Beispiel des Handynetzes deutlich, welches in Funkzellen unterteilt ist (siehe Abbildung 09:

Cell of Origin (COO)). Je kleiner die Zellen sind, umso genauer kann eine Positions- angabe geliefert werden. In Städten ist eine Genauigkeit von ca. 100 bis 300 Metern möglich. In ländlichen Gebieten können die Zellen über mehrere Kilometer erstreckt sein und liefern somit nur einen sehr ungenauen Rückschluss auf den Standort.

Durch einfaches Auslesen der momentanen Funkzelle wird bei diesem Verfahren

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Abbildung 09: Cell of Origin (COO)

2.5 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

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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), welches 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).

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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-

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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 eingesetzt 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

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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 beispielsweise ein gleiches Signal in unterschiedlichen Signalstärken und auf verschiedenem Wege beim Empfänger eintreffen. Damit ergibt sich ein Problem für die „Received

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„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

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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.

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3. Studie in der Testumgebung

3.1 Kundenumgebung

„Das Tietz“ ist ein ehemaliges Kaufhaus im Zentrum von Chemnitz. Seit der Sanie- rung sind viele kulturelle und innovative Einrichtungen in diesem Haus untergebracht.

Zu diesen gehören das Naturkundemuseum, die Stadtbibliothek und die Volkshoch- schule.

„Das Tietz“ ist offen für innovative Ideen und Lösungen. So ist ein informationsbrin- gender „Location Based Service“ mittels mobiler Geräte im Naturkundemuseum denkbar. Mit diesen wäre es möglich dem Besucher Details zu den Exponaten auf ein mobiles Gerät (z.B. PDA) zu liefern, wenn er sich in der Nähe dieser befindet.

Die Umsetzung eines solchen Dienstes und die Lokalisierungsverfahren sollen in den folgenden Punkten näher betrachtet werden.

Das Naturkundemuseum ist im ersten Obergeschoss angesiedelt. Da „Das Tietz“ - wie bereits erwähnt - einmal ein Kaufhaus war, ist es geprägt durch einen Lichthof und großen Freiflächen die nur durch Säulen unterbrochen sind. Es gibt einzelne Projektor- und Verwaltungsräume (siehe Abbildung 11: Grundriss 1.OG).

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3.2 Versuchsaufbau

Durch die zum gegenwärtigen Zeitpunkt verfügbare Gerätetechnik sind die technischen Parameter vorgegeben. Im Rahmen dieser Arbeit soll darauf aufbauend eine Strategie für den Einsatz entwickelt beziehungsweise Aussagen über die Qualifizie- rung in technischer und wirtschaftlicher Sicht einer solchen Lösung getroffen werden.

Als Basis dafür wurden im Bibliotheksbereich des „Das Tietz“ Messungen mit dem

„Radio Frequency Fingerprint“-Verfahren durchgeführt.

Folgender Versuchsaufbau lag den Tests zu Grunde:

Ein Client befindet sich in Reichweite eines WLAN Netzes. Dieses besteht aus mehreren „Access-Points“, einen „Access-Point-Controller“, „Gateway“ zum Ethernet und Internet und einer „Location-Appliance“, zum errechnen des Standortes des Clients.

Die Location-Appliance ermittelt den Standort des Endgerätes mittels der „Radio Frequency Fingerprint“-Methode. Wenn ein Client in die Reichweite des WLAN- Netzes kommt, empfängt er die Signalstärken der APs je nach Entfernung und Um- gebung unterschiedlich stark. Anhand vorher gemessener Referenzpunkte, sogenannte Fingerprints, wird nun ermittelt, an welchem Standort der Client sich wahr- scheinlich befindet (siehe Abbildung 12: Allgemeiner Versuchsaufbau).

