Localizzazione di terminabili mobili in ambienti IEEE 802.11

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Introduzione
L’obiettivo del progetto é la realizzazione di un sistema in grado di localizzare un dispositivo
radiomobile all’interno di un edificio in cui sia presente una rete wireless Ethernet, sulla
base del confronto dei livelli di potenza ricevuti dai vari punti d’accesso (Access Point). La
possibilità di localizzazione dell’utente all’interno dell’ambiente offre l’opportunità di un ampio
insieme di applicazioni in grado di rendere disponibili agli utilizzatori i servizi che più si
adattano al contesto in cui si trovano; un esempio ne é la guida virtuale. Si rende necessario
dunque sviluppare tecniche che permettono di ottenere informazioni accurate della posizione
dell’utente mobile. La tecnica di localizzazione ad onde elettromagnetiche più utilizzata é
sicuramente la tecnologia GPS (Global Positioning System), che si basa su un metodo di
posizionamento sferico, consistente nella misurare del tempo impiegato dal segnale a percorrere
la distanza satellite-ricevitore. Per avere una buona stima della posizione del ricevitore bisogna
conoscere l’esatta posizione di almeno 4 satelliti; tuttavia in un ambiente interno non é detto
che tale ipotesi sia verificata.
Per tali ragioni vogliamo sottolineare i due aspetti che contraddistinguono fortemente il
nostro studio da altri tipi di localizzazione. Il primo é senza dubbio la scelta dell’ambiente in
cui operare: gli interni: essi condizionano infatti fortemente le metodologie e le tecniche per
la risoluzione del problema. Il problema della localizzazione viene quindi risolto attraverso
l’associazione di un vettore alla data posizione; tale vettore é costituito dalle potenze ricevute
nel determinato istante. Lo studio della propagazione delle onde elettromagnetiche in ambienti
indoor risulta però essere assai complicata a causa della presenza di potenziali ostacoli (ad
esempio una scrivania), dalla loro aleatorietà (una porta aperta o chiusa, ...) e di potenziali
sorgenti di rumore (un pc, un telefono cordless, il movimento di una persona, ...). A tale scopo
utilizzeremo un particolare software di simulazione (RPS: Radiowave Propagation Simulator),
che permette di costruire delle mappe di potenza di un ambiente, a partire dal suo layout, dalla
posizione degli Access Point e degli ostacoli. Un secondo importante elemento di distinzione
risiede nell’impiego di hardware non dedicato com’è una rete Wireless Ethernet, progettata
per la comunicazione tra calcolatori e non per scopi di localizzazione. Dato che il nostro fine
é la possibilità di operare all’interno di edifici, la soluzione più vantaggiosa é ricorrere ad un
sistema largamente usato per le telecomunicazioni, ovvero lo standard IEEE 802.11. Tuttavia
l’uso di hardware non dedicato e la complessità dello standard Wi-Fi rende difficile l’analisi
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dei meccanismi di acquisizione dei dati; per poterli estrapolare, a causa delle notevoli difficoltà
riscontrate, si é dovuti ricorrere a metodi e procedure implementate da terzi (OpenNetCF).
Il principio di funzionamento può essere così schematizzato: negli apparecchi radio-mobili
viene rilevata la potenza ricevuta e l’informazione rilevata viene incapsulata ed inviata al
server, dove vengono elaborati attraverso un algoritmo di localizzazione. In questo modo la
maggior parte delle operazioni vengono effettuate nella postazione con maggior capacità di
calcolo (server) e al client vengono trasmesse solo informazioni riguardanti la sua posizione.
Come tecniche di localizzazione abbiamo deciso di utilizzare in particolare quelle dette di “fin-
gerprinting”, le quali offrono un buon compromesso fra semplicità ed efficacia della soluzione.
In particolare, abbiamo usato l’algoritmo k-NNSS (k Nearest Neighbors in Signal Space) che
offre una buona risoluzione complessiva con una complessità ridotta. L’algoritmo é stato poi
migliorato tramite una tecnica di previsione della posizione che in base alle localizzazioni
precedenti impone dei vincoli sulla posizione futura del terminale, in modo da limitare gli
errori dovuti all’enorme dispersione del segnale radio rispetto al valore medio.
Il comportamento complessivo del sistema è stato dunque valutato in un ambiente interno. In
particolare, abbiamo analizzato la precisione e l’accuratezza della localizzazione, effettuando
anche alcune prove di tracking. In entrambi i casi, i risultati ottenuti sono stati soddisfacenti.
