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Einführung in die Funklokalisierung

Einführung

Die Positionsbestimmung von mobilen Endgeräten wird in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen. Durch die Lokalisierung halten neue Funktionalitäten im Bereich der drahtlosen Datenübertragung Einzug. Sich selbst organisierende drahtlose Sensornetzwerke, ortsbasierte Bereitstellung von Informationen (Location Based Services), Zielverfolgung (Tracking) und Führungen (Guiding) sind nur einige wenige Beispiele. Hier werden zunächst die verschiedenen Verfahren für die Positionsbestimmung und die damit verbundenen Funktechnologien vorgestellt, anschließend folgt eine Erläuterung einiger Systeme die an der Fachhochschule Dortmund eingesetzt werden. Abschließend werden die Meßergebnisse ausgewertet.

In den vergangenen Jahren lag der Fokus bei der Entwicklung von Funktechnologien bei der Verabschiedung von Standards, Erhöhung der Bandbreite, Steigerung der Verfügbarkeit und dem Senken der Kosten für die Hardware. Da die grundsätzlichen Vorraussetzungen für drahtlose Übertragungstechnologien geschaffen sind, konzentriert sich die Entwicklung immer mehr auf die Anwendungsebene. Dabei sollen die Anwendungen, die Nutzung von drahtlosen Übertragungstechniken vereinfachen und komfortabler (flexibler) gestalten. In diesem Kontext sind Positionsbestimmungssysteme von großer Bedeutung. Mit einem Positionsbestimmungssystem können mobile Endgeräte lokalisiert werden oder sich selbst lokalisieren.

In erster Linie ermöglichen Funktechnologien große Mobilität und Flexibilität für ihre Anwender, welche mit einer gewissen Unvorhersehbarkeit und Unsicherheit einhergehen. Das ist in Anwendungsgebieten wie der industriellen Fertigung, Netzwerkorganisation und sicherheitsrelevanten Netzwerkbereichen unerwünscht. Mit der Lokalisierung über ein Positionsbestimmungssystem kann die Unvorhersehbarkeit und Unsicherheit minimiert werden. Die Datenherkunft, der Ausbreitungspfad der Daten und das Ziel sind für die Sicherheit und Integrität in Funknetzwerken von großer Bedeutung. Ebenfalls ist die Bandbreite in Funknetzwerken stark limitiert. Aus diesem Grund wird ein kontextabhängiger Datenverkehr angestrebt, bei dem die Position eines mobilen Endgerätes ein entscheidender Parameter sein kann. Für die Positionsverfolgung von fahrerlosen Transportsystemen befinden sich die funkbasierten Positionsbestimmungssysteme in der Entwicklung.

An der Fachhochschule Dortmund werden Verfahren und Systeme für die Position- und Orientierungsbestimmung von mobilen Endgeräten entwickelt und getestet. Dabei kommen verschiedene Endgeräte und Funktechnologien zum Einsatz. Unter anderen werden PDA, Smartphones, drahtlose Sensorknoten und mobile Roboter eingesetzt. Die verwendeten Funktechnologien erstrecken sich über WLAN nach dem IEEE 802.11 Standards bis hin zu drahtlosen Sensornetzwerken die den IEEE 802.15.4a Standard implementieren. Einen Überblick über  die Möglichkeiten verschiedener Funktechnologien, die an der Fachhochschule Dortmund eingesetzt werden, gibt die Tabelle 1.



Technologie ermöglicht Lokalisierung... GPS WLAN

Nanotron nanoLOC

UWB
passives RFID
aktives RFID

Ultraschall, Infrarot

weltweit ohne zusätzliche Infrastruktur
X            
großflächige Gebiete (Campus, Werksgelände)
X X X X
  X  
in Gebäuden
  X X X X X X
auch durch Wände hindurch
  X (X) (X)   X  
Standard-Infrastruktur kann mit verwendet werden
  X          
keine separaten Technologien für Ortung und Datenübermittlung erfoderlich
  X X        
Batterielebensdauer bis zu mehreren Jahren   X X X n.a. X X
Preis für Tags im Cent-Bereich         X    
Online-Konfiguration der Tags möglich
  X X        
 Ortungsgenauigkeit bis zu unter 1m möglich
    X X      

Tabelle 1: Funkttechniken die für die Lokalisierung eingesetzt werden können


Dabei wird die Lokalisierung in der Forschung beispielsweise für einen Museums Tour Guide oder für die Navigation eines mobilen Roboters eingesetzt. Der folgende Abschnitt liefert zunächst einen allgemeinen Überblick über die Verfahren die zurzeit in der funkbasierten Positionsbestimmung eingesetzt werden.

