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Lokalisierung in Kommunikationsnetzen

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F r a u n h o f e r - i n s t i t u t f ü r i n t e g r i e r t e S c h a l t u n g e n iis
awiloc®
Lokalisierung in Kommunikationsnetzen
awiloc®
Positionsbestimmung in
WLAN-, GSM- und umts-Netzen
Ein großer Teil des öffentlichen Lebens spielt sich innerhalb von Gebäuden, z. B. in
Bahnhöfen, Einkaufszentren, Bürogebäuden, U-Bahn-Stationen, und Städten ab. Es ist
daher wichtig, ortsabhängige Dienste gerade dort anbieten zu können. Auch für professionelle Anwendungen, z. B. in Lagerhallen oder Museen, ist eine Ortung innerhalb
von Gebäuden essenziell.
Mit awiloc® wurde vom Fraunhofer IIS eine Lösung zur Positionsbestimmung entwickelt, die vorhandene Funknetzwerke nutzt. Der Lokalisierungsalgorithmus ist dabei
unabhängig von der verwendeten Übertragungstechnologie. Egal, welches Kommunikationsnetz z. B. in Form von WLAN -, GSM- und UMTS-Basisstationen in Städten und
Gebäuden vorhanden ist, mobile Endgeräte können mit der Lösung des Fraunhofer IIS
auf Basis von Feldstärkemessungen ihre Position selbstständig bestimmen. Da insbesondere drahtlose Funknetzwerke aus der Familie der IEEE 802.11 WLAN-Standards
eine hohe Verbreitung haben, werden sie vorrangig als Basis genutzt. Die Lokalisierung erreicht dabei eine Genauigkeit von wenigen Metern.
Die Lokalisierung in Kommunikationsnetzen bietet eine perfekte Ergänzung zum
etablierten, satellitengestützten Global Positioning System GPS.
Bei der Entwicklung der awiloc®-Technologie wurde in Abstimmung mit den für Datenschutz zuständigen Aufsichtsbehörden ein besonderer Wert auf die Ein­haltung rechtlicher Vorgaben gelegt. Damit ist ein breiter und einfacher Einsatz für ortsabhängige
Anwendungen möglich.
Eine autarke Positionsbestimmung auf dem Endgerät:
– erhöht die Sicherheit
– ermöglicht neue Geschäftsprozesse
– optimiert Abläufe
– verbessert die Orientierung
– erlaubt autonom agierende Systeme
– fördert neue Serviceangebote
– liefert kontinuierliche Positionswerte
– verursacht keine Providerkosten
awiloc®– Autarke WLAN-Lokalisierung
für Städte und Gebäude
Die awiloc®-Technologie des Fraunhofer IIS erlaubt die kontinuierliche Selbstlokalisation von
mobilen Endgeräten auf Basis eines sogenannten Fingerprinting-Verfahrens. Die autarke
WLAN-Lokalisierung in Städten berücksichtigt dabei sowohl kommerzielle Hot-Spots als auch private WLAN-Sender und arbeitet ohne Anmeldung und Zugriff ins Datennetz. Eine hohe Sicherheit
gegen äußere Störeinflusse wie wegfallende, hinzukommende oder positionsveränderte WLANSender wird durch einen robusten Ortungsalgorithmus gewährleistet.
Das Hinzukommen von WLAN-Sendern beeinflußt die Positionsgenauigkeit gar nicht, das Ver­schwin­
den von WLAN-Sendern beeinflusst in einer üblichen Stadtumgebung erst dann die Genauigkeit,
wenn mehr als 50 % der WLAN-Sender wegfallen. Eine Veränderung der Position von WLANSendern reduziert die Genauigkeit, führt aber durch die kontinuierliche Lokalisierung zu keinen
größeren Abweichungen oder Sprüngen.
Die Lösung des Fraunhofer IIS ermöglicht eine kontinuierliche Lokalisierung auch in mehrstöckigen
Gebäuden oder unterirdischen Einrichtungen. Es können logische Informationen über ein
Umgebungsmodell integriert und auch Funktionen wie eine Bereichserkennung realisiert werden.
