Wi-Fi poziční systém - Wi-Fi positioning system

Wi-Fi poziční systém ( WPS , také zkráceně WiPS nebo WFPS ) je geolokační systém, který využívá vlastnosti blízkých hotspotů Wi-Fi a dalších bezdrátových přístupových bodů k zjištění, kde se zařízení nachází. Používá se tam, kde je satelitní navigace, jako je GPS, nedostatečná z různých příčin, včetně vícecestného a blokování signálu v interiérech, nebo kde by získání opravy satelitu trvalo příliš dlouho. Mezi takové systémy patří asistované GPS, služby určování polohy měst prostřednictvím databází hotspotů a systémy určování polohy uvnitř budov . Poloha Wi-Fi využívá rychlého růstu bezdrátových přístupových bodů na počátku 21. století v městských oblastech.

Nejběžnější a nejrozšířenější lokalizační technika používaná pro určování polohy pomocí bezdrátových přístupových bodů je založena na měření intenzity přijímaného signálu ( indikace síly přijímaného signálu nebo RSSI) a metody „otisku prstu“. Typické parametry užitečné pro geolokaci bezdrátového přístupového bodu zahrnují jeho SSID a MAC adresu . Přesnost závisí na počtu blízkých přístupových bodů, jejichž pozice byly zadány do databáze. Databáze hotspotů Wi-Fi se naplní porovnáním údajů o poloze GPS mobilního zařízení s MAC adresami hotspotů Wi-Fi. Možná kolísání signálu, která mohou nastat, mohou zvýšit chyby a nepřesnosti v cestě uživatele. Aby se minimalizovaly výkyvy přijímaného signálu, existují určité techniky, které lze použít k filtrování šumu.

V případě nízké přesnosti byly navrženy některé techniky ke sloučení tras Wi-Fi s jinými zdroji dat, jako jsou geografické informace a časová omezení (tj. Časová geografie ).

Motivace a aplikace

Přesná lokalizace v interiérech je pro zařízení založená na Wi-Fi stále důležitější díky zvýšenému využívání rozšířené reality , sociálních sítí , monitorování zdravotní péče, sledování osob, kontroly zásob a dalších aplikací zaměřených na umístění uvnitř budov .

V bezdrátovém zabezpečení je to důležitý úkol používaný k lokalizaci a mapování nepoctivých přístupových bodů

Popularita a nízká cena karet síťového rozhraní Wi-Fi je atraktivní pobídkou k použití Wi-Fi jako základu pro lokalizační systém a v této oblasti byl za posledních 15 let proveden významný výzkum.

Prohlášení o problému a základní pojmy

Problém vnitřní lokalizace zařízení na základě Wi-Fi spočívá v určení polohy klientských zařízení vzhledem k přístupovým bodům. K dosažení tohoto cíle existuje mnoho technik, které lze rozdělit do čtyř hlavních typů: techniky založené na indikaci síly přijatého signálu (RSSI), otisky prstů, úhel příjezdu (AoA) a doba letu (ToF).

Ve většině případů je prvním krokem k určení polohy zařízení určení vzdálenosti mezi cílovým klientským zařízením a několika přístupovými body. Se známými vzdálenostmi mezi cílovým zařízením a přístupovými body lze k určení relativní polohy cílového zařízení použít trilaterační algoritmy, přičemž se jako reference použije známá poloha přístupových bodů. Alternativně lze k určení polohy zařízení na základě triangulačních algoritmů použít úhel přicházejících signálů na cílové klientské zařízení .

Ke zvýšení přesnosti systému lze použít kombinaci těchto technik.

Techniky

Na základě síly signálu

Techniky lokalizace RSSI jsou založeny na měření síly signálu z klientského zařízení do několika různých přístupových bodů a následném zkombinování těchto informací s propagačním modelem k určení vzdálenosti mezi klientským zařízením a přístupovými body. K výpočtu odhadované polohy klientského zařízení vzhledem ke známé poloze přístupových bodů lze použít techniky trilaterace (někdy nazývané multilaterace).

Ačkoli je to jedna z nejlevnějších a nejjednodušších metod implementace, její nevýhodou je, že neposkytuje příliš dobrou přesnost (medián 2 - 4 m), protože měření RSSI mají tendenci kolísat podle změn v prostředí nebo vícecestného úniku .

Otisky prstů založené

Tradiční otisk prstu je také založen na RSSI, ale jednoduše se spoléhá na záznam síly signálu z několika přístupových bodů v dosahu a uložení těchto informací do databáze spolu se známými souřadnicemi klientského zařízení v offline fázi. Tyto informace mohou být deterministické nebo pravděpodobnostní. Během fáze online sledování je aktuální vektor RSSI na neznámém místě porovnán s vektorem uloženým v otisku prstu a nejbližší shoda je vrácena jako odhadovaná poloha uživatele. Tyto systémy mohou poskytovat střední přesnost 0,6 ma přesnost ocasu 1,3 m.

