Wi-Fiベースのポジショニングがうまくいかない理由

序文または「Wi-Fiがあれば、それを使ってポジショニングしましょう！」

現在、GPSベースのジオロケーションは、スマートフォンを持っているすべての人によって使用されています。 しかし、人が建物に入るとすぐにGPSは機能しなくなります（ただし、スマートフォンは座標を表示しますが、精度ははるかに低くなります）。 一方で、私は本当にしたくありませんでした、そして、なぜそうではないのですか、これには適用されたタスクがあります。



しかし、市場が提供するものを見てみると、消費者に安価でかなり正確なソリューションを提供するのに適したソリューションがまだ見当たりません。



この記事では、Wi-Fiテクノロジー（屋内で最も一般的であり、この問題を解決するのに適しているのはこのテクノロジーです）に基づく測位の技術的側面（適用可能性に関係なく）を検討し、実装中の障害の原因を分析します。

一見

Wi-Fiインフラストラクチャは、一見しただけで屋内の測位に非常に適しています。既知の座標（Wi-Fiアクセスポイント、以降は単にTD）を含む十分な数のポイントがあり、内部の各スマートフォンにはWi- Fiアダプター（クライアント）。 これで、APとクライアント間の距離を計算し、三辺測量を使用してクライアントの位置を計算できます。



三辺測量の問題を解決するには、既知の座標を持つ少なくとも3つのポイントからの測定値が必要です。 距離を計算するには、クライアントの信号レベルをAPで測定するか、むしろその減衰（Wi-Fiインフラストラクチャからこのデータを取得できます。これはIEEE 802.11標準の一部です）。 減衰は、オープンスペースでの信号伝搬の式（FSPL-フリースペースパス損失）によって距離に変換されます。 次に、必要な測定数を取得します。 1つのAPからの距離がわかっている場合、その周囲に既知の半径の円を記述できます。 2つのAPからの距離がわかっている場合、決定された場所は2つの円の交点に配置されます。 3番目の測定値の存在により、3つの円の交差点が決定されます。



これで、Wi-Fiクライアントを飛行機に配置できます。 タスクは明確で、実装は明確です。 多くのメーカーが実装を採用しました（一般的に、彼らはそれを正しく行い始めたと思います）。 しかし、残念なことに、この決定にはまだ多くの質問があります。

主な問題

1. APの数が通常の量と比較して2倍以上増加する。

2.理想的な条件（約10メートル）でも不十分な位置決め精度。 また、要件の一部を少なくともわずかに無視した場合に、精度が大幅に低下します。

3. Wi-Fiクライアントの位置でデータを更新する予測不可能な頻度。

Wi-Fiポジショニングの要件

•3つのAPとクライアント間の直接的な可視性が望ましい。

•クライアントは、少なくとも3つのAPを適切に聞く必要があります（1つではなく、通常は十分です）。

•「良い」と聞くと、これは-75dBm以上であり、これは「良い」だけでなく、非常に自信があります。

•アクセスポイントは、建物の周囲に配置し、ずらして配置する必要があります。

•Wi-Fiクライアントは非常に静かである必要はありません。



なぜこのような厳しい要件が提示されているのか、そしてこれらの厳しい要件を満たさない場合、何が私たちを脅かすのでしょうか？

3つのAPとクライアント間の直接的な可視性が望ましい

屋内測位アルゴリズムの開発者が対処しなければならない主な問題は、おそらく多数の信号反射でした。 これは、信号の伝播時間または減衰の測定に基づくすべての位置決めシステムの最悪の敵です。



しかし、たとえばGPSはどうでしょうか。 GPSテクノロジーでは、衛星が直接見通し内にある場合、再反射のない信号を処理します。 これにより、非常に優れた位置決め精度を実現できます。 GPSが再反射された信号を処理しなければならないようになると、測位精度は壊滅的に低下します。



なぜこれが起こっているのですか？ 信号経路の長さを実際に測定し（時間遅延または信号減衰をカウントすることにより）、それが反映される場合は、実際の距離より長くなるようにします。 屋内のWi-Fiの場合、常に反射に対処します。 さらに、IEEE 802.11n、802.11ac（MIMO、MRC、BF）規格のすべての主要なテクノロジーは、この効果を正確にベースとして使用しますが、それなしでは動作しません。



三辺測量の場合、これは非常に悪く、経路長が大きな誤差で測定されるため、全体的な位置決め誤差が増加します。



直接的な可視性により、再反射が最小限に抑えられるため、エラーが減少します。 したがって、アクセスポイントを直接見通し内に配置することをお勧めします。



この要件は何につながりますか？ 通常のカバレッジ内では3〜5室のアクセスポイントが1つだけ必要であるため、このような要件によりTDが大幅に増加します（アクセスポイントは1つまたは2つの非資本壁を「貫通」します）。