In Gebäuden werden mittlere Genauigkeiten zwischen 1 – 5 Meter erreicht (abhängig vom Umfeld,
ob Bürogebäude oder Produktionshalle). Im Außenbereich werden durchschnittliche Werte von
10 Metern erreicht. Auch hier wird die Genauigkeit durch das Umfeld beeinflusst, je strukturierter,
also enger die Bebauung ist, desto genauer wird die WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS. Sie
stellt daher eine ideale Ergänzung zu GPS dar.
Lokalisierung durch Signalstärkenmuster
Für die awiloc®-Technologie werden an Referenzpunkten Messwerte aufgenommen, welche alle
empfangenen WLAN-Basis­stationen und die dazugehörigen Empfangsinformationen enthalten. Die
Empfangsinformationen beinhalten dabei lediglich die gemessenen Signalstärken der vorhandenen
WLAN-Basisstationen an dem Referenzpunkt. Dieser »Abdruck« der Empfangsinformationen an
Referenzpunkten – d. h. das Signalstärkenmuster – wird in einer Datenbank hinterlegt und auf
dem mobilen Endgerät als Basis für die eigene Positionsbestimmung genutzt. Der auf dem mobilen
Endgerät vorhandene Lokalisierungsalgorithmus des Fraunhofer IIS berechnet autark die aktuelle
Position, indem gemessene Empfangsinformationen mit den Referenzinformationen abgeglichen
werden. Damit ist die Position nur dem Nutzer bekannt.
Ein Datenaustausch mit der WLAN-Station wird nicht durchgeführt. Die Position der WLAN-Sender
ist unwichtig und wird nicht ermittelt. Die vom Benutzer vergebene SSID ist – ebenso wie andere
ausgesendete Informationen der WLAN-Station, z. B. deren Verschlüsselungsstatus – für die
Lokalisierung mit der awiloc®-Technologie des Fraunhofer IIS nicht notwendig und wird daher nicht
gespeichert.
awiloc®-Softwarebaukasten und Prozesskette
Für die Lokalisierung mit IEEE 802.11 WLAN steht ein umfangreicher Softwarebaukasten zur Verfügung. Die autarke Selbstlokalisierung von Endgeräten ermöglicht dabei der awiloc® MobileLocator.
Der MobileLocator unterstützt u. a. die Plattformen Windows Mobile®, Android™ und iOS®. Für
spezifische Umgebungen sind spezielle Lokalisierungsalgorithmen entwickelt worden. So steht
z. B. für Städte der MobileLocator City, für Messen der MobileLocator Fair zur Verfügung.
Neben verschiedenen Schnittstellen für die Steuerung und Positionsübergaben kann das Werkzeug
awiloc® ModelBuilder für die Erstellung von 3D-Modellen genutzt werden.
Damit unsere Geschäftspartner ihre eigenen Referenzdaten erstellen und neue Lokalisierungsdienste
schnell und einfach in Städten und Gebäuden anbieten können, bieten wir umfassendes Softwarezubehör und flexible Prozessierungs- und Serviceleistungen für die Erfassung von WLAN-Referenz­
daten sowie die Datenverarbeitung und -integration an.
awiloc® für Städte und Gebäude: Projektablauf
zur Referenzdaten- und Modellgewinnung
Gebäude
Überprüfung und
Beratung zur
WLAN-Infrastruktur
für die Lokalisierung
Erstellung eines
Gebäudemodells
für die Lokalisierung
Planung der
Einmesspfade
für die Erhebung
der Messdaten
Erhebung
der Messdaten
Generierung von
Referenzdaten
aus den Messdaten
Städte
Erstellung eines
Umgebungsmodells
für die Lokalisierung
Planung der
Einmesspfade
für die Erhebung
der Messdaten
Erhebung
der Messdaten
Messdaten: Signalstärkenmuster der vorhandenen WLAN-Infrastruktur
Referenzdaten: gefilterte und aufbereitete Signalstärkenmuster zur Lokalisierung
Referenzdaten für
eine stadtweite
Lokalisierung
Die Realisierung
Die awiloc®-Technologie des Fraunhofer IIS zur autarken WLANLokalisierung ist eine reine Softwarelösung, die leicht in mobile
Endgeräte integriert werden kann. Location Based Services sind
dabei sowohl als lokale Dienste auf dem Endgerät als auch als
netzseitige Dienste realisierbar.
