[論文レビュー] Indoor Positioning with Radio Location Fingerprinting

Mikkel Baun Kjærgaard|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2010

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 78被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、移動検出に基づいて低影響モニタモードとアクティブスキャンの間を適応的に切り替えることで、無線通信と位置決めの干渉を軽減する ComPoScan というシステムを提案する。移動検出を用いてスキャン頻度を低減することで、ComPoScan は通信スループットを 122× 向上させ、遅延を 10 分の 1 に低下させ、パケット損失を 73% 減少させたが、ハードウェアの変更なしに高い位置決め精度を維持した。

ABSTRACT

An increasingly important requirement for many novel applications is sensing the positions of people, equipment, etc. GPS technology has proven itself as a successfull technology for positioning in outdoor environments but indoor no technology has yet gained a similar wide-scale adoption. A promising indoor positioning technique is radio-based location fingerprinting, having the major advantage of exploiting already existing radio infrastructures, like IEEE 802.11, which avoids extra deployment costs and effort. The research goal of this thesis is to address the limitations of current indoor location fingerprinting systems. In particular the aim is to advance location fingerprinting techniques for the challenges of handling heterogeneous clients, scalability to many clients, and interference between communication and positioning. The wireless clients used for location fingerprinting are heterogeneous even when only considering clients for the same technology. Heterogeneity is a challenge for location fingerprinting because it severely decreases the precision of location fingerprinting. To support many clients location fingerprinting has to address how to scale estimate calculation, measurement distribution, and distribution of position estimates. This is a challenge because of the number of calculations involved and the frequency of measurements and position updates. Positioning using location fingerprinting requires the measurement of, for instance, signal strength for nearby base stations. However, many wireless communication technologies block communication while collecting such measurements. This interference is a challenge because it is not desirable that positioning disables communication. An additional goal is to improve the conceptual foundation of location fingerprinting. A better foundation will aid researchers to better survey and design location fingerprinting systems.

研究の動機と目的

• アクティブスキャンによる干渉が Wi-Fi を基盤とする屋内位置決めシステムの同時通信を妨える問題に対処する。
• 多数の異種クライアントを含む大規模展開における位置フィンガープrintインデックスのスケーラビリティと効率を向上させる。
• スキャン頻度の低下による測定の不頻繁さが引き起こす位置決め精度の低下を最小限に抑える。
• ハードウェアの変更や追加センサーを必要とせず、既存の 802.11 インfraストラクチャを用いてリアルタイム位置決めを実現する。
• 実世界の環境で通信性能と位置決め精度のバランスを取る実用的で展開可能なシステムを開発する。

提案手法

• ユーザーが静止中か移動中かを判断するために加速度計を用いた移動検出システムを実装する。
• 移動状態に応じて、低影響のモニタモードと高精度のアクティブスキャンの間で動的に切り替える信号強度測定を実施する。
• 移動が検出された場合にのみアダプティブスキャンを適用し、停止中はスキャン頻度を低減する。
• Intel Centrino や Atheros などの対応ネットワークアダプタを用いて、通信の中断を伴わずに信号強度データを収集するモニタモードを活用する。
• リソース使用量を最小限に抑えるために、移動検出と位置決め更新ロジックを統合した軽量でリアルタイムなシステムを設計する。
• エミュレーションと実環境での展開の両方を用いて、実際のネットワーク環境下でのパフォーマンスと精度を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位置決めスキャンと Wi-Fi 通信の干渉を、位置決め精度を損なわせることなく最小限に抑える方法は何か？
• RQ2 移動検出を用いてアクティブスキャンの頻度を効果的に低減させ、通信パフォーマンスを向上させることは可能か？
• RQ3 ユーザーの移動に基づくアダプティブスキャンは、実環境展開においてスループット、遅延、パケット損失にどの程度の改善をもたらすか？
• RQ4 スキャンのオーバーヘッドを顕著に低減させても、高い位置決め精度を維持できるか？
• RQ5 ハードウェアの変更なしに、既存の消費者デバイスにこのようなシステムを展開することは可能か？

主な発見

• ComPoScan は、連続的なアクティブスキャンと比較して、ネットワークスループットを 122 倍向上させた。
• システムは平均的なネットワーク遅延を 10 分の 1 に低下させ、リアルタイム通信パフォーマンスの向上が顕著に確認された。
• 実環境展開においてパケット損失が 73% 減少し、位置決め更新中の信頼性の向上が実証された。
• エミュレーションの結果、移動検出システムが環境、ネットワークカード、信号強度モデル、AP 設定とは無関係に動作することが確認された。
• スキャン頻度が低下しても位置決め精度が維持された。これは、移動が検出された場合にのみフルスキャンを開始するためである。
• システムは既存の 802.11 ハードウェアと互換性があり、追加センサーやファームウェア変更を必要としないため、消費者デバイスへの広範な展開が可能である。