Позиционирование в сетях Wi-Fi

Технология «снятие радиоотпечатков» может выполняться с опорой на абонентский терминал, с его помощью и опорой на сеть (Рис. 2.3). В случае реализации технологии двумя методами с помощью терминала и с опорой на терминал, радиокарта получается из измерений RSS, сделанных в нисходящем канале во время фазы off-line. Для этой цели абонентский терминал наблюдает излучения «радиомаяков» ближайших точек доступа с нескольких направлений и регистрирует соответствующие RSS величины. Процедура в течении фазы on-line следующая: целевой (основной) терминал постоянно регистрирует значения RSS и передает их серверу в сети (Рис. 2.3а). Этот сервер содержит радиокарту и сопоставляет значения RSS с координатами местоположения абонентского терминала. В случае метода с опорой на терминал радиокарта содержится в целевом терминале, и сопоставление выполняется локально (Рис. 2.3б).

В случае метода с опорой на сеть радиокарта формируется из величин RSS, измеренных в восходящем канале. Во время фазы off-line целевой терминал периодически передает сигналы «радиомаяков» по нескольким направлениям на каждом эталонном местоположении. Точки доступа в окружающей области получают эти сигналы «радиомаяков» и регистрируют соответствующие значения RSS. Результаты измерений далее объединяются и составляют радиокарту. В течение фазы on-line целевой терминал должен периодически излучать сигналы «радиомаяков» на окружающие точки доступа, которые затем передают результаты измерений серверу для определения местоположения (Рис. 2.3в).

Рис. 2.3а. Метод с помощью терминала.

Рис. 2.3б. Метод с опорой на терминал.

Рис. 2.3в. Метод с опорой на сеть.

Существенные препятствия в технологии «снятия радиоотпечатков» возникают в фазе off-line при составлении радиокарт. Проведение измерений в плотной (близко расположенные узлы) координатной сетке полностью покрывающей внутренние помещения здания отнимает много времени и представляет собой трудоемкий процесс. Более того, этот процесс необходимо повторять при изменении положений точек доступа, появлении новых или ликвидации старых.

Альтернативой может быть создание радиокарты с помощью математической модели, вычисляющей условия распространения радиоволн с учетом расположения точек доступа, уровней излучаемых ими сигналов, потерь при распространении радиоволн, отражения и рассеяния радиоволн от препятствий: стены, потолки, мебель. Математическая модель позволяет быстро и без больших затрат создавать радиокарту участков сети при её изменении не проводя каких-либо измерений в сети. Рассмотренные методы можно назвать: методом моделирования и эмпирически методом.

Эмпирический метод может быть далее разделен на детерминированный и вероятностный. Для первого несколько отсчетов величин RSS регистрируются для каждой «опорной точки» и направления. Радиокарта создается из средних значений величин этих отсчетов. В течение фазы on-line приведение в соответствие наблюдаемых и регистрируемых образцов RSS величин происходит согласно системе показателей. Общий метод заключается в вычислении Евклидова расстояния:

,                                                         (1)

где – наблюдаемые RSS образцы,

 –  регистрируемые RSS образцы для каждой «опорной точки». ¹

Из всех «опорных точек», сохраняемых  в радиокарте, местоположение точки  с минимальным Евклидовым расстоянием является объективным местоположением абонентского устройства. Этот метод определения местоположения называют также «ближайший сосед в сигнальном пространстве». Он был предложен в 2000 г. Кроме рассмотренного, существуют и другие методы измерений.

Недостаток детерминированных  методов состоит в том, что  для каждого местоположения рассматривается  и сопоставляется вся радиокарта, основанная на усредненных значениях RSS величин. Последнее обстоятельство может вызвать существенные ошибки, т.к. величины RSS зависят от множества факторов. Более развитый метод основывается не на усреднении RSS величин, а на описании изменения уровня сигналов, измеренных в течение фазы off-line для различных направлений распространения. Часто эта технология употребляется в сочетании так называемым объединением в кластеры (группы). Кластер представляет собой группу «опорных точек», которые совместно используют общую группу точек доступа, покрывающую их и строится во время фазы off-line, когда создается радиокарта. В фазе on-line сначала кластер выделяется из радиокарты в зависимости от обследовавшихся или обследуемых точек доступа. После этого вероятность распределений различных точек доступа накладывается на обследовавшийся RSS образ, чтобы определить наиболее вероятное местоположение. Эта технология позволяет уменьшить вычислительные затраты на создание радиокарты и улучшить точность оценки местоположения по сравнению с детерминированными методами.

