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WLAN-basierte Indoor Navigation. Was sind die neuen technischen Möglichkeiten?

Hausarbeit 2014 11 Seiten

BWL - Handel und Distribution

Leseprobe

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel der Arbeit
1.3 Abgrenzung des Themas

2 Definition wichtiger Begriffe

3 Aktueller Stand der Praxis
3.1 Sensorgestützte WLAN-basierte Technologie
3.2 Die Anwendungsbereiche

4 Fazit

5 Literaturverzeichnis

Abstract

Wenn man ein unbekanntes Gebäude betritt, ergibt sich das Problem das der Besucher, sich in diesem Gebäude zu orientieren und das gewünschte Ziel auf dem schnellsten Weg zu finden. Dies ist über eine Ortung und Navigation mit einem mobilen Gerät möglich und kann so gelöst werden.

In dieser Hausarbeit gehen wir näher auf das Thema der Indoor Navigation ein und stellen eine der wichtigsten Lokalisierungs- und Navigationssysteme vor. Diese Technologie greift auf die Ortung über WLAN mit Fingerprint zurück.

WLAN-basierte Indoor Navigation

Autor: Valentina Barysava, Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Studiengang Handel und Logistik, 6. Semester

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Durch die rasante Entwicklung der mobilen Geräte, vor allem in Hinsicht auf deren Leistungsfähigkeit, steigen die Möglichkeiten der Navigation mit diesen Geräten. Gerade in dem Bereich der Indoor Navigation gibt es noch sehr großes Potenzial. Das Problem ist, dass das GPS-Signal innerhalb von Gebäuden nicht vorhanden ist und so keine Navigation mit den normalen Applikationen möglich ist, da diese kein Signal mehr empfangen von den Satelliten und so die Position des mobilen Gerätes nicht mehr bestimmt werden kann.1 Bei diesem Problem kommen die technischen Varianten der Indoor Navigation zum Einsatz, welche in dieser Hausarbeit erläutert werden. Die Möglichkeiten der Indoor Navigation haben aber auch ihre Probleme, so ist bei vielen Technologien ein hoher Anschaffungswert vorhanden, da erstmal das Kartenmaterial zur Verfügung gestellt werden muss und dieses meist erstmal digitalisiert werden muss. In vielen Bereichen muss die Technik auch erst nachgerüstet werden damit wirklich die gewünschte Leistung erreicht wird. Auch die Genauigkeit der Standortbestimmung spielt eine Rolle, so ist es wichtig, dass die Technologie eine hohe Genauigkeit gewährleisten kann, wenn es um die Berechnung der Position geht.2

Das Thema hat für uns eine besondere Relevanz weil in diesen Technologien sehr großes Potenzial steckt und sie es ermöglichen eine nahtlose Navigation zu gewährleisten, die sich innerhalb von Gebäuden abspielt. Gerade die Vielzahl an Möglichkeiten macht das Thema sehr interessant und es gilt herauszufinden welche dieser technischen Möglichkeiten wirklich Einsatztauglich ist und so interessant für den Nutzer werden.

Die Arbeit soll dem Leser eine Übersicht über die WLAN-basierte Indoor Navigation geben. Darüber hinaus wird aufgezeigt, dass eine solche Navigation innerhalb von Gebäuden bereits möglich ist und sie zeigt auch welche Hindernisse es noch gibt.3

1.2 Ziel der Arbeit

Die Priorität bei der Arbeit liegt in der Untersuchung der verschiedenen Möglichkeiten der Indoor Navigation und wie diese in der Zukunft aussehen könnte. Es soll geklärt werden, welche technischen Möglichkeiten es in der Indoor Navigation gibt, und wie diese verbessert werden können, um noch eine genauere Navigation in Gebäuden zu gewähren. Es soll gezeigt werden was mit dem aktuellen Stand der Technik alles möglich ist. Desweitere zeigen wir die Entwicklung der Indoor Navigation und vergleichen den Stand der Praxis und den Stand der Forschung.

