Mobil avkänning: Lokalisering av WiFi inomhus

Introduktion

Under de senaste åren har frågan om plats blivit allt viktigare. Tjänster som Google Maps har gjort det enkelt att navigera och lokalisera specifika punkter över hela världen med hjälp av satelliter. Eftersom dessa system redan fungerar korrekt utomhus är nästa steg att tillämpa liknande teknik inomhus, till exempel i museer eller köpcentrum. Analoga system kan guida människor till intressanta platser, som ett konstverk på ett museum, eller erbjuda innehåll baserat på plats, som reklam när man passerar en butik i ett köpcentrum. Men i slutna miljöer är satellitprecisionen låg, vilket gör det nödvändigt att tillgripa andra teknologier för effektiv positionering.

Indoor Location Technology

Inomhusbaserade platsbaserade tjänster har väckt stor uppmärksamhet på grund av deras sociala och monetära betydelse, med en beräknad marknadsvärde på 10 miljarder dollar fram till 2020. På grund av GPS:s ineffektivitet i inomhusmiljöer krävs alternativa teknologier som WiFi eller Bluetooth. Beacons skickar alltid ut en signal som kan tas emot av andra BLE-kompatibla enheter. De är bra för positioneringssystem eftersom de är billiga, använder mindre energi och är enkla att installera. Befintliga tillämpningar av olika inomhusspårningsalgoritmer som använder trådlösa teknologier är dock ofta oprecisa. Algoritmer baserade på RSSI-mätningar i WiFi-nätverk är vanligtvis oprecisa på grund av den stora variationen i signalen som mäts vid varje tillfälle. Även om många aspekter av WiFi förbättras har precisionen fortfarande en lång väg att gå. 

Wireless Communications

Inom trådlös kommunikation är mediet för att skicka information alltid delat. Detta är en stor skillnad från kabelbaserade teknologier. För att undvika överlappning av frekvensband och störningar måste det finnas strikta regler för hur utrymmet används. Kommunikationsprotokollen som används av varje deltagande enhet är ansvariga för att koordinera åtkomsten till mediet. Effektiviteten hos ett trådlöst nätverk beror på flera faktorer, inklusive antalet datorer som delar nätverket, miljöförhållanden, elektromagnetiska störningar, hinder och latens.

Maximala dataöverföringshastigheter representerar aldrig den maximala "användbara" dataöverföringshastigheten eftersom en del av ramen är upptagen av information om åtkomstkontroll till mediet, flödeskontroll, kryptering etc. Den verkliga dataöverföringshastigheten ligger alltid under vad som definieras i standarderna. Eftersom trådlösa nätverk sänds över luften blir säkerhet en kritisk faktor, vilket kräver autentisering och datakryptering för att förhindra obehörig åtkomst.

WiFi Indoor Localization

WiFi, som står för Wireless Fidelity, föddes ur behovet av att etablera en trådlös anslutningsmekanism som var kompatibel mellan olika enheter. Med andra ord är Wi-Fi en trådlös teknik som gör det möjligt för användare att ansluta trådlöst till varandra genom enheter som kallas Access Points (AP) eller hotspots. Det fungerar vanligtvis på 2,4 GHz och 5 GHz frekvenser och standardiserades av Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Under åren har många WiFi-protokollstandarder utvecklats, vilka har förbättrat flera aspekter av sina föregångare.

The Evolution of Wi-Fi Technology

Den första officiella standarden var 802.11b, följd av 802.11a, 802.11g, 802.11n och 802.11ac. b- och g-versionerna fungerar i 2,4 GHz-bandet och är de mest använda. År 2019 lanserades 802.11ax (kallad Wi-Fi 6), som beräknas ha fyra gånger prestandan av 802.11ac. Medan 5 GHz-nätverk uppnår snabbare hastigheter än 2,4 GHz, är de mindre effektiva på att passera hinder som väggar och möbler, vilket resulterar i ett lägre täckningsområde. Ett genomsnittligt Wi-Fi-nätverk har en räckvidd på 300 fot utomhus eller 150 fot inomhus.