Jeho hlavní nevýhodou je, že jakékoli změny prostředí, jako je přidávání nebo odebírání nábytku nebo budov, mohou změnit „otisk prstu“, který odpovídá každému umístění, což vyžaduje aktualizaci databáze otisků prstů. Lze však použít integraci s jinými senzory, jako je fotoaparát, aby bylo možné zvládnout měnící se prostředí.

Na základě úhlu příjezdu

Lineární pole antén přijímajících signál. Rozdíl fázového posuvu přijímaného signálu přicházejícího na antény rovnoměrně oddělené vzdáleností „d“ se používá k výpočtu úhlu příchodu signálu. Obrázek reprodukován z

S příchodem rozhraní MIMO Wi-Fi, která používají více antén, je možné odhadnout AoA vícecestných signálů přijatých na anténních polích v přístupových bodech a použít triangulaci k výpočtu umístění klientských zařízení. SpotFi, ArrayTrack a LTEye jsou navrhovaná řešení využívající tento druh techniky.

Typický výpočet AoA se provádí pomocí algoritmu MUSIC . Za předpokladu, že anténní pole antén rovnoměrně rozmístěných ve vzdálenosti a signál přicházející k anténnímu poli prostřednictvím šířících se cest, je signálem uražena další vzdálenost k dosažení druhé antény pole. ${\ displaystyle M}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle d \ sin \ theta}$

Vzhledem k tomu, že -tá cesta šíření přichází s úhlem vzhledem k normále anténního pole přístupového bodu, je útlum zaznamenaný u jakékoli antény pole. Útlum je u každé antény stejný, s výjimkou fázového posunu, který se u každé antény mění kvůli zvláštní vzdálenosti ujeté signálem. To znamená, že signál přichází s další fází ${\ displaystyle k}$${\ displaystyle \ theta _ {k}}$${\ displaystyle \ gamma _ {k}}$

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

na druhé anténě a

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

na -té anténě. ${\ displaystyle m}$

Následující komplexní exponenciál lze proto použít jako zjednodušené znázornění fázových posunů, které každá anténa zažívá jako funkci AoA šíření dráhy:

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

AoA pak může být vyjádřena jako vektor přijatých signálů kvůli-té cestě šíření, kde je vektor řízení a daný: ${\ displaystyle {\ vec {a}} (\ theta _ {k}) \ gamma _ {k}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle {\ vec {a}} (\ theta _ {k})}$

$${\ displaystyle {\ vec {a}} (\ theta _ {k}) = [1, \ \ phi (\ theta _ {k}), \ \ tečky, \ \ phi (\ theta _ {k}) ^ {M-1}] ^ {T}}$$

${\ displaystyle \ mathbf {A}}$

${\ displaystyle M \ cdot L}$

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

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

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

přenáší data na více různých dílčích nosných, takže měřené přijaté signály odpovídající každé dílčí nosné tvoří matici vyjádřenou jako: ${\ displaystyle {\ vec {\ Gamma}} = [{\ vec {\ gamma}} _ {1} \ dots {\ vec {\ gamma}} _ {L}]}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle {\ vec {x}}}$${\ displaystyle \ mathbf {X}}$

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

Matice je dána maticí informací o stavu kanálu (

), kterou lze extrahovat z moderních bezdrátových karet pomocí speciálních nástrojů, jako je Linux 802.11n CSI Tool. ${\ displaystyle \ mathbf {X}}$

Toto je místo, kde se aplikuje algoritmus MUSIC , nejprve výpočtem vlastních vektorů (kde je transpozice konjugátu ) a použitím vektorů odpovídajících vlastní hodnotě nula k výpočtu vektorů řízení a matice . AoAs lze poté odvodit z této matice a použít k odhadu polohy klientského zařízení pomocí

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

Ačkoli je tato technika obvykle přesnější než jiné, může být pro její nasazení zapotřebí speciální hardware, jako je pole šesti až osmi antén nebo rotujících antén. SpotFi navrhuje použití superrozlišovacího algoritmu, který využívá počet měření provedených každou z antén karet Wi-Fi pouze se třemi anténami a také obsahuje lokalizaci založenou na ToF, aby se zlepšila jeho přesnost.

Čas letu

Obrázek zobrazující měřicí stanici odesílající DATA rámec na klientskou stanici a čekající na přijetí ACK. je plánovací zpoždění (offset), které vzniklo na cílovém klientském zařízení, a záleží na tom, kolik času trvá, než bude ACK naplánováno. T_P je doba šíření signálu mezi vysílačem a přijímačem a obvykle se předpokládá, že je stejná na cestě k cíli a zpět. T_ACK je čas potřebný k přenosu rámce ACK. Čas letu odpovídá T_MEASURED. Obrázek reprodukován z ${\ displaystyle \ delta}$

Přístup k lokalizaci