1.3 Abgrenzung des Themas

In diesem Thema werden ausschließlich Möglichkeiten behandelt die sich auf die Indoor Navigation beschränken und von der Ortsbestimmung so genau sind, dass eine exakte Navigation möglich ist. Auch passive Möglichkeiten bleiben außen vor, wie z.B. die Navigation mit RFID-Chips, da diese Technologien zu hohe Anschaffungskosten haben.

Wir gehen auf die WLAN gestützte Navigation ein, um genauer zu sein mit der Fingerprinttechnik, da diese verglichen mit anderen Möglichkeiten geringe Anschaffungskosten hat. Des Weiteren ist WLAN weit verbreitet, gerade in Einkaufszentren und Flughäfen und gewährt so eine hohe Dichte an Signalgebern für die genaue Standortbestimmung.

2 Definition wichtiger Begriffe

- Die Indoor Navigation dient der Bestimmung des Standortes innerhalb von Gebäuden, wo kein GPS-Signal vorhanden ist. Unter der Standortbestimmung versteht man die Ermittlung des eigenen Standorts. Dieser Standort dient der restlichen Berechnung des Navigationsprozesses und ist ein wichtiger Bestandteil, deshalb wird er in regelmäßigen Abständen aktualisiert um eine genau Navigation zu ermöglichen.4
- Das Fingerprinting-Verfahren bei der WLAN Lokalisierung dient der Bestimmung der Position des Nutzers und seines mobilen Gerätes. Dabei werden Fingerabdrücke der Signalstärke des empfangenen WLAN-Routers, hier die BSSI-Werte, in einer Datenbank abgespeichert. Diese werden später bei der Navigation abgerufen und auf Grund der verschiedenen Signalstärken kann der Standort bestimmt werden. Dieses Verfahren wird Fingerprint genannt, weil es jede Konstellation der verschiedenen Signalstäre wie einen Fingerabdruck nur ein einziges Mal gibt.5
- Gyrosensoren und Beschleunigungssensoren in einem Smartphone dienen der Berechnung der Beschleunigung und Ausrichtung des Handynutzers. Dabei messen die Gyrosensoren mit hilfe der Erdanziehungskraft die Rotation des Handys, um so die Beschleunigung, Drehbewegung und Lageänderungen Wahrzunehmen. Die Ergebnisse dienen der weiteren Berechnung im Navigationsprozess.6

Die Algorithmen in dieser Arbeit dienen der Berechnung des kürzesten Weges. Zu Grunde liegt hierbei die Natur des Menschen, dass dieser immer den kürzesten Weg nehmen will und nicht gerne Umwege in Kauf nimmt. Die Berechnung des Weges Erfolg in den meisten Fällen nach dem Algorithmus von Dijksta, da dieser immer den optimalsten weg berechnet.7

3 Aktueller Stand der Praxis

Im Folgenden wird zunächst die Technologie beschrieben, die heutzutage praktisch umgesetzt wird, wie die funktioniert, was sie ermöglicht. Danach werden ihre Anwendungsbereiche kurz erläutert. Dabei wird beschrieben wie die Navigation innerhalb von Gebäuden in mit Hilfe der sensorgestützten WLAN-basierten Technologie funktioniert und welche Prozesse bei dieser Navigation ablaufen, um die Person zu Ihrem gewünschten Zielort zu Navigieren.