Ortsabhängige Applikation
Anwendung
awiloc® MobileLocator
Umgebungs-/
Gebäudemodell
Ortsabhängige Applikation auf Basis von awiloc®-Komponenten
awiloc®-Referenzdaten
awiloc®-Testumgebung und Konsortium
Für die Entwicklung und Evaluierung realer Anwendungen
betreibt das Fraunhofer IIS awiloc®-Testumgebungen in
mehreren Städten Deutschlands (u. a. Nürnberg). Die Testum­
gebung bietet eine funktionierende Plattform zur Lokalisierung
per WLAN in Innenstädten und in Gebäuden und ermöglicht so
eine schnelle Entwicklung von ortsabhängigen Diensten.
Die am offenen awiloc®-Konsortium beteiligten Unternehmen,
Forschungspartner und Anwender können hier frühzeitig, optimal
abgestimmte Technologien und Anwendungen entwickeln und
testen. Im Rahmen der Testumgebungen stehen dem Konsortium
dafür neben den kommerziell verfügbaren Referenzdaten auch
freie Referenzdaten zur Verfügung. Anwender, Firmen und Forschungspartner können im Konsortium gemeinsame Projekte und
Kooperationen initiieren. Hierzu finden regelmäßig Partnertreffen
an verschiedenen Standorten statt.
Ein Beitritt zum Konsortium ist für Firmen, Anwender und
Forschungseinrichtungen jederzeit möglich.
Anwendungen und Projekte
Die Verfügbarkeit einer Echtzeit-Ortsinformation in und
Multimedia-Museumsführer
außerhalb von Gebäuden ermöglicht in vielen Branchen eine
Die Besucher des Museums Industriekultur in Nürnberg können
Optimierung von bestehenden Prozessen und die Möglichkeit
seit 2010 die Ausstellung auf ganz besondere Art erkunden. Ein
von neuen Anwendungen und Angeboten.
mobiles Multimedia-Führungssystem der Firma art2guide bietet
Eine Anpassung der awiloc -WLAN-Lokalisierungstechnologie
vertiefendes Hintergrundwissen an – abgestimmt auf den jeweili-
des Fraunhofer IIS an verschiedene Umgebungen wie ganze
gen Standort des Besuchers. Das mobile Führungssystem erkennt
Stadtgebiete, Messen, Flughäfen, Museen, Bahnhöfe, Indus­
dabei dank awiloc® metergenau, wo sich der Besucher gerade
triehallen oder Einkaufszentren wurde bereits realisert.
aufhält und zeigt ihm den aktuellen Standort sowie umliegende
®
Ausstellungsstücke mit Zusatzinformationen an. Der Besucher
Stadtnavigationssystem
kann dann wählen, zu welchen Exponaten er weiterführende
Die Anwendung »MobileWALK« der IT2media GmbH startete
Informationen in Form von Videos, Ani­mationen, Hörbeispielen
2009 als GPS-unabhängige Lokalisierung für die Städte Nürn-
oder Fotos möchte.
berg, Fürth und Erlangen. Neben Innenstadtkarten können
in Abhängigkeit vom eigenen Standort z. B. nächstgelegene
Optimierung regionaler Entfluchtungen
Geschäfte und Restaurants, aber auch Banken oder Kran-
2009 startete das Forschungsprojekt REPKA des Bundesminis-
kenhäuser mit Hintergrundinformationen auf dem eigenen
teriums für Bildung und Forschung (BMBF) zur Simulation von
Handy angezeigt werden. Basis für die Ortung ist awiloc , die
Szenarien zur Evakuierung von Regionen. Damit die Optimierungs-
autarke WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS.
und Simulationsmodelle möglichst realitätsnah werden, ist die
®
Erfassung von Echtzeit-Ortsinformation von Personen auf Basis
Messenavigator
der WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS ein zentraler Baustein
Seit 2004 wurden für verschiedene Messen (u. a. Messe
im Projekt. Für eine sehr robuste Lokalisierung wird die WLAN-
Frankfurt, Messe Nürnberg) bereits elektronische Messeführer
Lokalisierung mit satellitengestützter Lokalisierung (GPS) und
mit einer kontinuierlichen WLAN-Lokalisierung realisiert.
