WLAN-paikannuksen elinkaaren tukeminen

The advent of GPS positioning at the turn of the millennium provided consumers with worldwide access to outdoor location information. For the purposes of indoor positioning, however, the GPS signal rarely penetrates buildings well enough to maintain the same level of positioning granularity as outdoors. Arriving around the same time, wireless local area networks (WLAN) have gained widespread support both in terms of infrastructure deployments and client proliferation. A promising approach to bridge the location context then has been positioning based on WLAN signals. In addition to being readily available in most environments needing support for location information, the adoption of a WLAN positioning system is financially low-cost compared to dedicated infrastructure approaches, partly due to operating on an unlicensed frequency band. Furthermore, the accuracy provided by this approach is enough for a wide range of location-based services, such as navigation and location-aware advertisements. In spite of this attractive proposition and extensive research in both academia and industry, WLAN positioning has yet to become the de facto choice for indoor positioning. This is despite over 20 000 publications and the foundation of several companies. The main reasons for this include: (i) the cost of deployment, and re-deployment, which is often significant, if not prohibitive, in terms of work hours; (ii) the complex propagation of the wireless signal, which -- through interaction with the environment -- renders it inherently stochastic; (iii) the use of an unlicensed frequency band, which means the wireless medium faces fierce competition by other technologies, and even unintentional radiators, that can impair traffic in unforeseen ways and impact positioning accuracy. This thesis addresses these issues by developing novel solutions for reducing the effort of deployment, including optimizing the indoor location topology for the use of WLAN positioning, as well as automatically detecting sources of cross-technology interference. These contributions pave the way for WLAN positioning to become as ubiquitous as the underlying technology.GPS-paikannus avattiin julkiseen käyttöön vuosituhannen vaihteessa, jonka jälkeen sitä on voinut käyttää sijainnin paikantamiseen ulkotiloissa kaikkialla maailmassa. Sisätiloissa GPS-signaali kuitenkin harvoin läpäisee rakennuksia kyllin hyvin voidakseen tarjota vastaavaa paikannustarkkuutta. Langattomat lähiverkot (WLAN), mukaan lukien tukiasemat ja käyttölaitteet, yleistyivät nopeasti samoihin aikoihin. Näiden verkkojen signaalien käyttö on siksi alusta asti tarjonnut lupaavia mahdollisuuksia sisätilapaikannukseen. Useimmissa ympäristöissä on jo valmiit WLAN-verkot, joten paikannuksen käyttöönotto on edullista verrattuna järjestelmiin, jotka vaativat erillisen laitteiston. Tämä johtuu osittain lisenssivapaasta taajuusalueesta, joka mahdollistaa kohtuuhintaiset päätelaitteet. WLAN-paikannuksen tarjoama tarkkuus on lisäksi riittävä monille sijaintipohjaisille palveluille, kuten suunnistamiselle ja paikkatietoisille mainoksille. Näistä lupaavista alkuasetelmista ja laajasta tutkimuksesta huolimatta WLAN-paikannus ei ole kuitenkaan pystynyt lunastamaan paikkaansa pääasiallisena sisätilapaikannusmenetelmänä. Vaivannäöstä ei ole puutetta; vuosien saatossa on julkaistu yli 20 000 tieteellistä artikkelia sekä perustettu useita yrityksiä. Syitä tähän kehitykseen on useita. Ensinnäkin, paikannuksen pystyttäminen ja ylläpito vaativat aikaa ja vaivaa. Toiseksi, langattoman signaalin eteneminen ja vuorovaikutus ympäristön kanssa on hyvin monimutkaista, mikä tekee mallintamisesta vaikeaa. Kolmanneksi, eri teknologiat ja laitteet kilpailevat lisenssivapaan taajuusalueen käytöstä, mikä johtaa satunnaisiin paikannustarkkuuteen vaikuttaviin tietoliikennehäiriöihin. Väitöskirja esittelee uusia menetelmiä joilla voidaan merkittävästi pienentää paikannusjärjestelmän asennuskustannuksia, jakaa ympäristö automaattisesti osiin WLAN-paikannusta varten, sekä tunnistaa mahdolliset langattomat häiriölähteet. Nämä kehitysaskeleet edesauttavat WLAN-paikannuksen yleistymistä jokapäiväiseen käyttöön

