Cảm biến di động: Định vị trong nhà bằng WiFi

Giới thiệu

Trong những năm gần đây, vấn đề vị trí đã trở nên ngày càng quan trọng. Các dịch vụ như Google Maps đã giúp việc điều hướng và xác định các điểm cụ thể ở bất kỳ đâu trên thế giới trở nên dễ dàng bằng cách sử dụng vệ tinh. Vì các hệ thống này đã hoạt động chính xác ngoài trời, bước tiếp theo là áp dụng công nghệ tương tự trong các tòa nhà, như bảo tàng hoặc trung tâm thương mại. Các hệ thống tương tự có thể hướng dẫn mọi người đến các địa điểm quan tâm, chẳng hạn như một tác phẩm nghệ thuật trong bảo tàng, hoặc cung cấp nội dung dựa trên vị trí, chẳng hạn như quảng cáo khi đi ngang qua một cửa hàng trong trung tâm mua sắm. Tuy nhiên, trong môi trường kín, độ chính xác của vệ tinh thấp, khiến cần phải sử dụng các công nghệ khác để định vị hiệu quả.

Indoor Location Technology

Các dịch vụ dựa trên vị trí trong nhà đã tạo ra sự quan tâm lớn do ý nghĩa xã hội và tiền tệ của chúng, với giá trị thị trường dự kiến đạt 10 tỷ đô la vào năm 2020. Do sự kém hiệu quả của GPS trong môi trường trong nhà, các công nghệ thay thế như WiFi hoặc Bluetooth là cần thiết. Beacon luôn phát ra tín hiệu có thể được nhận bởi các thiết bị tương thích BLE khác. Chúng phù hợp cho các hệ thống định vị vì chúng rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và dễ thiết lập. Tuy nhiên, các ứng dụng hiện có của các thuật toán theo dõi trong nhà sử dụng công nghệ không dây thường không chính xác. Các thuật toán dựa trên đo lường RSSI trong mạng WiFi thường không chính xác do sự biến đổi lớn của tín hiệu được đo tại mỗi thời điểm. Mặc dù nhiều khía cạnh của WiFi đang được cải thiện, độ chính xác vẫn còn một chặng đường dài phía trước. 

Wireless Communications

Trong truyền thông không dây, phương tiện để gửi thông tin luôn được chia sẻ. Đây là một điểm khác biệt lớn so với công nghệ có dây. Để tránh chồng chéo dải tần và nhiễu, phải có các quy tắc nghiêm ngặt về cách sử dụng không gian. Các giao thức truyền thông được sử dụng bởi mỗi thiết bị tham gia có trách nhiệm phối hợp truy cập vào phương tiện. Hiệu quả của mạng không dây phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm số lượng máy tính chia sẻ mạng, điều kiện môi trường, nhiễu điện từ, chướng ngại vật và độ trễ.

Tốc độ truyền dữ liệu tối đa không bao giờ đại diện cho tốc độ truyền dữ liệu "hữu ích" tối đa vì một phần của khung được chiếm bởi thông tin về kiểm soát truy cập phương tiện, kiểm soát luồng, mã hóa, v.v. Tốc độ truyền dữ liệu thực tế luôn thấp hơn so với mức được xác định trong các tiêu chuẩn. Vì mạng không dây được phát sóng qua không khí, bảo mật trở thành yếu tố quan trọng, yêu cầu xác thực và mã hóa dữ liệu để ngăn chặn truy cập trái phép.

WiFi Indoor Localization

WiFi, viết tắt của Wireless Fidelity, ra đời từ nhu cầu thiết lập một cơ chế kết nối không dây tương thích giữa các thiết bị khác nhau. Nói cách khác, Wi-Fi là công nghệ không dây cho phép người dùng kết nối không dây với nhau thông qua các thiết bị được gọi là Access Points (APs) hoặc điểm phát sóng. Nó thường hoạt động trên tần số 2,4 GHz và 5 GHz và được chuẩn hóa bởi Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Trong nhiều năm qua, nhiều tiêu chuẩn giao thức WiFi đã được phát triển, cải thiện nhiều khía cạnh so với các phiên bản trước đó.

The Evolution of Wi-Fi Technology

Tiêu chuẩn chính thức đầu tiên là 802.11b, tiếp theo là 802.11a, 802.11g, 802.11n và 802.11ac. Các phiên bản b và g hoạt động trong băng tần 2.4 GHz và được sử dụng rộng rãi nhất. Năm 2019, 802.11ax (gọi là Wi-Fi 6) đã được ra mắt, được ước tính có hiệu suất gấp bốn lần so với 802.11ac. Trong khi mạng 5GHz đạt tốc độ nhanh hơn 2.4 GHz, chúng kém hiệu quả hơn trong việc xuyên qua các chướng ngại vật như tường và đồ nội thất, dẫn đến phạm vi phủ sóng thấp hơn. Một mạng Wi-Fi trung bình có phạm vi 300 feet ngoài trời hoặc 150 feet trong nhà.