В последние годы был разработан ряд WLAN систем с использованием технологии «радиоотпечатков» для определения местоположения абонентских устройств. Некоторые из них указаны в таблице 4, там же приведены их наиболее важные характеристики. В столбце 3 таблицы 4 приведены значения точности определения местоположения и вероятности достижения такой точности.

Таблица 4.

Пионером в области технологии «снятия радиоотпечатков» является система RADAR. Одной из немногих систем, получивших широкое коммерческое распространение, является система фирмы Ekahau. Она использует вероятностный подход и впервые описана в работе.

Из таблицы 4 следует, что системы, использующие технологию «снятия радиоотпечатков», обеспечивают точность порядка нескольких метров. Основным достоинством технологии «снятия радиоотпечатков» является то, что она использует существующие протоколы сетей WLAN, уже инсталлированных во многих зданиях общественного назначения (офисные помещения, супермаркеты, вокзалы, учреждения и т.д.), при этом не требуется модификация аппаратных средств, а необходимо создание специального программного обеспечения для создания радиокарт и измерение величин RSS в фазе on-line.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ  НА БАЗЕ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ RFID

Эта перспективная технология в  настоящее время в основном используется для таких технологических приложений как управление ресурсами, управление доступом, упорядочение инструмента, автоматизация фабрик, идентификация текстиля и т.п. Она основана на обмене радиосигналами между RFID считывающим устройством и RFID метками или ретрансляторами.

Считывающее устройство состоит из антенны, приемопередатчика, процессора, источника питания и интерфейса для соединения его с сервером, например – последовательный  порт или через Ethernet. RFID метка имеет антенну, приемопередатчик, небольшой компьютер и память. Существует различие между активными и пассивными метками. Первая использует в качестве источника питания автономный источник (например, аккумулятор), в то время как вторая выделяет требуемую энергию из радиосигнала, излучаемого считывающим устройством. Это имеет фундаментальное воздействие на дальность действия: активные метки имеют дальность действия несколько десятков метров, в то время как пассивные имеют дальность действия от десятков сантиметров до нескольких метров. Более того, активные метки имеют большую память и более интеллектуальны. Они часто содержат дополнительные датчики, например датчики влажности и способны хранить историю датчика - дату и вычислить статистику из нее, т.е. регистрировать ее положение во времени. Пассивные метки, с другой стороны, имеют объем памяти только несколько килобайт и их функции ограничиваются идентификацией или воспроизведением другой информации, запасенной в памяти.

RFID системы, имеющиеся в наличии на рынке, работают в различных частотных диапазонах. Они могут быть распределены по категориям: высокочастотные – 850 - 950 МГц и 2,4 - 5 ГГц; среднечастотные – 10 - 15 МГц; низкочастотные - 100 - 500 кГц. Частотный диапазон влияет на дальность связи, скорость передачи данных и стоимость. Обычно системы, работающие на высоких частотах, имеют большие дальности связи и большие скорости передачи, но в тоже время имеют большие цены.

RFID технология в схеме классификации определения местоположения может быть отнесена к категории «близость опознавания». Однако нет широковещательных маяков в чистом виде для методов «близости». Скорее RFID считывающее устройство понуждает метки в диапазоне их действия отвечать информацией из памяти. Для целей определения местоположения это может быть просто идентификатор, который позволяет определить местоположение метки, либо объекта, на котором она расположена.

Это вызывает вопрос, который из двух методов, используемых в RFID системах, с опорой на сеть или абонентский терминал более подходит. Оба метода могут использоваться на практике. В методе с опорой на сеть считывающие устройства устанавливаются на стены, в коридорах, у входов и выходов зданий, и соединяются с сервером определения местоположения для сбора данных о позиционировании.

Метки могут закрепляться на людях  и, соответственно, идентификатор регистрируется, когда человек перемещается рядом со считывающим устройством.

