Позиционирование в сетях Wi-Fi

Размещено на http://www.allbest.ru/

52

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Проверил:

Фокин Г.А.

Санкт-Петербург, 2010 год

Содержание

Реферат

Введение

Глава 1. Беспроводные стандарты IEEE 802.х

1.1 Общие сведения

1.2 Модель взаимодействия открытых систем

1.3 Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) и его развитие

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

2.4.1 Система локализации компании Ekahau Engine 4.1

2.4.2 Примеры практического применения технологии подбора образа фирмы Ekahau

2.4.3 Примеры использования методов локализации других компаний

Заключение

Список использованной литературы

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

1.1 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).

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 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.

Сетевой уровень (Network layer)

Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно разные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений, и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того, чтобы передать сообщения сетевого уровня, или, как их принято называть, пакеты (packets) от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Транспортный уровень (Transport layer)

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства борьбы с ошибками, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов услуг, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды услуг отличаются качеством; срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное способностью к обнаружению. Все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем.

Сеансовый уровень (Session layer)

Обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке вместо того, чтобы начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительский уровень (Presentation layer)

Имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда будет понятна прикладному уровню в другой системе. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия кодов символов. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрирование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень (Application layer)

Набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

1.3 Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) и его развитие

Беспроводные сети стандарта IЕЕЕ 802.11 работают в двух диапазонах: 2,4...2,483 ГГц и в нескольких полосах частот на 5 ГГц, которые являются нелицензируемыми. При этом возможно несколько вариантов топологий:

· независимые базовые зоны обслуживания (independent basic service sets, IBSS);

· базовые зоны обслуживания (basic service sets, BSS);

· расширенные зоны обслуживания (extended service sets, ESS)

Независимая базовая зона обслуживания представляет собой группу работающих в соответствии со стандартом 802.11 станций, связывающихся непосредственно одна с другой. IBSS также называют эпизодической или неплановой (ad-hoc) сетью. На рис. 1.4. показано, как три станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсными картами (network interface card, NIC) стандарта 802.11, могут формировать IBSS и напрямую связываться одна с другой.



Рис. 1.4. Эпизодическая (ad-hoc) сеть

Технология базовых зон обслуживания предполагает наличие особой станции: точки доступа AP (access point). Точка доступа - это центральный пункт связи для всех станций BSS. Станции клиентов не связываются непосредственно друг с другом. Вместо этого они передают сообщения точке доступа, а уже она направляет информационные пакеты станции-адресату. Точка доступа может иметь порт восходящего канала (uplink port), через который BSS подключают к проводной сети (например, восходящий канал Ethernet для доступа к Интернету). Поэтому BSS называют сетью с инфраструктурой. На рис. 1.5. представлена типичная инфраструктура BSS.

Рис. 1.5. Беспроводная локальная сеть (WLAN) с инфраструктурой.

Инфраструктуры BSS могут быть соединены через их интерфейсы восходящего канала, т.е. в зоне действия стандарта 802.11, интерфейс восходящего канала соединяет BSS с распределительной системой (distribution system, DS). Несколько BSS, соединенных между собой через распределительную систему, образуют расширенную зону обслуживания (ESS). Восходящий канал к распределительной системе не обязательно должен использовать проводное соединение. На Рис. 1.6. представлен пример практического воплощения ESS. Спецификации стандарта 802.11 позволяют построить этот канал как беспроводный. Но чаще восходящие каналы к распределительной системе представляют собой каналы проводной Ethernet.

Рис. 1.6. Расширенная зона обслуживания ESS беспроводной локальной сети.

Беспроводные локальные сети передачи информации (WLAN) развиваются в последнее время весьма быстро. Простота развертывания таких сетей ограничена только необходимостью оформления разрешительной документации (в тех странах, где это требуется). В некоторых случаях по пропускной способности они не уступают выделенным медным линиям. Помехоустойчивость, надежность и защищенность современных протоколов передачи сделали WLAN явлением повсеместным, а оборудование для них - массовым продуктом.

Первые устройства для беспроводных локальных сетей появились в начале-середине 90-х годов. Но уже в 1999-м объем продаж устройств для беспроводных сетей достиг 600-770 млн. долл., а к 2004 году он составил порядка 2,2-3 млрд. долл. Причем стремительно развиваются сами технологии передачи и оборудование для них. С не меньшей стремительностью падает и стоимость оборудования.

