Статья 'Оценка погрешности измерений местонахождения абонента в сети Wi-Fi' - журнал 'Программные системы и вычислительные методы' - NotaBene.ru
по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > Требования к статьям > Политика издания > Редакция > Порядок рецензирования статей > Редакционный совет > Ретракция статей > Этические принципы > О журнале > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Online First Pre-Publication > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Программные системы и вычислительные методы
Правильная ссылка на статью:

Оценка погрешности измерений местонахождения абонента в сети Wi-Fi

Кокорева Елена Викторовна

кандидат технических наук

доцент, заведующий кафедрой систем мобильной связи, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

630102, Россия, Новосибирская область, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, каб. 605

Kokoreva Elena Viktorovna

PhD in Technical Science

Associate Professor, Head of Department of Mobile Communications Systems, Siberian State University of Telecommunications and Informatics

630102, Russia, Novosibirskaya oblast', g. Novosibirsk, ul. Kirova, 86, kab. 605

elen.vik@gmail.com
Другие публикации этого автора
 

 
Костюкович Анатолий Егорович

кандидат технических наук

доцент, кафедра автоматической электросвязи, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

630102, Россия, Новосибирская область, г. Новосибирск, ул. Kirova, 86, оф. 404

Kostyukovich Anatoliy Egorovich

PhD in Technical Science

Associate Professor, Department of Automatic Telecommunications, Siberian State University of Telecommunications and Informatics

630102, Russia, Novosibirskaya oblast', g. Novosibirsk, ul. Kirova, 86, of. 404

aek1954@gmail.com
Дощинский Илья Владиславович

инженер, Научно-образовательный центр для наукоемких промышленных предприятий г. Новосибирска

630102, Россия, Новосибирская область, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86, оф. 404

Doshchinsky Ilya Vladislavovich

Engineer, Scientific and Educational Center for High-Tech Industrial Enterprises, Novosibirsk

630102, Russia, Novosibirskaya oblast', g. Novosibirsk, ul. Kirova, 86, of. 404

akter1997@gmail.com

DOI:

10.7256/2454-0714.2019.4.31316

Дата направления статьи в редакцию:

09-11-2019


Дата публикации:

16-11-2019


Аннотация: В статье представлены результаты анализа погрешности вычисления координат мобильного абонента с помощью трёх точек доступа Wi-Fi, основанного на измерении мощности принятого сигнала. Цель исследования заключалась в разработке системы геопозиционирования для больших складских помещений и предварительной оценке точности вычислений в условиях, приближенных к реальным. Были рассмотрены принципы локального и глобального позиционирования, основанные на измерении различных физических характеристик распространения сигнала, произведён выбор метода для реализации системы определения местоположения. Авторами была разработана схема тестового стенда геопозиционирования в мобильной сети стандарта IEEE 802.11 и программное обеспечение для решения данной задачи с использованием механизма трилатерации. Для симуляции окружающей электромагнитной обстановки в расчётные формулы был добавлен параметр, имитирующий аддитивный белый гауссовский шум. В ходе работы получены графические зависимости ошибки измерения координат объекта от отношения Сигнал / Шум в канале и от удаления от опорной точки доступа. Результаты показали, что даже в наихудших условиях функционирования разработанная система превосходит большинство имеющихся на рынке систем по критерию точности измерения.


Ключевые слова:

Wi-Fi, точка доступа, геопозиционирование, трилатерация, расстояние, RSSI, местоположение, координаты, мощность, точность

Abstract: The article presents the results of the analysis of the error in calculating the coordinates of a mobile subscriber using three Wi-Fi access points, based on measuring the received signal power. The purpose of the study was to develop a geographic system for large storage facilities and a preliminary assessment of the accuracy of calculations in conditions close to real ones. The principles of local and global positioning based on the measurement of various physical characteristics of signal propagation were considered, a method was selected for the implementation of a positioning system. The authors developed a test bench layout of a map on the IEEE 802.11 standard mobile network and software for solving this problem using the trilateration mechanism. To simulate the surrounding electromagnetic environment, a parameter imitating additive white Gaussian noise was added to the calculation formulas. In the course of the work, graphical dependences of the error of measuring the coordinates of the object on the signal / noise ratio in the channel and on the distance from the reference access point are obtained. The results showed that even in the worst operating conditions, the developed system surpasses most systems on the market in terms of measurement accuracy.


