Določanje lokacije znotraj prostorov na podlagi WiFi signalov je zaradi variabilnosti signala WiFi težka naloga. Posledično je bilo v preteklosti veliko poizkusov razvoja WiFi metod, ki uporabljajo dodatne informacije za natančno lokalizacijo. Ocena prehojene poti in inercijski senzorji, uporaba množice ljudi in ujemanje vzorcev, tehnologija Li-Fi in usmerjene antene itd. je le nekaj v preteklosti uporabljenih načinov za dopolnitev WiFi signalov pri razvoju natančnih in stabilnih metod. Glavna slabost takih metod se kaže v zahtevnem uvajanju zaradi uporabljenih tehnologij in zahtev: metode ocene prehojene poti niso primerne za stacionarne predmete, metode, ki uporabljajo množice ljudi, niso primerne za domače okolje, Li-Fi metode zahtevajo, da so mobilni terminali opremljeni z ustreznimi sprejemniki in tako izključijo mobilne telefone kot terminale.
V preteklosti so bile predlagane številne metode, ki bazirajo na prstnih odtisih signalov. Te metode zahtevajo kalibracijske meritve v prostoru v fazi implementacije metode. Večina teh metod ne naslovi vprašanj dolgoročne stabilnosti WiFi signalov, posledično se soočajo s težavami zaradi natančnosti nekaj dni po kalibraciji. Pogoste, drage in časovno potratne ponovne kalibracije so potrebne za reševanje teh težav. Metode, temelječe na matematičnih modelih, poskušajo eliminirati kalibracijske postopke s simulacijo širjenja signala. Večina teh metod vseeno privzame vsaj nekatere parametre propagacije kot fiksne in tako slabo naslovi variabilnost WiFi signalov in dolgoročno stabilnost. Izključno WiFi modelna metoda, ki uspešno naslovi te težave in zahteva, da mobilni terminal samo oddaja ali sprejema WiFi signale, je končni cilj WiFi metod za določanje položaja v zaprtih prostorih.
Ta doktorska dizertacija predstavlja novo metodo za določanje pozicije znotraj prostorov, z glavnim ciljem, da naslovi težave pri realni uporabi. Zato smo se osredotočili na razvoj metode z natančnostjo, ki je primerljiva z najsodobnejšimi metodami, hkrati pa je cilj zmanjšati kompleksnost implementacije in vzdrževanje za dolgoročno uporabnost. Predstavljena metoda je modelnega tipa in implementira prilagodljivo delovanje, zato ne zahteva nobenega človeškega posredovanja. Dizertacija podrobno razpravlja o temah dolgoročne stabilnosti WiFi signalov, o metodah, temelječih na sprejemanju in oddajanju signalov, prihodnjih standardih WiFi, primerljivosti sorodnih metod in arhitekturnih vplivih z ozirom na realno uporabnost.
Naša metoda predstavljena v tej nalogi oceni prametre propagacije signala iz poznavanja pozicije dostopnih točk, arhitekturnega načrta z informacijami o predelnih stenah in s pomočjo opazovanja moči paketov, ki potujejo med dostopnimi točkami. Iz teh podatkov se propagacijski parametri definirani v modelu določijo v realnem času. Naprava, ki želi določiti pozicijo zajame informacijo o moči paketov, ki jih pošiljajo dostopne točke. Te meritve so uporabljene v algoritmu za določanje pozicije naprave, ki teče na strežniku.
Predstavljena metoda je bila primarno razvita in evalvirana v enosobni in večsobni postavitvi pisarniškega okolja. Sposobnost metode, da se enostavno prilagodi vsakemu okolju, je poudarjena z evalvacijo v dveh okoljih – pisarniškem in stanovanjskem. Med obema evalvacijama nismo spremenili nobenega parametra metode, kar indicira njeno univerzalnost. V nadaljevanju predstavimo tudi evalvacijo metode v dolgem hodniku, ker je v raziskovalnem področju lokalizacije znotraj prostorov tako okolje pogosto uporabljeno.
Evalvacija predlagane metode v pisarniškem okolju je rezultirala v povprečni napaki 2,63 m in 3,22 m za enosobno in večsobno postavitev. Druga evalvacija je bila opravljena v stanovanjskem okolju, za katerega nismo spreminjali metode ali njenih parametrov. Naša metoda je tekom evalvacije štirih neodvisnih setov meritev, od katerih je vsak sestavljen iz 17 lokalizacijskih točk, dosegla povprečno napako lokalizacije 2,65 m s standardno deviacijo 1,51 m. Visoka natančnost lokalizacije ob upoštevanju zapletenega in realističnega večsobnega tlorisa, ki vsebuje več vrst sten, realistično pohištvo in motnje signalov iz sosednjih stanovanj, dokazuje uporabnost metode v praksi. Natančnost je primerljiva z najsodobnejšimi metodami, medtem ko naša metoda zahteva veliko manj zapletene postopke namestitve in/ali strojne zahteve.
V drugem delu teze posplošimo WiFi metodo, da lahko uporablja tudi druge frekvence poleg 2,4 GHz WiFi. Z definicijo fuzijskega algoritma, ki upošteva natančnost posameznih frekvenc, smo definirali MFAM metodo – večfrekvenčno prilagodljivo modelno metodo za določanje lokacije znotraj stavb (ang. multiple frequency adaptive model-based indoor localization method). MFAM metoda predstavlja eno prvih modelnih metod, ki lahko hkrati uporablja več frekvenc. MFAM metoda je bila evalvirana v stanovanjskem okolju na dveh frekvenčnih pasovih: 868 MHz in 2,4 GHz. Metoda je ohranila pozitivne lastnosti predlagane WiFi metode (tj. izključno modelni pristop, prilagodljivo delovanje, možnost široke uporabe na dosegljivi strojni opremi), hkrati pa rezultira v boljši natančnosti zaradi fuzije signalov več frekvenc. Uporaba več frekvenc je izboljšala povprečno napako iz 2,65 m pri uporabi WiFi na 2,16 m, s čimer se izboljša natančnost lokalizacije za 18%; podobne izboljšave smo opazili tudi pri standardnemu odklonu.
Čeprav je natančnost predstavljenih WiFi in MFAM metod primerljiva, če ne boljša, kot trenutno najsodobnejše metode, je eden najpomembnejših dosežkov našega dela uporabnost metode v realnih situacijah in njena dolgoročna stabilnost. Definicija naše metode zagotavlja, da bo natančnost metode ob času postavitve enaka kot dneve kasneje brez človeške interakcije.
|