3.1 Sensorgestützte WLAN-basierte Technologie

In der Praxis wird für die Indoor Navigation sensorgestützte WLAN-basierte Technologie verwendet. Um die Indoor Navigation zu realisieren, benötigt man ganz einfache Systeminfrastruktur. Erstens, im Gebäude, in dem man navigieren will, ist das zugrunde liegende Netzwerk an WLAN -Zugangspunkten wesentlich. Die Kennung jeder Sendestation wird Basic Service Set Identifier (BSSID) genannt.8 Zweitens, braucht man ein Mobilgerät, das kann ein Smartphone wie zum Beispiel das iPhone sein. Jedes Mobilgerät hat Sensoren, die unterstützende Funktion erfüllen, um eine bessere Positionsbestimmung zu erreichen. Für die Navigation ist auch eine digitale Karte oder Gebäudeplan nötig, die auf dem Mobilgerät oder auf dem externen Server jeder Zeit dem Benutzer zur Verfügung steht.9 Drittens, man benötigt einen externen Server, er übernimmt die Berechnung der gemessen Daten, er enthält auch die Referenz-Datenbank und vorher erstellte Fingerprint-Datenbank. In der Fingerprint-Datenbank befinden sich Referenzdaten für das Fingerprint-Verfahren, das sind Signalstärkewerte der umliegenden WLAN-Netze in Abhängigkeit von der Position des Mobilgerätes.10

Um die Navigation anzufangen, muss der Benutzer die entsprechende Applikation herunterladen und das Programm installieren. Beim Eintreten ins Gebäude wird der Benutzer nachgefragt, ob er die Navigation starten möchte. Welche Prozesse nach dem Drücken auf die Taste Start im Hintergrund arbeiten, weiß der Benutzer nicht, er sieht nur die graphische Oberfläche des Mobilgeräts. Während dieser Zeit messen die Sensoren seine Bewegungsgeschwindigkeit, versuchen festzustellen wohin er sich bewegt und bestimmen seine Orientierungsrichtung. Die Gyroskop- und Kompassdaten ermöglichen eine korrekte Berechnung der Ausrichtung, Gyroskop und Beschleunigungssensor bestimmen die relative Beschleunigung. Diese Daten werden auf dem Mobilgerät gespeichert.11

Zeitgleich wird das Fingerprint-Verfahren durchgeführt. Es werden die Signalstärken der umliegenden WLAN-Netze gemessen und zusammen mit ihrer Kennung auf das Mobilgerät erst formatiert und dann gespeichert.12 Auf Grund von diesen Messdaten wird ein Fingerprint erstellt. Der Fingerprint enthält die Kennung jeder Sendestation und ihren gemessenen Signalstärkewert, der ist negativ, zwischen -10 und -96, wobei -10 den stärksten Empfang darstellt und -96 den schwächsten. Die Kombination aus verschiedenen BSSID und ihrer Signalstärken ist in der Regel einmalig, wie ein Fingerabdruck, deshalb wird das Verfahren so genannt. Wenn man die Position vom Mobilgerät ändert, ändern sich die Signalstärkenwerte dieser Netze auch.13 Nach der Erstellung von einem Fingerprint werden die aktuellen Messdaten an den Server geschickt und mit den Daten aus der Fingerprint-Datenbank abgeglichen. Der Server liefert die Übereinstimmungswerte in Form einer Orts-ID. Die Orts-ID kann er aber nicht mit einem konkreten Ort verknüpfen, da die letztendliche Verknüpfung auf dem Mobilgerät stattfindet. Das wird aus Datenschutzgründen gemacht, so sieht man an einer zentralen Stelle nicht, wo sich jeder Nutzer zu jeder Zeit befindet.14 Nach dem Abgleich der Ortsannahme, die durch Sensoren ermittelt wurde, mit dem Ergebnis aus dem Fingerprint-Verfahren, wird dem Nutzer sein Aufenthaltsort auf dem Mobilgerät angezeigt.15

Nach der Positionsbestimmung kann der Nutzer sein Zielort eingeben. Die Applikation ist ständig mit dem Server verbunden, an dem sie die Anfrage übermittelt und die Routenberechnung mittels verschiedener Algorithmen und ihrer Kombinationen durchführt. Nach der Analyse der Bewegungsmuster von Menschen, wie schon in den Grundlagen erklärt wurde, wollen sie möglichst schnell den Zielort erreichen, also wählen sie meistens den kürzesten Weg. Deshalb werden in dieser Arbeit die am meisten verwendeten Algorithmen, die den kürzesten Weg berechnen, beschrieben. Das ist der Algorithmus nach Dijkstra.16 Er berechnet den kürzesten Weg von einem Startpunkt zu allen anderen Punkten in einem zusammenhängenden und gewichteten Graph. Der Algorithmus nach Floyd berechnet auch den kürzesten Weg aber im Vergleich zu dem von Dijkstra aus allen Punkten zu allen anderen Punkten, wenn man also die Position ändert, wird der kürzeste Weg automatisch neu berechnet.17 Der A* Algorithmus zeigt nicht immer den optimalen Pfad, dafür ist er schneller in der Berechnung, weil eine Heuristik angewandt wird, um die tatsächlichen Berechnungen zu verringern.18 Nach der Berechnung wird dem Benutzer auf dem Display die Route gezeigt. Der Benutzer wird zum gewünschten Ort geführt.