(29)

3.2.1 Eingesetzte Technik

€Das Tietz• verf‚gt ‚ber ein WLAN-System, in der nachstehende Technik im Einsatz ist:

Ca. 24 im gesamten Haus verteilte €MP-372• (mit 802.11b betriebene) Access-Points von €Trapeze Networksƒ• (im folgendem €Trapeze• genannt), welche folgende Pa- rameter besitzen (vergleiche [TRA07]):

€ Dual-radio 802.11a und 802.11b/g Access Point mit Dual-Ethernet,

€ Interne Dualband Antennen und weibliche SMA Anschl‚sse f‚r 802.11a (5 GHz) und 802.11b/g (2.4 GHz) externe Antennen

Als WLAN-Controller fungiert der €Mobility Exchange MX-200R• von Trapeze. Dieser ist f‚r das Management der Access-Points, die Sicherheit (Verschl‚sselung des WLANs) und den Zugang der Nutzer verantwortlich. Weiterhin stellt er Services und die Verbindung zum Gateway bereit und somit zum Ethernet und Internet her.

Zur besseren Bedienung des komplexen Ger„tes ist die €Ringmaster Tool Suite•, ebenfalls von Trapeze, im Einsatz. Diese erleichtert die Planung, Konfiguration und das Monitoring des Wireless LANs.

Da die WLAN-Umgebung ausschlie…lich mit Technik des Markenherstellers €Trape- ze• realisiert wurde, bietet es sich an, auch die Tracking-Hard- und Software dieses Herstellers zu verwenden. Dadurch sollen Probleme beim Zusammenspiel unter- schiedlicher Hardware verschiedener Hersteller ausgeschlossen werden und ein m†glichst genaues und repr„sentatives Ergebnis erlangt werden.

In diesem Sinne soll die €Location-Appliance LA-200• von Trapeze in das System integriert werden. Mit Hilfe der €LA-200• soll ein serverseitiges Tracking mittels dem

€RF Fingerprint•-Verfahren verwirklicht werden.

Der Hersteller beschreibt das Ger„t wie folgt (vergleiche [TRA09]):

(30)

se applications such as asset tracking, locationsensitive content delivery, location- aware security as well as a wealth of custom applications that integrate voice and data with location-aware identity-based networking. […] „

Über die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Trackings werden folgende Angaben in [TRA09] gemacht (siehe Tabelle 1: LA-200):

Tabelle 1: LA-200

LA-200

Genauigkeit auf 10 Meter: 99 %

Mittlere Tracking-Geschwindigkeit: 30 Sekunden Schnellste Tracking-Geschwindigkeit: 10 Sekunden

Anzahl verfolgbarer Clients 4000 Stück

Der Hersteller Trapeze gibt für eine Positionsbestimmung eine Genauigkeit auf zehn Meter mit 99% an. Fünf Meter werden noch mit 97% erkannt und auf drei Meter genau mit 95%. Allerdings werden keine Angaben zur Testumgebung gemacht. Dem- nach lässt sich nicht erkennen, ob die Angaben nur für eine bestimmte Umgebung oder generell für WLANs gelten.

3.2.2 Lokalität

Die Testumgebung befindet sich in der dritten Etage des Kulturkaufhauses „Das Tietz“ in Chemnitz. Die Stadtbibliothek Chemnitz ist dort ansässig.

„Das Tietz“ ist – wie bereits erwähnt – ein ehemaliges Kaufhaus, indem es viele Freiflächen und einen Lichthof gibt. In den Freiflächen stehen in der Bibliothek circa aller fünf Meter Stützsäulen. Bücherregale, Tische und Möbel sind im Abstand von etwa zwei Metern und in der gesamten Etage verteilt.

(31)

3.2.3 Arbeitsweise des Verfahrens

Die Standortbestimmung der LA-200 basiert auf dem „RF Fingerprint“-Verfahren (siehe auch 2.5.5 Radio Frequency Fingerprinting). Die Standorte der Clients werden hierbei mit Hilfe von Referenzdaten, sogenannte Fingerprints, ermittelt. Bei dieser Methode gibt es zwei grundlegende Phasen. Zum einen die „Offline Phase“, in der die Referenzpunkte gesetzt werden und zum anderen die „Online Phase“, welche der Lokalisierung der Endgeräte dient.