Funkbasierte Positionsbestimmung

Funkbasierte Positionsbestimmungssysteme bestehen aus zwei Arten von Hardwarekomponenten. Zum Einen wird ein mobiles Endgerät benötigt, welches lokalisiert werden soll und zum Anderen mehrere ortsgebundene Stationen die Signale senden oder empfangen. Anhand des Umfangs und der Interaktion dieser Komponenten können funkbasierte Positionsbestimmungssysteme klassifiziert werden.

Klassifizierung funkbasierter Positionsbestimmungssysteme

Zunächst kann zwischen zwei Arten von Positionsbestimmungssystemen unterschieden werden. Es wird unterschieden zwischen den sich selbst lokalisierenden und den Remote lokalisierenden Systemen. Bei selbst lokalisierenden Systemen empfängt das mobile Endgerät die Signale von den Sendestationen deren Position im Raum bekannt ist. Anhand der empfangenen Informationen kann das mobile Endgerät anschließend seine Position berechnen.

Bei Remote lokalisierenden Systemen wird die Positionsberechnung nicht auf dem mobilen Endgerät sondern auf einem entfernten Server durchgeführt. Dafür sendet das mobile Endgerät seine Entfernungsinformationen, zu den Sendestationen, zum Server oder die Entfernung des mobilen Endgeräts wird von den Sendestationen berechnet und dann an den Server geschickt. Der Vorteil eines Remote lokalisierenden Systems liegt darin, dass das Endgerät nicht besonders viel Rechenleistung zur Verfügung stellen muss. Dadurch ist es meist sehr kostengünstig und Energie effizient. Der Nachteil ist der große Kommunikationsaufwand der für die Positionsbestimmung mit dem Server durchgeführt werden muss.

Die Wahl zwischen einem selbst oder Remote lokalisierenden System sollte je nach der zu Grunde liegenden Anwendung erfolgen. Dabei können die Kosten für das System, bei der Wahl eines falschen Ansatzes, um den Faktor 10 ansteigen. Aus diesem Grund gibt es im Bereich der funkbasierten Positionsbestimmung keine Standardlösung.

Positionsbestimmungsverfahren

Für die Bestimmung der Position mittels Funktechnologien existieren unterschiedliche Verfahren. Diese Verfahren können nach den Informationen, die sie für die Positionsbestimmung verwenden, eingeteilt werden:

  • Verbindungsinformationen (CoO)
  • Empfangswinkel der Signale (AoA)
  • Empfangszeitpunkte der Signale (ToA)
  • Bidirektionale Umlaufzeit des Signals (RToF)
  • Zeitdifferenzen der eingehenden Signale (TDoA)
  • Signalstärken der eingehenden Signale (RSSI)
Verbindungsinformationen sind fast in jedem drahtlosen Funknetz vorhanden. Die Genauigkeit hängt bei diesem Verfahren mit der Granularität und Größe der Zellen im verwendeten Funknetz zusammen. Bei diesem, auch "Cell of Origin" (CoO) genannten, Verfahren wird die Position anhand der mit dem Endgerät assozierten ortsfesten Station (z.B. im WLAN ein Access Point) bestimmt. Jeder ortsfesten Station und damit auch der Zelle ist dabei eine eindeutige Identifizierung (Cell-ID) zugeordnet. Die Position der ortsfesten Station muss bekannt sein.

Das AoA-Verfahren (Angle of Arrival) verwendet die Einfallswinkel der empfangenen Signale. Dabei werden mindestens zwei ortsfeste Stationen mit mehreren Richtantennen benötigt. Mit den empfangenen Signalen vom Endgerät kann der Einfallswinkel berechnet werden. Ein anderer Ansatz ist eine rotierende Richtantenne auf dem mobilen Endgerät [4]. Die Berechnung der Distanz zu den bekannten Positionen der ortsfesten Stationen erfolgt mittels Triangulation. Dabei werden die Winkelbeziehungen innerhalb eines Dreiecks ausgenutzt. Die Abbildung 1 zeigt ein Dreieck mit einer unbekannten Position des mobilen Endgerätes (blauer Punkt) und den bekannten Positionen der ortsfesten Stationen (rote Punkte).

Abbildung 1: Triangulation

Über die bekannte Distanz zwischen den ortsfesten Stationen und den beiden gemessenen Einfallswinkeln kann die Position des mobilen Endgerätes berechnet werden. Für die Berechnung kann dann entweder der Sinussatz (Glg. (1)) oder der Kosinussatz (Glg. (2)) verwendet werden.

