A Proposition Of An Indoor Positioning System Using Non
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A Proposition Of An Indoor Positioning System Using Non
A Proposition Of An Indoor Positioning System Using Non-Dedicated Wireless Fingerprint L. J. S. Costa, F. C. Lofrano and E. S. Fonseca Júnior 1 Abstract— Devices with wireless receptors are common to the world’s reality. Location based services (LBS) are becoming popular by taking advantage of the GPS positioning of the mobile devices, and sharing the positioning information with people. But there is nothing that can be done to, with the actual technology, enable the use of the GPS signal inside buildings and structures. The main purpose of this article is to use the signal strength indicator of the wireless network available in an indoor environment to position a mobile station using this wireless fingerprint. It was verified that the open information of the wireless fingerprint have standards signals for different house rooms and the use of these signal strength fingerprint for indoor positioning is possible. Keywords— Location Based Navigation, Wireless Fingerprint C I. Services (LBS), Indoor INTRODUÇÃO OM a ubiquidade de dispositivos eletrônicos como smartphones, tablets e notebooks dotados de sistemas de posicionamento, serviços baseados em localização (Location Based Services, ou LBS na sigla em inglês) têm se tornado populares. Sistemas de navegação por satélite (GNSS), como GPS (Global Positioning System) ou GLONASS (GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), apresentam uma acurácia adequada para posicionamento ao ar livre, porém os sinais dos satélites não são suficientemente fortes para atravessar materiais densos e/ou espessos, criando regiões sem sinal GNSS no meio subterrâneo ou mesmo dentro de estruturas como edifícios. Alguns estudos apresentaram técnicas para resolver esse problema, utilizando o GPS em locais internos, baseados na adoção de receptores de alta sensibilidade [1] ou no emprego de repetidores GPS [2]. Com o crescente emprego de roteadores e disponibilidade de redes sem fio nos mais diversos locais do ambiente urbano (associado, novamente, à presença de receptores embarcados nos dispositivos eletrônicos), novas abordagens para o posicionamento interno a edifícios têm surgido. Em comum, todas tratam de orientar uma estação móvel (EM – um celular, por exemplo) de forma que sua localização seja definida com base em um cadastro prévio do posicionamento e da cobertura existente de sinais de rede sem fio - o que exige ao menos três pontos de acesso (PA). O conjunto das potências das redes sem fio disponíveis em um determinado local constitui uma assinatura única, que pode ser usada para identificar a posição L. J. S. Costa, Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] F. C. Lofrano, Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] E. S. Fonseca Júnior, Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, São Paulo, Brasil, [email protected] da EM. Esta assinatura pode ser usada como uma alternativa barata e acessível no posicionamento dentro de grandes e pequenas estruturas que possuam redes sem fio. O posicionamento de caráter geodésico se preocupa com a locação e a localização de entidades sob uma visão estritamente geométrica (e com embasamento físico), isto é, com a representação matemática desses objetos em um modelo descritivo de mundo. Apesar de sua natureza precisa e rigorosa ser imprescindível a diversas aplicações visíveis rotineiramente na Engenharia, a utilização da Geodesia no sentido estrito não é, contudo, capaz de manifestar todo o seu potencial quando lidando diretamente com seres humanos em seus afazeres cotidianos. Isso se deve ao fato de que nós não habitamos um mundo meramente geográfico, geométrico, geodésico, mas também transitamos por mundos sociais, de contatos e de atividades. Estabelecemos relações com os lugares que não prescindem de, mas transcendem a quaisquer respostas que se baseiam puramente em suas altitudes, latitudes e longitudes. Em um mundo com tanta pressa, localizar um