Lokalisierung in Mobilfunknetzen (GSM-Fingerprinting) fusioniert.
Besucher können damit ihre persönliche Ausstellerliste
zusammenstellen und sich gezielt zu den ausgewählten Ständen führen lassen. Dabei bietet die WLAN-Lokalisierung des
Fraunhofer IIS neue Möglichkeiten, da sie sowohl auf dem
Freigelände als auch in den Messehallen eine Orientierung
auf wenige Meter genau ermöglicht.
Navigationshilfe für den öffentlichen Nahverkehr
Lokalisierung in industriellen Umgebungen
Die mobile Navigationshilfe »ROSE« der Friedrich-Alexander-
Industrielle Anwendungen reichen von der Staplerortung
Universität Erlangen-Nürnberg kombiniert Fußgängernavi-
für die genaue und vollautomatische Verfolgung
gation mit positions- und zeitabhängiger Verbindungssuche.
von Paletten und Waren bis zur Ortung von mobilen
ROSE zeigt Fahrgästen den Weg zur Haltestelle und stellt
Bedienterminals in der Produktion. Die mit der Firma
Informationen über die zu benutzenden Verkehrsmittel
SEP LOGISTIK realisierte Staplerlokalisierung über WLAN
und Umsteigemöglichkeiten zur Verfügung. Für die
ermöglicht z. B. eine verbesserte Warenverfolgung. Hier
Positions­ermittlung kommt die autarke WLAN-Lokalisierung
sind spezielle Anforderungen wie die sich stark ändernden
des Fraunhofer IIS zum Einsatz und ergänzt damit GPS im
Umweltbedingungen durch eine spezielle Auslegung der
innerstädtischen Bereich und in Gebäuden. Damit ist eine
Algorithmik berücksichtigt worden.
Lokalisierung nicht nur in engen Gassen sondern auch in
Bahnhöfen und U-Bahn-Stationen möglich.
Lokalisierung im digitalen Zuhause
Speziell für drahtlose Heimnetze wurde eine Anpassung
Ortung in Ad-hoc-Netzen
der WLAN-Lokalisierung vorgenommen, die es dem
Mit dem EU-Forschungsprojekt IMSK soll die Sicherheit von
Nutzer von Multimediageräten erlaubt, automatisch seine
Personen bei Veranstaltungen erhöht werden. Dafür realisiert
Medien an der räumlich nächstgelegenen Wiedergabeein-
das Fraunhofer IIS eine mobile Ad-hoc-Kommunikation mit
heit, z. B. einem Fernseher abzuspielen.
der dazugehörigen Netzwerkstruktur und Lokalisierungskomponente. Um auch Sicherheits- und Einsatzkräften eine
Lokalisierung in solchen Ad-hoc-Kommunikationsnetzen
zu ermöglichen, wird an Algorithmen gearbeitet, die eine
relative Ortung zu definierten Punkten erlauben (z. B. Infrastrukturknoten mit bekannter Position, andere Einsatzkraft).
Unterstützt werden kann dies durch eine WLAN-basierte
Bewegungsdetektion.
Unser Angebot
awiloc®-Testumgebung und Partnerkonsortium
Für die Entwicklung und Erprobung neuartiger Dienste und Anwendungen auf Basis der
WLAN-Lokalisierung des Fraunhofer IIS stehen Ihnen in mehreren Städten Deutschlands (u. a.
