モバイルセンシングWiFi屋内ローカライゼーション

導入

近年、位置情報の問題はますます重要になっています。Google Mapsのようなサービスにより、衛星を使って世界中の特定の地点を簡単にナビゲートし、特定することができるようになりました。これらのシステムは屋外で既に正確に機能しているため、次のステップは、博物館や商業施設などの建物内で同様の技術を適用することです。アナログシステムは、人々を博物館の美術作品のような興味深い場所に案内したり、ショッピングセンターの店の前を通り過ぎたときに広告を表示するなど、位置に基づいたコンテンツを提供したりすることができます。しかし、閉鎖された環境では、衛星の精度が低いため、効果的な位置特定のために他の技術に頼る必要があります。

Indoor Location Technology

屋内位置情報サービスは、社会的および金銭的な重要性から大きな関心を集めており、2020年までに100億ドルの市場価値が予測されています。屋内環境でのGPSの非効率性のため、WiFiやBluetoothなどの代替技術が必要です。ビーコンは常に信号を送信し、他のBLE互換デバイスで受信できます。それらは、安価で、エネルギー消費が少なく、簡単に設定できるため、位置測定システムに適しています。ただし、無線技術を使用したさまざまな屋内追跡アルゴリズムの既存のアプリケーションは、しばしば不正確です。WiFiネットワークにおけるRSSI測定に基づくアルゴリズムは、各瞬間に測定される信号の変動が大きいため、通常不正確です。WiFiの多くの側面が改善されているものの、精度はまだまだ向上の余地があります。 

Wireless Communications

無線通信では、情報を送信するための媒体は常に共有されています。これは有線技術との大きな違いです。周波数帯域の重複や干渉を避けるため、空間の使用方法について厳格なルールが必要です。各参加デバイスが使用する通信プロトコルは、媒体へのアクセスを調整する責任があります。無線ネットワークの効果は、ネットワークを共有するコンピュータの数、環境条件、電磁干渉、障害物、および遅延など、いくつかの要因に依存します。

最大データ伝送速度は、フレームの一部がメディアへのアクセス制御、フロー制御、暗号化などの情報に占有されるため、最大の「有用な」データ伝送速度を表すことはありません。実際のデータ転送速度は、常に標準で定義されている値よりも低くなります。無線ネットワークは空中にブロードキャストされるため、セキュリティが重要な要素となり、不正アクセスを防ぐために認証とデータ暗号化が必要です。

WiFi Indoor Localization

WiFiは、Wireless Fidelityの略で、異なるデバイス間で互換性のある無線接続メカニズムを確立する必要性から生まれました。言い換えれば、Wi-Fiは、アクセスポイント（AP）またはホットスポットとして知られるデバイスを介してユーザーが互いに無線で接続できるようにする無線技術です。一般的に2.4 GHzと5 GHzの周波数で動作し、Institute of Electrical and Electronics Engineers（IEEE）によって標準化されました。長年にわたり、数多くのWiFiプロトコル標準が開発され、前身のいくつかの側面が改善されました。

The Evolution of Wi-Fi Technology

最初の公式標準は802.11bで、その後802.11a、802.11g、802.11n、802.11acが続きました。bおよびgバージョンは2.4 GHz帯で動作し、最も広く使用されています。2019年には802.11ax（Wi-Fi 6と呼ばれる）がリリースされ、802.11acの4倍の性能を持つと推定されています。5GHzネットワークは2.4 GHzよりも高速ですが、壁や家具などの障害物を通過する効果が低く、カバレッジ範囲が狭くなります。平均的なWi-Fiネットワークの範囲は、屋外で300フィート、屋内で150フィートです。

