Позиционирование в сетях Wi-Fi

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского Факультет физики и компьютерных технологий Кафедра компьютерной инженерии и моделирования Специальность «Компьютерные системы и сети»

беспроводный радиочастотный локализация сеть

Курсовая работа

на тему:

Позиционирование в сетях Wi-Fi

Выполнил: Шелюстенко С.М.

студент 5 курса, группа КСС 521

Симферополь — 2013

• Введение
• Глава 1. Беспроводные стандарты IEEE 802. х
• 1.1 Общие сведения
• 1.2 Модель взаимодействия открытых систем
• Глава 2. Методы локализации абонентских устройств в стандарте IEEE 802.11 (Wlan)
• 2.1 Общие принципы локализации абонентов в стандарте IEEE 802.11
• 2.2 Технология «снятия радиоотпечатков»
• 2.3 Технология локализации на базе радиочастотной идентификации RFID
• 2.4 Примеры использования систем локализации объектов в сетях Wi-Fi
• Заключение
• Список использованной литературы

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), Wi-Fi меток и другие устройства с абонентскими устройствами Wi-Fi), 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

1.1 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).

Рисунок 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, Wi-Fi — 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.

Рисунок 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).

В настоящее время существует множество стандартов семейства IEEE 802.11:

1. 802.11 — первоначальный основополагающий стандарт. Поддерживает передачу данных по радиоканалу со скоростями 1 и 2 (опционально) Мбит/с.

2. 802.11a — высокоскоростной стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 5 ГГц.

3. 802.11b — самый распространенный стандарт. Поддерживает передачу данных со скоростями до 11 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.

4. 802.11c — Стандарт, регламентирующий работу беспроводных мостов. Данная спецификация используется производителями беспроводных устройств при разработке точек доступа.

5. 802.11d — Стандарт определял требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран.

6. 802.11e — Создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедиа. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика — таким, как аудиои видеоприложения. Требование качества запроса, необходимое для всех радио интерфейсов IEEE WLAN.

7. 802.11f — Данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта — Inter Access Point Protocol. Стандарт, описывающий порядок связи между равнозначными точками доступа.

8. 802.11g — устанавливает дополнительную технику модуляции для частоты 2,4 ГГц. Предназначен, для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц.

9. 802.11h — Разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм «квазиинтеллектуального» управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи. Стандарт, описывающий управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии.

10. 802.11i (WPA2) — Целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети — в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard) — алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит. Предусматривается совместимость всех используемых в данное время устройств — в частности, Intel Centrino — с 802.11i-сетями. Затрагивает протоколы 802.1X, TKIP и AES.

11. 802.11j — Спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц.

12. 802.11r — Данный стандарт предусматривает создание универсальной и совместимой системы роуминга для возможности перехода пользователя из зоны действия одной сети в зону действия другой.

13. 802.11n — Стандарт 802.11n повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с, применяя передачу данных сразу по четырём антеннам. По одной антенне — до 150 Мбит/с.

Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4—2,5 или 5,0 ГГц.

14. 802.11ac — разрабатываемый стандарт беспроводных локальных сетей, работающий на частотах 5—6 ГГц. Стандарт позволяет существенно расширить пропускную способность сети, начиная от 300 Мбит/с и до 1 Гбит/с при 8x MU-MIMO-антеннах. Это наиболее существенное нововведение относительно IEEE 802.11n. Кроме того, ожидается снижение энергопотребления, что, в свою очередь, продлит время автономной работы мобильных устройств.

1.2 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 1984 г. 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).

Рисунок 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.

Глава 2. Методы локализации абонентских устройств в стандарте IEEE 802.11 (Wlan)

2.1 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 Wi-Fi 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 Wi-Fi 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».

Рисунок 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.

беспроводный радиочастотный локализация wifi

2.2 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 1 иллюстрирует, каким образом составляется радиокарта.

Таблица 1

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.

Рисунок 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.