Nürnberg) Testumgebungen zur Verfügung. Sie umfassen gesamte Innenstädte und decken
exemplarisch sowohl Einkaufszentren, Wohngebiete, Nah- und Fernverkehrszugänge als auch
Industrieareale und Bürogebäude ab. Wir informieren Sie gerne zu den Teilnahmemöglichkeiten.
awiloc®-Softwarelizenzierung
Ein flexibles Lizenzmodell ermöglicht Ihnen die Nutzung der awiloc®-Technologie zur WLANLokalisierung und deren Integration in Ihre eigenen Produkte. Um den unterschiedlichen,
kundenspezifischen Anforderungen an die Lokalisierung in zellularen Netzwerken bezüglich
Genauigkeit, Zeitverhalten und Anwendungsbereich gerecht zu werden, stehen dabei verschiedene, skalierbare Algorithmen zur Verfügung, die sich an die Spezifika der Zielumgebung
anpassen lassen. Für die zentrale Verwaltung von Positionen – unabhängig von der Positionierungstechnologie wie z. B. Sensornetze, WLAN, GSM, GPS – wurde ein Position-Server
entwickelt.
Referenzdaten und Einmesswerkzeuge
Für ausgewählte Innenstädte stehen bereits Referenzdaten für die WLAN-Lokalisierung zur
Verfügung. Diese Referenzdatenbank können Sie über die Partner des awiloc®-Konsortiums
für Ihre Anwendung lizenzieren. Für die eigene Referenzdatengewinnung stehen die
notwendigen Werkzeuge wie Einmessboxen, Trainingswerkzeuge und Prozessierungssoftware
zur Verfügung. Wir schaffen so für unsere Kunden die Möglichkeit, eigene Referenzdaten zu
gewinnen und neue Dienstleistungen anzubieten.
Umgebungsmodell
Die Modellierung der Umgebung (z. B. Stadtteile, Gebäude, Ebenen, Räume) in 3D ermöglicht
viele Anwendungen: Visualisierung der Position, Routing, Finden logischer Positionen (z. B.
Raumnummer), Bereichsüberwachung oder auch das Hinterlegen von geographischen Informationen. Wir bieten Werkzeuge zum Erzeugen, Importieren und Visualisieren von Modellen
sowie speziell abgestimmte Lokalisierungsalgorithmen.
Kundenspezifische Entwicklungen und Anpassungen
Entsprechend Ihren Anforderungen oder den erstellten Spezifikationen entwickeln wir
maßgeschneiderte Lösungen zur Positionsbestimmung sowie für kontext- und ortsabhängige
Dienste und Anwendungen. Vorhandene Hard- und Softwarelösungen können als Basis für
Weiterentwicklungen oder zur schnellen Produktumsetzung lizenziert werden.
Beratung, Messungen und Systemkonzepte
Wir unterstützen Sie bei der Einführung oder Entwicklung von Ortungs- und Navigationslösungen in zellularen Netzen. Dazu führen wir u. a. Simulationen und Messungen in der geplanten
Umgebung durch. Gemeinsam mit Ihnen entwickeln wir daraufhin Systemkonzepte für
geplante Produkte.
Evaluation-Kits
Mit unseren Evaluation-Kits können Sie die Möglichkeiten der WLAN-Lokalisierung in Ihrer
Zielumgebung erproben und die Integration in Ihre Systeme prototypisch aufsetzen.
Seminare und Workshops
Wir bieten Ihnen Seminare und Workshops zum Thema »Lokalisierung« und den verwendeten
Technologien an. Hier können Sie mit unseren Wissenschaftlern und Entwicklern die neuesten
Trends diskutieren.
Weitere Informationen finden Sie unter
www.awiloc.de
Fraunhofer-Institut für
Integrierte Schaltungen IIS
Institutsleitung
Prof. Dr.-Ing. Heinz Gerhäuser
(geschäftsführend)
Prof. Dr.-Ing. Günter Elst
Am Wolfsmantel 33
91058 Erlangen
info@iis.fraunhofer.de
www.iis.fraunhofer.de
Abteilung Kommunikationsnetze
Nordostpark 93
90411 Nürnberg
Dipl.-Ing. (FH) Dipl.-Wirt.Ing. (FH) Karin Loidl
Telefon +49 911 58061-9413
awiloc-info@iis.fraunhofer.de
02/2011 Ritter
Fax +49 911 58061-9499
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