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Capitolo 1
Standard IEEE 802.11 (Wi-Fi)
1.1 Introduzione
L’implementazione di una rete, senza l’utilizzo di cavi, é detta rete wireless. Se la rete é locale
prende il nome di WLAN, ossia Wireless LAN. La tecnologia wireless risale a circa 20 anni
or sono, quando furono instaurate le prime connessioni senza fili.
Fino a qualche anno fa le LAN Wireless effettivamente implementate erano ancora molto
poche, sia per la velocità di trasmissione dei dati, nettamente inferiore rispetto ad altre
topologie di rete standardizzate, sia per il costo, decisamente superiore a quello delle reti
cablate. Inoltre, la scarsa protezione che offrivano e la mancanza di interoperabilità dei
dispositivi wireless con i dispositivi della rete cablata rappresentavano ulteriori problemi.
Tuttora le Wireless LAN (WLAN) sono reti wireless che forniscono coperture e servizi tipici
di una LAN. In particolare:
• si tratta di reti in area locale in cui le stazioni terminali (e talvolta anche i nodi intermedi)
usano collegamenti senza fili;
• la mobilità é in genere intesa come relativamente lenta;
• il loro scopo principale é quello sia di agevolare i cablaggi sia di “liberare” gli utenti da
postazioni di lavoro fisse.
Le reti wireless per trasmettere le informazioni possono usare onde elettromagnetiche di varia
natura, quali:
• onde radio a 902 MHz
• raggi infrarossi a 820 nanometri
• microonde a 2.4 GHz, usate anche dai forni a microonde ed i telefoni cellulari, che quindi
possono disturbare le WLAN
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IEEE 802.11 STANDARD IEEE 802.11 (WI-FI)
• microonde a 5 GHz, cioè alla frequenza con cui trasmettono i satelliti1.
Le onde elettromagnetiche viaggiano nel vuoto, alla velocità della luce, ed hanno una differente
interazione con i vari materiali. Il mezzo trasmissivo (aria) risulta inaffidabile, a causa di:
• interferenza e rumore
• qualità variabile nello spazio e nel tempo
I problemi più comuni delle reti wireless riguardano la sicurezza dei dati e la presenza dei nodi
nascosti.
Tuttavia, le reti wireless sono infrastrutture relativamente economiche e permettono di realiz-
zare sistemi flessibili per la trasmissione di dati estendendo o collegando reti esistenti ovvero
creandone di nuove.
1.2 IEEE 802.11
Lo standard IEEE 802.11 é stato pubblicato nel 1997 ed inizialmente prevedeva l’utilizzo della
banda ISM (Industrial Scientifical Medical) a 2.4 GHz e velocità di trasmissione ad 1-2 Mb/s.
Nel 1999 lo standard é stato aggiornato, le novità più importanti sono:
• introduzione di nuove modulazioni e velocità più elevate;
• definizione di nuove versioni: 802.11a e 802.11b.
Nel 2003 una ulteriore evoluzione ha portato alla definizione delle specifiche 802.11g., la tabella
1.1 evidenzia le differenze tra i vari standard 802.11.
802.11a 802.11b 802.11g
Release 1999 2001 2003
Range di frequenza 5.15 - 5.35 GHz
5.47 - 5.85 GHz
2.40 - 2.497 GHz 2.40 - 2.497 GHz
Metodo di trasmissione OFDM DSSS DSSS/OFDM
Canali non overlapping 8 3 3
Data rate 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps
Range effettivo fino a 30 m indoor fino a 100 m indoor fino a 100 m indoor
Tabella 1.1: IEEE 802.11 - Standard
Lo standard 802.11 é anche chiamato Wireless Fidelity (Wi-Fi) dal nome di una associa-
zione di costruttori che lo promuove e verifica la inter-operabilità dei prodotti.
1Per questo motivo, l’uso é vietato al di fuori di ambienti chiusi
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STANDARD IEEE 802.11 (WI-FI) FAMIGLIA IEEE 802
1.3 Famiglia IEEE 802
Lo standard 802.11 fa parte della famiglia 802, la quale implementa una serie di specifiche
per le reti locali (LAN). La figura 1.1 mostra le relazioni tra le componenti della famiglia e il
modello OSI.