クライアントは少なくとも3つのAPをよく聞く必要があります（1つではなく、通常は十分です）。

通常のクライアントは1つのアクセスポイントからの信号のみを必要としますが、これは明らかです。

位置決めには、3〜4個のAPからの良好な信号レベルが必要です。

「良い」と聞くのは-75dBm以上であり、「良い」だけでなく、非常に自信がある

シスコの公式マニュアルをご覧ください。90％のケースで測位精度を10m程度にするために、Wi-Fiクライアントは、-75dBm以下の信号レベルで少なくとも3つのアクセスポイントを「聞く」必要があります。 なぜ正確に-75dBmで、信号が悪化するとどうなりますか？



基本的な役割は、私の意見では、-75dBmの値が信号減衰の性質であることです（同じFSPL）。 信号は線形ではなく、 対数 2次依存で減衰します（対数はFSPLからdBへの変換から現れます）。 つまり、たとえば、送信機から遠ざかるほど、信号が移動する距離が長くなり、そのレベルが半分に低下します。 このことから、送信機から遠くなるほど、そのレベルに基づいた距離測定の誤差が大きくなります。



重要な役割は、Wi-Fiレシーバーの精度が非常に小さく、小数点以下の桁数がゼロ（信号レベルはdBmで測定される）であり、この場合の電力測定の精度が距離測定の誤差に決定的な役割を果たすという事実によって果たされます。



たとえば、GPSテクノロジーを例として使用できます。この場合、原子部分を使用する必要があります。これにより、信号の小数点以下7桁までの伝搬時間（秒単位）の測定精度が保証されます。 小数点以下7桁は、1メートルあたり約30メートルの誤差です。



許容可能な測位精度を達成するために、Wi-Fiテクノロジーの場合、1dBmでの誤差は10メートルを超えないようにします。



測定誤差を1 dBmあたりのメートルで計算するには、FSPLの式を使用して、グラフ形式で説明します。



簡略化された形式の周波数2.4 GHzの信号伝搬式は、次のように表すことができます。

FSPL = 32.4 +（20log10（2,400））+（20log10（x））、ここでxはkm単位の距離です。

FSPL = 100dB + 20log10（x）



最初のメーターでは、信号レベルが40dB低下します。つまり、エラーはdBあたり2.5cm以下です。 2番目のメーターでは、ドロップは既に6dB（エラーはdBで16 cm）で、3番目では-3.5dB（エラーはdBで30 cm）です。



次のグラフでは、X軸はFSPL値を示し、Y軸は1 dBmあたりのメートル単位の誤差を示しています。







10mのエラーは、80dBmの信号減衰に対応します。 さらに、エラーは急激に増加し始めます。



統合アンテナ（5dBi）を備えた最新のAPを使用し、12mW（11dBm）の最新の状態で送信機の電力を推定し、FSPLを差し引く実効等方性放射電力（EIRP）を計算します。

EIRP-FSPL = 11dBm + 5dBi-80dB = -64dBm。

これは、許容可能な位置決め精度を確保するために必要な望ましい信号レベルです。 シスコの一般的な推奨事項は75dBmです。



私の計算が非常に近似していることを考えると、一般に、値は非常に似ています。 さらに、主なアイデアは特定の値を計算することではなく（この値に影響を与える変数はたくさんあります）、信号をさらに減衰させると位置決め精度が非常に急激に低下することを理解することです。



すぐに次の質問がすぐに発生しますが、-75dBm（または-64dBm）はいくらですか？



WiFi（使用される変調）の速度は、信号レベルだけでなく、主にSNR（信号/ノイズ）に依存します。 一般に、建物内のノイズレベルは-95〜-90dBm程度（複数のテナントがあるオフィススペース）で推定できます。 高速（変調MCS 5-MCS 7（64 QAM））では、20以上のSNR値が必要です。 これは、信号レベルが少なくとも-75--70dBmでなければならないことを意味します。



つまり、言い換えると、-75dBm信号は、高いビットレートを提供する「信頼できる」信号です。



最後に、主な結論は、測位に少なくとも3つのそのような信号が必要であるということです。ただし、通常のカバレッジでは1つで十分であり、必然的にAPの総数に影響します。