Offline Phase

Um verwertbare Referenzdaten zu schaffen, müssen drei Schritte durchgeführt werden: Die Zuordnung von Lokalen, die Erstellung der Fingerprints und eine anschlie- ßende Fehlerauswertung und Evaluierung der Messdaten.

Als Erstes muss die Lokalität, in der eine Standortbestimmung durchgeführt werden soll, in Bereiche unterteilt werden. Diese stellen die Standorte der zu lokalisierenden Geräte dar. Die Größe der Lokale hängt nach Herstellerangaben von der jeweiligen Einsatzumgebung ab. Access-Point-Dichte, bauliche Gegebenheiten und Umweltein- flüsse beeinflussen die Genauigkeit maßgeblich (siehe auch Tabelle 1: LA-200). Als Richtgrößen wurden Lokalgrößen zwischen 9 und 50 m² vom Hersteller genannt.

Wenn die Lokale eingeteilt sind, müssen Referenzpunkte erstellt und gemessen werden. Diese sollten im Abstand von zwei bis vier Metern gesetzt und gleichmäßig verteilt werden. So wird eine Abdeckung des gesamten Lokales garantiert. An den einzelnen Punkten werden nun Signalstärkemessungen durchgeführt. Dazu muss sich ein WLAN-fähiger Client an diesem Punkt befinden. Mittels MAC Adresse wird dieser von der LA-200 eindeutig identifiziert.

Die Location-Appliance erfasst die Signalstärke des Clients an den Access-Points und erstellt daraus einen für den Referenzpunkt typischen Fingerabdruck. Zu diesem Zweck sollten alle Access-Points auf einen gleichen Kanal geschalten werden (nach Angaben von Trapeze). Ohne diese sind nur kaum verwertbare Ergebnisse zu errei-

(32)

gen Lokal zugeordnet. In den Messungen sollten laut Trapeze mindestens sechs bis acht Access-Points einbezogen sein.

Wenn alle Fingerprints erzeugt wurden, können diese einer Evaluierung unter- zogen werden. Die LA-200 vergleicht die Punkte und untersucht sie auf Ähn- lichkeit und Fehler. Haben Referenz- punkte in unterschiedlichen Lokalen zu große Übereinstimmungen (über zehn Prozent), wird empfohlen diese zu löschen und gegebenenfalls noch einmal neu einzumessen. Je unterschied- licher sie zueinander sind, umso ein- deutiger kann in der „Online Phase“ ein Client einem bestimmten Lokal zugeordnet werden.

Online Phase

Nachdem alle Referenzpunkte der Lokale korrekt erstellt und evaluiert sind, ist das System bereit für die „Online Phase“, in der nun die Standortbestimmung der Endge- räte erfolgt.

Die LA-200 erstellt zu diesem Zweck Fingerprints von Clients, die sich im Sichtbe- reich der Access-Points befinden und vergleicht diese mit denen der Referenzpunk- te. Der Client wird dann dem Lokal zugeordnet, in dem die höchste Ähnlichkeit auf- getreten ist. Falls keine Übereinstimmung mit den vorhandenen Punkten gefunden werden kann, wird er dem „Elsewhere“ zugeordnet. In diesen fallen alle Engeräte, die keinem Bereich zugeordnet werden können, da sie sich beispielsweise außerhalb der eingemessenen Lokale befinden.

Das Tracking erfolgt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 30 Sekunden (siehe Tabelle 1: LA-200).

Tabelle 2: Messung ohne Gleichschaltung Zeit in min Lokal Soll Lokal Ist

0 bis 1 A EW

1 bis 2 B A

2 bis 3 C A

3 bis 4 B B

4 bis 5 A C

5 bis 6 B EW

6 bis 7 A A

7 bis 8 B C

8 bis 9 C EW

9 bis 10 B B

Übereinstimmung in % 30

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3.3 Messmethoden und Ergebnisse

Im Laufe der Tests mit der LA-200 wurden vier verschiedene Messstrategien ange- wandt. Es wurden kleine und große Lokale mit jeweils wenigen und vielen Referenz- punkten ausgemessen. Ein kleines Lokal bewegt sich dabei um eine Größe von zehn bis fünfzehn Quadratmetern, ein Großes zwischen 40 m² und 50 m².

