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Technik, Funktionen und Sinn

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    Indoor Ortung

WLAN wurde entwickelt um Daten zwischen Computern auszutauschen. Anfangs bestand kein Interesse die Position der Endgeräte zu eruieren. Dennoch begannen die Leute aufgrund der allgegenwärtigen und preiswerten Hardware WLAN dafür zu nutzen, ihre Position zu ermitteln.
Die Nutzung von WLAN 802.11 für die Ortung hat einige Vorteile. Die Hardware ist preiswert und überall erhältlich. Die Reichweite ist für viele Anwendungen ausreichend. Die Anzahl der öffentlichen APs, welche in das System integriert werden können, steigt täglich. Das Frequenzspektrum steht zur freien Verfügung. Es bedarf daher keiner Kosten für die Nutzung.

Die relevantesten Standards für WLAN werden im Folgenden erläutert.

WLAN-Standards

802.11b Wireless Fidelity (WiFi)

Dies ist der bekannteste WLAN Standard. Er ist auch bekannt unter wireless fidelity (WiFi). Die Datenrate ist festgelegt bei 11 MBit/s. Es werden 11 Kanäle unterstützt in einem Frequenzspektrum von 2,412 GHz bis 2,462 GHz. Dieses Spektrum ist in vielen Ländern nicht lizensiert. Dennoch können nur drei Kanäle unabhängig voneinander genutzt werden, denn jeder Kanal benötigt 25 MHz. Die Reichweite bei diesem Standard beträgt ungefähr 30 m.

802.11a WLAN

Dieser Standard nutzt die Frequenzen von 5,150 GHz bis 5,350 GHz und 5,725 GHz bis 5,825 GHz. Es erreicht eine Datenrate von 54 MBit/s und erlaubt eine unabhängige Nutzung von 12 Kanälen. Es ist nicht weit verbreitet, da dieser Standard hohen regulatorischen Begrenzungen auferlegt ist. In Deutschland sind nur die niedrigsten fünf Kanäle erlaubt mit einer maximalen Sendeleistung von 30mW. Die Reichweite beträgt gerade mal 10 m.

802.11g WLAN

Heutzutage nutzen viele Geräte diesen Standard. Dabei werden die gleichen Frequenzen wie beim 802.11b Standard genutzt mit denselben Einschränkungen, aber mit einer höheren Datenrate von bis zu 54 MBit/s.

802.11n WLAN

Der momentan wohl am weitesten verbreitete WLAN-Standard ist der 802.11n. Dieser ermöglicht mit der MIMO-Technik (mehrere Antennen senden und empfangen die Signale parallel) Datenraten von bis zu 300 MBit/s. Alle drei Standards können nebeneinander existieren, dennoch erlaubt der 802.11n Standard eine höhere Datenrate.

Möglichkeiten und Grenzen der Ortung mit WLAN

Die 802.11b, 802.11g und 802.11n Standards nutzten das nicht lizensierte Spektrum bei 2,4 GHz. Dieses Frequenzband ist frei für die Industrie, Forschung und Medizin (ISM–Band). Andere Technologien, welche auch im 2,4 GHz Band arbeiten, könnten sich gegenseitig stören, unter anderem sind dies ZigBee, Bluetooth oder einige drahtlose Telefone, die nicht die DECT–Technologie nutzen. Probleme entstehen bei Objekten die hauptsächlich aus Wasser bestehen, wie zum Beispiel Menschen, Tiere oder Pflanzen. Wasser absorbiert Radiowellen im Bereich von 2,4 GHz sehr gut, dazu kommt noch, dass Wasser eine hohe Dielektrizitätskonstante bei 2,4 GHz hat (77 bei 2,54 GHz). Das erwartete Signal und das wirklich wahrgenommene Signal unterscheiden sich daher stark, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt. Die Signale sind viel mehr verzerrt und zeigen nicht die angenommene, gleichförmige Dämpfung.

erwartete Signalausbreitung WLAN
erwartete Signalausbreitung WLAN

empirische Signalausbreitung WLAN
empirische Signalausbreitung WLAN

Die Genauigkeit von zellbasierten Methoden zur Ortung ist abhängig von der Zellgröße (4.2.1). Die WLAN APs decken einen Radius von 15-25 Metern ab. Die laufzeitbasierten Verfahren sind im Vergleich zu zellbasierten Methoden genauer, allerdings benötigen diese eine präzise Uhr. Der 802.11 Standard unterstützt nicht die benötigte Uhrengenauigkeit, was bedeutet, dass diese Methode nicht anwendbar ist.

Die Nutzung der Signalstärkebasierten Methode für die Ortung, unter Verwendung des 802.11 Standards, ist am weitesten verbreitet. Die Received Signal Strength Indication (RSSI) ist spezifiziert im Standard und unterstützt jede WLAN Hardware. Anomalien in der Ausbreitung der Signale machen diese Methode allerdings sehr ungenau, aber durch optimierte Algorithmen können diese Fehler halbwegs korrigiert werden. Die Signalstärke kann im mobilen Endgerät gemessen werden, dessen Position ermittelt werden soll oder man kann auch die Signalstärke des Gerätes in stationären Empfängern messen.

Aktuelle WLAN–Systeme bieten eine Positionsgenauigkeit von ungefähr 10m. Eine Einschränkung des Systems ist, dass die WLAN-Tags relativ unförmig und energiehungrig sind. Daher ist diese Technologie in erste Linie sinnvoll für Geräte mit integrierten WLAN–Komponenten, wie Laptops oder PDAs.


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