Позиционирование в сетях Wi-Fi

                                                 САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

                ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

                                        Им. Проф. М.А. Бонч – Бруевича

 

                                                Факультет РС, ТВ и МТ                                                   

                                                 

                                                   Кафедра РПдУ и СПС

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине СССПО

 

«Позиционирование в  сетях Wi-Fi»

 

 

 

 

 

Выполнил: Стромкин А.М.

                                                                                                            Группа: Р – 68

                                                                                                              Проверил: Фокин Г.А.

Санкт-Петербург

2010 год

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ 3

 

РЕФЕРАТ

Ключевые слова, используемые в дипломной работе: стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi), Wi-Fi сети (WLAN), определение местоположения (позиционирование, локализация), точка доступа, RSS (Received Signal Strength) метод, TOA (Time Of Arrival) метод, радиокарта, полоса пропускания, эффективность.

Цель работы – определение эффективности методов RSS и TOA, их сравнение в позиционировании абонентских станций внутри помещений и на открытых пространствах.

В результате исследований была определена эффективность RSS и TOA методов позиционирования внутри помещений и на открытых пространствах, получены численные показатели точности определения местоположения абонентских станций, проведено сравнение этих методов, показавшее, что RSS метод более эффективен в закрытых помещениях, а TOA метод – на открытых пространствах.

 

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня беспроводные сети (WLAN) – не фантастика, а реальность. Более того, они получили широкое распространение, и их использование в качестве продолжения проводных сетей – далеко не единственная услуга.

Одна  из новых наиболее перспективных  услуг – определение местоположения объекта с высокой точностью в помещении или на открытом пространстве. Главное отличие этих систем локализации от уже имеющихся заключается в том, что они не требуют развертывания новых сетей, а используют уже существующие.

Популярность  этой услуги растет с каждым днем, т.к. позволяет отслеживать объекты (персонал, грузы, транспорт), оснащенные специальным оборудованием (портативные компьютеры (notebook, laptop), электронные секретари (PDA – Personal Digital Assistant), телефоны, использующие услуги голос поверх IP (VoIP), WiFi меток и другие устройства с абонентскими устройствами WiFi), с точностью до 1 метра, не требует больших денежных вложений и не требует повышения квалификации обслуживающего персонала.

Наиболее  распространенные технологии позиционирования – это технология «снятия радиоотпечатков» – RSS (Received Signal Strength) и технология на основе измерения разницы времени распространения волны – TOA (Time Of Arrival).

Эти технологии используют для определения  местоположения объекта уже использующиеся параметры сигнала: RSS – уровень, TOA – время прохождения сигнала.

Конечно, возникает вопрос – какая технология лучше? Однозначного ответа на него нет. Поэтому, рассмотрев более подробно эти технологии, попытаемся понять, какая из них лучше, как они работают и какие у них перспективы.

 

ГЛАВА 1. БЕСПРОВОДНЫЕ СТАНДАРТЫ IEEE 802.Х

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

С развитием компьютерных технологий появилась проблема удлинения действующих  проводных телефонных сетей и сетей передачи данных с использованием радиоканалов на «последней миле», т.е. ответвлениях к пользователям. Для решения этой проблемы служат системы беспроводного доступа. Эти системы не образуют своих глобальных сетей, а являются продолжением существующих, используя их коммутаторы или маршрутизаторы. В некоторых случаях сети беспроводного доступа предназначены для локального применения, например, складские помещения, транспортные узлы и пр., которые, конечно, имеют связь с глобальными сетями. Укажем на основные преимущества систем  беспроводного доступа:

• развертывание сетей не требует больших затрат и большого времени;
• низкие эксплуатационные расходы;
• возможны разнообразные конфигурации сетей.

Главные проблемы состоят в поддержании  стабильных характеристик передачи по радиоканалу, в защите информации на радиоканале и в обеспечении питания базовых станций (точек доступа) и оконечного оборудования.

Традиционный беспроводный доступ ориентирован на передачу по радиоканалам сигналов телефонии и цифровой сети с интеграцией услуг ISDN – Integrated Service Digital Network. Такие системы часто называют беспроводным телефоном. Существует большое число стандартов, обеспечивающих эти услуги; PACS – Personal Access Communication System, PHS – Personal Handyphone System, Airspan, Airloop и много других. Наибольшее распространение в мире получил стандарт DECT – Digital Enhanced Cordless Telecommunication.

Начало XXI века существенно изменило ситуацию на рынке систем беспроводного  доступа. Появились системы беспроводного доступа к компьютерам, прежде всего, ориентированные на обслуживание абонентов с ноутбуками и laptop'ами. Такие системы обеспечивают доступ по радиоканалам к Интернету, обмен файлами между мобильным телефоном и компьютером, управление бытовыми приборами и защиту в «интеллектуальном доме» (Smart Home) и др. Первые стандарты этих систем датированы 1998, 1999 гг., уже сложилась их иерархия по назначению и скоростям передачи информации (рис 1.1).

Рис. 1.1 Иерархия сетей беспроводного доступа

Внизу иерархического древа расположены  самые простые и дешевые системы  персонального доступа PAN – Personal Area Network. Их типичным представителем является стандарт IEEE 802.15.1, более известный как Bluetooth. Этот стандарт поддерживает передачу по радиоканалу со скоростью до 700 кбит/с и ориентирован на самые простые конфигурации сетей в пределах закрытых помещений.

Следующий уровень LAN – Local Area Network, представлен стандартом IEEE 802.11. Чтобы отличать беспроводные LAN от их кабельных аналогов, эти сети обычно называют WLAN – Wireless LAN, беспроводный локальный доступ. Сейчас эти сети переживают бум своего развития, а их технология известна как WiFi – Wireless Fidelity.

