Mobil sensorik: Indendørs WiFi-lokalisering

Introduktion

I de senere år er spørgsmålet om placering blevet mere og mere vigtigt. Tjenester som Google Maps har gjort det nemt at navigere og lokalisere specifikke punkter overalt i verden ved hjælp af satellitter. Da disse systemer allerede fungerer præcist udendørs, er næste skridt at anvende lignende teknologi indenfor bygninger, såsom museer eller kommercielle centre. Analoge systemer kan guide folk til interessante steder, såsom et kunstværk på et museum, eller tilbyde indhold baseret på placering, såsom reklamer, når man passerer en butik i et indkøbscenter. Men i lukkede miljøer er satellitpræcisionen lav, hvilket gør det nødvendigt at ty til andre teknologier for effektiv positionering.

Indoor Location Technology

Indendørs lokationsbaserede tjenester har skabt stor interesse på grund af deres sociale og monetære betydning, med en forventet markedsværdi på 10 milliarder dollars inden 2020. På grund af GPS' ineffektivitet i indendørs miljøer er alternative teknologier som WiFi eller Bluetooth nødvendige. Beacons sender altid et signal, der kan opfanges af andre BLE-kompatible enheder. De er gode til positioneringssystemer, fordi de er billige, bruger mindre energi og er nemme at sætte op. Eksisterende anvendelser af forskellige indendørs sporingsalgoritmer, der bruger trådløse teknologier, er dog ofte unøjagtige. Algoritmer baseret på RSSI-målinger i WiFi-netværk er normalt unøjagtige på grund af den store variation i signalet, der måles på hvert tidspunkt. Selvom mange aspekter af WiFi forbedres, har præcisionen stadig en lang vej at gå. 

Wireless Communications

I trådløs kommunikation er mediet til at sende information altid delt. Dette er en stor forskel fra kablede teknologier. For at undgå overlapning af frekvensbånd og interferens skal der være strenge regler for, hvordan pladsen bruges. Kommunikationsprotokollerne, der bruges af hver deltagerenhed, er ansvarlige for at koordinere adgangen til mediet. Effektiviteten af et trådløst netværk afhænger af flere faktorer, herunder antallet af computere, der deler netværket, miljøforhold, elektromagnetisk interferens, forhindringer og latenstid.

Maksimale dataoverførselshastigheder repræsenterer aldrig den maksimale "nyttige" dataoverførselshastighed, da en del af rammen er optaget af information om adgangskontrol til mediet, flowkontrol, kryptering osv. Den faktiske dataoverførselshastighed er altid under, hvad der er defineret i standarderne. Da trådløse netværk udsendes over luften, bliver sikkerhed en kritisk faktor, der kræver godkendelse og datakryptering for at forhindre uautoriseret adgang.

WiFi Indoor Localization

WiFi, som står for Wireless Fidelity, blev født ud af behovet for at etablere en trådløs forbindelsesmekanisme, der var kompatibel mellem forskellige enheder. Med andre ord er Wi-Fi en trådløs teknologi, der gør det muligt for brugere at forbinde sig trådløst til hinanden gennem enheder, der kaldes Access Points (APs) eller hotspots. Det fungerer generelt på 2,4 GHz og 5 GHz frekvenser og blev standardiseret af Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Over årene er der udviklet adskillige WiFi-protokolstandarder, der forbedrer flere aspekter af deres forgængere.

The Evolution of Wi-Fi Technology

Den første officielle standard var 802.11b, efterfulgt af 802.11a, 802.11g, 802.11n og 802.11ac. b- og g-versionerne arbejder i 2,4 GHz-båndet og er de mest udbredte. I 2019 blev 802.11ax (kaldet Wi-Fi 6) lanceret, som anslås at have fire gange præstationen af 802.11ac. Mens 5 GHz-netværk opnår hurtigere hastigheder end 2,4 GHz, er de mindre effektive til at passere gennem hindringer som vægge og møbler, hvilket resulterer i en lavere dækningsradius. Et gennemsnitligt Wi-Fi-netværk har en rækkevidde på 300 fod udendørs eller 150 fod indendørs.

Den største fordel ved at bruge Wi-Fi-netværk til positionering er, at infrastrukturen allerede er på plads i bygninger. På grund af den hurtige vækst i trådløse netværk til hjemme- og erhvervsbrug er det almindeligt at finde mere end én Wi-Fi-adgangspunkt i en bygning. Disse adgangspunkter kan installeres selvstændigt eller komme fra andre steder i nærheden. På den anden side er det største problem, at 802.11-protokollen ikke blev lavet til at blive brugt på denne måde. Hver gang du vil finde ud af, hvor du er, skal du sende beskeder til alle Wi-Fi-adgangspunkter for at anmode om de rigtige oplysninger, hvilket bremser netværket. Det kan også ske, at nogle adgangspunkter, der tilhører en tredjepart, blokerer sådanne anmodninger.