médico dentro de um hospital para realizar um transplante de emergência; um engenheiro dentro de uma grande instalação industrial, ou mesmo um professor dentro de uma Universidade de modo rápido, eficiente e preciso se faz cada vez mais necessário. O presente artigo busca investigar a viabilidade de uma abordagem de localização orientada a ambientes baseada em assinaturas de intensidade de sinais de redes sem fio sem dedicação, ou seja, que estejam disponíveis em determinado local. II. REDES SEM FIO As redes sem fio do tipo IEEE 802.11 (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos) são redes para uso civil, definida como padrão pelo IEEE e aceita por todos os fabricantes de roteadores sem fio [5], popularmente conhecidas como redes Wi-Fi (Wireless Fidelity) . Com um aparelho dotado de receptor de sinal de rede sem fio é possível detectar redes sem fio provenientes de diversos roteadores. Os sinais detectados carregam informações livres, ou seja, que não requerem autenticação na rede sem fio para serem obtidas, conforme discriminadas pela TABELA I. INFORMAÇÕES LIVRES FORNECIDAS PELOS ROTEADORES SEM FIO. Sigla BSSID SSID RSSI Significado Basic Service Set IDentifier Service Set IDentification Received Signal Strength Indicator Função Identificação do aparelho roteador Nome da rede Potência do sinal de rádio recebido O desenvolvvimento destee trabalho utilliza-se do BS SSID e R RSSI para deefinir a assinnatura de detterminado loccal. O prrocesso se dáá em dois moomentos: (1) o levantamennto das reedes sem fio é feito e arm mazenado em uum banco de dados reelacional, criaando um mappa de sinais, definindo asssim a asssinatura sem m fio do locaal e (2) a cclassificação dde um coonjunto de reedes sem fio em um dos locais previaamente caadastrados, taambém chamaado de buscaa de local. P Para a deeterminação ddesta assinaturaa pode-se inteerpretar os resuultados doo mapa de sinnais de maneiraa determinística ou probabiilística, coomo explicadoo em [6]. Utillizando técniccas determiníssticas é poossível implem mentar uma Busca em Prrofundidade (DFS D Depth-First Search), demonnstrado em [7], para expanndir os nóós dos possíveeis locais a seerem classificados em um espaço n--dimensional variável. Nesste artigo, a pproposta é utillizar o D DFS como métoodo de busca nno mapa de siinais. III. MOD DELO DE DA ADOS foi definido para p tratar toddas as Um modeloo de dados fo transações proppostas por este artigo, de forma que pudesse mazenar os vvalores suuportar o algoritmo de buusca. Para arm obbservados foi criada uma esstrutura multinnível como na Figura 1.. TABELA II. EX XEMPLO DE AR RMAZENAMENT TO DE DADOS PROVENIENTES D DE UMA LEITUR RA. SSID catedraldomoosaico Renataa Couto Nobritecch MHS Motorolla M MOTOROLA--10D5D Rede Wi-Fi de Eli 803wanng belkin.3ee9b net virtua 11537 Castelo Bellliard V. EN NCONTRAN NDO LOCAIS NA BASE CADAS STRADA N (X i =1 Cada aquisiçção (ou varreddura) é um coonjunto de atrributos (B BSSID, SSID e RSSI) coletaados pelo proggrama. Um gruupo de aqquisições é o cconjunto de leeituras feitas nna mesma soliccitação doo usuário. Enffim, esses gruppos de aquisições são associiados a um m local, que aagrupa toda a estrutura, connstituindo assim m uma “bbase” que perrmite a consuulta de aquisiçções posteriorres que buuscam posicioonar determinaada estação móóvel. IV. CADAS STRO DOS LOCAIS L Foi desenvolvido um algooritmo para reaalizar o cadasttro das reedes disponívveis em determinado loccal (varredurra). O prrograma cria um grupo coontendo N aqquisições dass redes diisponíveis, onnde N é um m número intteiro definidoo pelo ussuário. Os vallores das leiturras são armazzenados no bannco de daados e vinculaados a um locaal. A TABELA A II exemplificca como é arm mazenada uma leitura noo banco de daddos. RSS SI -766,0 -744,0 -866,0 -722,0 -500,0 -766,0 -888,0 -844,0 -61,0 -755,0 -877,0 -400,0 P Para identificaar se uma aqquisição de loocal desconheecido perttence ao mapaa de sinais caddastrados, é nnecessário realizar umaa comparação entre a aquisiição de local desconhecido d e as aquiisições de locais