Die Lösungen Sensor Fusion für die Indoor Navigation bietet eine Vielzahl von Kombinationen der verschiedenen Technologien diese Kombinationen ermöglichen folgende Vorteile:19

1. Genauere Positionsbestimmung. Die Erfahrungen, die durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Indoor Navigation alleine aufgrund von Sensordaten oder WLAN-Technologie fehlerhaft ist. Wenn man aber eine Kombination aus beiden Methoden verwendet, erreicht man ein deutlich genaueres Ergebnis.20
2. Drittanbieter können auf die Indoor-Ortung zurückgreifen. So hat z. B. der Einzelhandel die Möglichkeit, Werbung oder Information über eigene Produkte und Unternehmen an die Kunden, die in direkter Nähe sind, zu schicken.21
3. Indoor Navigation mit niedrigeren Kosten. Die Systeminfrastruktur, die lediglich aus einem externen Server und einem Mobilgerät, sowie Gebäudeplan besteht, ist kostengünstiger im Vergleich zu den anderen Technologien.22
4. Bessere Ergebnisse auch mit wenigen Referenzdaten. Für die Durchführung des Fingerprint-Verfahrens, ist es notwendig, viel Referenzdaten zur Verfügung zu haben, weil mit jedem Schritt des Benutzers ändert sich die Position von seinem Mobilgerät, und als Folge ändern sich auch die Signalstärken der umliegenden WLAN-Netze. Wenn die Referenzdaten fehlen, kann es zu falschen Positionsannahmen führen.23 Hier helfen die zusätzlichen Sensordaten des Smartphones.
5. Weniger Akkuverbrauch, Speicherkapazität, kürzere Rechenzeit. Durch viele Rechnungen und Messungen wird der Akkumulator des Smartphones stark belastet, man benötigt mehr Leistung vom Mobilgerät. Um das Mobilgerät zu entlasten und die Rechenzeit zu verkürzen, werden alle komplizierten Berechnungen auf dem externen Server durchgeführt, was ein schnelles WLAN-Netz voraussetzt.24

Die Indoor Navigation basierend auf der WLAN-Technologie hat den Vorteil, dass es Heutzutage jedem mobilem Gerät ermöglicht eine Navigation durchzuführen und so den genauen Standort zu bestimmen. Gerade die Kombination der WLAN-Technologie mit den verschiedenen Sensoren des mobilen Gerätes ermöglicht eine noch genauere Positionsbestimmung, aber auch der Akku wird dadurch sehr geschont und man kann so länger Navigieren.

3.2 Die Anwendungsbereiche

Die oben dargestellte Lösung für die Indoor Navigation wird heutzutage in verschiedenen Gebieten verwendet. Schon im Juli 2013 hat Kaiser's als erster deutscher Händler den Kunden in seinem Supermarkt in Berlin die Indoor Navigation angeboten. Die Käufer haben die Möglichkeit, sich von ihrem iPhone zum gewünschten Produkt führen zu lassen oder einen ganzen Einkaufszettel wegeoptimiert abzuarbeiten. Obwohl nicht immer der optimale Weg angezeigt wird, weil die Interessen der Händler nicht immer mit den Interessen vom Kunden zusammenfallen. Wenn der Händler will, dass z.B. Ihr Weg nicht an der Aktionsware vorbeigeht oder umgekehrt Sie durch bestimmte Wege im Einkaufszentrum geführt werden sollen, kann er das mit dem Anbieter besprechen, der die Algorithmen entsprechend programmiert.25