Die Tests wurden an verschiedenen Standorten im Haus durchgeführt und erbrach- ten alle ein ähnliches Ergebnis. Die folgenden Messungen sollen diese veranschauli- chen.

Strategie 1: Kleine Lokale mit wenig Referenzpunkten

Als Erstes sollen fünf kleine Lokale, mit einer Größe von ca. 10 bis 15 m² betrachtet werden. In diesen werden nur ein bis zwei Referenzpunkte gesetzt (siehe Abbildung 13: Strategie 1).

Abbildung 13: Strategie 1

Um die Genauigkeit zu betrachten, wurde in bestimmten Zeitintervallen von einem zum anderen Lokal gewechselt. Dies geschah in der Reihenfolge A-B-D-E-D-C-A-B- A-C. Es wurden zwei Messungen mit jeweils Ein- und Zwei-Minuten-Intervallen durchgeführt, um den Einfluss der Trackingzeit ersichtlich zu machen. Folgende Tabellen zeigen deren Protokollierung auf. Anhand der Übereinstimmung von Soll-

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Tabelle 3: Protokoll 1-1

Zeit in min Lokal Soll Lokal Ist

0 bis 1 A A

1 bis 2 B A

2 bis 3 D EW

3 bis 4 E D

4 bis 5 D D

5 bis 6 C D

6 bis 7 A B

7 bis 8 B A

8 bis 9 A B

9 bis 10 C B

0 bis 2 A EW

2 bis 4 B A

4 bis 6 D D

6 bis 8 E D

8 bis 10 D D

10 bis 12 C D

12 bis 14 A A

14 bis 16 B B

16 bis 18 A B

18 bis 20 C B

Die Übereinstimmung mit den Soll-Daten fällt in beiden Messungen mit 20% und 40% sehr gering aus. Aus der höheren Übereinstimmung bei den Zwei-Minuten- Intervallen lässt sich vermuten, dass die Trackingzeiten bis zur korrekten Erfassung teilweise über einer Minute liegen.

Strategie 2: Kleine Lokale mit vielen Referenzpunkten

Es wurden die gleichen Lokale wie in Strategie 1 betrachtet und zwei verschiedene Intervalle gemessen. Die Anzahl an Referenzpunkten wurde auf drei bis vier pro Lokal erhöht (siehe Tabelle 5, Tabelle 6 und Abbildung 14: Strategie 2).

(35)

0 bis 1 A A

1 bis 2 B A

2 bis 3 D B

3 bis 4 E D

4 bis 5 D C

5 bis 6 C D

6 bis 7 A A

7 bis 8 B B

8 bis 9 A B

9 bis 10 C B

0 bis 2 A A

2 bis 4 B B

4 bis 6 D A

6 bis 8 E D

8 bis 10 D D

10 bis 12 C D

12 bis 14 A B

14 bis 16 B A

16 bis 18 A A

18 bis 20 C EW

Gegenüber der Strategie 1 tritt nur eine leichte Verbesserung des Ergebnisses auf.

Auch hier wird eine höhere Genauigkeit mit längeren Messintervallen erreicht.

Aus Strategie 1 und 2 wird ersichtlich, dass kleine Lokale nicht mit der nötigen Ge- nauigkeit und einer wünschenswerten schnellen Trackingzeit (kleiner als 30 Sekun- den) korrekt erkannt werden. Aus diesem Grund sollen nun Messreihen mit größeren Lokalen (ca. 50m²) durchgeführt werden.