Общее количество точек доступа к WiFi на конец 2003 года составляло 125000. Аналитическое агентство Pyramid Research к концу 2009 года предсказывает рост точек доступа в мире на уровне до 308 тыс. В таблице 1 приведены статистика и прогноз развития сетей WLAN по регионам.

Таблица 1. Распределение точек доступа по регионам: статистика и прогноз.

Регион Год	Количество точек доступа, тыс.
	2004	2005	2009
Азия и Австралия	29,4	36,2	71,0
Северная Америка	22,7	35,0	95,5
Западная Европа	26,0	45,0	114,0
Остальные	5,9	8,8	27,7
ВСЕГО	84	125	308

Этот довольно-таки традиционный прогноз не учитывает того факта, что, во-первых, стандарт IEEE 802.11 не обеспечивает качество обслуживания, как при передаче голоса, так и видео, а, во-вторых, проект стандарта IEEE 802.11n, который утвержден в 2008 году, увеличивает реальную скорость на уровне приложений до 100 Мб/с за счет использования многоантенного принципа MIMO «много входов - много выходов» (Multiple Input - Multiple Output) и сокращения служебной нагрузки на подуровне МАС с 50% в IEEE 802.11 до 25% в IEEE 802.11n за счет введения блочных сообщений подтверждения.

Работы в этой области начались в 1989 году, когда была организована рабочая группа 11-го комитета IEEE 802. В июле 1997 года, в результате работы этой группы, был опубликован стандарт IЕЕЕ 802.11 «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specification). Он определяет архитектуру сети и вытекающие из этого требования к функциям устройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов передачи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастотных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно-позиционная модуляция, в диапазоне 2,400-2,4835 ГГц - режим модуляции с расширением спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) и методом прямой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum).

Так как первая версия стандарта 802.11 поддерживала скорости обмена информации на уровне 1 и 2 Мбит/с, что не могло конкурировать с проводными сетями, 16 сентября 1999 года был утвержден стандарт IEEE 802.11b. Он описывал физический и МАС-уровни беспроводных сетей для работы в диапазоне 2,4 ГГц. Стандарт определял работу на скоростях 1 и 2 Мбит/с с модуляцией только методом DSSS, а также предусматривал скорости обмена до 11 Мбит/с (а опционально - и до 33 Мбит/с). Передача данных на скоростях 5.5 и 11 Мбит с происходит посредством дополняющей (комплементарной) кодовой манипуляции CCK - Complementary Code Keying - (основной вид модуляции). Кроме того, предусматривалась и работа на скоростях 22 и 33 Мбит/с посредством пакетного двоичного (бинарного) сверточного кодирования (PBCC - Packet Binary Convolutional Coding).

Стандарт IEEE 802.11a, описывающий работу в диапазоне 5 ГГц, был принят одновременно с IEEE 802.11b. В нем использован принципиально иной, чем в IEEE 802.11b, механизм модуляции/мультиплексирования, а именно многоканальное частное разделение посредством ортогональных несущих (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

В IEEE 802.11.a каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64 МГц). Ширина одного канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством двоичной и квадратурной фазовых манипуляций BPSK, QPSK (Binary Quadrature Phase Shift Keying), 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM - Quadrature Amplitude Modulation). В совокупности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64-QAM 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с.

Кроме того, вместо трех неперекрывающихся каналов в диапазоне 2,4 ГГц для сетей IEEE 802.11b только в нижнем поддиапазоне 5,15-5,35 ГГц имеются восемь неперекрывающихся каналов.

Однако к моменту, когда данные решения стали технологически возможны и рентабельны, в Европе был разработан свой стандарт 5 ГГц - HyperLan2. Работы по ускорению использования стандарта IEEE 802.11b в диапазоне 2,4 ГГц привели к появлению новой, совместимой с IEEE 802.11b, версии стандарта - IEEE 802.11g, предусматривающей скорости до 54 Мбит/с.

Работы над спецификацией IEEE 802.11g начались в марте 2000 года, когда была сформирована исследовательская группа по изучению возможности увеличения скорости передачи данных свыше 20 Мбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. В ноябре 2000 года эта группа приобрела статус штатной группы разработчиков и получила обозначение G. Через полтора года, рассмотрев несколько альтернативных подходов, специалисты исследовательской группы G предложили использовать применяющуюся в стандарте IEEE 802.11a систему кодирования с мультиплексированием посредством ортогональных несущих OFDM. В качестве дополнительных (необязательных) возможностей новый стандарт IEEE 802.11g предусматривал использование таких схем модуляции, как последовательность дополнительных кодов ССК (Complementary Code Keying) - OFDM и двоичное пакетное сверточное кодирование PBCC (Packet Binary Convolutional Coding).