Wi-Fiネットワークを使用して位置情報を取得する主な利点は、建物内に既にインフラが整備されていることです。家庭やビジネス向けの無線ネットワークの急速な成長により、建物内に複数のWi-Fiアクセスポイントが見つかることは一般的です。これらのアクセスポイントは独立して設置されることもあれば、近隣の他の場所から来ることもあります。一方、最大の問題は、802.11プロトコルがこのような使い方を想定して作られていないことです。自分の位置を確認したいときは毎回、適切な情報を要求するためにすべてのWi-Fiアクセスポイントにメッセージを送信する必要があり、これによりネットワークが遅くなります。また、第三者が所有する一部のアクセスポイントがそのような要求をブロックする可能性もあります。

IEEE 802.11ワイヤレス規格は、CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）と呼ばれるメディアアクセスプロトコルを使用します。その名前は、有線イーサネットネットワークで使用されるもの（CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）と似ていますが、その動作は異なります。ワイヤレスの場合、CAは衝突回避を指しますが、イーサネットでは衝突検出を指します。Wi-Fiネットワークは半二重であり、デバイスは同じ無線チャネルで同時に送信と受信を行うことができません。デバイスは送信しながら「聞く」ことができないため、衝突を検出できません。このため、IEEEの専門家はDCF（Distributed Control Function）と呼ばれる衝突回避メカニズムを使用しました。

WiFi Network Security

伝送媒体は空気であり、どのデバイスでも自然にアクセスできるため、ネットワークへのアクセスを許可されたデバイスに制限することが不可欠です。これを実現するために、802.11i規格は、デバイスが認証にキーを使用するWEP、WPA、WPA2などのさまざまなシステムを定義しています。アクセスポイントは定期的にSSID（Service Set Identifier）を含む広告をブロードキャストし、ユーザーが正しいAPを識別して接続できるようにします。接続プロセスは、キーが生成される認証手順から始まります。WiFiネットワークには3種類の認証があります。

1. 有線同等プライバシーキー (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 保護されたアクセス (WPA)

WEPのセキュリティ上の欠陥を克服するために、WPAが開発されました。このシステムはWiFi Allianceの後援の下で設計され、802.11i標準の一部を使用しました。その後、WEPを置き換えるために更新されました。WPAの主要な要素の1つは、TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）です。これは802.11i標準の一部であり、動的なキーを生成して動作します。WPAはオプションで、AES-CCMP（Advanced Encryption Standard – Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol）をTKIPの代わりに使用できます。

3. WPA2/WPAv2:

現在、WiFiネットワークを保護するために利用可能な最良の技術です。必須のAES-CCMPを使用し、今日製造されているすべてのデバイスで使用されています。

標準

現在、私たちは日常的に使用する複数のデバイスに接続を提供するさまざまなワイヤレスネットワークにアクセスできます。一般的に使用されるさまざまな通信規格は「WiFi」という名前で、以下を含みます：

802.11a: 5 GHz ISMバンドのキャリアを使用し、最大54 Mbpsのデータ転送速度を実現する無線ネットワーク。

• 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: 2.4 GHz ISMバンドのキャリアを使用し、最大54 Mbpsのデータ転送速度を実現する無線ネットワーク。

• 802.11i: 認証と暗号化。

• 802.11n: 2.4 GHzおよび5 GHz ISM帯域のキャリアを使用した無線ネットワークで、最大600 Mbpsのデータ転送速度を実現します。

• 802.11ac: 6 GHz未満のキャリアを使用する無線ネットワークで、マルチステーション操作では少なくとも1 Gbps、単一リンクでは500 Mbpsのデータ転送速度を提供します。

結論

WiFiネットワークを安全に保つことは、玄関の鍵をかけることと同じです—誰でも自由に入ってこれる状態にはしたくないですよね？かつてWired-Equivalent Privacy（WEP）はネットワークを保護する選択肢でしたが、現在では時代遅れであり、既知の欠陥があります。Wi-Fi Protected Access（WPA）およびその後継であるWPA2/WPAv2は、はるかに効果的なセキュリティ対策です。さまざまなWiFi通信規格は、異なるデータ転送速度や周波数を提供しているため、ニーズに合ったものを選ぶことが重要です。これらの対策を講じることで、ワイヤレス接続の利便性を損なうことなく、WiFiネットワークを安全に保つことができます。