System pozycjonowania Wi-Fi - Wi-Fi positioning system

System pozycjonowania Wi-Fi ( WPS , w skrócie WiPS lub WFPS ) to system geolokalizacji , który wykorzystuje charakterystykę pobliskich hotspotów Wi-Fi i innych bezprzewodowych punktów dostępowych, aby odkryć, gdzie znajduje się urządzenie. Jest używany, gdy nawigacja satelitarna, taka jak GPS, jest nieodpowiednia z różnych przyczyn, w tym wielodrożności i blokowania sygnału w pomieszczeniach, lub gdy ustalenie pozycji satelitarnej zajmowałoby zbyt dużo czasu. Takie systemy obejmują wspomagany GPS, miejskie usługi lokalizacyjne za pośrednictwem baz danych hotspotów oraz systemy pozycjonowania w pomieszczeniach . Pozycjonowanie Wi-Fi wykorzystuje szybki rozwój na początku XXI wieku punktów dostępu bezprzewodowego na obszarach miejskich.

Najpopularniejsza i najbardziej rozpowszechniona technika lokalizacji wykorzystywana do pozycjonowania z bezprzewodowymi punktami dostępowymi polega na pomiarze intensywności odbieranego sygnału ( wskazanie siły odbieranego sygnału lub RSSI) oraz metodzie „odcisków palców”. Typowe parametry przydatne do geolokalizacji bezprzewodowego punktu dostępowego obejmują jego identyfikator SSID i adres MAC . Dokładność zależy od liczby pobliskich punktów dostępowych, których pozycje zostały wprowadzone do bazy danych. Baza danych hotspotów Wi-Fi jest wypełniana przez skorelowanie danych lokalizacji GPS urządzenia mobilnego z adresami MAC hotspotów Wi-Fi. Ewentualne wahania sygnału, które mogą wystąpić, mogą zwiększyć liczbę błędów i niedokładności na ścieżce użytkownika. Aby zminimalizować fluktuacje w odbieranym sygnale, istnieją pewne techniki, które można zastosować w celu odfiltrowania szumu.

W przypadku niskiej precyzji zaproponowano pewne techniki łączenia śladów Wi-Fi z innymi źródłami danych, takimi jak informacje geograficzne i ograniczenia czasowe (tj. Geografia czasowa ).

Motywacja i aplikacje

Dokładna lokalizacja w pomieszczeniach staje się coraz ważniejsza dla urządzeń opartych na Wi-Fi ze względu na zwiększone wykorzystanie rzeczywistości rozszerzonej , sieci społecznościowych , monitorowania opieki zdrowotnej, śledzenia osób, kontroli inwentaryzacji i innych aplikacji uwzględniających lokalizację w pomieszczeniach .

W bezpieczeństwie sieci bezprzewodowej jest to ważne zadanie wykorzystywane do lokalizowania i mapowania nielegalnych punktów dostępu

Popularność i niska cena kart sieciowych Wi-Fi jest atrakcyjną zachętą do wykorzystania Wi-Fi jako podstawy systemu lokalizacyjnego. W ciągu ostatnich 15 lat przeprowadzono w tej dziedzinie znaczące badania.

Sformułowanie problemu i podstawowe pojęcia

Problem lokalizacji wewnętrznej urządzenia w oparciu o Wi-Fi polega na określeniu położenia urządzeń klienckich względem punktów dostępowych. Istnieje wiele technik umożliwiających osiągnięcie tego celu i można je podzielić na cztery główne typy: techniki oparte na wskazaniu siły sygnału odebranego (RSSI), odciskach palców, kącie przylotu (AoA) i czasie lotu (ToF).

W większości przypadków pierwszym krokiem do określenia pozycji urządzenia jest określenie odległości między docelowym urządzeniem klienckim a kilkoma punktami dostępowymi. Przy znanych odległościach między urządzeniem docelowym a punktami dostępowymi można zastosować algorytmy trilateracji do określenia względnego położenia urządzenia docelowego, wykorzystując znane położenie punktów dostępowych jako odniesienie. Alternatywnie, kąt docierania sygnałów do docelowego urządzenia klienckiego można wykorzystać do określenia lokalizacji urządzenia na podstawie algorytmów triangulacji .