Новая спецификация представляет собой перенесение схемы модуляции OFDM, прекрасно зарекомендовавшей себя в IEEE 802.11а, из диапазона 5 ГГц в область 2,4 ГГЦ при сохранении возможностей устройств стандарта IEEE 802.11b. Это возможно, поскольку в стандартах IEEE 802.11 ширина одного канала в диапазоне 2,4 и 5 ГГц схожа - 22 МГц по уровню -30 и -20 дБ соответственно. В настоящее время совместимым оборудованием является оборудование тех производителей, которое построено на использовании стандартов IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g.

На сегодняшний день специалистами IEEE ведется совершенствование стандарта IEEE 802.11n. Данный стандарт должен обеспечить скорость передачи данных, минимальным значением которой будет 100 Мбит/с (максимум 480 Мбит/с), что фактически равняется наиболее распространенной скоростью в проводных сетях стандарта Ethernet 802.3. IEEE 802.11n использует метод ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) и квадратурную амплитудную модуляцию (QAM). Это обеспечивает не только высокую скорость передачи данных, но и полную совместимость со стандартами IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g.

Для увеличения скорости передачи данных планируется использовать несколько новых технологий, одной из которых является технология с множественным вводом/выводом. Ее смысл заключается в параллельной передаче данных по разным каналам с применением нескольких передающих антенн. Кроме того, подразумевается расширение частотного канала до 40 МГц.

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.

Стандарт	Используемая частота	Максимальная теоретическая скорость
IEEE 802.11a	5 ГГц	54 Мбит/с
IEEE 802.11b	2,4 ГГц	11 Мбит/с
IEEE 802.11g	2,4 ГГц	54 Мбит/с
IEEE 802.11n	2,4 ГГц и 5 ГГц	480 Мбит/с

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)

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 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.

2.2 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.

Позиция	Направления	Первая точка доступа	Вторая точка доступа	N-я точка доступа
Р1	0о 90о 180о 270о	RSS1d1 RSS2d2 RSS3d3 RSS4d4	RSS5d1 RSS6d2 RSS7d3 RSS8d4	RSSN-3d1 RSSN-2d2 RSSN-1d3 RSSNd4
Р2	0о 90о 180о 270о	RSSN+1d1 RSSN+2d2 RSSN+3d3 RSSN+4d4	RSSN+5d1 RSSN+6d2 RSSN+7d3 RSSN+8d4	RSSN+M-3d1 RSSN+M-2d2 RSSN+M-1d3 RSSN+Md4
Рn	0о 90о 180о 270о	RSSN+…+1d1 RSSN+…+2d2 RSSN+…+3d3 RSSN+…+4d4	RSSN+…+5d1 RSSN+…+6d2 RSSN+…+7d3 RSSN+…+8d4	RSSN+M+…-3d1 RSSN+M+…-2d2 RSSN+M+…-1d3 RSSN+M+…d4

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.

Технология «снятие радиоотпечатков» может выполняться с опорой на абонентский терминал, с его помощью и опорой на сеть (Рис. 2.3). 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).

Рис. 2.3а. Метод с помощью терминала.



Рис. 2.3б. Метод с опорой на терминал.

Рис. 2.3в. 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 4, там же приведены их наиболее важные характеристики. В столбце 3 таблицы 4 приведены значения точности определения местоположения и вероятности достижения такой точности.

Таблица 4.

Система	Измеряемые величины	Точность	Метод измерения и вычисления	Метод создания радиокарты	Приведение в соответствие наблюдаемых и регулируемых образцов RSS
			С помощью терминала	С опорой на терминал	С опорой на сеть	Эмпириический	Математическая модель	Детерменированный	Вероятностный
RADAR	RSS	2,1 м 50%			+	+		+
Ekahau	RSS	3,1-4,6м 90%	+			+			+
Hours	RSS	2,1 м 50%		+		+			+
Nibble	RSS	10м 80%	+			+			+
Where Mops	RSS	1,5м 50%		+			+		+
		6м 95%

Пионером в области технологии «снятия радиоотпечатков» является система RADAR. Одной из немногих систем, получивших широкое коммерческое распространение, является система фирмы Ekahau. Она использует вероятностный подход и впервые описана в работе.

Из таблицы 4 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.