Die Indoor Navigation ist von großer Bedeutung, in den Gebäuden, in denen die Orientierung für die Menschen zu kompliziert ist. Wie es z.B. in Flughäfen der Fall ist, die Gebäude sind zu unübersichtlich, sodass die Passagiere wegen der knappen Zeit Angst haben, das richtige Gate nicht zu finden oder den Abflug zu verpassen, was ihre Bewegungen im Gebäude einschränkt. Mit Hilfe von Indoor Navigation wird die Kundenzufriedenheit erhöht und pünktliches Boarding gewährleistet. Die weiteren Aspekte sind eine Umsatzsteigerung und die Stärkung der Kundenbindung. Die Indoor Navigation wird für Marketing/Couponing verwendet. Die Navigation in Gebäuden ermöglicht den Zugriff von Drittanbietern, die über Push-Nachrichten oder Einblendung in der Navigation die attraktivsten Angebote ortspezifisch bewerben können, weil die Flughäfen bis zu 50 % ihrer Umsätze über Shops und Restaurants erzeugen. Außerdem werden die Daten auch für die Analyse benutzt. Selbst anonymisierte Daten z. B., wo sich die Passagiere befinden, wo die größten Menschenansammlungen sind, können wertvolle Informationen bringen. Diese Informationen werden für die Optimierung der betrieblichen Prozesse, die Identifikation von der optimalen Lage für neue Geschäfte, für eine Lauf- und Fluchtwegoptimierung verwendet.26

[...]


1 Vgl. Obermaier, J. (2011), S. 2

2 Vgl. Obermeier, J. (2011), S. 3

3 Vgl. Gleim, D. (2012) S. 2

4 Vgl. Oschatz, A. (2011), S. 6

5 Vgl. Oschatz, A. (2011), S. 13 ; Vgl. Teker, U. (2005), S. 91

6 Vgl. DATACOM Buchverlag (2014)

7 Vgl. Schwanengel, A. (2010), S. 45

8 Vgl. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), S. 53 ; Dalhaus, M. (2006), S. 30

9 Vgl. Gleim, D. (2012) S. 17 / Köppe, E. (2014), S. 27-28

10 Vgl. Obermaier, J. (2011), S. 6 ; Meyer J. (2013), S. 83 ; Teker, U. (2005), S. 58

11 Vgl. Werner, M. (2012), S. 19

12 Vgl. Oschatz, A. (2011), S. 13 ; Vgl. Teker, U. (2005), S. 91

13 Vgl. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), S. 54 ; LMU München

14 Vgl. Gleim, D. (2012), S. 53

15 Vgl. Bock , B.; Löwel, Th. ; Rosch, J.; Ritzer, J.; Lienkamp, M.; Twele, H.; Stürzekarn , D. (2014), S. 54

16 Vgl. Schwanengel, A. (2010), S. 45

17 Vgl. Kalbacher, M. (1996), S. 57

18 Vgl. Plümer, L.; Schmittwilken, J.;. Kolbe, Th. H. (2004), S. 8

19 Vgl. Gleim, D. (2012), S. 30

20 Vgl. Gleim, D. (2012), S. 30

21 Vgl. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), S. 59

22 Vgl. Oschatz, A. (2011), S. 14

23 Vgl. Gleim, D. (2012), S. 20-76

24 Vgl. Huber, Th. ; Kreuzer, J. ; Diemer, R. (2007), S. 73 ; Fuchs,Th. (2009) , S.134

25 Vgl. Lebensmittelzeitung.net (2013) ; Tarin, W. (2013), S. 95

26 Vgl. Vgl. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), S. 54 ;

Details

Seiten
11
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783346018618
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v497915
Institution / Hochschule
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel
Note
1,7
Schlagworte
Indoor Navigation Fingerprint sensorgestützt WLAN Ortung Lokalisierung

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