Чому не злітає позиціонування на основі Wi-Fi

Передмову або «Якщо у нас є Wi-Fi, а давайте позиціонувати з допомогою нього!»

Зараз геопозиціонування на базі технології GPS використовує кожен, у кого є смартфон. Але як тільки людина входить в будівлю, GPS перестає працювати (хоча смартфон і показує координату, але вже зі значно меншою точністю). З одного боку, не дуже-то і хотілося, з іншого боку, а чому б і ні, прикладні задачі для цього є.

Але якщо подивитися на те, що нам пропонує ринок, поки не видно адекватного рішення, готового запропонувати споживачу одночасно недороге і досить точне рішення.

В цій статті спробую розглянути технічні аспекти (не торкаючись прикладної придатності) позиціонування на базі технології Wi-Fi (саме ця технологія найбільш поширена всередині приміщень і підходить для вирішення цієї задачі) і проаналізувати причини невдач при реалізації.

На перший погляд

На перший погляд (і тільки!) інфраструктура Wi-Fi дуже добре підходить для позиціонування всередині приміщень: в ній є достатня кількість точок з відомими координатами (маються на увазі точки доступу Wi-Fi, далі просто ТД), у кожного смартфона всередині є Wi-Fi адаптер (Клієнт). Тепер можна обчислити відстань між ТД і Клієнтом і розрахувати розташування Клієнта з допомогою трилатерации.

Для вирішення завдання трилатерации необхідно мати виміри як мінімум від трьох точок з відомими координатами. Щоб обчислити відстань заміряється рівень сигналу Клієнта на ТД, а точніше його загасання (ці дані ми можемо отримати від Wi-Fi інфраструктури, це входить в рамки стандарту IEEE 802.11). Загасання перетворюється на відстань за формулою поширення сигналу у відкритому просторі (FSPL – free space path loss). Далі ми набираємо необхідну кількість замірів. Якщо відстань від однієї ТД відомо, то навколо нього можна описати коло відомого радіуса. Якщо відомо відстань від двох ТД, то визначається місце розташування буде розташоване на перетині двох кіл. Наявність третього виміру визначає точку на перетині трьох кіл.

І ось тепер ми можемо розташувати Wi-Fi клієнта на площині. Завдання зрозуміле, реалізація зрозуміла. Багато виробників взялися за реалізацію (загалом-то правильно стали робити я вважаю). Але на жаль, поки що в даному рішенні залишається дуже багато питань.

Основні питання

Основні питання:

1. Збільшення кількості ТД більш ніж у два рази порівняно з їх звичайною кількістю.
2. Погана точність позиціонування навіть в ідеальних умовах (близько 10 метрів). І кардинально погіршується точність у разі хоча б невеликого ігнорування частини вимог.
3. Непередбачувана частота оновлення даних про позиції Wi-Fi клієнта.

Вимоги до позиціонування Wi-Fi

• Між трьома ТД і Клієнтом бажана пряма видимість;
• Клієнт повинен добре чути не менше трьох ТД (а не одну, чого зазвичай достатньо);
• Чути «добре», це -75dBm і більше, а це не просто «добре», це дуже впевнено;
• Точки доступу повинні розставлятися по периметру будівлі та в шаховому порядку;
• Wi-Fi клієнт не повинен бути дуже мовчазним.

Чому висуваються такі жорсткі вимоги і що нам загрожує, якщо ми ці жорсткі вимоги не задовольнимо?

Між трьома ТД і Клієнтом бажана пряма видимість
Мабуть, основною проблемою, з якою довелося зіткнутися розробникам алгоритмів позиціонування всередині приміщень, це велика кількість відбиттів сигналу. Це найлютіший ворог всіх систем позиціонування, які засновані на вимірі часу розповсюдження або загасання сигналу.

А що ж, приміром, GPS? У технології GPS ми маємо справу з сигналом без перевідбиттів, з супутниками, що знаходяться в прямої видимості. Це нам дозволяє домогтися дуже хорошої точності позиціонування. Як тільки в GPS доводиться мати справу з перевідбиття сигналом, точність позиціонування катастрофічно падає.

Чому так відбувається? Тому що ми фактично заміряємо довжину шляху сигналу (за допомогою підрахунку тимчасової затримки чи загасання сигналу) і якщо він відбивається, то нехай стає довшим реального відстані. У разі Wi-Fi всередині приміщення ми завжди маємо справу з переотражениями. Більше того, всі основні технології стандартів IEEE 802.11 n, 802.11 ac (MIMO, MRC, BF) використовують у своїй основі саме цей ефект, без якого працюють гірше.

Для трилатерации ж це дуже погано, довжина шляху вимірюється з великою похибкою, збільшуючи тим самим загальну похибку позиціювання.

Пряма видимість може мінімізувати перевідбиття і, отже, зменшити похибку. Тому і є рекомендація розставляти точки доступу в прямій видимості.