cadastrados no mapaa de sinais. E Essa com mparação é feeita calculanddo-se as distââncias euclidianas entrre os valores dde RSSI da EM M e da base de dados dos PA A. A Equação 1 mostra o cálculo para a distância enttre o conjjunto conheciddo (X) e o connjunto não connhecido (Y). d= Fiigura 1. Estrutura do modelo de aquuisição de dados criado e seus rellacionamentos. BSSID 28:be:9b:8e:114:27 80:c6:ab:e9:668:ec 00:24:b2:87:ff5:dc 84:c9:b2:10:221:70 28:be:9b:d7:dda:56 00:90:4b:df:339:7b 38:6b:bb:b8:775:be 40:3c:fc:06:bb1:f5 38:6b:bb:b8:663:4c 94:44:52:12:aae:0b 00:25:f1:da:44a:20 90:b1:34:43:55d:cf i − Yi ) 2 (1) eem que d: distância eucllidiana entre vvalores conheccidos (PA As) e desconhecidos (EM); As); Xi: vetor de valorres de RSSI coonhecidos (PA M. Yi: vetor de valorres de RSSI obbtidos pela EM A Equação 2 exemplifica oos cálculos feitos entre o vvetor aquiisição desconnhecido e um m vetor aquuisição conheecido dem monstrados na TABELA III,, pertencente aao mapa de sinnais. As comparaçõess são feitas apenas utilizando o BS SSID (identificador únicco do roteadorr sem fio). TABELA III. COMPARAÇÃO O ENTRE VETOR DE SINAIS ECIDO E VETOR R DE SINAIS CO ONHECIDO. DESCONHE Vetor conheccido do mapa dde siinais B BSSID RSSI rotteador1 -30 rotteador2 -40 rotteador3 -50 rotteador4 -60 rotteador5 -70 Vettor aquisição deesconhecido BSSID D RSSI roteadoor1 -33 roteadoor2 -54 roteadoor5 -76 roteadoor6 -74 (− 30 + 33)2 + (− 40 + 554)2 + (− 50 − 0)2 + = (2)) (− 60 − 0)2 + (− 70 + 766)2 + (0 + 744)2 = 11817 = 108,70 P Para determinaar se um local desconheciddo pertence a bbase cadaastrada, é calcculado o conjuunto coletado deste local coontra toodos os locais da base, e o que q tiver o meenor valor callculado paara é considerrado como o ccômodo deste local desconhhecido. A Após realizar a busca em tooda a base dee dados, se o menor vaalor encontraddo for acima de 170, o sisstema consideera que nãão há na baase um local que possa definir a aquuisição deesconhecida. O valor de 170 foi definnido arbitrariaamente appós algumas aanálises das reedes sem fio e suas variações de pootência. Apóss os primeiross testes do allgoritmo, essee valor appresentou um m limiar factíível entre um m cômodo dee PAs coonhecidos e um m cômodo de PAs desconheecidos. V VI. ALGO ORITMO DE B BUSCA EM PROFUNDIDA P ADE U Uma simplificcação adotada foi a de ignoorar redes sem m fio com m RSSI maiorees que 80 no m momento da buusca, pois a maior m partte dessas redess não aparecem m em todas as aquisições. VII. TESTES P Para definir see é possível, dee fato, utilizarr as potências sem fio para p realizar uum posicionam mento, uma seequência de teestes foi eelaborada e exxecutada. O Os testes foram m feitos em uuma residência, partindo-se da prem missa que todoos os cômodoss foram cadasttrados no mappa de sinaais, pode-se veerificar esse essquema na Figgura 3. O algoritmoo de busca em m profundidadde utiliza a estrutura doos níveis defiinidos para faazer a compaaração entre o vetor deesconhecido dda EM e os vetores conhecidos do maapa de siinais (conjuntoo dos PA cadaastrados). Além m disso, ele reealiza a coomparação apeenas nos locaiis onde os BSS SID mais baixxos (ou seeja, mais fortes) da aquisiçãoo desconhecidda da EM existtam na baase de locais conhecidos. Em outras paalavras, o alggoritmo seegue o fluxo ddefinido a seguuir: Passo 1 Identifica qqual aquisiçãoo desconhecidda que será determiinada; Passo 2 Identifica qquais BSSIDss são os mais fortes dessa aquisiição; Passo 3 Separa um grupo de locaais no mapa dee sinais (com base nos BSSIDs identificados anteriormentee), que serão buscaddos; Passo 4 Varre as aqquisições perteencentes ao loocal do grupo separrado no Passoo 3, comparanndo com o veetor de aquisição deesconhecido. Uma vez eencontrado o local pelo algoritmo, eesse é asssociado ao grrupo de aquissições e armazzenado na basse para usso futuro já como c um gruupo pertencennte à base de sinais coonhecida. Se o algoritmoo não enconntrar nenhum m local prróximo o suficiente na listaa de possibiliddades, ele suggere ao ussuário que criee um novo loccal para associar