В методе с опорой на абонентский  терминал считывающее устройство интегрируется в мобильное устройство, например, электронный секретарь или мобильный телефон, и фиксирует данные о местоположении, когда мобильное устройство перемещается рядом с метками. Каждый метод может быть выбран при проектировании и зависит от множества обстоятельств, подобных требованиям соответствующих приложений, конфиденциальности запросов и отношения меду числом перемещающихся персон и размером области действия системы. Наконец, очевидно, что RFID считывающие устройства существенно дороже, чем метки и, следовательно, их число ограничено.

4. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ ЛОКАЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ В СЕТЯХ WiFi

На сегодня на рынке предлагается три класса систем позиционирования на базе сетей WiFi:

• Для предприятий на базе корпоративной сети WiFi. Может использоваться на заводах, фабриках, медицинских учреждениях и офисных центрах для выяснения местоположения сотрудника или какого-либо оборудования.
• Для муниципальных служб и полиции на базе сети WiFi городского масштаба. Может использоваться для отслеживания перемещения персонала и оборудования муниципальных служб, полиции и т.п.
• Для интеллектуальных транспортных систем и др.

Рынок услуг позиционирования WiFi на начало 2009г. находится в состоянии начального развития, первые полноценные коммерческие системы были выведены на рынок в 2004г. Однако, по прогнозам, в ближайшие 1-2 года следует ожидать взрывного характера внедрения систем позиционирования WiFi. Это объясняется как готовностью рынка (развернуто достаточно большое количество сетей WiFi и операторы хотят увеличить средний доход от одного абонента ARPU (Average Revenue per User) и соответственно общий доход), так и тем фактором, что системы позиционирования WiFi стали представлять собой достаточно надежно функционирующие аппаратно-программные комплексы.

По прогнозам консалтинговой компании Torchia к 2010 году рынок систем локализации реального времени (RTLS – Real Time Location System) для территории предприятий превысит 1,6 млрд. долларов США, причем большинство продуктов RTLS будут функционировать на базе сетей WiFi.

Уже на сегодня накоплен определенный опыт разработки, развертывания и эксплуатации систем RTLS. Подход локализации на базе измерения RSS зарекомендовал себя хорошо при функционировании системы RTLS внутри помещений с наличием стен и перегородок (например, офисные здания), в то время как локализация на основе измерения разницы времени распространения волны TDOA – Time Difference of Arrival – показывает лучшие результаты на открытых пространствах (например, открытые ангары).

Таким образом, корректный выбор режима функционирования RTLS, а зачастую просто продукта RTLS (различные продукты RTLS используют различные подходы локализации), учитывая сценарий и условия функционирования, позволяет добиться решения поставленной задачи оптимальным методом с минимальными затратами.

Стоимость развертывания системы  RTLS напрямую зависит от стоимости инфраструктуры, а также ее инсталляции. Очевидно, что использование готовой инфраструктуры, как в случае WiFi, существенно снижает стоимость системы RTLS и ее развертывания, кроме того, доступность стандартных услуг по передаче данных позволяет использовать сеть WiFi более эффективно. В связи с тем, что клиентская часть системы RTLS представляет собой программное обеспечение, широкий спектр пользовательских мобильных терминалов, оснащенных адаптером RTLS, дополненный специальными метками с ограниченным набором функций, позволяет гибко реализовывать необходимые пользователю услуги, например, в единой системе RTLS осуществлять локализацию ноутбуков для одной группы пользователей, WiFi-телефонов для другой и специальных меток для третьей. Также к плюсам RTLS построенных на базе WiFi можно отнести быстрый возврат инвестиций и низкую стоимость обслуживания – нет необходимости повышать квалификацию обслуживающего персонала, знакомого с сетями WiFi, которые, как правило, уже развернуты ранее.

Лидер рынка продуктов RTLS функционирующих на базе сетей WiFi финская компания Ekahau, для локализации использует подход RSS и обеспечивает надежное функционирование при уровне сигнала не менее -75 дБ получаемого, как минимум, от трех точек доступа. В 2008 году сервисное программное обеспечение локализации «Ekahau Positioning Engine» в режиме реального времени могло отслеживать до 40 тыс. объектов и вычислять позицию до 600 объектов в секунду. Стратегическим рынком для решений RTLS компании Ekahau является медицинский. Кроме того, ее решения RTLS применяются в приложениях слежения за перемещением автотранспорта. Продукт RTLS от Ekahau совместим с оборудованием практически всех производителей.