Технология «снятие радиоотпечатков» может выполняться с опорой на абонентский терминал. В случае реализации технологии двумя методами с помощью терминала и с опорой на терминал, радиокарта получается из измерений RSS, сделанных в нисходящем канале во время фазы off-line. Для этой цели абонентский терминал наблюдает излучения «радиомаяков» ближайших точек доступа с нескольких направлений и регистрирует соответствующие RSS величины. Процедура в течении фазы on-line следующая: целевой (основной) терминал постоянно регистрирует значения RSS и передает их серверу в сети (рис. 2.3а). Этот сервер содержит радиокарту и сопоставляет значения RSS с координатами местоположения абонентского терминала. В случае метода с опорой на терминал радиокарта содержится в целевом терминале, и сопоставление выполняется локально (Рис. 2.3б).

В случае метода с опорой на сеть радиокарта формируется из величин RSS, измеренных в восходящем канале. Во время фазы off-line целевой терминал периодически передает сигналы «радиомаяков» по нескольким направлениям на каждом эталонном местоположении. Точки доступа в окружающей области получают эти сигналы «радиомаяков» и регистрируют соответствующие значения RSS. Результаты измерений далее объединяются и составляют радиокарту. В течение фазы on-line целевой терминал должен периодически излучать сигналы «радиомаяков» на окружающие точки доступа, которые затем передают результаты измерений серверу для определения местоположения (рис. 2.3в).

Рисунок 2.3а. Метод с помощью терминала Рисунок 2.3б Метод с опорой на терминал Рисунок 2.3 В Метод с опорой на сеть Существенные препятствия в технологии «снятия радиоотпечатков» возникают в фазе off-line при составлении радиокарт. Проведение измерений в плотной (близко расположенные узлы) координатной сетке полностью покрывающей внутренние помещения здания отнимает много времени и представляет собой трудоемкий процесс. Более того, этот процесс необходимо повторять при изменении положений точек доступа, появлении новых или ликвидации старых.

Альтернативой может быть создание радиокарты с помощью математической модели, вычисляющей условия распространения радиоволн с учетом расположения точек доступа, уровней излучаемых ими сигналов, потерь при распространении радиоволн, отражения и рассеяния радиоволн от препятствий: стены, потолки, мебель. Математическая модель позволяет быстро и без больших затрат создавать радиокарту участков сети при её изменении не проводя каких-либо измерений в сети. Рассмотренные методы можно назвать: методом моделирования и эмпирически методом.

Эмпирический метод может быть далее разделен на детерминированный и вероятностный. Для первого несколько отсчетов величин RSS регистрируются для каждой «опорной точки» и направления. Радиокарта создается из средних значений величин этих отсчетов. В течение фазы on-line приведение в соответствие наблюдаемых и регистрируемых образцов RSS величин происходит согласно системе показателей. Общий метод заключается в вычислении Евклидова расстояния:

(1)

где — наблюдаемые RSS образцы,

— регистрируемые RSS образцы для каждой «опорной точки». Расстояние Евклида является мерой схожести (или несхожести) совокупности сигналов или соответствующих сигнальных векторов. Это расстояние между парой сигналов, определяется как:

(2)

где — вещественные сигналы с ограниченной энергией. (3)

Из всех «опорных точек», сохраняемых в радиокарте, местоположение точки с минимальным Евклидовым расстоянием является объективным местоположением абонентского устройства. Этот метод определения местоположения называют также «ближайший сосед в сигнальном пространстве». Он был предложен в 2000 г. Кроме рассмотренного, существуют и другие методы измерений.

Недостаток детерминированных методов состоит в том, что для каждого местоположения рассматривается и сопоставляется вся радиокарта, основанная на усредненных значениях RSS величин. Последнее обстоятельство может вызвать существенные ошибки, т.к. величины RSS зависят от множества факторов. Более развитый метод основывается не на усреднении RSS величин, а на описании изменения уровня сигналов, измеренных в течение фазы off-line для различных направлений распространения. Часто эта технология употребляется в сочетании так называемым объединением в кластеры (группы). Кластер представляет собой группу «опорных точек», которые совместно используют общую группу точек доступа, покрывающую их и строится во время фазы off-line, когда создается радиокарта. В фазе on-line сначала кластер выделяется из радиокарты в зависимости от обследовавшихся или обследуемых точек доступа. После этого вероятность распределений различных точек доступа накладывается на обследовавшийся RSS образ, чтобы определить наиболее вероятное местоположение. Эта технология позволяет уменьшить вычислительные затраты на создание радиокарты и улучшить точность оценки местоположения по сравнению с детерминированными методами.