ao grupo. O julgamennto da posiçãoo sendo avaliiada é, no fundo, a buusca pelo locaal cadastrado que apresentee a menor disstância euuclidiana do grupo de aqquisições. Naa Figura 2 ppode-se enntender comoo o algoritm mo avalia as possibilidaddes de asssociação entrre local cadasttrado na base dde dados e gruupo de aqquisição da EM M a ser posicioonado. Figurra 3. Esquema da residência usada para testes. O teste consisttiu em realizaar aquisições e associá-las a um deteerminado locaal (criação doo mapa de sinnais). Em segguida realiizam-se novaas aquisições,, sem local determinado, d e o algooritmo de bussca passa a ddefinir o locall da aquisiçãoo. O mappeamento dos PAs e a deterrminação a segguir da EM fooram feitaas com o m mesmo equipaamento, paraa garantir quue a interrpretação dos sinais fosse a mesma entree o mapa de siinais e a lleitura a ser coomparada com m o mapa. F Foram feitas dduas baterias dde cinco testess, um por côm modo, cadaa bateria foi feeita em um diaa diferente. P Para garantir qque os valores de RSSI obtiddos no cadastrro do mappa de sinais sãão correlativos aos valores obtidos durannte a fasee de teste, o mesmo recepptor foi usadoo para ambos os mom mentos. VIII. Fiigura 2. Possibiliddades de associaçãão de grupo de aqquisição com locaal. RESULTAD DOS E DISCU USSÃO A demonstraçção dos resulttados foi feitta usando a bbase cadaastrada e as saídas s do algooritmo de buscca. O cadastroo da baase foi feito cconforme a TA ABELA IV, dde forma que várias aqquisições foram m feitas por côômodo para montar m a base. TABELA A IV. NÚMERO D DE AQUISIÇÕES S POR LOCAL. L Local Sala de jantar Sala de estar Coozinha Q Quarto Baanheiro Número de aaquisições 1200 73 40 60 50 TAB BELA VII. REPET TIÇÃO DO TEST TE ANTERIOR P PARA O BANHE EIRO. Local S Sala de Sala dde Cozinha Q Quarto Banheeiro Dessconhecido JJantar Estarr Salla de Jantar 2241,23 243,772 240,65 2236,36 167,336 N Nesse último tteste, o banheiro foi localizzado com suceesso. As potências doss sinais podem variar por diversos fatoores, mo umidade, pessoas passanndo ou mesmoo o horário do dia, com o quue sugere que apenas uma aqquisição pode não ser suficiiente paraa um posicionaamento preciso. Primeira baterria de testes Quaantidade de redes por aquiisição Após fazer o cadastro dda base, umaa única aquisição é reealizada como o local descoonhecido que pprecisa ser deefinido. A TABELA V mostra os rresultados da primeira bateeria de teestes. Os valorres em itálico indicam o mínnimo calculaddo pelo allgoritmo. Os valores esperrados são aquueles pertenceentes à diiagonal princippal (em negritto). D Durante a fase de cadastro ddo mapa de sinnais, foi observvado que a quantidadee de redes seem fio ao lonngo de aquisições conssecutivas variaa, comportanddo-se de uma forma crescennte e apóss algum tempoo, estabilizanddo-se. V Verifica-se, coonforme a Figgura 4, que, quuanto mais tempo duraam as aquisiçõões do grupo dde aquisição, m mais redes sem m fio são captadas. Noo exemplo, fo foi criado um m grupo com 100 aquiisições, que aumentaram m de 14 paara 31 redees e estab abilizaram-se eem 25 redes. TABELA A V. DISTÂNCIA AS MÍNIMAS EN NTRE LOCAIS DES SCONHECIDOS E BASE CADAS STRADA. Local D Desconhecid o Sala de Jantar S Sala de Estar Cozinha Quarto Banheiro S Sala de Sala dde Cozinha Quarto Bannheiro Jantar Estarr 71,19 106,49 118,42 160,42 171,49 1122,97 1133,28 2220,02 1198,13 127,07 76,84 232,91 176,66 187,55 176,92 169,15 179,09 1688,74 2022,87 1722,63 1655,31 131,43 104,64 219,55 186,22 Nota-se que dos cinco tesstes, o teste dda Sala de Esttar não S de fooi efetivo e accabou posicionnando a estaçãão móvel na Sala Jaantar. Seegunda baterria de testes Figurra 4. Quantidade dde redes acumulaadas por aquisiçãoo A segunda bateria de teestes executouu os mesmos testes prrevistos na primeira p baterria. A TABE ELA VI mosstra os reesultados obtiddos. Os valorres em itálicoo indicam o m mínimo caalculado pelo algoritmo. O Os valores espperados são aqueles a peertencentes à ddiagonal princcipal (em negrrito). TABELA A VI. DISTÂNCIA AS MÍNIMAS EN NTRE LOCAIS DES