IEEE 802.11 trådløse standarder bruger en mediumadgangsprotokol kaldet CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Dens navn ligner det, der bruges i kablede Ethernet-netværk (CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), men dens funktion er anderledes. I det trådløse tilfælde refererer CA til kollisionsundgåelse, mens det i Ethernet handler om kollisionsdetektering. Wi-Fi-netværk er halvduplex, hvilket betyder, at enheder ikke kan sende og modtage på samme tid på samme radiokanal. En enhed kan ikke "lytte" på samme tid, som den sender, og kan derfor ikke opdage kollisioner. På grund af dette brugte IEEE-eksperter en kollisionsundgåelsesmekanisme, som de kaldte DCF (Distributed Control Function).

WiFi Network Security

Da transmissionsmediet er luften, som naturligvis er tilgængelig for enhver enhed, er det afgørende at sikre, at adgangen til netværket er begrænset til autoriserede enheder. For at opnå dette definerer 802.11i-standarden forskellige systemer, såsom WEP, WPA og WPA2, hvor enheder bruger nøgler til godkendelse. Access Points sender regelmæssigt en annonce, der indeholder SSID (Service Set Identifier), hvilket gør det muligt for brugerne at identificere den korrekte AP og oprette forbindelse til den. Forbindelsesprocessen begynder med en godkendelsesprocedure, hvor en nøgle genereres. WiFi-netværk har tre typer godkendelse.

1. Trådbunden Privatlivsnøgle (WEP):

The goal of this security system is to make wireless networks as secure as wired ones. Unfortunately, it was quickly compromised, and its use is not currently recommended. At the start of the authentication process, the client device sends an unencrypted text message, which the AP encrypts using a shared key and returns to the client. The keys are usually 128 or 256 bits. The main problem with WEP is key management. Generally, keys are distributed manually or through another secure route. WEP uses shared keys, meaning it uses the same key for all clients, so if the key is discovered, all users are at risk. To obtain the key, it is only necessary to listen until obtaining the return of the authentication frames. Using WEP is better than nothing; when there is nothing better, it is advisable to use it. A good recommendation is to use security in the upper layers, such as SSL, TSL encryption, etc.

2. Wi-Fi Beskyttet Adgang (WPA)

For at overvinde WEP's sikkerhedsmæssige fejl blev WPA udviklet. Dette system blev designet under WiFi Alliance's beskyttelse og brugte en del af 802.11i-standarden, som senere blev opdateret for at erstatte WEP. Et af de centrale elementer i WPA er TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), som er en del af 802.11i-standarden og fungerer ved at generere dynamiske nøgler. WPA kan valgfrit bruge AES-CCMP (Advanced Encryption Standard – Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) som en erstatning for TKIP.

3. WPA2/WPAv2:

Det er i øjeblikket den bedste tilgængelige teknik til at sikre et WiFi-netværk. Det bruger obligatorisk AES-CCMP og bruges i alle enheder, der produceres i dag.

Standarder

Vi har i øjeblikket adgang til forskellige trådløse netværk, der giver os forbindelse til de mange enheder, vi bruger dagligt. Forskellige kommunikationsstandarder, der almindeligvis bruges, falder under navnet „WiFi“, herunder:

802.11a: et trådløst netværk med en bærebølge i 5 GHz ISM-båndet og en dataoverførselshastighed på op til 54 Mbps.

- 802.11b: a wireless network with a carrier in the 2.4 GHz ISM band and a data transfer rate of up to 11 Mbps.

• 802.11g: et trådløst netværk med en bærebølge i 2,4 GHz ISM-båndet og en dataoverførselshastighed på op til 54 Mbps.

• 802.11i: godkendelse og kryptering.

• 802.11n: et trådløst netværk med en bærer i 2,4 GHz og 5 GHz ISM-båndet, med dataoverførselshastigheder på op til 600 Mbps.

• 802.11ac: et trådløst netværk med en bærebølge under 6 GHz, med dataoverførselshastigheder på mindst 1 Gbps i multi-station drift og 500 Mbps i en enkelt forbindelse.

Bundlinjen

At holde dit WiFi-netværk sikkert er som at holde din hoveddør låst—du vil jo ikke have, at hvem som helst bare går ind, vel? Selvom Wired-Equivalent Privacy (WEP) engang var en mulighed for at sikre dit netværk, er det nu forældet og har kendte sårbarheder. Wi-Fi Protected Access (WPA) og dets efterfølger, WPA2/WPAv2, er langt mere effektive sikkerhedsforanstaltninger. Forskellige WiFi-kommunikationsstandarder tilbyder forskellige dataoverførselshastigheder og frekvenser, så det er vigtigt at vælge den rigtige til dine behov. Ved at tage disse forholdsregler kan du holde dit WiFi-netværk sikkert uden at gå på kompromis med trådløs bekvemmelighed.