Wireless network device position location system

Abstract

Location Based Services (LBS) are continuously gaining popularity and enabling a new area of innovative applications. ?e basic functionality needed in order to provide LBS is the position location of the user. Many localization systems and te?niques are already available, with the GPS being the most widespread. Since GPS is based on a network of satellites it cannot cover indoor environments and many of the positioning systems used indoors require proprietary hardware and so?ware. ?e objective of the dissertation is to investigate analytically and verify experimentally through simulations and field trials a novel approa? for the development of a positioning system. We consider IEEE 802.11-based wireless network devices and infrastructure in our positioning system, thus enabling the location positioning for the majority of contemporary mobile computing devices. Most of the localization solutions using 802.11 are based on the creation of signal strength maps, a time consuming and labor intensive process. We are proposing and evaluate a novel position location te?nique, the Signal Strength Difference on Arrival (SSDoA). We use the differences of the received signal strength in three or more observation points that are in known positions to generate a set of equations that provide an estimation of the transmi?er’s position. ?ese equations define the hyperbolic curves where the transmi?er may lie. In parallel the use of fixed and known observation points assists the calculation of the radio-environment ?aracteristic, the radio propagation path loss exponent. ?e knowledge of the propagation ?aracteristics substitutes the need of signal strength mapping. ?e primary contribution of our work is that the developed system does not require any time consuming calibration or specific/propriatery hardware. Also we a?ieved this without requiring any involvement from the end user, as long as they are actually using their device to transmit any data. ?is became feasible by introducing the signal strength difference (SSD) to the distance difference relation. Overall this work has produced a novel and flexible location positioning system, whi? enables any IEEE 802.11 client device to be accurately and promptly located. In order to have a proof of concept we used off-the-self Cisco access points that are part of our building’s wireless infrastructure and created a tra?ing application in Java programming language. ?e Cisco access points have a special monitor mode where all the wireless pa?ets are captured and the value of the received signal strength is recorded. ?e application is communicating with the access points, that are essentially the observation points, that push the captured data to the application. ?e captured data have the signal strength information per pa?et and the application implements a special pa?et decoder for the decoding of their information. ?en the signal strength information is processed and with the use of SSDoA the position estimate is obtained.

Οι υπηρεσίες που παρέχονται με βάση τη θέση του χρήστη κερδίζουν συνε- χώς έδαφος και έχουν συντελέσει στην ανάπτυξη μιας νέας περιοχής εφαρμογών. Η βασική λειτουργία που είναι απαραίτητη για την παροχή αυτών των υπηρε- σιών είναι ο εντοπισμός της θέσης του χρήστη. Πολλές τεχνικές και συστήματα εντοπισμού είναι ήδη διαθέσιμα, με το GPS να είναι το πλέον διαδεδομένο. Εφό- σον όμως το GPS βασίζεται σε ένα δίκτυο δορυφόρων δεν μπορεί να καλύψει εσωτερικούς χώρους και πολλά από τα συστήματα που χρησιμοποιούνται μέσα σε κτήρια χρειάζονται εξειδικευμένο υλικό και λογισμικό. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η αναλυτική διερεύνηση, ανάπτυξη και πειραματική επαλήθευση με προσομοιώσεις και μετρήσεις πεδίου μιας νέας προσέγγισης για την δημιουργία ενός αποτελεσματικού συστήματος εντοπισμού θέσης. Στο σύστημά μας χρησιμοποιούμε ασύρματες δικτυακές συσκευές και υπο- δομές που βασίζονται στο πρότυπο IEEE 802.11, επιτρέποντας τον εντοπισμό θέ- σης των περισσότερων σύγχρονων κινητών υπολογιστικών συσκευών. Η πλειο- ψηφία των συστημάτων εντοπισμού που χρησιμοποιούν 802.11 βασίζονται στην κατασκευή χαρτών κατανομής της ισχύος σήματος, μία χρονοβόρα και επίπονη διαδικασία. Προτείνουμε, διερευνούμε, αναπτύσσουμε και αξιολογούμε μία καινο- τόμο τεχνική εντοπισμού θέσης, την Signal Strength Difference on Arrival (SSDoA). Κάνουμε χρήση των διαφορών της ισχύος λήψης σε τρία ή περισσότερα σημεία παρατήρησης, που βρίσκονται σε γνωστές θέσεις, για την παραγωγή ενός συ- στήματος εξισώσεων που επιτρέπουν μία εκτίμηση της θέσης του πομπού. Αυτές οι εξισώσεις ορίζουν καμπύλες υπερβολών στις οποίες μπορεί να βρίσκεται ο πο- μπός. Παράλληλα η χρήση σταθερών και γνωστών σημείων παρατήρησης βοηθά στον υπολογισμό του εκθέτη απωλειών διάδοσης, που είναι χαρακτηριστικό του περιβάλλοντος. Η γνώση των χαρακτηριστικών της ραδιομετάδοσης υποκαθι- στά την ανάγκη για την χαρτογράφηση της ισχύος του σήματος. Βασικό χαρακτηριστικό του προτεινόμενου συστήματος είναι η αποφυγή της χρονοβόρας διαδικασίας βαθμονόμησης, η αποδέσμευση από εξειδικευμένο υλικό και η απεμπλοκή του τελικού χρήστη από την διαδικασία. Αυτό έγινε δυνατό με την εισαγωγή της σχέσης που συνδέει την διαφορά ισχύος λήψης (SSD) με την διαφορά της απόστασης. Γενικά η παρούσα εργασία θέτει τις βάσεις για την δημιουργία ενός καινοτόμου και ευέλικτου συστήματος εντοπισμού θέσης, ικανού για τον ακριβή και άμεσο εντοπισμό οποιασδήποτε 802.11 συσκευής. Για την πειραματική επαλήθευση του συστήματός μας χρησιμοποιήσαμε εμπο- ρικά access points της Cisco τα οποία είναι μέρος της ασύρματης δικτυακής υπο- δομής του κτηρίου μας (κτήριο ΙΤΕ) και κατασκευάσαμε μία εφαρμογή εντοπι- σμού σε γλώσσα προγραμματισμού Java. Τα access points της Cisco έχουν μία ειδική δυνατότητα παρακολούθησης όπου συλλέγονται όλα τα πακέτα και κατα- γράφεται η τιμή της ισχύος σήματος. Η εφαρμογή επικοινωνεί με τα access points, τα οποία είναι ουσιαστικά τα σημεία παρατήρησης, που προωθούν τα δεδομένα που συλλέγουν στην εφαρμογή. Τα δεδομένα αυτά περιέχουν την πληροφορία της ισχύος σήματος ανά πακέτο και η εφαρμογή παρέχει έναν ειδικό αποκωδι- κοποιητή πακέτων, για την αποκωδικοποίηση αυτής της πληροφορίας. Έπειτα γίνεται επεξεργασία της πληροφορίας της ισχύος σήματος και με τη χρήση της τεχνικής SSDoA δίνεται μια εκτίμηση της θέσης.