Keywords:

Wi-Fi, access point, geopositioning, trilateration, distance, RSSI, location, coordinates, power, accuracy

Введение

Множество современных мобильных приложений базируются на определении текущего местоположения объекта. Традиционно служба LBS (англ. Location-based service) использует технологии GPS (англ. Global Positioning System), ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) и прочие спутниковые системы геопозиционирования и навигации [1-2].

Данные системы позволяют обеспечить точность измерений от трёх до пяти метров и требуют прямой видимости спутников. К недостаткам систем спутниковой навигации можно отнести высокое энергопотребление и невозможность приёма спутникового сигнала в помещении. Поэтому в настоящее время получили широкое распространение службы локального позиционирования, основанные на применении Wi-Fi точек доступа AP (англ. Access Point) [3].

Существующие LBS сервисы, такие как Skyhook, AlterGeo, Google и Яндекс карты, предоставляют информацию о местоположении абонента в городской среде, в том числе и внутри помещений. Эти службы основаны на методе триангуляции и обеспечивают максимальную точность определения местоположения порядка 15 м при условии высокой концентрации точек доступа Wi-Fi на местности.

Перед авторами стоит задача, применяя метод трилатерации разработать систему локального геопозиционирования на основе данных о мощности сигнала, принятого мобильным абонентом от каждой из точек доступа Wi-Fi и оценить погрешность измерений в условиях приёма, приближенных к реальным.

Методы геопозиционирования в системах мобильной связи

Рассмотрим существующие на сегодняшний день методы определения местоположения мобильного абонента, применяемые в различных инфокоммуникационных системах [4-5].

Принципы геопозиционирования основаны на следующих физических характеристиках радиосигнала:

  • RSS (англ. Received Signal Strength). Плотность мощности электромагнитной волны в свободном пространстве прямо пропорциональна мощности излучаемого передатчиком сигнала и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника (закон обратных квадратов).
  • TOF (англ. Time Of Flight). Расстояние между передатчиком и приёмником равно произведению времени распространения сигнала и скорости распространения (скорости света). При этом расстояние может определяться как по времени прибытия TOA (англ. Time Of Arrival) сигнала к приёмнику, когда время начала передачи известно, так и по фазе принятого сигнала POA (англ. Phase Of Arrival), которая связана с задержкой распространения и расстоянием через длину волны и скорость света.
  • AOA (англ. Angle Of Arrival) или DOA (англ. Direction Of Arrival). Угол или направление прихода волны может быть оценено по диаграмме направленности антенны. Однако для определения местоположения требуется как минимум два измерения AOA (с разных точек) или измерение нескольких параметров (АOA и TOF или RSS).
  • Разность фаз между электрическим и магнитным полем. В ближней зоне антенны передатчика эта величина зависит от расстояния до источника и позволяет это расстояние вычислить.

На измерении представленных выше характеристик основаны следующие механизмы позиционирования [6-9]:

  • Механизм ближайшей точки доступа. По сигналу наибольшей мощности абоненту присваиваются координаты той точки доступа, от которой поступил сигнал. Главное достоинство метода заключается в простоте его реализации, главный недостаток – очень низкая точность позиционирования.
  • Метод триангуляции основан на геометрических соотношениях. Для определения местоположения объекта необходимо наличие как минимум двух стационарных точек доступа с направленными антеннами и известными координатами. Одна из точек доступа располагается в начале координат (назовём её опорной). Координаты объекта при этом зависят от углов AOA t1 и t2, измеренных относительно северного направления и вычисляются следующим образом:

formula1_

Точность позиционирования определяется направленностью антенн.

