Signalstärkebasierte Ortung – Ein Beitrag zur probabilistischen, symbolischen, zellgenauen Ortung mobiler Netzwerkknoten innerhalb von Gebäuden

Signal strength based localization - A contribution in probabilistic, symbolic, cell based localization of mobile objects in indoor environments

  • Die vorliegende Dissertation setzt ein empfangssignalstärkebasiertes, probabilistisches, zweistufiges Ortungsverfahren zur symbolischen Lokalisierung von Objekten im Indoor-Bereich um. Dazu wird eine Hardware auf Basis der im 2,4 GHz ISM-Band arbeitenden Funktechnologie der Firma Nanotron zum Aufbau eines unidirektionalen Funknetzes entwickelt. Es besteht aus mobilen und stationären Netzwerkknoten und wurde in verschiedenen Umgebungsszenarien getestet. Neben dem für den Ortungsalgorithmus erforderlichen Signalstärkeparameter (AGC-Gain) wird ebenso die Sendeleistung als weiterer Systemparameter variiert. Die dadurch erweiterte Datenbasis vergrößert die Trennschärfe der diskreten a posteriori-Verteilung. Deren Modalwert bestimmt den geschätzten Aufenthalt des Mobilknotens im diskreten Raum. Der innerhalb einer ausgewählten Gebäudestruktur angewendete Basisalgorithmus liefert eine absolute Ortungsgenauigkeit von circa 73% und bestätigt so die prinzipielle Eignung des Verfahrens. Der mittlere Entfernungsfehler liegt für das 95. PerzentilDie vorliegende Dissertation setzt ein empfangssignalstärkebasiertes, probabilistisches, zweistufiges Ortungsverfahren zur symbolischen Lokalisierung von Objekten im Indoor-Bereich um. Dazu wird eine Hardware auf Basis der im 2,4 GHz ISM-Band arbeitenden Funktechnologie der Firma Nanotron zum Aufbau eines unidirektionalen Funknetzes entwickelt. Es besteht aus mobilen und stationären Netzwerkknoten und wurde in verschiedenen Umgebungsszenarien getestet. Neben dem für den Ortungsalgorithmus erforderlichen Signalstärkeparameter (AGC-Gain) wird ebenso die Sendeleistung als weiterer Systemparameter variiert. Die dadurch erweiterte Datenbasis vergrößert die Trennschärfe der diskreten a posteriori-Verteilung. Deren Modalwert bestimmt den geschätzten Aufenthalt des Mobilknotens im diskreten Raum. Der innerhalb einer ausgewählten Gebäudestruktur angewendete Basisalgorithmus liefert eine absolute Ortungsgenauigkeit von circa 73% und bestätigt so die prinzipielle Eignung des Verfahrens. Der mittlere Entfernungsfehler liegt für das 95. Perzentil bei 6,2 m. Bei einer mittleren Zellengröße von 5x5 m wird damit selbst im Fall einer Fehlortung mit hoher Wahrscheinlichkeit eine unmittelbare Nachbarzelle ausgewählt. Der flexible Aufbau erlaubt zusätzliche Untersuchungen an Parametern, welche Einfluss auf die Ortungsgenauigkeit haben. Darunter zählen Variationen der Höhe und Antennenausrichtung der Mobilknoten sowie Untersuchungen zur Hardwarestreuung. Dabei wird deutlich, dass in den beiden erstgenannten Fällen eine deutliche Verringerung der Trefferquote bis hin zu 37% auftritt. Hingegen belegt die hohe Reproduzierbarkeit der Ortungsgenauigkeit bei Verwendung baugleicher Netzwerkknoten die Übertragbarkeit einer mit einem Mobilknoten erstellten RadioMap auf andere Knoten. Das Ortungsverfahren wird neben dem primären Einsatzfeld im Indoor-Bereich ebenfalls im Outdoor-Bereich getestet. Dabei können Interferenzerscheinungen durch Mehrfachsignalausbreitung gesondert untersucht und modelliert werden. Im Anschluss werden Ansätze vorgestellt, welche das System unter verschiedenen Gesichtspunkten wie der Verringerung der erforderlichen Speicherkapazität, der Verringerung der Rechenzeit durch Eingrenzung des Suchraumes sowie die Erhöhung der Ortungsgenauigkeit durch verschiedene Filterstrukturen erweitern. In deren Ergebnis können die erforderliche Speicherkapazität um 93% gesenkt, die Rechenzeit um 42% verringert und die absolute Ortungsgenauigkeit auf 83% gesteigert werden. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der Ergebnisse und gibt Ausblicke auf aufbauende Forschungsschwerpunkte.show moreshow less
  • A signal strength based, probabilistic, two-step procedure for symbolic localization of objects in indoor environment, using the Nanotron wireless technology is introduced and implemented. Therefore, the necessary hardware was developed to build a one-way radio network consisting of mobile and fixed network nodes. It was tested in different environmental scenarios. In addition to the signal strength value (AGC-gain) required for the Bayesian algorithm, the transmit power is used to increase the selectivity of the discrete a posteriori-distribution. Their modal value determines the estimated position of the mobile node in the discrete space. Within a selected building structure, the applied algorithm provides an absolute location accuracy of about 73%, confirming the general suitability of the procedure. The average distance error is 6,2 m for the 95. percentile. Even in the case of a wrong cell estimation, the algorithm selects an immediate neighboring cell with high probability under assumption of an average cell size of 5x5 m. TheA signal strength based, probabilistic, two-step procedure for symbolic localization of objects in indoor environment, using the Nanotron wireless technology is introduced and implemented. Therefore, the necessary hardware was developed to build a one-way radio network consisting of mobile and fixed network nodes. It was tested in different environmental scenarios. In addition to the signal strength value (AGC-gain) required for the Bayesian algorithm, the transmit power is used to increase the selectivity of the discrete a posteriori-distribution. Their modal value determines the estimated position of the mobile node in the discrete space. Within a selected building structure, the applied algorithm provides an absolute location accuracy of about 73%, confirming the general suitability of the procedure. The average distance error is 6,2 m for the 95. percentile. Even in the case of a wrong cell estimation, the algorithm selects an immediate neighboring cell with high probability under assumption of an average cell size of 5x5 m. The flexible structure allowes additional investigation of parameters which influence the positioning accuracy. These variations include studies about the mobile node height above ground and the direction of its antenna as well as hardware discrepancies. In the first two studies, a significant reduction in the hit ratio down to 37% was indicated. When combining the RadioMap with structurally identical nodes, the high reproducibility of the positioning accuracy shows the transferability of the location algorithm to other nodes. The detection method is tested in an indoor environment as well as in an outdoor area. The outdoor testfield had to be used to separately investigate and model interference effects caused by multipath fading. Various refinements such as reducing the required storage capacity, reducing the computation time by limiting the search space, and increasing the accuracy of positioning by various filter structures improve the system compared to its initial stage. In result, the memory capacity reduces by 93%, the computation time decreases by 42% and the absolute positioning accuracy increases up to 83%. More results are given in the thesis together with constructive views on research priorities.show moreshow less

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Metadaten
Author: Tost, Frank
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-12421
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Killat, Dirk
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Date of final exam:2009/12/07
Release Date:2009/12/14
Tag:Gebäude; Ortung; Probabilistisch; Signalstärke; Symbolisch
Indoor; Localization; Probabilistic; Signal-strength; Symbolic
GND Keyword:Netzwerke; Ortung; Signal; Verstärkung
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Mikroelektronik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Mikroelektronik