Lợi ích chính của việc sử dụng mạng Wi-Fi để định vị là cơ sở hạ tầng đã có sẵn trong các tòa nhà. Do sự phát triển nhanh chóng của mạng không dây cho mục đích gia đình và kinh doanh, việc tìm thấy nhiều hơn một điểm truy cập Wi-Fi trong một tòa nhà là điều phổ biến. Các điểm truy cập này có thể được lắp đặt độc lập hoặc đến từ các địa điểm khác gần đó. Mặt khác, vấn đề lớn nhất là giao thức 802.11 không được tạo ra để sử dụng theo cách này. Mỗi khi bạn muốn xác định vị trí của mình, bạn phải gửi tin nhắn đến tất cả các điểm truy cập Wi-Fi để yêu cầu thông tin chính xác, điều này làm chậm mạng. Đến lượt nó, có thể xảy ra trường hợp một số điểm truy cập thuộc về bên thứ ba chặn các yêu cầu như vậy.

Các tiêu chuẩn không dây IEEE 802.11 sử dụng một giao thức truy cập môi trường gọi là CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Tên của nó tương tự như giao thức được sử dụng trong mạng Ethernet có dây (CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), nhưng cách hoạt động của nó khác nhau. Trong trường hợp không dây, CA đề cập đến việc tránh va chạm, trong khi ở Ethernet, nó là về phát hiện va chạm. Mạng Wi-Fi là bán song công, có nghĩa là các thiết bị không thể truyền và nhận đồng thời trên cùng một kênh vô tuyến. Một thiết bị không thể "nghe" trong khi đang truyền, vì vậy nó không thể phát hiện va chạm. Vì lý do này, các chuyên gia IEEE đã sử dụng một cơ chế tránh va chạm mà họ gọi là DCF (Distributed Control Function).

WiFi Network Security

Vì phương tiện truyền dẫn là không khí, vốn dĩ có thể truy cập được bởi bất kỳ thiết bị nào, nên việc đảm bảo rằng quyền truy cập mạng bị hạn chế đối với các thiết bị được ủy quyền là rất quan trọng. Để đạt được điều này, tiêu chuẩn 802.11i định nghĩa các hệ thống khác nhau, chẳng hạn như WEP, WPA và WPA2, trong đó các thiết bị sử dụng khóa để xác thực. Các Access Points định kỳ phát quảng cáo chứa SSID (Service Set Identifier), cho phép người dùng xác định AP chính xác và kết nối với nó. Quá trình kết nối bắt đầu bằng thủ tục xác thực, trong đó một khóa được tạo ra. Mạng WiFi có ba loại xác thực.

1. Khóa Bảo Mật Tương Đương Có Dây (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. Truy Cập Được Bảo Vệ Wi-Fi (WPA)

Để khắc phục các lỗ hổng bảo mật của WEP, WPA đã được phát triển. Hệ thống này được thiết kế dưới sự bảo trợ của WiFi Alliance và sử dụng một phần của tiêu chuẩn 802.11i, sau này được cập nhật để thay thế WEP. Một trong những yếu tố chính của WPA là TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), một phần của tiêu chuẩn 802.11i và hoạt động bằng cách tạo ra các khóa động. WPA có thể tùy chọn sử dụng AES-CCMP (Advanced Encryption Standard – Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) để thay thế TKIP.

3. WPA2/WPAv2:

Đây hiện là kỹ thuật tốt nhất có sẵn để bảo mật mạng WiFi. Nó sử dụng AES-CCMP bắt buộc và được sử dụng trong tất cả các thiết bị được sản xuất ngày nay.

Tiêu chuẩn

Hiện tại chúng tôi có quyền truy cập vào các mạng không dây khác nhau cung cấp kết nối cho nhiều thiết bị chúng tôi sử dụng hàng ngày. Các tiêu chuẩn truyền thông khác nhau thường được sử dụng dưới tên „WiFi”, bao gồm:

802.11a: một mạng không dây sử dụng băng tần ISM 5 GHz và tốc độ truyền dữ liệu lên đến 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: một mạng không dây có sóng mang trong băng tần ISM 2,4 GHz và tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54 Mbps.

• 802.11i: xác thực và mã hóa.

• 802.11n: một mạng không dây có sóng mang trong băng tần ISM 2,4 GHz và 5 GHz, với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 600 Mbps.

• 802.11ac: một mạng không dây có tần số dưới 6 GHz, với tốc độ truyền dữ liệu ít nhất 1 Gbps trong hoạt động đa trạm và 500 Mbps trong một liên kết đơn.

Kết luận

Giữ cho mạng WiFi của bạn an toàn cũng giống như việc khóa cửa chính—bạn không muốn ai cũng có thể vào được, đúng không? Mặc dù Wired-Equivalent Privacy (WEP) từng là một tùy chọn để bảo vệ mạng của bạn, giờ đây nó đã lỗi thời và có những lỗ hổng đã biết. Wi-Fi Protected Access (WPA) và phiên bản kế nhiệm của nó, WPA2/WPAv2, là các biện pháp bảo mật hiệu quả hơn nhiều. Các tiêu chuẩn giao tiếp WiFi khác nhau cung cấp các tốc độ truyền dữ liệu và tần số khác nhau, vì vậy điều quan trọng là chọn tiêu chuẩn phù hợp với nhu cầu của bạn. Bằng cách thực hiện các biện pháp này, bạn có thể giữ cho mạng WiFi của mình an toàn mà không làm mất đi sự tiện lợi của kết nối không dây.