  • Метод дифференциации пространственных образцов базируется на измерении мощности сигнала, принятого от всех точек доступа и сравнения полученных значений с образцами измерений, которые были проделаны заранее в определённых точках помещения и сохранены в базе данных. Этот механизм обеспечивает высокую точность измерений, но требует значительных предварительных измерений, которые впоследствии должны будут обновляться в зависимости от изменений окружающих условий.
  • Механизм трилатерации подробно описан в следующем разделе. Этот метод определяет положение объекта на местности путём построения смежных треугольников и вычисления длин их сторон. Данный метод может базироваться как на измерении показателя RSSI (индикатора мощности сигнала), так и на измерении TOA (времени задержки распространения сигнала).

Трилатерация

В данной работе для геопозиционирования применён метод трилатерации, который заключается в том, чтобы определить местоположение объекта в виде координат точки пересечения трёх сфер, в центрах которых расположены точки доступа AP1, AP2 и AP3 с известными координатами. Цель достигается решением системы линейных уравнений [10-11].

Основной принцип трилатерации проиллюстрирован на рис. 1.

Чтобы упростить вычисления производят преобразование системы координат таким образом, чтобы центр первой (опорной) сферы находился в начале координат (0, 0, 0), центр второй сферы располагался на оси абсцисс (x2, 0, 0), а центр третьей сферы имел координаты (x3, y3, 0). Таким образом центры всех сфер лежат в плоскости z = 0.

trilateration_1

Рис. 1. Принцип позиционирования с использованием трёх точек доступа

Радиусы сфер r1, r2 и r3, представляют собой расстояния от точек доступа до объекта и могут быть определены исходя из измерения мощности RSS или задержки TOA.

Расчёт координат объекта может быть произведён решением системы уравнений трёх сфер, с учётом приведённой системы координат:

formula2_

Выражая координаты объекта, получим:

formula3_

formula4_

Заметим, что в приведённой системе координат значение выражения (1) равно нулю.

Исследуемая система определяет расстояния по мощности сигнала на входе приёмного устройства мобильного оборудования. Для этого применяется формула Фрииса [12], описывающая распространение радиоволн в свободном пространстве:

formula5__01

В ф. (2) PR и PT – мощности на приёме и на передаче соответственно; GT и GR – коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн соответственно; l = c/f – длина волны радиосигнала, c – скорость света, f – частота передачи; R – расстояние между передатчиком и приёмником.

Недостатком такого метода геопозиционирования является то, что при определении расстояния не учитываются реальные условия распространения сигнала: многолучевость, замирания, поглощение препятствиями, стенами, перекрытиями, мебелью и пр.

Тестовый стенд для испытаний системы локального позиционирования

Для реализации стенда было использовано оборудование компании Eltex – российского разработчика и производителя телекоммуникационного оборудования:

  • Точки доступа WEP-12ac;
  • Коммутаторы MES3108F и MES2208P;
  • Программное обеспечение SoftWLC для организации серверов DHCP, RADIUS, SNMP, HTTP и пр.

Схема тестового стенда представлена на рис. 2.

_

Рис. 2. Схема тестового стенда геопозиционирования в сети Wi-Fi

В тестовом стенде организованы два VLAN:

  • VLAN 10 для передачи трафика управления между контроллером и точками доступа;
  • VLAN 20 для передачи пользовательского трафика.

Каждая точка доступа Wi-Fi управляется через VLAN 10, а через VLAN 20 передает трафик пользователей в сеть. Раздачей IP-адресов точкам доступа и пользователям сети занимается DHCP-сервер на контроллере. Сам же контроллер выступает в роли маршрутизатора между сетями VLAN 10, VLAN 20 и сетью научно-образовательного центра (НОЦ). Все пакеты, маршрутизируемые контроллером в сеть НОЦ (через интерфейс enp0s3), подвергаются преобразованию сетевых адресов NAT (англ. Network Address Translation).

Аутентификация пользователей каждой из сетей Wi-Fi производится централизованно через web-портал.

Технические характеристики точек доступа, которые будут использованы в расчётах:

  • Диапазоны частот: 2,4 ГГц и 5 ГГц;
  • Выходная мощность передатчика: до 19 дБм;
  • Коэффициенты усиления встроенных антенн: на частоте 2,4 ГГц – 5 дБи; на частоте 5 ГГц – 6 дБи.