Figura 1.1: 802 Famiglia e Relazioni con modello OSI
Tutte le reti dello standard IEEE 802 hanno due componenti principali:
• MAC (Medium Access Control) insieme di regole che determinano come accedere al
mezzo e trasmettere i dati
• PHY (Physical) rappresenta in dettaglio come avviene la trasmissione e la ricezione
Le reti 802 sono identificate anche da un secondo numero. Ad esempio 802.3 rappresenta
le specifiche per le reti comunemente chiamate Ethernet e 802.5 sono le reti Token Ring.
Inoltre, 802.2 descrive le specifiche del Logical Link Control (LLC), invece 802.1 rappresenta
le caratteristiche di amministrazione.
Lo standard 802.11 include un livello MAC e 2 livelli PHY : a frequency-hopping spread-
spectrum (FHSS) e direct-sequence spread-spectrum (DSSS).
1.4 Architettura di Rete
Lo standard definisce due diverse topologie architetturali:
• Independent Basic Service Set (IBSS);
• Extend Service Set (ESS)
L’elemento base é rappresentato dal Basic Service Set (BSS), l’area entro la quale tutte le
stazioni possono comunicare fra loro, in particolare una stazione può muoversi entro il BSS,
ma non può comunicare direttamente con le altre se ne esce.
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ARCHITETTURA DI RETE STANDARD IEEE 802.11 (WI-FI)
Un IBSS consiste in un BSS autonomo, dove non é presente nessuna infrastruttura di back-
bone, ma almeno due stazioni devono essere presenti. Una architettura di questo tipo é
definita “ad-hoc network ” e soddisfa le esigenze di comunicazione tra utenti situati in aree
limitate. Nella figura 1.2 é rappresentata questo tipo di architettura.
Figura 1.2: IEEE 802.11 - Ad-Hoc Network
Più BSS possono essere connesse fra loro al fine di coprire aree più vaste. Questa nuova
topologia si chiama ESS (Extended Service Set) ed é rappresentata nella figura 1.3.
Figura 1.3: IEEE 802.11 - Extended Service Set
Il Basic Service Set (BSS) é costituito da un insieme di stazioni che competono per l’accesso
al mezzo trasmissivo condiviso. L’Access Point (AP) opera come un bridge2 e permette
il collegamento tra BSS e DS. Il Distribution System (DS) rappresenta una backbone3 per
collegare diversi BSS e può consistere in una LAN cablata (es. switch) o wireless. L’ESS
appare come una unica LAN al livello LLC. Il Portal interconnette la WLAN con altre LAN
2Elemento di interconnessione fra due rami di rete.
3Letteralmente “spina dorsale”, é una linea di connessione che é interconnessa con linee più piccole.
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STANDARD IEEE 802.11 (WI-FI) ARCHITETTURA PROTOCOLLARE
cablate.
All’interno di un ESS, i diversi BSS fisicamente possono essere locati secondo diversi criteri:
• BSS parzialmente sovrapposti (permettono di fornire una copertura continua);
• BSS fisicamente disgiunti;
• BSS co-locati (possono fornire una ridondanza della rete o permettere prestazioni supe-
riori).
1.5 Architettura Protocollare
Come detto in precedenza, tutte le reti 802 hanno due componenti :
• livello fisico, rappresenta in dettaglio come avviene la trasmissione e la ricezione;
• livello di linea, insieme di regole che determinano come accedere al mezzo e spedire i
dati.
La figura 1.4 rappresenta l’architettura dello standard 802, evidenziando sia la struttura
sia i punti d’accesso (SAP4) offerti da ogni livello.
MLME-PLME SAP
Livello di Linea
Livello Fisico
User Plane Management Plane
MAC SAP
PHY SAP
PMD SAP
MLM
E SAP
PLME
 SAPManagement
MAC Sublayer
PLCP Sublayer
PMD Sublayer
Entity (PLME)
PHY Sublayer
Entity (MLME)Management
MAC Sublayer
StationManagement
Entity
Figura 1.4: 802.11 Architettura Protocollare
1.5.1 Livello Fisico - PHY
Lo standard prevede la trasmissione mediante l’utilizzo di onde elettromagnetiche nell’etere:
radio e infrarossi. Sono supportati i terminali fissi o mobili a velocità pedestre ed eventual-
mente veicolare. La trasmissione e ricezione wireless (Tx/Rx) opera a 2.4 GHz, con potenze di
trasmissione dai 10-20 mW fino ai 100mW (milliwatt). L’uso delle frequenze é rigorosamente
controllato a livello governativo, come indicato nella tabella 1.2
4Denota in modo generico un punto d’accesso (Service Access Point)
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ARCHITETTURA PROTOCOLLARE STANDARD IEEE 802.11 (WI-FI)
REGIONE FREQUENZE UTILIZZATE
US 2.400 - 2.4835 GHz
Europa 2.400 - 2.4835 GHz
Giappone 2.471 - 2.497 GHz
Francia 2.4465 - 2.4835 GHz
Spagna 2.445 - 2.475 GHz
Tabella 1.2: IEEE 802.11 - Frequenze
La copertura di una cella radio varia da 20 metri a oltre 100 metri, in relazione alla
tipologia degli ambienti, e permette il collegamento da 10 a 250 utenze per AP, in funzione
del modello e della tecnologia impiegata. Con antenne direzionali (collegamenti punto-punto)
ad alto guadagno é possibile raggiungere distanze anche di 5 Km (se fra i due punti non ci
sono ostacoli).
