Позиционирование в сетях Wi-Fi

Для наглядности сведем в таблицу 2 скоростные характеристики стандартов IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g и IEEE 802.11n.

Таблица 2. Скоростные характеристики стандартов IEEE 802.11a/b/g/n.

Наряду  со стандартами с различными физическими  уровнями (кодирование, скремблирование, чередование, модуляция) были выпущены следующие стандарты IEEE 802.11d, IEEE 802e, IEEE 802.11f. IEEE 802.11h, IEEE 802.11j, IEEE 802.11r.

Стандарт  IEEE 802.11d регламентирует параметры физических каналов и сетевого оборудования. Он описывает правила, касающиеся разрешенной мощности излучения передатчиков в диапазонах частот, допустимых законами.

Стандарт  IEEE 802.11e специально разработан с целью улучшить уровень МАС стандарта IEEE 802.11 с тем, чтобы обеспечить высокое качество обслуживания (QoS) для поддержки чувствительных к задержкам приложений, таких как передача голоса и видео. Новые области применения для технологий стандарта IEEE 802.11 требуют эффективного механизма QoS, обеспечивающего приоритет передачи данных чувствительных к задержкам (таких как аудио- и видеоданные), по отношению, например, к электронной почте и просмотру Web-страниц.

Стандарт  IEEE 802.11f разработан с целью обеспечения аутентификации сетевого оборудования (рабочей станции) при перемещении компьютера пользователя от одной точки доступа к другой, то есть между сегментами сети. При этом вступает в действие протокол обмена служебной информацией IAPP (Inter Access Point Protocol), который необходим для передачи данных между точками доступа. При этом достигается эффективная организация работы распределенных беспроводных сетей.

Стандарт  IEEE 802.11h разработан с целью эффективного управления мощностью излучения передатчика, выбором несущей частоты передачи и генерации нужных отсчетов. Он вносит некоторые новые алгоритмы в протокол доступа к среде МАС (Media Access Control – управление доступом к среде), а также в физический уровень стандарта IEEE 802.11а. В первую очередь это связано с тем, что в некоторых странах диапазон 5 ГГц используется для трансляции спутникового телевидения, для радарного слежения за объектами и т. п., что может вносить помехи в работу передатчиков беспроводной сети. Смысл работы алгоритмов стандарта IEEE 802.11h заключается в том, что при обнаружении отраженных сигналов (интерференции) компьютеры беспроводной сети (или передатчики) могут динамически переходить в другой диапазон, а также понижать или повышать мощность передатчиков. Это позволяет эффективнее организовать работу уличных и офисных радиосетей.

Стандарт IEEE 802.11i разработан специально для повышения безопасности работы беспроводной сети. С этой целью созданы разные алгоритмы шифрования и аутентификации, функции защиты при обмене информацией, возможность генерирования ключей и т. д.:

• AES (Advanced Encryption Standard), передовой алгоритм шифрования данных) – алгоритм шифрования, который позволяет работать с ключами длиной 128, 192 и 256 бит;
• RADIUS (Remote Authentication Dial – In User Service), служба дистанционной аутентификации пользователя) – система аутентификации с возможностью генерирования ключей для каждой сессии и управления ими, включающая в себя алгоритмы проверки подлинности пакетов и т. д.;
• TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), протокол целостности временных ключей) – алгоритм шифрования данных;
• WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol, устойчивый беспроводной протокол аутентификации) – алгоритм шифрования данных;
• CCMP (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) – алгоритм шифрования данных.

Стандарт IEEE 802.11j разработан специально для использования в беспроводных сетях Японии и США, а именно – для работы в дополнительном диапазоне радиочастот 4,9 ГГц в Японии и США, 5,03- 5,091 ГГц в Японии в соответствии с правилами стандарта IEEE 802.11а.

Стандарт IEEE 802.11k разработан для управления радиоресурсом.

Стандарт IEEE 802.11m – техническая коррекция и помехозащищенность (методы повышения достоверности передачи информации).

Стандарт IEEE 802.11n – усовершенствование, обеспечивающее высокую пропускную способность сети.