WLAN позволяют организовывать беспроводный доступ к Интернету в зданиях, общественных организациях и просто на открытом воздухе в местах скопления людей.

На трассах WLAN достигнуты предельные скорости передач до 100 Мбит/с.

Сети уровня MAN – Metropolitan Area Network, ориентированы на организацию беспроводного доступа в отдельных «пятнах» на местности: в группе зданий, небольшом квартале, «соте». Такое «пятно» покрывает сигнал одной точки доступа мощностью до нескольких Вт. На рынке связи сети MAN представлены стандартом IEEE 802.16, обеспечивающим скорость передачи данных до 110 Мбит/с (паспортные данные).

Наконец, верхний уровень WAN – Wide (World) Area Network, распределенная (территориальная, глобальная) сеть. На этом уровне услуги поддерживают сети мобильной связи 3-го поколения. Кроме того,  возможно появление сетей нового стандарта IEEE 802.20, разработка которого находится в стадии завершения.

Следует отметить, что все перечисленные стандарты беспроводного доступа принадлежат к одному семейству IEEE 802.Х, что позволяет стандартизировать интерфейсы и существенно упростить межсистемные соединения беспроводных и кабельных сетей связи.

Обобщенная структура протоколов стандартов IEEE 802.X приведена на Рис. 1.2. Начиная с 3-го уровня, существует полная совместимость этих стандартов.

 

Рис. 1.2. Структура протоколов стандартов IEEE 802.Х

Физический уровень включает в  себя следующие функции:

• прием и передачу битов;
• передачу синхронизирующих битов;
• кодирование и декодирование сигналов, защиту информации;
• модуляцию.

Следующий уровень – уровень соединений (Link) – обеспечивает доступ к среде, адресацию и выявление ошибок. Все эти функции осуществляет нижний подуровень MAC – Medium Access Control. Верхний подуровень этого уровня – LLC (Logical Link Control) или RLC (Radio Link Control) – применительно к стандартам беспроводного доступа организует сопряжение с вышестоящими уровнями, фрагментирование и объединение блоков, передаваемых по радиоканалу, а также их повторную передачу при наличии ошибок в пакетах с подтверждением. Фактически этот подуровень непосредственно участвует в обеспечении характеристик  качества связи.

Все, что находится выше уровня соединений, обеспечивается стандартными протоколами и, прежде всего, протоколами транспортного уровня TCP/UDP (Transmission Control Protocol/User Diagram Protocol) и сетевого уровня IP (Internet Protocol).

Следует отметить, что разрабатываются  также два стандарта IEEE 802.21 и IEEE 802.22. Первый предназначен для обеспечения совместимости и «бесшовного» перехода между беспроводными гетерогенными сетями (Media Independent Handover).

2. МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Концептуальная основа, определяющая характеристики и свойства семейства стандартов, в том числе и IEEE 802.X., была разработана Международной организацией по стандартизации (ISO – International Standards Organization) и Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (CCITT – International Telegraph and Telephone Consultative Committee) в 1984г. Она была названа взаимодействие открытых систем (OSI – Open System Interconnection), гарантировала возможность взаимодействия оборудования различных производителей и базируется на семиуровневой эталонной модели протоколов передачи данных. Эта модель позволяет универсальным образом описать логику информационного обмена между взаимосвязанными системами и абонентами (рис 1.3).

Рис. 1.3. Схема модели отправитель-получатель.

Функции любого узла сети разбиваются на уровни, для конечных систем. Взаимодействие между двумя узлами логически происходит по горизонтали — между соответствующими уровнями. Реально же из-за отсутствия непосредственных горизонтальных связей  производится спуск до нижнего уровня в источнике (получатель) информации. В промежуточных устройствах подъем идет до того уровня, который доступен «интеллекту» устройства, так, например, имеются коммутаторы второго и третьего уровней. Каждый уровень обеспечивает свой набор сервисных функций (сервисов), «прикладная ценность» которых возрастает с повышением уровня. Уровень, с которого посылается запрос, и симметричный ему уровень в отвечающей системе формирует свои блоки данных. Данные снабжаются служебной информацией (заголовком) данного уровня и спускаются на уровень ниже, пользуясь сервисами соответствующего уровня. На этом уровне к полученной информации также присоединяется служебная информация, и так происходит спуск до самого нижнего уровня, сопровождаемый «обрастанием» заголовками. Наконец, по нижнему уровню вся эта конструкция достигает получателя, где по мере подъема вверх освобождается от служебной информации соответствующего уровня. В итоге сообщение, посланное источником, в исходном виде достигает соответствующего уровня системы-получателя, независимо от тех преобразований, которые с ним происходили во время продвижения по сети. Служебная информация управляет процессом передачи и служит для контроля его успешности и достоверности. В случае возникновения проблем может быть сделана попытка их исправить на том уровне, где они обнаружены. Если уровень не может решить проблему, он сообщает о ней на вызвавший его вышестоящий уровень. Уровни модели OSI:

1. Физический - битовые протоколы передачи информации.
2. Канальный - формирование кадров, управление доступом к среде.
3. Сетевой - маршрутизация, управление потоками данных.
4. Транспортный - передача данных с определенной степенью надежности.
5. Сеансовый - обеспечивает управление диалогами.
6. Представительский - интерпретация передаваемых данных.
7. Прикладной - пользовательское управление данными.

 

Физический уровень (Physical layer)

Имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как радиоканал, коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются  во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Примером  протокола физического уровня может  служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3,4,5 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.

Канальный уровень (Data Link layer)

На физическом уровне просто пересылаются биты информации. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих абонентских устройств, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи кадров, помещая для выделения каждого кадра специальную последовательность бит в его начало и конец, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. В локальных сетях протоколы канального уровня реализуются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.