Lo standard IEEE 802.11 consente due possibili tecniche di trasmissione radio:
• FHSS (Frequency Hop Spread Spectrum), dispersione di spettro a salto di frequenza;
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) dispersione di spettro in banda base.
Frequency Hop Spread Spectrum
Nel sistema FHSS il segnale ad una data frequenza viene fatto “saltare” da una canale all’altro,
distribuendosi uniformemente su una banda di frequenze. Lo spettro complessivo é diviso in
79 canali da 1 MHz ciascuno.
Figura 1.5: 802.11 - Frequency Hop Spread Spectrum
Il vantaggio di tale sistema, quando il rapporto fra la larghezza di banda originale del
segnale e la larghezza di banda del segnale di diffusione é molto grande, é di offrire una grande
immunità all’interferenza. La tecnologia consente a più utenti di condividere lo stesso insieme
di frequenze, cambiando automaticamente la frequenza di trasmissione fino a 1600 volte al
secondo, al fine di una maggiore stabilità di connessione e di una riduzione delle interferenze
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STANDARD IEEE 802.11 (WI-FI) ARCHITETTURA PROTOCOLLARE
tra i canali di trasmissione. Lo spectrum spreading consiste in una continua variazione di
frequenza utilizzando una modulazione di frequency hopping. Gli hops corrispondono ai salti
di frequenza all’interno della gamma assegnata (2.402 GHz - 2.480 GHz con salti di 1 MHz,
complessivamente 79 hops set). Inoltre, tale sistema offre una buona robustezza al fading
dovuto ai cammini multipli (comuni nei ambienti “indoor”). Percorsi di propagazione multipli,
interferendo l’uno con l’altro, creano del fading selettivo in frequenza; le fluttuazioni sono
correlate a frequenze adiacenti ma si scorrelano, in ambienti indoor, dopo pochi MHz. Viene
utilizzata una modulazione gaussiana di tipo FSK (Frequency-shift keying) o GFSK (Gaussian
Frequency Shift Keying).
Il sistema FHSS risulta molto sicuro contro l’interferenza e l’intercettazione, infatti risulta
statisticamente impossibile riuscire ad ostruire tutte le frequenze utilizzate.
Direct Sequence Spread Spectrum
Il sistema DSSS é una tecnologia di trasmissione a “frequenza diretta” a banda larga, ogni
bit viene trasmesso come una sequenza ridondante di valori, detti chip. Questo metodo é
indicato per la trasmissione e ricezione di segnali deboli, perchè offre una buona robustezza
all’interferenza. L’interfaccia DSSS utilizza un sistema con dispersione in banda base, uti-
lizzando un chipping code (codice di dispersione) che permette di modulare il dato prima di
essere trasmesso, ogni bit viene codificato con una sequenza (Barker5) di 11 simboli (chip).
Di conseguenza, il segnale trasmesso occuperà una maggiore banda in trasmissione.
Figura 1.6: 802.11 - Direct Sequence Spread Spectrum
Attraverso la modulazioneOFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), il segnale
viene distribuito su 48 sottoportanti6, ogni sottoportante é ortogonale rispetto alle altre in
modo che i diversi segnali non si sovrappongono. I vantaggi di una tale modulazione sono:
alta efficienza spettrale, robustezza alle interferenze radio e alle distorsioni multi-percorso.
5Le sequenze di Barker hanno particolari proprietà matematiche, presenta buone caratteristiche in termini
di autocorrelazione
6Nella modulazione OFDM sono disponibili complessivamente 64 sottoportanti
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