До чого призводить така вимога? Така вимога призводить до значного збільшення ТД, так як в рамках звичайного покриття нам достатньо однієї точки доступу на 3-5 приміщень (точки доступу добре «пробивають» одну/дві некапітальні стіни).

Клієнт повинен добре чути не менше трьох ТД (а не одну, чого зазвичай достатньо)
Пересічному Клієнту достатньо сигналу від однієї точки доступу, це очевидно.
Для позиціонування ж необхідний хороший рівень сигналу від трьох – чотирьох ТД.

Чути «добре», це -75dBm і більше, а це не просто «добре», це дуже впевнено
Візьмемо офіційне керівництво Сіѕсо, в якому говориться, що для того, щоб точність позиціонування була близько 10м в 90% випадків, Wi-Fi клієнт повинен «чути» як мінімум три точки доступу з рівнем сигналу не гірше -75dBm. Чому саме -75dBm і що буде, якщо сигнал буде гірше?

Основну роль в тому, що значення саме -75dBm, з моєї точки зору, має природа загасання сигналу (той самий FSPL). Сигнал загасає не з лінійною, а з логарифмічною залежністю. Тобто, приміром, чим далі від передавача, тим більше відстані доводиться сигналу подолати, щоб його рівень знизився в два рази. З цього випливає, що чим далі від передавача, тим більше похибка у вимірюваннях відстані на основі його рівня.

Критичну роль відіграє те, що точність приймача Wi-Fi зовсім невелика, нуль знаків після коми (рівень сигналу вимірюється в dBm), а точність вимірювання потужності в даному випадку має визначальну роль для похибки вимірювання відстані.

Для прикладу можна привести в приклад технологію GPS, в якій доводиться використовувати атомні часті, які забезпечують точність виміру часу поширення сигналу до сьомого знаку після коми (вимірюється в секундах). Сьомий знак після коми – це похибка близько 30 метрів на замір.

Припустимо, щоб домогтися прийнятної точності позиціонування, для технології Wi-Fi похибка на 1dBm повинна становити не більше 10 метрів.

Щоб розрахувати похибку вимірювань в метрах на 1 dBm, візьму формулу FSPL і представлю для наочності у вигляді графіка.

Формулу поширення сигналу для частоти 2.4 ГГц у спрощеному вигляді можна представити наступним чином:
FSPL = 32.4 + (20log10(2,400)) + (20log10(x)), де х – відстань у км
FSPL = 100dB + 20log10(x)

На першому метрі рівень сигналу падає на 40dB, тобто похибка не більше 2,5 см на один dB. На другому метрі падіння вже на 6dB (похибка вже 16 см на dB), на третьому – на 3.5 dB (похибка 30 см на dB).

На наступному графіку по осі Х показані значення FSPL, а по осі Y показано значення похибки в метрах на 1 dBm.

image

Похибка в 10м відповідає загасання сигналу в 80dBm. Причому далі похибка починає різко збільшуватися.

Візьмемо сучасну ТД з вбудованими антенами (5dBi), оцінимо потужність її передавача в сучасних умовах в 12mW(11dBm) і обчислимо ефективну ізотропне випромінену потужність (EIRP) з якої віднімемо наш FSPL.
EIRP-FSPL=11dBm+5dBi-80dB=-64dBm.
Це і є шуканий рівень сигналу, необхідний для забезпечення прийнятної точності позиціонування. Нагадаю, що загальні рекомендації Cisco — 75dBm.

Враховуючи те, що мій розрахунок дуже приблизний, в цілому значення дуже схожі. При цьому основна ідея складається не в обчисленні конкретного значення (є дуже багато змінних, що впливають на це значення), а в розумінні того, що при подальшому загасання сигналу точність позиціонування падає дуже різко.

Напевно відразу виникає наступне питання, а скільки це взагалі, -75dBm (або -64dBm) багато чи мало?

Швидкість роботи WiFi (модуляція, яка використовується) в першу чергу залежить від показника SNR (сигнал/шум), а не тільки від рівня сигналу. В цілому можна прикинути рівень шуму всередині будівель порядку -95 – -90dBm (офісне приміщення з кількома орендарями). Високим швидкості (модуляції MCS 5 – MCS 7 (64 QAM)) вимагають значень SNR від 20 і вище. Це означає, що рівень сигналу повинен бути не менше -75 – -70dBm.

Тобто іншими словами, сигнал -75dBm – це «впевнений» сигнал, який забезпечує високі швидкості передачі.

І, нарешті, основний висновок у тому, що таких сигналів для позиціонування потрібно як мінімум три, хоча в умовах звичайного покриття досить одного, що неминуче впливає на загальну кількість ТД.