Puolivalvottu WLAN-radiokarttojen oppiminen

In this thesis a manifold learning method is applied to the problem of WLAN positioning and automatic radio map creation. Due to the nature of WLAN signal strength measurements, a signal map created from raw measurements results in non-linear distance relations between measurement points. These signal strength vectors reside in a high-dimensioned coordinate system. With the help of the so called Isomap-algorithm the dimensionality of this map can be reduced, and thus more easily processed. By embedding position-labeled strategic key points, we can automatically adjust the mapping to match the surveyed environment. The environment is thus learned in a semi-supervised way; gathering training points and embedding them in a two-dimensional manifold gives us a rough mapping of the measured environment. After a calibration phase, where the labeled key points in the training data are used to associate coordinates in the manifold representation with geographical locations, we can perform positioning using the adjusted map. This can be achieved through a traditional supervised learning process, which in our case is a simple nearest neighbors matching of a sampled signal strength vector. We deployed this system in two locations in the Kumpula campus in Helsinki, Finland. Results indicate that positioning based on the learned radio map can achieve good accuracy, especially in hallways or other areas in the environment where the WLAN signal is constrained by obstacles such as walls.Työssä sovelletaan monisto-oppimismenetelmää WLAN-paikannuksen ja automaattisen radiokartan luonnin ongelmaan. WLAN-signaalivoimakkuuksien mittausten luonteen takia käsittelemättömät mittaukset aiheuttavat epälineaarisia suhteita radiokartan mittauspisteiden välille. Nämä signaalivoimakkuusvektorit sijaitsevat avaruudessa jolla on korkea ulottuvuus. Niin kutsutun Isomap-algoritmin avulla kartan ulottuvuuksia voidaan karsia, jolloin sitä on helpompi työstää. Upottamalla karttaan merkittyjä avainpisteitä, se voidaan automaattisesti säätää vastaamaan mitattua ympäristöä. Ympäristö siis opitaan puolivalvotusti; keräämällä harjoituspisteitä ja upottamalla ne kaksiulotteiseen monistoon saadaan karkea kartta ympäristöstä. Kalibrointivaiheen jälkeen, jossa merkittyjä avainpisteitä käytetään yhdistämään moniston koordinaatit maantieteellisiin kohteisiin, voidaan suorittaa paikannusta säädetyn kartan avulla. Tämä voidaan tehdä perinteisen valvotun oppimisen avulla, joka tässä tapauksessa on yksinkertainen lähimmän naapurin löytäminen mitatulle signaalivoimakkuusvektorille. Järjestelmää kokeiltiin kahdessa paikassa Kumpulan kampuksessa Helsingissä. Tulokset viittaavat siihen että opitun radiokartan avulla paikannus voi saavuttaa hyvän tarkkuuden, etenkin käytävissä ja muissa tiloissa jossa esteet kuten seinät rajoittavat WLAN-signaalia

Observability of Path Loss Parameters in WLAN-Based Simultaneous Localization and Mapping

Indoor positioning by means of received signal strengths has been gathering much interest since the massive presence of wireless local area networks (WLANs) in buildings. Theoretical approaches rely on the perfect knowledge of the APs' positions and propagation conditions; since this is unrealistic in real world, we estimate such knowledge as well as the building map from data by applying Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). In this paper we address the joint estimation of the path loss parameters, namely the transmitted power and the path loss exponent, this latter being usually approximated in the literature by the free space value. We provide examples that show the relevance of estimating both parameters and analyze observability issues from the point of view of estimation theory. The integration of the parameter estimation in a WLAN based SLAM algorithm - WiSLAM - has been carried out and the results are discussed

Information Fusion for 5G IoT: An Improved 3D Localisation Approach Using K-DNN and Multi-Layered Hybrid Radiomap

Indoor positioning is a core enabler for various 5G identity and context-aware applications requiring precise and real-time simultaneous localisation and mapping (SLAM). In this work, we propose a K-nearest neighbours and deep neural network (K-DNN) algorithm to improve 3D indoor positioning. Our implementation uses a novel data-augmentation concept for the received signal strength (RSS)-based fingerprint technique to produce a 3D fused hybrid. In the offline phase, a machine learning (ML) approach is used to train a model on a radiomap dataset that is collected during the offline phase. The proposed algorithm is implemented on the constructed hybrid multi-layered radiomap to improve the 3D localisation accuracy. In our implementation, the proposed approach is based on the fusion of the prominent 5G IoT signals of Bluetooth Low Energy (BLE) and the ubiquitous WLAN. As a result, we achieved a 91% classification accuracy in 1D and a submeter accuracy in 2D

Using Synthetic Data to Enhance the Accuracy of Fingerprint-Based Localization: A Deep Learning Approach

Human-centered data collection is typically costly and implicates issues of privacy. Various solutions have been proposed in the literature to reduce this cost, such as crowd-sourced data collection, or the use of semisupervised algorithms. However, semisupervised algorithms require a source of unlabeled data, and crowd-sourcing methods require numbers of active participants. An alternative passive data collection modality is fingerprint-based localization. Such methods use received signal strength or channel state information in wireless sensor networks to localize users in indoor/outdoor environments. In this letter, we introduce a novel approach to reduce training data collection costs in fingerprint-based localization by using synthetic data. Generative adversarial networks (GANs) are used to learn the distribution of a limited sample of collected data and, following this, to produce synthetic data that can be used to augment the real collected data in order to increase overall positioning accuracy. Experimental results on a benchmark dataset show that by applying the proposed method and using a combination of 10% collected data and 90% synthetic data, we can obtain essentially similar positioning accuracy to that which would be obtained by using the full set of collected data. This means that by employing GAN-generated synthetic data, we can use 90% less real data, thereby reducing data-collection costs while achieving acceptable accuracy