アクセスポイントは建物の周囲に配置し、ずらして配置する必要があります

三辺測量エラーは、メーターの位置によっても異なります。 メーターには、オブジェクトまでの距離に関する情報のみが含まれます。 円を描くときは、円周を含めて表面上に均等に配置することをお勧めします。



GPS技術の場合、これらの問題はすべて、地球軌道上の衛星の均一な分布によってエレガントに解決されます。



Wi-Fiのために建物内にアクセスポイントを均等に配置することがそれほど珍しくなければ（3つのアクセスポイントを廊下の1つの直線上に配置すると便利な場合があります）大多数のオフィスアクセスポイントのカバレッジは円形の放射パターンを持ち、境界上のAPの位置はアクセスポイントカバレッジの不完全な使用につながり、信号は建物の外に出るためです。

読み取りの頻度

特殊な測位システムを扱っている場合、測定の頻度に注意を払っています。 GPS衛星は常に信号を送信し、リアルタイムで測位を実現します（非常に小さな遅延で、たとえば航海者にとっては十分です）。



Wi-Fiインフラストラクチャは、ポジショニングの問題を解決するようには設計されていないため、定期的な間隔でパケットを常時送信することはできません。 Wi-Fi測位システムは、トラフィックを処理する必要があります。 トラフィックが多いほど、測位に適しています。 しかし、Wi-Fiの場合、すべてが反対です。 Wi-Fiコミュニティは、意識的な生活全体を通じて、クライアントの無線通信に費やす時間を削減するタスクに取り組んでいます。まず、合計Wi-Fi帯域幅を増やし、次にモバイルデバイスの寿命を延ばします。 その結果、Wi-Fiポジショニングシステムは、予測不可能で、ほとんどの場合非常に長い間隔で提供されるパッケージを使用する必要があります。



ただし、クライアントがパケットを送信した場合でも、必要なすべてのアクセスポイントでこのパケットを検出する必要があり、Wi-Fiにとってはそう簡単ではありません。 例で説明しようと思います。



クライアントが2.4GHz帯域の最初のチャネルでパケットを送信するとします。 これは3つのアクセスポイントの可視性ゾーンにあり、標準に従って、1番目、6番目、および11番目のチャネルで動作し、信号を送信しない場合はリッスンする必要があります。 最初のポイントは最初のチャネル、2番目は6番目、3番目は11番目です。 最初のアクセスポイントがこの信号を受信し、その電力を測定しました。 2番目と3番目のアクセスポイントは、それぞれ6番目と11番目のチャネルをリッスンしているため、このパケットを聞きませんでした！



これはすべて、位置の更新頻度が予測不可能であり、場合によっては非常に大きく、数十秒、時には数分に達する可能性があるという事実につながります。



この問題を解決するにはさまざまな方法があります。 通常のアクセスポイントは、隣接チャネルの監視に時間のわずかな部分を費やします。 しかし、この時間は短く、多くのチャネルをバイパスする必要があるため、そのようなパケットを「キャッチ」する可能性はまだ小さいです。



この問題を解決するために、彼らは監視モードで動作するTDで追加の無線を使用します。これは、すべての時間を監視専用に使用し、顧客にサービスを提供しません。 しかし、それにもかかわらず、必要なパケットが聞こえない可能性があります。2.4GHz帯域では、5 GHzで3チャネル（連続）と16チャネルを聞く必要があります。 接続されたデバイスの場所を追跡する場合、タスクがすべての既知のデバイスの位置を追跡することである場合、タスクは少し簡略化され、未使用のチャネル（たとえば、2.4 GHz帯域の13チャネルすべて）をバイパスする必要があります。



結論は次のとおりです。特別な監視モジュールを使用せず、それらを使用しても、位置の更新頻度に問題がある可能性があります。

一般的な結論

適切な位置決めの要件は、最適なカバレッジの要件とは大きく異なります。



これにより、アクセスポイントが少なくとも2倍に増加し、AP自体のコストが増加します（追加のモジュールが必要です）。 その結果、Wi-Fiインフラストラクチャの予算が2倍以上増加します。 その結果、測位精度は10メートルを超えず、更新頻度はまだ非常に予測不能であるという事実にもかかわらず、これらのソリューションは、控えめに言っても議論の余地があり、割り当てられたゾーンで、または既知の結果で必要なすべての要件に準拠しないで実装されています。



しかし、技術はまだ止まっておらず、次の記事では、上記の問題を解決するための試みを詳細に分析したいと思います。

-Cisco Hyperlocationの例を使用したWi-FiでのAoA（到来角）テクノロジーの実装。

-Cisco FastLocationの例を使用して、専用の監視モジュールを使用して位置更新の頻度を増やす試み。