SCONHECIDOS E BASE CADAS STRADA. Local D Desconhecido S de Jantar Sala S de Estar Sala Cozinha Quarto Banheiro Sala de Jantar 105,70 146,08 126,53 186,97 253,32 Salaa de Estar 1466,38 1022,34 1100,35 2155,45 2522,51 Cozinha Quarto Banhheiro 130,16 153,80 106,95 181,73 218,19 161,33 167,60 176,39 144,20 171,74 1700,51 1688,89 1644,92 2011,25 2300,71 Dos testes feeitos na segunnda bateria, o único local quue não fooi determinado foi o Banheiro. A diferença dessa inndeterminaçãoo para a indeterminação da sala de janntar na prrimeira bateriaa é que o valorr mínimo calcculado foi 171,,74, ou seeja, superior aao limite máxximo definidoo pelo algoritm mo, de 1770. O teste do banheiro foi rrepetido, e a T TABELA VII m mostra oss resultados. IX X. CO ONCLUSÃO A utilização daa assinatura ddas potências dde sinais de redes r sem m fio para reaalizar a localizzação orientada a ambienttes é viávvel. O númeroo de aquisiçõees dos locais cadastrados é um fator relevante e determinante no correto pposicionamentoo de umaa estação móóvel. Uma baase de dadoss com aquisições suficcientes é funddamental para que o erro sejaa dirimido. F Foi possível nnotar que, messmo com alguum incrementoo do núm mero de aquisiições, alguns locais não forram determinaados de modo acurrado, demonnstrando quee a abordaagem deteerminística (qu que exige um critério de pparada puram mente arbitrário) não é suficiente parra garantir um m posicionam mento m que adeqquado. A exteensão do modeelo de localizaação para um sejaa do tipo estatísstico poderia corrigir c esse pproblema. F Foi notado quee, em grupos dde aquisição grrandes (maiorr que 10), o número dee redes sem fioo detectadas aumentou a basttante m relação à prim meira aquisiçãão. com O Os resultados obtidos nos teestes realizadoos e citados nnesse artiggo justificam a realização de novos testtes para validdar e enteender a viabillidade de se ttrabalhar com m esse métodoo de posiicionamento eem conjunto coom os métodoos existentes hhoje. A iddeia proposta neste artigo ppode ser incorrporada a servviços baaseados em localização, como form ma de auxilliar o poosicionamentoo dentro de ediifícios e orientada a ambienntes. Na abordageem sugerida, ooutros algoritm mos de busca ppodem seer implementaados como form ma de melhorrar o posicionaamento daa EM, assim como testess em ambienttes maiores e mais coomplexos com mplementariam m a proposta doo artigo. REFE ERÊNCIAS [1] [2] [3] [44] [5] [6] [7] T. Lin, M M. Ma, A. Broumaandan, and G. 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Fáb bio Cunha Loffrano é Engenhheiro civil pela Escola Pollitécnica da Unniversidade de S São Paulo (EPU USP), já reaalizou pesquisas nnas áreas de reoloogia aplicada a m materiais de construção civil, de construção suustentável e de enggenharia maarítima e costeira. Possui experiiência como enggenheiro connsultor e projettista em engenhharia geotécnicaa e em enggenharia ambienntal, tendo trabbalhado nas árreas de saaneamento, fundaçções, contenções,, estabilidade de ttaludes e encostass, aterros soobre solos difíceeis, aterros sanittários e túneis. Atualmente é aluno a de dooutorado do Proggrama de Pós-Grraduação em Engenharia Civil (P PPGEC) peela EPUSP e reealiza pesquisa eem remediação e reabilitação dde áreas coontaminadas, sob orientação da Proof.ª Dione Mari Morita. M Ed dvaldo Simões daa Fonseca Júniorr possui graduaçãoo em Enggenharia Cartográáfica pela Universsidade do Estado do Rio de Janeiro (1985), m mestrado em Engeenharia de Transpportes pella Universidade dde São Paulo (1996), com estágio nna Unniversidade de Noottingham - Inglateerra (1995) e douutorado em m Engenharia de T Transportes pela U Universidade de S São Pauulo (2002), com eestágio na Universsidade de Calgaryy Caanadá (1999-20000). Atualmente é pprofessor Doutor 2 da Universidadde de Sãão Paulo. Tem expperiência na área de Geociências, com c ênfase em G Geodésia, atuuando principalm mente nos seguintees temas: GNSS, pposicionamento ppor saatélites, geodésia, redes geodésicas, monitoramento de estruturas com m instrumentos geodéésicos e controle dde veículos.