W celu zwiększenia dokładności systemu można zastosować kombinację tych technik.

Techniki

Na podstawie siły sygnału

Techniki lokalizacji RSSI opierają się na pomiarze siły sygnału z urządzenia klienckiego do kilku różnych punktów dostępowych, a następnie łączeniu tych informacji z modelem propagacji w celu określenia odległości między urządzeniem klienckim a punktami dostępowymi. Techniki trilateracji (czasami nazywane multilateracją) mogą być użyte do obliczenia szacunkowej pozycji urządzenia klienckiego w stosunku do znanej pozycji punktów dostępowych.

Chociaż jest to jedna z najtańszych i najłatwiejszych do wdrożenia metod, jej wadą jest to, że nie zapewnia bardzo dobrej dokładności (mediana 2-4 m), ponieważ pomiary RSSI mają tendencję do fluktuacji w zależności od zmian w środowisku lub zanikania wielościeżkowego .

Oparte na odciskach palców

Tradycyjne odciski palców są również oparte na RSSI, ale polegają po prostu na rejestrowaniu siły sygnału z kilku punktów dostępowych w zasięgu i przechowywaniu tych informacji w bazie danych wraz ze znanymi współrzędnymi urządzenia klienckiego w fazie offline. Ta informacja może być deterministyczna lub probabilistyczna. Podczas fazy śledzenia online bieżący wektor RSSI w nieznanej lokalizacji jest porównywany z wektorami zapisanymi w odcisku palca, a najbliższe dopasowanie jest zwracane jako szacowana lokalizacja użytkownika. Takie systemy mogą zapewniać medianę dokładności 0,6 mi dokładność ogona 1,3 m.

Jego główną wadą jest to, że wszelkie zmiany środowiska, takie jak dodanie lub usunięcie mebli lub budynków, mogą zmienić „odcisk palca” odpowiadający każdej lokalizacji, co wymaga aktualizacji bazy danych odcisków palców. Jednak integracja z innym czujnikiem, takim jak kamera, może być używana w celu radzenia sobie ze zmieniającym się otoczeniem.

Na podstawie kąta przybycia

Liniowy układ anten odbierających sygnał. Różnica przesunięcia fazowego odebranego sygnału docierającego do anten równo oddzielonych odległością „d” jest wykorzystywana do obliczenia kąta nadejścia sygnału. Zdjęcie reprodukowane z

Wraz z pojawieniem się interfejsów MIMO Wi-Fi, które wykorzystują wiele anten, możliwe jest oszacowanie AoA sygnałów wielościeżkowych odbieranych w tablicach antenowych w punktach dostępowych i zastosowanie triangulacji w celu obliczenia lokalizacji urządzeń klienckich. SpotFi, ArrayTrack i LTEye to propozycje rozwiązań wykorzystujących tego typu technikę.

Typowe obliczenia AoA są wykonywane za pomocą algorytmu MUSIC . Zakładając układ antenowy składający się z anten równomiernie rozmieszczonych na odległość i sygnał docierający do układu antenowego przez ścieżki propagacji, dodatkowa odległość jest pokonana przez sygnał, aby dotrzeć do drugiej anteny układu. ${\ displaystyle M}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle L}$${\ Displaystyle d \ sin \ theta}$

Biorąc pod uwagę, że -ta ścieżka propagacji dochodzi pod kątem w stosunku do normalnej układu antenowego punktu dostępowego, jest to tłumienie występujące w dowolnej antenie w tym układzie. Tłumienie jest takie samo w każdej antenie, z wyjątkiem przesunięcia fazowego, które zmienia się dla każdej anteny ze względu na dodatkową odległość pokonywaną przez sygnał. Oznacza to, że sygnał dociera z dodatkową fazą ${\ displaystyle k}$${\ displaystyle \ theta _ {k}}$${\ displaystyle \ gamma _ {k}}$

${\ Displaystyle -2 \ pi \ cdot d \ cdot \ sin (\ teta) \ cdot (f / c) \ cdot (2-1)}$

na drugiej antenie i

${\ Displaystyle -2 \ pi \ cdot d \ cdot \ sin (\ teta) \ cdot (f / c) \ cdot (m-1)}$

przy -tej antenie. ${\ displaystyle m}$

Dlatego też, jako uproszczoną reprezentację przesunięć fazowych doświadczanych przez każdą antenę w funkcji AoA toru propagacji można zastosować następujący złożony wykładniczy:

$${\ Displaystyle \ phi (\ theta _ {k}) = \ exp (-j \ cdot 2 \ pi \ cdot d \ cdot \ sin (\ theta _ {k}) \ cdot f / c)}$$

