Mobiele detectie: WiFi-lokalisatie binnenshuis

Inleiding

In de afgelopen jaren is het probleem van locatie steeds belangrijker geworden. Diensten zoals Google Maps hebben het gemakkelijk gemaakt om te navigeren en specifieke punten overal ter wereld te lokaliseren met behulp van satellieten. Omdat deze systemen al nauwkeurig werken buitenshuis, is de volgende stap het toepassen van vergelijkbare technologie binnen gebouwen, zoals musea of winkelcentra. Analoge systemen kunnen mensen naar interessante plaatsen leiden, zoals een kunstwerk in een museum, of inhoud aanbieden op basis van locatie, zoals advertenties wanneer men langs een winkel in een winkelcentrum loopt. In gesloten omgevingen is de nauwkeurigheid van satellieten echter laag, waardoor het nodig is om andere technologieën te gebruiken voor effectieve positionering.

Indoor Location Technology

Binnenlocatiegebaseerde diensten hebben grote belangstelling gegenereerd vanwege hun sociale en monetaire betekenis, met een verwachte marktwaarde van 10 miljard dollar tegen 2020. Vanwege de inefficiëntie van GPS in binnenomgevingen zijn alternatieve technologieën zoals WiFi of Bluetooth noodzakelijk. Beacons sturen altijd een signaal uit dat kan worden opgepikt door andere BLE-compatibele apparaten. Ze zijn geschikt voor positioneringssystemen omdat ze goedkoop zijn, minder energie verbruiken en gemakkelijk te installeren zijn. Bestaande toepassingen van verschillende indoor tracking-algoritmen die gebruikmaken van draadloze technologieën zijn echter vaak onnauwkeurig. Algoritmen gebaseerd op RSSI-metingen in WiFi-netwerken zijn meestal onnauwkeurig vanwege de grote variatie van het signaal dat op elk moment wordt gemeten. Hoewel veel aspecten van WiFi verbeteren, heeft nauwkeurigheid nog een lange weg te gaan. 

Wireless Communications

In draadloze communicatie is het medium voor het verzenden van informatie altijd gedeeld. Dit is een groot verschil met bekabelde technologieën. Om overlapping van frequentiebanden en interferentie te voorkomen, moeten er strikte regels zijn over hoe de ruimte wordt gebruikt. De communicatieprotocollen die door elk deelnemend apparaat worden gebruikt, zijn verantwoordelijk voor het coördineren van de toegang tot het medium. De effectiviteit van een draadloos netwerk hangt af van verschillende factoren, waaronder het aantal computers dat het netwerk deelt, omgevingsomstandigheden, elektromagnetische interferentie, obstakels en latentie.

Maximale gegevensoverdrachtssnelheden vertegenwoordigen nooit de maximale "bruikbare" gegevensoverdrachtssnelheid, omdat een deel van het frame wordt ingenomen door informatie over toegangscontrole tot het medium, stroomcontrole, versleuteling, enz. De werkelijke gegevensoverdrachtssnelheid ligt altijd onder wat in de normen is gedefinieerd. Omdat draadloze netwerken over de lucht worden uitgezonden, wordt beveiliging een kritieke factor, waarvoor authenticatie en gegevensversleuteling nodig zijn om ongeautoriseerde toegang te voorkomen.

WiFi Indoor Localization

WiFi, wat staat voor Wireless Fidelity, is ontstaan uit de behoefte om een draadloos verbindingsmechanisme te creëren dat compatibel is tussen verschillende apparaten. Met andere woorden, Wi-Fi is een draadloze technologie waarmee gebruikers draadloos met elkaar kunnen verbinden via apparaten die bekend staan als Access Points (AP's) of hotspots. Het werkt meestal op de 2,4 GHz- en 5 GHz-frequenties en is gestandaardiseerd door het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). In de loop der jaren zijn er tal van WiFi-protocolstandaarden ontwikkeld, die verschillende aspecten van hun voorgangers hebben verbeterd.

The Evolution of Wi-Fi Technology

De eerste officiële standaard was 802.11b, gevolgd door 802.11a, 802.11g, 802.11n en 802.11ac. De b- en g-versies werken in de 2,4 GHz-band en zijn het meest gebruikt. In 2019 werd 802.11ax (genaamd Wi-Fi 6) gelanceerd, waarvan wordt geschat dat het vier keer de prestaties van 802.11ac heeft. Hoewel 5 GHz-netwerken snellere snelheden bereiken dan 2,4 GHz, zijn ze minder effectief in het doordringen van obstakels zoals muren en meubels, wat resulteert in een kleiner bereik. Een gemiddeld Wi-Fi-netwerk heeft een bereik van 300 voet buiten of 150 voet binnen.