Gleichung 1: Sinussatz

Gleichung 2: Kosinussatz

Das ToA-Verfahren (Time of Arrival) bestimmt anhand der Signallaufzeiten die Position des Endgerätes. Dabei wird die Laufzeit eines Signals von den ortsfesten Stationen zum mobilen Endgerät gemessen. Da bekannt ist, dass sich Funksignale mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten, können so die Distanzen zu den ortsfesten Stationen berechnet werden. Vorraussetzung ist hierbei, dass die Position der ortsfesten Station bekannt ist oder mitgesendet wird. Ebenso ist eine ständige Synchronisation der Uhren auf den Sendern und den Empfängern nötig, damit die Laufzeiten exakt berechnet werden können. Die Abbildung 2 zeigt die Laufzeitmessung eines Signals mit dem ToA-Verfahren.

Sind die Distanzen zu mindestens drei ortsfesten Stationen berechnet, kann mit der Trilateration eine Position im zweidimensionalen Raum bestimmt werden. Im Gegensatz zur Triangulation werden bei der Trilateration nur die Entfernungen zu

Abbildung 2: Signallaufzeitmessung mittels ToA

den ortsfesten Stationen benötigt, dadurch ist dieses Verfahren deutlich leichter zu implementieren. Die Anforderungen an eine Hardware zur Distanzmessung sind deutlich geringer als die für die Bestimmung des Einfallswinkels eines empfangenen Signals. Die Abbildung 3 zeigt die Trilateration mit drei nicht kollinearen Positionen der ortsfesten Stationen und den Entfernungen zu diesen.

Abbildung 3: Trilateration mit drei Sendestationen

Die Berechnung der resultierenden Position erfolgt dann mit folgendem Gleichungssystem:

Gleichung 3: Berechnung der Entfernungen

Bei den RToF-Verfahren (Round-trip Time of Flight) werden die Umlaufzeiten der Signale gemessen. Durch die Signallaufzeit des Hin- und Rückwegs kann das auseinander Laufen (clock drift) der Uhren herausgerechnet werden. Eine Synchronisation der Uhren des mobilen Endgeräts und der ortsgebundenen Stationen wird somit nicht benötigt.

Das TDoA-Verfahren (Time Difference of Arrival) berechnet ebenfalls die Position über die Trilateration. Der Unterschied besteht in der Messung der Entfernung zu den ortsfesten Stationen. Aus der Zeitdifferenz von zwei Signalen zwischen ortsfesten Stationen und mobilem Endgerät kann eine Hyperbel im zweidimensionalen Raum berechnet werden. Mittels drei Signalpaaren wird der Schnittpunkt zwischen drei Hyperbeln berechnet, welcher die Positionsschätzung des mobilen Endgeräts darstellt. Der Vorteil gegenüber ToA liegt darin, dass keine Synchronisation zwischen mobilem Endgerät und den ortfesten Stationen vorhanden sein muss. Somit wird keine hochpräzise Uhr in dem mobilen Endgerät benötigt.

Verfahren die empfangene Signalstärken für die Positionsbestimmung verwenden, werden RSSI-Verfahren (Received Signal Strength Indicator) genannt. Die Distanz zu einer ortsfesten Station kann über das logarithmische Distanzverlustmodell berechnet werden. Dabei wird die Freiraumdämpfung berücksichtigt, die besagt, dass die Signalstärke mit der Distanz zum Sender quadratisch abnimmt. Über die Trilateration kann dann die Position des mobilen Endgerätes im zweidimensionalen Raum berechnet werden.

Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass die Störungen der Funksignale innerhalb von Gebäuden die Anwendung des logarithmischen Distanzverlustmodells unmöglich machen. Ein Fingerprinting-Verfahren verwendet eine Radio Map, in der die Signalstärken mit einer Position abgespeichert werden. Das Verfahren ist in zwei Phasen unterteilt. In der Kalibrierungsphase werden die empfangenen Signalstärken an vorher definierten Positionen in der Radio Map abgespeichert. In der Lokalisierungsphase, bewegt sich das mobile Endgerät in der gleichen Umgebung, dabei werden die aktuell gemessenen Signalstärkewerte mit denen aus der Radio Map verglichen. Metriken für den Vergleich der Signalstärkewerte sind der Euklidische Abstand, der Bayes-Algorithmus oder die Delaunay Triangulation mit konstanten Signalstärkekennlinien. Der größte Nachteil dieses Verfahrens ist der manuelle Aufwand die Radio Map in der Kalibrierungsphase zu erstellen. Das an der Fachhochschule Dortmund entwickelte Verfahren der Delaunay Triangulation mit Interpolation (Isolinienverfahren), ermöglicht Radio Maps mit einer geringen Anzahl an Referenzpunkten und reduziert so den manuellen Aufwand in der Kalibrierungsphase.