Результаты

Для учёта реальных условий распространения сигнала в расчёты по определению местоположения мобильного абонента был внесён дополнительный параметр, задающий отношение сигнал/шум SNR (англ. Signal-to-Noise Ratio), который соответствует аддитивному белому гауссовскому шуму AWGN (англ. Additive White Gaussian Noise). А далее была произведена оценка влияния AWGN на точность определения местоположения абонента.

Поскольку используемые в испытаниях системы геопозиционирования точки доступа WEP-12ac являются двухдиапазонными, расчёты проводились для передачи в диапазоне частот 2,4 ГГц и 5 ГГц.

В результате были получены графики зависимостей погрешности измерений от отношения сигнал/шум и расстояния до опорной точки доступа, представленные на рис. 3–4. Вычисления были произведены в системе математических и инженерных расчётов Mathcad.

fig3

Рис. 3. Зависимость погрешности измерений от отношения сигнал/шум

Рис. 3 иллюстрирует зависимость ошибки позиционирования от величины отношения сигнал/шум SNR. На рисунке можно видеть, каким образом AWGN влияет на точность измерений. Несмотря на ухудшение результата с увеличением мощности шума по сравнению с мощностью полезного сигнала, значение погрешности продолжает оставаться в пределах, допустимых для использования.

При увеличении расстояния между точками доступа и соответственно уменьшении мощности сигнала на входе приёмной антенны наблюдается незначительное отклонение результатов измерений от реальных значений, которое также не превышает допустимых пределов.

fig4

Рис. 4. Зависимость погрешности измерений от расстояния

Зависимости, представленные на рис. 3–4, показывают, что даже в наихудших условиях погрешность позиционирования не превышает 9 м для передачи на частоте 5 ГГц и 3 м – для передачи на частоте 2,4 ГГц, что представляет собой вполне приемлемый в пределах одного помещения результат. Предварительная оценка позволяет утверждать, что по точности измерений данная система превосходит многие имеющиеся на рынке LBS решения.

Заключение

Были рассмотрены методы локального позиционирования, основанные на измерениях различных физических характеристик радиосигнала. Для реализации системы геопозиционирования в сетях Wi-Fi был выбран метод трилатерации с использованием параметра RSS. Авторами была разработана схема построения стенда тестовых испытаний системы и программное обеспечение для определения координат мобильного абонента в помещении. А далее была произведена оценка погрешности измерений, которая показала работоспособность разработанной системы в реальных условиях распространения радиосигнала.

Библиография
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
References
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Статья посвящена востребованной задаче снижения погрешности определения положения объекта, на основе расчетов характеристик радиосигналов. Авторы подробно анализируют существующие методы геопозиционирования, методы определения положения объекта, уделяют наибольшее внимание методу трилатерации. Приводятся основные математические выражения для расчета координат объекта.
Новизна исследований авторов заключается в разработке стенда для испытаний систем локального позиционирования, приводится схема и использованные в расчетах технические характеристики.
Замечания.
Не обоснован выбор метода трилатерации.
Нет четкой формулировки цели исследования (необходимо было разработать учебный стенд для выполнения лабораторных работ, разработать новый метод, усовершенствовать существующий метод и т.д.).
Следует ли указывать английский термин для соотношения сигнал/шум и гауссова шума?
Авторами выполнены модельные эксперименты, определены зависимости погрешности определения положения объекта от соотношения сигнал/шум. Не указан шаг дискретизации в эксперименте. В описании эксперимента не упоминается величина шума, он был постоянен по абсолютной или по относительной величине в SNR?
В статье упоминаются, но не указываются допустимые значения погрешности; необходимо их указать. Желательно сравнить полученные значения с аналогами.
Авторы упоминают что наличие препятствий может снижать точность определения расстояний. Желательно проиллюстрировать это экспериментальными данными, что также повысит ценность статьи.
Статья имеет четкую структуру, отвечающую требованиям к научным публикациям. Не содержит стилистических и других ошибок, профессиональная терминология использована корректно.
Библиография достаточна, содержит зарубежные индексируемые публикации.
Статья интересна для широкой аудитории и может быть опубликована после доработки.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.