Den största fördelen med att använda Wi-Fi-nätverk för positionering är att infrastrukturen redan finns i byggnader. På grund av den snabba tillväxten av trådlösa nätverk för hem- och företagsanvändning är det vanligt att hitta mer än en Wi-Fi-åtkomstpunkt i en byggnad. Dessa åtkomstpunkter kan installeras självständigt eller komma från andra platser i närheten. Å andra sidan är det största problemet att 802.11-protokollet inte skapades för att användas på detta sätt. Varje gång du vill ta reda på var du är måste du skicka meddelanden till alla Wi-Fi-åtkomstpunkter för att begära rätt information, vilket saktar ner nätverket. I sin tur kan det hända att vissa åtkomstpunkter som tillhör en tredje part blockerar sådana förfrågningar.

IEEE 802.11 trådlösa standarder använder en mediumåtkomstprotokoll som kallas CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Dess namn liknar det som används i kabelbundna Ethernet-nätverk (CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), men dess funktion är annorlunda. I det trådlösa fallet hänvisar CA till kollisionsundvikande, medan det i Ethernet handlar om kollisionsdetektering. Wi-Fi-nätverk är halvduplex, vilket innebär att enheter inte kan sända och ta emot samtidigt på samma radiokanal. En enhet kan inte "lyssna" samtidigt som den sänder, och kan därför inte upptäcka kollisioner. På grund av detta använde IEEE-experter en kollisionsundvikande mekanism som de kallade DCF (Distributed Control Function).

WiFi Network Security

Eftersom överföringsmediet är luften, som naturligt är tillgänglig för alla enheter, är det viktigt att säkerställa att åtkomsten till nätverket är begränsad till auktoriserade enheter. För att uppnå detta definierar 802.11i-standarden olika system, såsom WEP, WPA och WPA2, där enheter använder nycklar för autentisering. Access Points sänder regelbundet en annons som innehåller SSID (Service Set Identifier), vilket gör det möjligt för användare att identifiera rätt AP och ansluta till det. Anslutningsprocessen börjar med en autentiseringsprocedur, för vilken en nyckel genereras. WiFi-nätverk har tre typer av autentisering.

1. Trådbunden Sekretessnyckel (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 Skyddad Åtkomst (WPA)

För att övervinna säkerhetsbristerna i WEP utvecklades WPA. Detta system utformades under WiFi Alliance:s beskydd och använde en del av 802.11i-standarden, som senare uppdaterades för att ersätta WEP. En av nyckelelementen i WPA är TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), som är en del av 802.11i-standarden och fungerar genom att generera dynamiska nycklar. WPA kan eventuellt använda AES-CCMP (Advanced Encryption Standard – Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) som ett alternativ till TKIP.

3. WPA2/WPAv2:

Det är för närvarande den bästa tillgängliga tekniken för att säkra ett WiFi-nätverk. Den använder obligatorisk AES-CCMP och används i alla enheter som tillverkas idag.

Standarder

Vi har för närvarande tillgång till olika trådlösa nätverk som ger oss anslutning till de flera enheter vi använder dagligen. Olika kommunikationsstandarder som vanligtvis används går under namnet „WiFi“, inklusive:

802.11a: ett trådlöst nätverk med en bärare i 5 GHz ISM-bandet och en dataöverföringshastighet på upp till 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: ett trådlöst nätverk med en bärare i 2,4 GHz ISM-bandet och en dataöverföringshastighet på upp till 54 Mbps.

• 802.11i: autentisering och kryptering.

• 802.11n: ett trådlöst nätverk med en bärare i 2,4 GHz och 5 GHz ISM-bandet, med dataöverföringshastigheter på upp till 600 Mbps.

• 802.11ac: ett trådlöst nätverk med en bärvåg under 6 GHz, med dataöverföringshastigheter på minst 1 Gbps i multi-stationsdrift och 500 Mbps i en enskild länk.

Slutsatsen

Att hålla ditt WiFi-nätverk säkert är som att hålla din ytterdörr låst—du vill inte att vem som helst bara kliver in, eller hur? Även om Wired-Equivalent Privacy (WEP) en gång var ett alternativ för att säkra ditt nätverk, är det nu föråldrat och har kända brister. Wi-Fi Protected Access (WPA) och dess efterföljare, WPA2/WPAv2, är mycket mer effektiva säkerhetsåtgärder. Olika WiFi-kommunikationsstandarder erbjuder olika dataöverföringshastigheter och frekvenser, så det är viktigt att välja rätt för dina behov. Genom att vidta dessa åtgärder kan du hålla ditt WiFi-nätverk säkert utan att kompromissa med bekvämligheten av trådlös anslutning.