Strategie 3: Große Lokale mit wenig Referenzpunkten

Es sollen nun drei circa 50 Quadratmeter große Lokale betrachtet werden. Zuerst wird mit drei bis vier Referenzpunkten pro Lokal gemessen (siehe Abbildung 15:

Strategie 3). Dies sind relativ wenige Punkte im Bezug zur Fläche. Mit Hilfe unter- schiedlicher Intervalle soll die Trackingzeit bewertet werden (siehe Tabelle 7 und Tabelle 8). Die Abfolge der Lokale ist A-B-C-B-A-B-A-B-C-B.

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Abbildung 15: Strategie 3 Tabelle 7: Protokoll 3-1

0 bis 1 A B

1 bis 2 B A

2 bis 3 C EW

3 bis 4 B B

4 bis 5 A C

5 bis 6 B A

6 bis 7 A B

7 bis 8 B B

8 bis 9 C C

9 bis 10 B B

0 bis 2 A A

2 bis 4 B A

4 bis 6 C D

6 bis 8 B D

8 bis 10 A D

10 bis 12 B D

12 bis 14 A A

14 bis 16 B B

16 bis 18 C B

18 bis 20 B B

Durch die Messungen ergibt sich eine Übereinstimmung der Soll- und Ist-Werte von 40%. Die unterschiedlichen Lokalwechsel-Intervalle haben bei dieser Messreihe keine Auswirkung auf das Ergebnis. Auffallend ist, dass vermehrt Übereinstimmun- gen bei dem Lokal B auftreten. Dies könnte mit qualitativ guten Fingerprints der Re- ferenzpunkte zusammenhängen.

Strategie 4: Große Lokale mit vielen Referenzpunkten

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punkte wurde auf sechs bis acht Stück pro Lokal erhöht (siehe Tabelle 9, Tabelle 10, Tabelle 7 und Abbildung 16: Strategie 4).

Abbildung 16: Strategie 4 Tabelle 9: Protokoll 4-1

0 bis 1 A EW

1 bis 2 B A

2 bis 3 C C

3 bis 4 B B

4 bis 5 A C

5 bis 6 B A

6 bis 7 A B

7 bis 8 B B

8 bis 9 C C

9 bis 10 B B

0 bis 2 A A

2 bis 4 B B

4 bis 6 C EW

6 bis 8 B B

8 bis 10 A D

10 bis 12 B B

12 bis 14 A A

14 bis 16 B B

16 bis 18 C A

18 bis 20 B A

Im Vergleich zu den Messungen der anderen Strategien, hat sich die Quote der Übereinstimmungen um zehn bis zwanzig Prozent erhöht. Die Übereinstimmung bei einem Wechsel der Lokale im Intervall von einer Minute beträgt 50% und bei einem Intervall von zwei Minuten 60%. Auch wurde, wie in der Strategie 3, verstärkt der

(38)

3.4 Auswertung der Messreihen

Aus den Messungen wird ersichtlich, dass die eingesetzte Technik in der Testumge- bung nicht die nötige Genauigkeit bringt, die gefordert ist.

Je kleiner und damit präziser die Einteilung der Lokale vorgenommen wurde, umso ungenauer war die Erfassung der Standorte des Clients (siehe Tabelle 3 und Tabelle 4). In Strategie 1 und 2, welche beide mit kleinen Lokalen von ca. 10 bis 15 m² arbei- teten, lag die korrekte Zuordnung dieser zwischen 20% und 40%. Mit größer Einge- teilten, ca. 50 m² großen Bereichen, konnte ein besseres Ergebnis mit 40% bis 60%

erreicht werden. Dies war in Strategie 3 und 4 der Fall.

Mit der Zunahme der Dichte der Referenzpunkte, erhöhte sich auch die Überein- stimmung der Soll- und Ist-Werte. In Strategie 4 wurde so eine 60%-ige korrekte Erfassung erreicht. Nach Herstellerangaben sind Erfassungen in dieser Lokalgröße mit über 97%-iger Korrektheit möglich.