В последние годы был разработан ряд WLAN систем с использованием технологии «радиоотпечатков» для определения местоположения абонентских устройств. Некоторые из них указаны в таблице 2, там же приведены их наиболее важные характеристики. В столбце 3 таблицы 2 приведены значения точности определения местоположения и вероятности достижения такой точности.

Таблица 2

Пионером в области технологии «снятия радиоотпечатков» является система RADAR. Одной из немногих систем, получивших широкое коммерческое распространение, является система фирмы Ekahau.

Из таблицы 2 следует, что системы, использующие технологию «снятия радиоотпечатков», обеспечивают точность порядка нескольких метров. Основным достоинством технологии «снятия радиоотпечатков» является то, что она использует существующие протоколы сетей WLAN, уже инсталлированных во многих зданиях общественного назначения (офисные помещения, супермаркеты, вокзалы, учреждения и т. д.), при этом не требуется модификация аппаратных средств, а необходимо создание специального программного обеспечения для создания радиокарт и измерение величин RSS в фазе on-line.

2.3 Технология локализации на базе радиочастотной идентификации RFID

Эта перспективная технология в настоящее время в основном используется для таких технологических приложений как управление ресурсами, управление доступом, упорядочение инструмента, автоматизация фабрик, идентификация текстиля и т. п. Она основана на обмене радиосигналами между RFID считывающим устройством и RFID метками или ретрансляторами.

Считывающее устройство состоит из антенны, приемопередатчика, процессора, источника питания и интерфейса для соединения его с сервером, например — последовательный порт или через Ethernet. RFID метка имеет антенну, приемопередатчик, небольшой компьютер и память. Существует различие между активными и пассивными метками. Первая использует в качестве источника питания автономный источник (например, аккумулятор), в то время как вторая выделяет требуемую энергию из радиосигнала, излучаемого считывающим устройством. Это имеет фундаментальное воздействие на дальность действия: активные метки имеют дальность действия несколько десятков метров, в то время как пассивные имеют дальность действия от десятков сантиметров до нескольких метров. Более того, активные метки имеют большую память и более интеллектуальны. Они часто содержат дополнительные датчики, например датчики влажности и способны хранить историю датчика — дату и вычислить статистику из нее, т. е. регистрировать ее положение во времени. Пассивные метки, с другой стороны, имеют объем памяти только несколько килобайт и их функции ограничиваются идентификацией или воспроизведением другой информации, запасенной в памяти.

RFID системы, имеющиеся в наличии на рынке, работают в различных частотных диапазонах. Они могут быть распределены по категориям: высокочастотные — 850−950 МГц и 2,4−5 ГГц; среднечастотные — 10−15 МГц; низкочастотные — 100−500 кГц. Частотный диапазон влияет на дальность связи, скорость передачи данных и стоимость. Обычно системы, работающие на высоких частотах, имеют большие дальности связи и большие скорости передачи, но в тоже время имеют большие цены.

RFID технология в схеме классификации определения местоположения может быть отнесена к категории «близость опознавания». Однако нет широковещательных маяков в чистом виде для методов «близости». Скорее RFID считывающее устройство понуждает метки в диапазоне их действия отвечать информацией из памяти. Для целей определения местоположения это может быть просто идентификатор, который позволяет определить местоположение метки, либо объекта, на котором она расположена.

Это вызывает вопрос, который из двух методов, используемых в RFID системах, с опорой на сеть или абонентский терминал более подходит. Оба метода могут использоваться на практике. В методе с опорой на сеть считывающие устройства устанавливаются на стены, в коридорах, у входов и выходов зданий, и соединяются с сервером определения местоположения для сбора данных о позиционировании.

Метки могут закрепляться на людях и, соответственно, идентификатор регистрируется, когда человек перемещается рядом со считывающим устройством.

