Localization and tracking in wireless networks for fault tolerance and device diversity

Abstract

Η αντίληψη της θέσης αποτελεί το βασικό πυλώνα για μια μεγάλη ποικιλία υπηρεσιών που αναμένονται ή χρησιμοποιούνται ήδη στην εποχή του φορητού και διάχυτου υπολογισμού. Αυτές οι υπηρεσίες εκτείνονται από κρίσιμες εφαρμογές ασφάλειας σε δίκτυα αισθητήρων, όπως η παρακολούθηση μεγάλων εκτάσεων, ο προσδιορισμός της θέσης συμβάντων και η ιχνηλάτηση στόχων, μέχρι βοηθητικές και εμπορικές εφαρμογές σε ασύρματα δίκτυα, όπως η πλοήγηση των χρηστών, η καθοδήγηση επισκεπτών, η ιχνηλάτηση περιουσιακών στοιχείων και η προώθηση διαφημίσεων. Αυτή η διατριβή επικεντρώνεται σε δύο τύπους ασύρματων, ήτοι τα δυαδικά Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (ΑΔΑ) και τα Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα (ΑΤΔ), τα οποία χαρακτηρίζονται από μοναδικές ερευνητικές προκλήσεις αναφορικά με τον προσδιορισμό της θέσης και την ιχνηλάτηση συμβάντων, αντικείμενων ή ατόμων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα ΑΔΑ συνήθως αναπτύσσονται σε αντίξοες συνθήκες και προβλέπεται να λειτουργούν χωρίς επίβλεψη για παρατεταμένα χρονικά διαστήματα, ενώ τα ΑΤΔ αλλάζουν δυναμικά, επειδή μπορεί ορισμένα Σημεία Πρόσβασης (ΣΠ) να εμφανίσουν βλάβη ή να κλείσουν ή μπορεί να αφαιρεθούν ή να μεταφερθούν σε άλλα σημεία ή ενδεχομένως να εγκατασταθούν νέα ΣΠ. Υπό αυτό το πρίσμα, τα δυαδικά ΑΔΑ και τα ΑΤΔ ενδέχεται να υποφέρουν από σφάλματα, τα οποία προκαλούνται είτε ακούσια, είτε εσκεμμένα λόγω κακόβουλων επιθέσεων. Ένα άλλο ζήτημα, που είναι έμφυτο στον προσδιορισμό της θέσης με χρήση ΑΤΔ, είναι η ποικιλομορφία των συσκευών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι χρήστες χρησιμοποιούν συνήθως ετερογενείς φορητές συσκευές που συνήθως αναφέρουν τις μετρήσεις με αρκετά διαφορετικό τρόπο. Ενώ τα σφάλματα στους αισθητήρες και τα ΣΠ μπορούν να υποβαθμίσουν σε σημαντικό βαθμό την ακρίβεια στον προσδιορισμό της θέσης και την ιχνηλάτηση σε δυαδικά ΑΔΑ και ΑΤΔ, η χρήση ετερογενών συσκευών επηρεάζει την εμπειρία του χρήστη και εμποδίζει την εξάπλωση των συστημάτων προσδιορισμού της θέσης τα οποία βασίζονται σε ΑΤΔ. Για το σκοπό αυτό, οι κύριες συνεισφορές αυτής της διατριβής εντοπίζονται σε τρεις άξονες. Αρχικά, παρουσιάζουμε κατάλληλα μοντέλα σφαλμάτων για δυαδικά ΑΔΑ και προτείνουμε μία λύση για την ιχνηλάτηση πολλαπλών στόχων, η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλή ανθεκτικότητα σε σφάλματα αισθητήρων και μπορεί να εφαρμοστεί τόσο σε κεντρικοποιημένες, όσο και σε κατανεμημένες αρχιτεκτονικές δικτύου. Στη συνέχεια, διερευνούμε μοντέλα σφαλμάτων στο πλαίσιο των ΑΤΔ και προτείνουμε μηχανισμούς ανίχνευσης σφαλμάτων σε συνδυασμό με αλγόριθμους προσδιορισμού της θέσης που είναι ανεκτικοί σε σφάλματα ώστε να μετριασθούν οι συνέπειες των ΣΠ που παρουσίασαν βλάβη. Τέλος, εξετάζουμε τη χρήση ετερογενών συσκευών κατά τον προσδιορισμό της θέσης σε ΑΤΔ και παρουσιάζουμε δύο αποτελεσματικές προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος σε πραγματικό χρόνο. Η αποδοτικότητα των προτεινόμενων μεθόδων αποδεικνύεται με εξομοιώσεις και πραγματικά πειραματικά δεδομένα.

Location awareness is the key enabler for a wide variety of services that are envisioned or have already been deployed in the mobile and pervasive computing era. These services span from safety-critical applications in sensor networks, including large area monitoring, event localization and target tracking, to assistive and commercial applications in wireless networks, such as user navigation, visitor guidance, asset tracking and intelligent advertising. In this thesis, we focus on two types of wireless networks, namely binary Wireless Sensor Networks (WSN) and Wireless Local Area Networks (WLAN), which both bring unique challenges in respect to localizing and tracking events, objects or individuals. This is because WSNs are usually deployed in harsh environments and are envisioned to work unattended for prolonged periods of time, while WLANs are changing dynamically because Access Points (AP) may fail or shut down or they can be removed or relocated or new APs may be installed. In this sense, binary WSNs and WLANs may suffer from faults, caused either unintentionally or deliberately due to malicious attacks. Another issue that is inherent in WLAN-based localization is device diversity. This is because users typically carry heterogeneous mobile devices that report measurements quite differently. While hardware faults may severely degrade the localization and tracking accuracy in binary WSNs and WLANs, the use of heterogeneous devices affects user experience and hinders the proliferation of WLAN-based localization systems. To this end, the main contributions of this thesis are threefold. We start by introducing fault models for binary WSNs and then present a multiple target tracking solution that is highly resilient to sensor faults and can be applied to centralized and distributed network architectures. Next, we investigate fault models in the context of WLAN and discuss fault detection mechanisms combined with fault tolerant localization algorithms to mitigate the effect of corrupt APs. Finally, we focus on the heterogeneity of WLAN-equipped mobile devices and describe two approaches to address this problem in real-time. The effectiveness of the proposed methods is demonstrated with simulations and real-life experimental data.