Doch je grober die Einteilung der Lokale, umso ungenauer ist die Standorterfassung, da Endgeräte in der Onlinephase lediglich den Lokalen zugeordnet werden.

Auffallend ist, dass mit dem Lokal-Wechsel-Intervall von zwei Minuten (siehe Tabelle 4, Tabelle 6 und Tabelle 10), außer bei der Strategie 3, immer ein besseres Ergebnis erzielt wurde, als bei den Messungen mit Ein-Minuten-Intervallen. Daraus geht hervor, dass die Trackingzeit bis zur korrekten Erfassung des Lokales häufig über einer Minute liegt. Laut Herstellerangaben sind jedoch Zeiten von dreißig Sekunden Mit- telmaß.

Ebenfalls auffällig ist die Tatsache, dass der Bereich B, in den Messungen mit gro- ßen Lokalen (Strategie 3 und 4), besonders zuverlässig erkannt wurde. Der Bereich B wurde zwanzigmal gemessen und wurde in zwölf Fällen korrekt erkannt. Das Lokal A und C dagegen nur zu 33% bzw. 37,5% (siehe Tabelle 11).

Tabelle 11: Erkannte Lokale Lokal Anzahl Mes-

sungen

Anzahl Korrekt erkannter Lokale

Korrekt Er- kannt in %

A 12 4 33

B 20 12 60

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Da alle Bereiche in den Messungen gleich behandelt wurden, kann die zuverlässige- re Erkennung des Bereiches B nur an den erstellten Fingerprints der Referenzpunkte liegen. Diese sollen nun betrachtet und ausgewertet werden.

Die Location-Appliance LA-200 bietet keine direkte numerische Auswertung der Fingerprints. Diese werden lediglich als Balkendiagramm mit den jeweiligen Access- Points dargestellt. Aus dieser Darstellung wurde folgende Tabelle (Tabelle 12: Fin- gerprints der Lokale) erstellt und soll einen Überblick über die Fingerprint-Messungen in den Lokalen A, B und C der Strategie 3 und 4 bieten.

Tabelle 12: Fingerprints der Lokale

Lokal FP/AP 4637 3991 4210 4745 4382 4282 4693 4036 Anzahl AP

A R1_1 109 1

R1_2 128 1

R1_3 89 89 117 61 4

R1_4 85 44 54 30 19 5

R1_5 98 1

R1_6 93 1

R1_7 97 1

R1_8 104 69 2

B R2_1 67 129 30 120 104 69 50 7

R2_2 55 114 19 65 85 46 11 32 8

R2_3 63 129 30 60 24 48 6

R2_4 66 117 122 79 51 5

R2_5 50 102 82 75 46 28 6

R2_6 98 128 2

C R3_1 59 86 90 109 4

R3_2 118 1

R3_3 120 1

R3_4 101 56 2

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In der Tabelle ist deutlich zu erkennen, dass sich die Fingerprints des Lokales B von den anderen unterscheiden. In fünf von sechs Fingerprints sind fünf bis acht Access- Points einbezogen. In den Lokalen A und C pendelt die Anzahl mehrheitlich zwischen einem und vier APs. In einen guten Fingerprint sollten jedoch mindestens acht Access-Points einbezogen werden (Quelle: Trapeze). Diese Anzahl ist durch die gering ausgebaute Antennenstruktur im „Das Tietz“ nicht in allen Bereichen umsetzbar. Im Lokal B wird diese Vorgabe jedoch ansatzweise erreicht und weist auch eine bessere Einordnung als die anderen Lokale auf.

Zusammenfassend ergeben sich folgende drei Probleme:

Die Genauigkeit ist nicht ausreichend, die Trackingzeiten sind mit teilweise über einer Minute zu lang und eine Auswertung der Ergebnisse der LA-200 gestaltet sich durch fehlende detaillierte Auswertungsmöglichkeiten schwierig.