В методе с опорой на абонентский терминал считывающее устройство интегрируется в мобильное устройство, например, электронный секретарь или мобильный телефон, и фиксирует данные о местоположении, когда мобильное устройство перемещается рядом с метками. Каждый метод может быть выбран при проектировании и зависит от множества обстоятельств, подобных требованиям соответствующих приложений, конфиденциальности запросов и отношения меду числом перемещающихся персон и размером области действия системы. Наконец, очевидно, что RFID считывающие устройства существенно дороже, чем метки и, следовательно, их число ограничено.

2.4 Примеры использования систем локализации объектов в сетях Wi-Fi

На сегодня на рынке предлагается три класса систем позиционирования на базе сетей Wi-Fi:

· Для предприятий на базе корпоративной сети Wi-Fi. Может использоваться на заводах, фабриках, медицинских учреждениях и офисных центрах для выяснения местоположения сотрудника или какого-либо оборудования.

· Для муниципальных служб и полиции на базе сети Wi-Fi городского масштаба. Может использоваться для отслеживания перемещения персонала и оборудования муниципальных служб, полиции и т. п.

· Для интеллектуальных транспортных систем и др.

Рынок услуг позиционирования Wi-Fi на начало 2009 г. находится в состоянии начального развития, первые полноценные коммерческие системы были выведены на рынок в 2010 г. Однако, по прогнозам, в ближайшие 1−3 года следует ожидать взрывного характера внедрения систем позиционирования Wi-Fi. Это объясняется как готовностью рынка (развернуто достаточно большое количество сетей Wi-Fi и операторы хотят увеличить средний доход от одного абонента ARPU (Average Revenue per User) и соответственно общий доход), так и тем фактором, что системы позиционирования Wi-Fi стали представлять собой достаточно надежно функционирующие аппаратно-программные комплексы.

По прогнозам консалтинговой компании Torchia к 2012 году рынок систем локализации реального времени (RTLS — Real Time Location System) для территории предприятий превысит 1,6 млрд. долларов США, причем большинство продуктов RTLS будут функционировать на базе сетей Wi-Fi.

Подход локализации на базе измерения RSS зарекомендовал себя хорошо при функционировании системы RTLS внутри помещений с наличием стен и перегородок (например, офисные здания), в то время как локализация на основе измерения разницы времени распространения волны TDOA — Time Difference of Arrival — показывает лучшие результаты на открытых пространствах (например, открытые ангары).

Таким образом, корректный выбор режима функционирования RTLS, а зачастую просто продукта RTLS (различные продукты RTLS используют различные подходы локализации), учитывая сценарий и условия функционирования, позволяет добиться решения поставленной задачи оптимальным методом с минимальными затратами.

Стоимость развертывания системы RTLS напрямую зависит от стоимости инфраструктуры, а также ее инсталляции. Очевидно, что использование готовой инфраструктуры, как в случае Wi-Fi, существенно снижает стоимость системы RTLS и ее развертывания, кроме того, доступность стандартных услуг по передаче данных позволяет использовать сеть Wi-Fi более эффективно. В связи с тем, что клиентская часть системы RTLS представляет собой программное обеспечение, широкий спектр пользовательских мобильных терминалов, оснащенных адаптером RTLS, дополненный специальными метками с ограниченным набором функций, позволяет гибко реализовывать необходимые пользователю услуги, например, в единой системе RTLS осуществлять локализацию ноутбуков для одной группы пользователей, Wi-Fi-телефонов для другой и специальных меток для третьей. Также к плюсам RTLS построенных на базе Wi-Fi можно отнести быстрый возврат инвестиций и низкую стоимость обслуживания — нет необходимости повышать квалификацию обслуживающего персонала, знакомого с сетями Wi-Fi, которые, как правило, уже развернуты ранее.

Лидер рынка продуктов RTLS функционирующих на базе сетей Wi-Fi финская компания Ekahau, для локализации использует подход RSS и обеспечивает надежное функционирование при уровне сигнала не менее -75 дБ получаемого, как минимум, от трех точек доступа. В 2008 году сервисное программное обеспечение локализации «Ekahau Positioning Engine» в режиме реального времени могло отслеживать до 40 тыс. объектов и вычислять позицию до 600 объектов в секунду. Стратегическим рынком для решений RTLS компании Ekahau является медицинский. Кроме того, ее решения RTLS применяются в приложениях слежения за перемещением автотранспорта. Продукт RTLS от Ekahau совместим с оборудованием практически всех производителей.