Het belangrijkste voordeel van het gebruik van Wi-Fi-netwerken voor positionering is dat de infrastructuur al aanwezig is in gebouwen. Door de snelle groei van draadloze netwerken voor thuis- en zakelijk gebruik is het gebruikelijk om meer dan één Wi-Fi-toegangspunt in een gebouw te vinden. Deze toegangspunten kunnen zelfstandig worden geïnstalleerd of afkomstig zijn van andere plaatsen in de buurt. Aan de andere kant is het grootste probleem dat het 802.11-protocol niet is gemaakt om op deze manier te worden gebruikt. Elke keer dat u uw locatie wilt bepalen, moet u berichten naar alle Wi-Fi-toegangspunten sturen om de juiste informatie aan te vragen, wat het netwerk vertraagt. Op zijn beurt kan het gebeuren dat sommige toegangspunten die aan derden toebehoren, dergelijke verzoeken blokkeren.

De IEEE 802.11 draadloze standaarden gebruiken een mediumtoegangsprotocol genaamd CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). De naam lijkt op die gebruikt in bekabelde Ethernet-netwerken (CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), maar de werking is anders. In het draadloze geval verwijst CA naar collision avoidance, terwijl het bij Ethernet gaat om collision detection. Wi-Fi-netwerken zijn half-duplex, wat betekent dat apparaten niet tegelijkertijd kunnen verzenden en ontvangen op hetzelfde radiokanaal. Een apparaat kan niet "luisteren" terwijl het verzendt, en kan daarom botsingen niet detecteren. Om deze reden gebruikten IEEE-experts een collision avoidance-mechanisme dat ze DCF (Distributed Control Function) noemden.

WiFi Network Security

Omdat het transmissiemedium lucht is, die van nature toegankelijk is voor elk apparaat, is het essentieel om ervoor te zorgen dat toegang tot het netwerk beperkt is tot geautoriseerde apparaten. Om dit te bereiken, definieert de 802.11i-standaard verschillende systemen, zoals WEP, WPA en WPA2, waarbij apparaten sleutels gebruiken voor authenticatie. Access Points zenden periodiek een advertentie uit die de SSID (Service Set Identifier) bevat, waardoor gebruikers het juiste AP kunnen identificeren en ermee verbinden. Het verbindingsproces begint met een authenticatieprocedure, waarvoor een sleutel wordt gegenereerd. WiFi-netwerken hebben drie soorten authenticatie.

1. Draadgebonden Privacy Sleutel (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 Beveiligde Toegang (WPA)

Om de beveiligingslekken van WEP te overwinnen, werd WPA ontwikkeld. Dit systeem werd ontworpen onder auspiciën van de WiFi Alliance en maakte gebruik van een deel van de 802.11i-standaard, die later werd bijgewerkt om WEP te vervangen. Een van de belangrijkste elementen van WPA is TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), dat deel uitmaakt van de 802.11i-standaard en werkt door dynamische sleutels te genereren. WPA kan optioneel AES-CCMP (Advanced Encryption Standard – Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) gebruiken als vervanging voor TKIP.

3. WPA2/WPAv2:

Het is momenteel de beste beschikbare techniek om een WiFi-netwerk te beveiligen. Het maakt gebruik van verplichte AES-CCMP en wordt gebruikt in alle apparaten die tegenwoordig worden geproduceerd.

Standaarden

We hebben momenteel toegang tot verschillende draadloze netwerken die ons connectiviteit bieden met de meerdere apparaten die we dagelijks gebruiken. Verschillende communicatiestandaarden die vaak worden gebruikt, vallen onder de naam „WiFi”, waaronder:

802.11a: een draadloos netwerk met een draaggolf in de 5 GHz ISM-band en een gegevensoverdrachtssnelheid van maximaal 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: een draadloos netwerk met een draaggolf in de 2,4 GHz ISM-band en een gegevensoverdrachtsnelheid van maximaal 54 Mbps.

• 802.11i: authenticatie en encryptie.

• 802.11n: een draadloos netwerk met een drager in de 2,4 GHz- en 5 GHz-ISM-band, met gegevensoverdrachtsnelheden van maximaal 600 Mbps.

• 802.11ac: een draadloos netwerk met een draaggolf onder 6 GHz, met gegevensoverdrachtssnelheden van minimaal 1 Gbps in multi-station bedrijf en 500 Mbps in een enkele verbinding.

De conclusie

Het beveiligen van je WiFi-netwerk is als het op slot doen van je voordeur—je wilt toch niet dat zomaar iedereen binnenkomt, toch? Hoewel Wired-Equivalent Privacy (WEP) ooit een optie was om je netwerk te beveiligen, is het nu verouderd en heeft het bekende kwetsbaarheden. Wi-Fi Protected Access (WPA) en de opvolger ervan, WPA2/WPAv2, zijn veel effectievere beveiligingsmaatregelen. Verschillende WiFi-communicatiestandaarden bieden diverse gegevensoverdrachtsnelheden en frequenties, dus het is belangrijk om degene te kiezen die bij jouw behoeften past. Door deze maatregelen te nemen, kun je je WiFi-netwerk veilig houden zonder in te leveren op het gemak van draadloze connectiviteit.