В разрабатываемом на сегодняшний  день стандарте IEEE 802.11r будут описаны процедуры роуминга.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ АБОНЕНТСКИХ УСТРОЙСТВ В СТАНДАРТЕ IEEE 802.11 (WLAN)

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ АБОНЕНТОВ В СТАНДАРТЕ IEEE 802.11

Наиболее перспективными технологиями определения местоположения мобильных абонентов в сетях WLAN могут быть признаны: индивидуальная идентификация («радиоотпечатки»), позиционирование, основанное на радиочастотной идентификации (RFID – Radio Frequency Identification) и внутреннее позиционирование с использованием навигационной системы GPS. Большинство действующих систем позиционирования в сетях WiFi основываются на измерениях уровня принимаемого сигнала (RSS – Received Signal Strength), отношения сигнал-шум (SNR – Signal-to-Noise) или «близости опознавания». Величины RSS и SNR представляют собой измеряемые экспериментально сигналы, получаемые от так называемых «радиомаяков». Сигналы «радиомаяков» (RSS и SNR) измеряются приемниками и делают их номинальными приложениями уровней пользователя, которые являются стандартной чертой большинства единиц оборудования стандарта IEEE 802.11.

Для измерений в восходящем канале (от абонентского устройства к точке доступа) мобильные (абонентские) устройства должны генерировать сигналы «радиомаяков», которые принимаются всеми точками доступа, находящимися в данной области. Это является базой для реализации методов позиционирования, опирающихся на сеть. Для измерений в нисходящем канале (от точки доступа к абонентскому устройству) используются стандартные черты сетей WiFi известные как «пассивное сканирование». Суть этой процедуры в том, что мобильные (абонентские) терминалы постоянно осуществляют «пассивное сканирование», чтобы определить ближайшие точки доступа и выбрать лучшую для передачи сообщений. Для этой цели каждая точка доступа излучает сигнал «радиомаяка», который содержит несколько параметров таких, как метка времени, информация о поддерживаемой скорости передачи данных, идентификатор точки доступа, называемый Basic Service Set Identifier – BSSI. Интервал между двумя излучениями радиомаяка может динамически изменяться, и обычно находится в диапазоне нескольких десятков или сотен миллисекунд. Мобильный терминал постоянно прослушивает возможные каналы для приема излучения «радиомаяков» от ближайших точек доступа, регистрации их параметров и измерения величин RSS и SNR. Затем он выбирает точку доступа с лучшим качеством сигналов для передачи информации. Следует упомянуть, что описанный процесс очень похож на процесс, который происходит в стандарте GSM, когда мобильный терминал выбирает подходящую базовую станцию. Если мобильный терминал не получает сигнала «радиомаяка» в течение времени пассивного сканирования, например из-за большой длительности динамической настройки интервала между двумя излучениями «радиомаяков», то он посылает испытательный запрос, после чего все точки доступа, находящиеся в данной области, отвечают излучением «радиомаяков». Эта процедура называется активным сканированием. Таким образом, активное и пассивное сканирование могут служить для реализации услуги позиционирования с опорой на абонентские терминалы или с их помощью.

Наблюдение излучения «радиомаяков»  в нисходящем или восходящем каналах связи обеспечивает три основных метода позиционирования.

• «Близость опознавания». За местоположение мобильного (абонентского) устройства принимается местоположение точки доступа, которая обеспечивает лучшее качество сигнала в результате сканирования. Метод похож на метод «cell ID» в стандарте GSM.
• «Предшествующее положение». Местоположение мобильного терминала является производной от «предшествующего положения». Расстояния между точками доступа и мобильным терминалом определяется путем экспериментального измерения потерь излучения «радиомаяков» в течение передачи.
• «Индивидуальная идентификация» («снятие радиоотпечатков»). Метод базируется на измерении уровня сигнала от всех доступных по уровню сигнала точек доступа в некотором количестве точек, называемых «опорными точками». Это можно назвать «обучением» системы, в результате которого появляются таблицы (банки данных), содержащие информацию об уровне сигнала RSS в указанных точках. Местоположение мобильного терминала вычисляется на основе обработки статистических по значениям величин уровней сигналов в «опорных точках», полученной на этапе «обучения». Общая схема, поясняющая этот принцип позиционирования, представлена на Рис. 2.1.