Точки доступу повинні розставлятися по периметру будівлі та в шаховому порядку
Похибка трилатерации залежить так само від того, як розташовані вимірники (ТД). На вимірювачі є інформація тільки про відстані до об'єкта. Малюючи кола, найкраще, щоб вони були розподілені рівномірно по поверхні, а також перебували в тому числі на периметрі.

У разі технології GPS всі ці питання елегантно вирішуються рівномірним розподілом супутників на орбіті Землі.

Якщо Wi-Fi розставляти точки доступу рівномірно всередині будівлі не так незвично (хоча іноді дуже зручно розставити три точки доступу на одній прямій в коридорі, що протипоказано для позиціонування), то по периметру їх звичайно ніхто не розставляє, швидше навпаки, намагаються цього уникнути, так як покриття переважної більшості офісних точок доступу має кругову діаграму спрямованості і розташування ТД на периметрі призводить до неповного використання покриття точки доступу і виходу сигналу за межі будівлі.

Частота свідчень
Якщо ми маємо справу зі спеціалізованими системами позиціонування, то вони піклуються про частоті вимірів. GPS супутники постійно передають сигнал, домагаючись позиціонування в реальному часі (зовсім з невеликою затримкою, достатньою, наприклад, для навігаторів).

Інфраструктура Wi-Fi не призначена для рішення задачі позиціонування і тому постійної передачі пакетів з рівними інтервалами не відбувається. Систем позиціонування Wi-Fi доводиться працювати з тим трафіком, який є. Чим більше трафіку, тим краще, для позиціонування. А ось для Wi-Fi все йде якраз навпаки. Все своє свідоме життя співтовариство Wi-Fi працює над завданням зменшенням часу перебування в ефірі Клієнта в першу чергу для збільшення загальної пропускної здатності Wi-Fi, по-друге, для збільшення часу життя мобільних пристроїв. В результаті систем позиціонування Wi-Fi доводиться працювати з пакетами, які йдуть з непередбачуваними і найчастіше досить великими інтервалами.

Але навіть якщо Клієнт передав пакет, цей пакет ще треба детектувати усіма необхідними точками доступу, що не так-то просто для Wi-Fi. Спробую пояснити на прикладі.

Припустимо клієнт відправив пакет на 1-му каналі діапазону 2.4 ГГц. Він знаходиться в зоні видимості трьох точок доступу, за стандартом вони працюють на 1-му, 6-му і 11-му каналах і якщо не передають сигнал, то повинні слухати. Перша точка перший канал, друга – шостий, третя – 11-й. Перша точка доступу отримала даний сигнал і замерила його потужність. Друга і третя точки доступу не чули цього пакета, так як слухали, відповідно, шостий і 11-й канали!

Все це призводить до того, що частота оновлення позиції непередбачувана і в ряді випадків дуже велика, може досягати кілька десятків секунд, а іноді і хвилин.

Є різні шляхи вирішення цього питання. Звичайна точка доступу невелику частину свого часу витрачає на моніторинг суміжних каналів. Але так як час це невелике і обходити доводиться багато каналів, то ймовірність зловити такий пакет все одно невелика.

Так само для вирішення цього завдання використовують додаткове радіо на ТД, що працює в режимі моніторингу, яке використовує весь свій час виключно на моніторинг та не обслуговує клієнтів. Але навіть незважаючи на це, є ймовірність не почути необхідний пакет: в діапазоні 2.4 ГГц потрібно слухати 3 канали (послідовно) і 16 каналів в 5ГГц. Завдання трохи спрощується, якщо ми відстежуємо розташування підключених пристроїв, якщо ж стоїть завдання відстежити положення всіх відомих пристроїв, то треба буде обходити ще невикористані каналу (наприклад, усі 13-ть каналів в діапазоні 2.4 ГГц).

Висновки такі: без застосування спеціальних модулів моніторингу і навіть разом з ними, може спостерігатися проблема з частотою оновлення позиції.

Загальні висновки

Вимоги до хорошого позиціонуванню здебільшого суперечать вимогам до оптимальному покриттю.

Це призводить до збільшення точок доступу не менш ніж у два рази, а також до подорожчання самих ТД (необхідні додаткові модулі). В результаті це призводить до збільшення бюджету на Wi-Fi інфраструктуру в два і більше разів. При тому, що в результаті точність позиціонування не перевищує 10 метрів, а частота оновлень все одно виходить досить непередбачуване, то ці рішення, м'яко кажучи, суперечливі і реалізуються або у виділених зонах, або з недотриманням усіх необхідних вимог з відомим результатом.

Але технології не стоять на місці і в наступній статися я хотів би спробувати докладно проаналізувати спроби вирішення вищезазначених проблем, а конкретно:
— реалізацію технології AoA (angle-of-arrival) у Wi-Fi на прикладі Cisco Hyperlocation;
— спроба збільшення частоти оновлень позиції з испольованием виділеного модуля моніторингу на прикладі Cisco FastLocation.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.