AoA można następnie wyrazić jako wektor odebranych sygnałów z powodu -tej ścieżki propagacji, gdzie jest wektorem sterującym i jest wyrażony wzorem: ${\ Displaystyle {\ vec {a}} (\ theta _ {k}) \ gamma _ {k}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle {\ vec {a}} (\ theta _ {k})}$

$${\ Displaystyle {\ vec {a}} (\ teta _ {k}) = [1, \ \ phi (\ teta _ {k}), \ \ kropki \ \ phi (\ teta _ {k}) ^ {M-1}] ^ {T}}$$

${\ displaystyle \ mathbf {A}}$

${\ displaystyle M \ cdot L}$

$${\ Displaystyle \ mathbf {A} = [{\ vec {a}} (\ theta _ {1}), \ kropki, {\ vec {a}} (\ theta _ {L})]}$$

${\ displaystyle {\ vec {x}}}$

$${\ displaystyle {\ vec {x}} = \ mathbf {A} {\ vec {\ Gamma}}}$$

przesyła dane przez wiele różnych podnośnych, więc zmierzone odebrane sygnały odpowiadające każdej podnośnej tworzą macierz wyrażoną jako: ${\ displaystyle {\ vec {\ Gamma}} = [{\ vec {\ gamma}} _ {1} \ dots {\ vec {\ gamma}} _ {L}]}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle {\ vec {x}}}$${\ displaystyle \ mathbf {X}}$

$${\ Displaystyle \ mathbf {X} = [{\ vec {x}} _ {1} \ kropki {\ vec {x}} _ {L}] = \ mathbf {A} [{\ vec {\ Gamma}} _ {1} \ dots {\ vec {\ Gamma}} _ {L}] = \ mathbf {AF}}$$

Macierz jest podawana przez macierz informacji o stanie kanału (

), którą można wyodrębnić z nowoczesnych kart bezprzewodowych za pomocą specjalnych narzędzi, takich jak narzędzie CSI Linux 802.11n. ${\ displaystyle \ mathbf {X}}$

W tym miejscu stosuje się algorytm MUZYKI , najpierw przez obliczenie wektorów własnych (gdzie jest transpozycja koniugatu ) i wykorzystanie wektorów odpowiadających zerowej wartości własnej do obliczenia wektorów sterujących i macierzy . AoA można następnie wydedukować z tej macierzy i wykorzystać do oszacowania pozycji urządzenia klienckiego poprzez

. ${\ displaystyle \ mathbf {X} \ mathbf {X} ^ {H}}$${\ displaystyle \ mathbf {X} ^ {H}}$${\ displaystyle \ mathbf {X}}$${\ displaystyle \ mathbf {A}}$

Chociaż ta technika jest zwykle dokładniejsza niż inne, jej wdrożenie może wymagać specjalnego sprzętu, takiego jak układ sześciu do ośmiu anten lub anten obrotowych. SpotFi proponuje zastosowanie SuperResolution algorytmu, który bierze przewagę liczby pomiarów dokonanych przez każdą z anten kart Wi-Fi z zaledwie trzech anten, a także wciela ToF lokalizacji opartej poprawić jego dokładność.

Na podstawie czasu lotu

Rysunek przedstawiający stację pomiarową wysyłającą ramkę DATA do stacji klienckiej i czekającą na otrzymanie potwierdzenia. to opóźnienie planowania (przesunięcie) pochodzące z docelowego urządzenia klienckiego i zależy od tego, ile czasu zajmuje zaplanowanie potwierdzenia ACK. T_P to czas propagacji sygnału między nadajnikiem a odbiornikiem i zwykle przyjmuje się, że jest taki sam na drodze do celu iz powrotem. T_ACK to czas potrzebny do przesłania ramki ACK. Czas lotu odpowiada T_MEASURED. Zdjęcie reprodukowane z ${\ displaystyle \ delta}$

Podejście do lokalizacji