Рис. 2.1. Позиционирование с использованием технологии «снятие радиоотпечатков».

Рассмотрение трех основных технологий показывает, что технология «близость опознавания» в сетях WLAN имеет невысокую точность, но простоту реализации. Эта технология обеспечивает создание базы данных, представляющей собой карту размещения BSSIs в соответствии с нумерацией помещений. В усовершенствованном методе точки доступа могут обеспечивать распространение радиоволн за пределы комнат, где они находятся. В этом случае необходимость в указанной выше базе данных отсутствует.

Точность определения местоположения лежит в диапазоне нескольких десятков или сотен метров. Она зависит от уровня излучаемых сигналов и плотности расположения точек доступа в здании. В худшем случае технология «близость распознавания» позволяет обнаружить абонентский терминал с точностью до пределов здания или определенной части здания. Трудности в определении различий между этажами зданий приводит к тому, что технология «близость опознавания» не пригодна для многих применений. В лучшем случае технология «близость опознавания» позволяет определить местоположение абонентского терминала с точностью до помещения.

Что касается технологии «предшествующего положения», то эта технология требует точной юстировки координат точек доступа внутри здания. Эти координаты могут быть представлены либо в виде системы местных декартовых координат, наложенных на основании здания или геоцентрической фиксированной системы координат, такой как ECEF (Earth-Centred, Earth-Fixed Coordinates). Первое предпочтительнее, т.к. вычисленные координаты фиксируются и могут далее легко присваиваться нумерации помещений на конструктивном плане зданий.

Следует отметить, что окружающая среда в  технологии «предшествующего положения» в условиях многолучевого распространения, свойственного внутренней территории зданий особенно опасна. Если отсутствует «прямой луч», то, распространяясь от передатчика к приемнику сигналы «радиомаяков» могут отражаться и поглощаться стенами, потолком и т.п. неоднократно. При этом степень изменения уровня сигнала трудно прогнозируется, что делает почти невозможным определение потерь мощности сигнала и его путь. Последнее приводит к существенным ошибкам в определении местоположения абонентского устройства.

Как следует из выше сказанного, точность двух рассматриваемых выше методов определения местоположения не высока. Третий метод («снятия радиоотпечатков») имеет существенно более высокую точность. Рассмотрим его более подробно.

2. ТЕХНОЛОГИЯ «СНЯТИЯ РАДИООТПЕЧАТКОВ»

В технологии «снятия радиоотпечатков» можно выделить две фазы. В автономной фазе (off-line) система записывает величины RSS для точно определенных «опорных точек» и помещает их на радиокарту. В первом приближении радиокарта состоит из величин: RSS₁…RSS_n для «опорной точки» р₁; RSS₁…RSS_n для «опорной точки» р₂; и т.д. Однако следует учитывать, что величины RSS в сильной степени зависят от условий распространения радиоволн в направлении прямой видимости на «опорную точку». Следовательно, значения величин RSS должны быть записаны с нескольких направлений (d – север, юг, запад, восток).

В результате карта состоит из величин: RSS₁…RSS_n для «опорной точки» р₁ с направления d₁; RSS₁…RSS_n для «опорной точки» р₁ с направления d₂; RSS₁…RSS_n для «опорной точки» р₁ с направления d₄; RSS₁…RSS_n для «опорной точки» р₂ с направления d₁ и т.д. Таблица 3 иллюстрирует, каким образом составляется радиокарта.

Таблица 3.

Координаты «опорных точек» могут  быть равнорасположенными в узлах  регулярной сетки, либо выбраны в  нерегулярных точках, зависящих от структуры здания. Примером может  служить план здания, приведенный на Рис. 2.2 и расположения на нем точек доступа и «опорных точек». Координаты «опорных точек» представляются, как указывалось выше, в декартовых координатах наглядно – номерами помещения или какими-либо другими координатными системами. Фаза off-line также относится к тренировке или калибровке.

Рис. 2.2. План здания.

В неавтономной фазе (on-line) система регистрирует значения RSS и сравнивает со значениями RSS, хранящимися в радиокарте. Определение местоположения абонентского терминала производится на основании методов и алгоритмов, сравнивающих выше указанные значения RSS.