Компания Ekahau имеет следующие возможности:

· Совместимость со всеми стандартами IEEE 802.11 a/b/g/pre-n/n сетевых технологий, включая автономные с упрощенными точками доступа.

· Поскольку метки Ekahau Wi-Fi самостоятельно собирают RSS данные в сети, это позволяет получить более точную информацию для вычисления местоположения с учетом воздействия окружающей среды на сеть Wi-Fi;

· Wi-Fi метки Ekahau предоставляют возможность двухсторонней связи с сервером посредством Wi-Fi сети, что позволяет приложениям пользователя посылать данные и сообщения, такие, как сигнал зуммера, мигание лампочки и текстовые сообщения на жидкокристаллический дисплей;

· Двухсторонняя связь обеспечивает отличную управляемость всеми метками Ekahau на всей территории объекта в индивидуальной или комплексных сетях без необходимости устанавливать дополнительные аппаратные средства;

Метки Ekahau Wi-Fi могут быть заменены объектами с программным обеспечением (клиентским ПО), которое может быть встроено, например, в VoIP телефон, ноутбук или другие устройства, поддерживающие Wi-Fi, с обеспечением точно такой же точности и эксплуатационных возможностей, как метки Wi-Fi;

· Программный клиент Ekahau полностью конфигурируем и управляем с помощью Ekahau ЕРЕ сервера;

Ekahau Wi-Fi метки связываются, используя стандарт протокола связи 802.11 a/b/g/pre-n/n, который делает метки Ekahau применимыми для смешанных Wi-Fi сетей разных производителей (например, при использовании точек доступа Cisco и Nortel в одном здании);

· Для обеспечения максимальной безопасности Wi-Fi сети, Ekahau метки могут быть использованы в выделенных локальных сетях (WLAN) с WEP 128 шифрованием (например, как на телефонах VoIP, Wi-Fi телеметрических устройствах и т. д.), или могут быть сконфигурированы для работы с WPA2-PSK аутентификацией (рекомендованной Wi-Fi Союзом к применению);

· Простая и быстрая система калибровки карт площадей работы системы упрощает и так легкий анализ рабочих характеристик, и управление моделью позиционирования;

· Наилучшие в своем классе характеристики по точности, простоте эксплуатации, стоимости.

· Запатентованные алгоритмы коррекции при выходе из строя точки доступа и изменении окружающей среды.

· Консоль, основанная на Web сопровождении и управлении, для дистанционной компоновки расположения метки и систем мониторинга.

· Одна система определения местоположения компании Ekahau, использующая стандартный сервер, обеспечивающая кампусную или учрежденческую сеть, позволяет определить местоположение 10 000 объектов и до 500 местоположений в секунду.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были рассмотрены основные технологии позиционирования абонентских станций в сетях Wi-Fi, что привело сделать следующие выводы:

Для определения местоположения абонентской станции применяются алгоритмы, использующие уже известные параметры сигнала.

Технология RSS показала себя более эффективной для использования в помещениях (офисных зданиях, домах, больницах, школах и т. п.). Точность этого метода — 1,5−2 метра в помещении (UDP точки) и 3−8 метров на открытом пространстве (DDP точки).

Технология TOA более эффективна на открытых пространствах (открытых ангарах, кампусах ВУЗов, на школьных дворах, портах и т. п.). Точность технологии TOA — до 1 метра на открытой территории (DDP точки) и до 6 метров в помещении (UDP точки).

1. Рошан П., Лиэри Д. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта IEEE 802.11. — М.-СПб-Киев, 2004.

2. Скляр Б. Цифровая связь. — «Вильямс» М.-СПб-Киев, 2003.

3. Hatami A., Pahlavan K., «Performance Comparison of RSS and TOA Indoor Geolocation Based on UWB Measurement of Channel Characteristics,» submitted to PIMRC'2006, Helsinki, Finland, 2006.

4. Петрова А. М. GPS Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить. — М. -Бук-Пресс-Киев, 2005 г.