Die Ursachen für die nicht ausreichende Genauigkeit könnte in der Gebäudestruktur des „Das Tietz“ liegen. Große Freiflächen und eine geringe Anzahl von Access- Points machen es schwierig Fingerprints zu erstellen, die die geforderten Eigen- schaften besitzen. Um bessere Ergebnisse erzielen zu können, müssten weitere Access-Points installiert werden.

Vom Hersteller leider nicht dokumentiert ist die Logik mit der die LA-200 die Fin- gerprints der Clients und die der Referenzpunkte vergleicht. Das Verfahren des Fin- gerprinting beruht auf der Eindeutigkeit der Referenzpunkte. Innerhalb eines Lokales besteht kein Problem, wenn diese sich ähneln. Fingerprints mit weniger als acht Access-Points sollten ebenfalls kein Problem darstellen, solange diese sich nicht lokalübergreifend ähnlich sind. Ob nun die Signalstärke von nur einem oder von mehr als acht Access-Points einbezogen wird dürfte weniger von Bedeutung sein, wenn diese sich eindeutig von anderen unterscheiden.

Um ein zuverlässiges System zu schaffen ist der alleinige Einsatz der „RF Fingerprin- ting“-Methode in der getesteten Umgebung und Technik nicht geeignet. Durch eine Kombination mit anderen Verfahren und einer Logikverbesserung bzw. -erweiterung kann die Präzision weiter erhöht werden. Mit diesem Thema wird sich mitunter im

(41)

4. Design anhand der Kundenumgebung

4.1 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 erreichen.

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

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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.

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€ 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 Anforderungen 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

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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 eingesetzt 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:

€ Der Dienst ermittelt die MAC-Adresse des Clients, von dem die Anfrage gestellt 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.

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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 Fehlerhäufigkeit bei dieser verringert.

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

€ 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

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€ 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.

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 erbracht 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

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5. Konzeption einer konkreten Lösung für „Das Tietz“

5.1 Verfahrensweise

Im Punkt 4 „Design anhand der Kundenumgebung“ wurden drei Möglichkeiten einer Umsetzung eines Location Based Services aufgezeigt. In einer konkreten Lösungs- gestaltung für das Naturkundemuseum im „Das Tietz“ sollen zusätzlich zu den ein- gesetzten Verfahren auch die Interaktivität des Nutzers und eine dienstseitig hinter- legte Logik der Bewegungsmöglichkeiten im Raum nutzerorientiert betrachtet werden.

Im Naturkundemuseum des „Das Tietz“ soll es ermöglicht werden, Besuchern über ein mobiles Gerät Informationen zu den Ausstellungstücken zu erbringen. Das Vor- haben soll durch den Einsatz eines LBS realisiert werden, welches den Standort des Besuchers mit Hilfe des vorhandenen WLAN lokalisiert und so standortspezifische Informationen übermitteln kann.

Von denen im vorhergehenden Punkt besprochenen Umsetzungsmöglichkeiten der Positionsortung in einem LBS erscheint die Kombination der beiden Verfahren „Cell of Origin“ und „RF Fingerprint“, aus den in Punkt 4 betrachteten Gründen der Genau- igkeit und der Erfassungsdauer, für die Umgebung am geeignetsten.

Unter Verwendung dieser Verfahren ist in der Umgebung des „Das Tietz“, mit dem heutigen Stand der Technik eine Standorterfassung auf circa zehn Meter mit einer Erfassungsdauer zwischen 30 und 60 Sekunden umsetzbar.

Um ein solches System zu integrieren ist eine Erweiterung der EDV-Landschaft nö- tig. Eine Location-Appliance oder ein Location-Server wird zur Bestimmung der Standorte der Clients benötigt und ein weiterer Server zum Betreiben des LBS- Dienstes und einer Datenbank mit Informationen zu den Ausstellungstücken. Auch ist die Notwendigkeit eines Ausbaus des Access-Point-Netzes zu überprüfen, um mög- lichst genaue und fehlerarme Lokalisierungen durchführen zu können.

Um grobe Fehler bei der Standortbestimmung der Besucher weiter einschränken zu