Contributions to TOA-based location with wlan

Abstract

Location techniques that satisfy the requirements of advanced Location-Based Services (LBS) in environments where GPS fails are needed, therefore accurate indoor positioning is becoming increasingly important. This PhD Thesis is devoted to the research on location of mobile devices employing WLAN (IEEE 802.11). The use of this kind of wireless networks infrastructures for positioning enables a powerful synergy between communications and location and allows solutions with good performances at moderated costs. However the adopted WLAN location methods suffer from important limitations that prevents from applying them to some fields that need more flexible and robust solutions. The main objective of this PhD is exploring precise WLAN location methods that allow overcoming these limitations. The researched methods here are based on measuring the Time Of Arrival (TOA), which is the time that takes the signal propagating from the transmitter to the receiver. TOA-based location works in two stages: ranging and positioning. The ranging consists of estimating the distances between the targeted terminal and several WLAN access points, each distance obtained measuring the TOA and then multiplying it by the speed of the WLAN signal. After that, the positioning takes as inputs the estimated distances and the known coordinates of the involved access points and calculates the position of the terminal by means of a trilateration or tracking algorithm. The key problem is that the characteristics of the IEEE 802.11 protocols difficult to perform accurate TOA measurements. The main challenge that faces the research work reported here is demonstrating the feasibility of achieving this while keeping the modifications over standard WLAN consumer equipment at minimum. The objective of this work can be understood as exploring the current limits of TOA-based methods over WLAN, making contributions that form a complete TOA-based location method that goes a step forward with respect to the other existing proposals. First, research on TOA-based ranging -the key component of TOA-based location methods- is reported. The general adopted approach consists of performing Round Trip Time (RTT) measurements employing IEEE 802.11 MAC frames, taking the maximum advantage of the combination of IEEE 802.11 protocol and WLAN consumer devices mechanisms. After that, the performed research on trilateration/tracking -the second stage of TOA-based location methods- is explained. Finally some performed studies about the achieved location method are presented. Lloc i data Signatura

Actualment existeix la necessitat de disposar de tècniques de localització que satisfacin els requeriments de serveis avançats basats en localització en entorns on GPS no està disponible, de manera que el posicionament precís en interiors d’edificis és cada vegada més important. Aquesta tesi doctoral està dedicada a la investigació sobre la localització de dispositius mòbils que utilitzen WLAN (IEEE 802.11). L'ús d'aquest tipus de xarxes sense fils per al posicionament permet una profitosa sinèrgia entre les comunicacions i la localització i permet solucions amb un bon rendiment a un cost moderat. No obstant això, els mètodes basats WLAN proposats fins el moment pateixen de limitacions importants que impedeix la seva aplicació a alguns camps que requereixen solucions més flexibles i robustes. L'objectiu principal d'aquesta tesi és explorar mètodes de localització precisa WLAN que permetin superar aquestes limitacions. Els mètodes que s’han investigat durant la tesi es basen en la mesura del time of arrival (TOA), que és el temps que tarda el senyal en propagar-se des del transmissor fins al receptor. En les tècniques de posicionament basades en TOA s’hi poden diferenciar dues fases: ranging i posicionament. El ranging consisteix en l’estimació de distàncies entre el terminal a localitzar i diversos punts d'accés WLAN; cada estimació de distància s’obté mesurant el TOA i multiplicant-lo després per la velocitat de propagació del senyal IEEE 802.11. Un cop fet això, el posicionament pren com a inputs les distàncies estimades per a, conegudes les coordenades dels punts d'accés involucrats, calcular la posició del terminal per mitjà d'un algoritme de tracking o trilateració. El problema clau és que les característiques dels protocols IEEE 802.11 a dia d’avui fan difícil la realització de mesures precises de TOA d’una manera senzilla. El principal repte que afronta el present treball de recerca és demostrar la viabilitat d’això darrer, minimitzant en la major mesura possible les modificacions sobre els equips WLAN comercials. L'objectiu d'aquest treball pot ser entesa com l'exploració dels límits actuals dels mètodes de posicionament basats en TOA sobre WLAN, realitzant contribucions que conformen un mètode complet de localització basat en TOA que pretén anar un pas endavant respecte a les propostes existents. En primer lloc, la investigació sobre ranging basat en TOA -el component clau dels mètode de localització TOA- és explicada en detall. El mètode general adoptat per a calcular el TOA consisteix en la mesura del temps d'anada i tornada del senyal, round trip time (RTT), utilitzant trames MAC IEEE 802.11 per tal de treure el màxim profit de la combinació del protocol IEEE 802.11 i els mecanismes dels dispositius WLAN comercials. Després d'això, es detalla la investigació realitzada sobre trilateració i tracking, la segona etapa dels mètodes de localització basats en TOA. Finalment es descriuen alguns estudis realitzats sobre les prestacions, possibles millores i encaix en futurs estàndars del mètode de localització explorat.