УДК 629.1.053.1.621.396.75
КОМПЛЕКСНАЯ МЕТОДИКА СИНТЕЗА СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ
О. С. Ассур, Г. Ф. Филаретов
Предложена комплексная методика экспериментальной настройки систем позиционирования по данным беспроводных сетей Wi-Fi, обеспечивающая необходимую точность определения местоположения объекта. Рассмотрены основные этапы реализации предложенной методики, их содержание и особенности практической реализации.
Ключевые слова: системы позиционирования, Wi-Fi, беспроводные сети, экспериментальная настройка, планирование эксперимента.
ВВЕДЕНИЕ
Задача позиционирования объектов является достаточно распространенной и многообразной в зависимости от области применения, метода решения, используемых программно-технических средств [1, 2]. В данной работе рассматривается задача определения местоположения материальных объектов в пространстве на основе использования беспроводных сетей Wi-Fi. Такие системы, обычно именуемые системами Wi-Fi позиционирования, используются в первую очередь для определения положения объектов внутри помещений произвольной конфигурации, хотя могут быть применены и для позиционирования на открытой местности.
Распространение систем Wi-Fi позиционирования неразрывно связано с ростом популярности технологии Wi-Fi для организации локальных вычислительных сетей. Наличие существующей развитой Wi-Fi сети позволяет достаточно просто построить систему позиционирования, обладающую приемлемой точностью при минимальных дополнительных аппаратных затратах.
Несмотря на обилие коммерческих систем и методов Wi-Fi позиционирования [3—5], в настоящее время отсутствует научно обоснованная методика, предлагающая комплексный подход к их созданию, настройке, а главное, к анализу качества их функционирования. Это приводит к тому, что даже незначительные искажения, вносимые в процессе освоения системы, влияние некоторых неучтенных внешних факторов требуют проведения повторных работ, иногда, практически, "с нуля" [6].
Разработка единой методики построения систем Wi-Fi позиционирования основана на следующих базовых принципах.
1) Системность — весь комплекс задач по созданию системы позиционирования рассматривается как единое целое.
2) Универсальность — разработанная методика и средства ее реализации могут применяться для широкого класса систем позиционирования, основанных на получении данных об уровнях мощности сигналов Wi-Fi.
3) Гибкость — комплекс предусматривает возможность работы с любым типом сетевого обо-
рудования, поддерживающим стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi).
4) Техническая безопасность — система позиционирования в процессе настройки и эксплуатации не должна оказывать значительной нагрузки на сетевое оборудование локальной сети предприятия.
5) Унификация технических решений — комплекс предусматривает возможность позиционирования любых устройств, оснащенных модулем Wi-Fi и способных передавать данные об уровнях мощности видимых Wi-Fi точек доступа: персональные и планшетные компьютеры, мобильные телефоны, Wi-Fi метки и др.
В рамках предложенной методики весь процесс построения системы может быть разбит на ряд последовательных этапов. К наиболее важным из них относятся следующие.
• Предпроектный анализ задачи построения системы Wi-Fi позиционирования.
• Синтез сетевой инфраструктуры.
• Планирование и экспериментальная настройка системы.
• Анализ результатов измерений (постэкспериментальная часть) и выработка рекомендаций по улучшению качества настройки систем позиционирования.
ПРЕДПРОЕКТНЫЙ АНАЛИЗ
На данном этапе осуществляется:
— определение целей использования системы позиционирования и требований к ее точности;
— составление плана контролируемых помещений (территорий);
— анализ существующей Wi-Fi сети с указанием мест расположения имеющихся точек доступа;
— выработка рекомендаций по совершенствованию существующей Wi-Fi сети для обеспечения требуемой точности.
Главная проблема, которая должна быть рассмотрена в первую очередь, это формулировка функциональных требований к системе позиционирования и прежде всего к ее точности.
В зависимости от целей использования системы позиционирования к ее точности могут предъявляться разные требования. Классификация систем позиционирования в зависимости от целей использования и требуемой точности приведена в табл. 1.
В принципе, отнесение системы к одной из категорий не влияет на количество и последовательность этапов настройки системы. Требования к точности системы учитываются на этапе определения необходимости дополнения существующей беспроводной сети Wi-Fi новыми точками доступа и на этапе вы-
бора опорных точек обучения системы.
Далее представляется необходимым конкретизировать функциональные требования к системе, в том числе:
— необходимость определения местоположения объектов позиционирования только внутри помещений (здания) или также и на некоторой территории вне здания на открытой местности (улице);
— необходимость организации контроля доступа в те или иные части помещения средствами системы позиционирования.
Кроме того, следует уточнить структуру, особенности планировки и назначение контролируемых помещений.
На основании полученной информации составляется точный масштабный план контролируемых помещений (территорий) с указанием геометрических размеров всех ее элементов. На этот план наносится местоположение источников сигнала Wi-Fi (точек доступа в сеть) и зон их покрытия, что необходимо для последующего анализа достаточности имеющихся точек доступа и конфигурации соответствующих зон покрытия для обеспечения требуемой точ-
ности создаваемой системы позиционирования.
По результатам такого анализа при необходимости формируются предложения по совершенствованию и развитию Wi-Fi сети для обеспечения эффективного выполнения поставленных перед системой задач. В них может быть рекомендовано изменить местоположение имеющихся точек доступа или дополнить существующую сеть новыми точками доступа. При выработке подобных предложений следует учесть общие рекомендации по размещению точек доступа, основанные на опыте внедрения и настройки коммерческих систем позиционирования [6, 7]:
• размещать точки доступа желательно на высоте выше человеческого роста; это необходимо для того, чтобы уменьшить влияние на уровень мощности сигнала людей и оборудования, расположенных между точкой доступа и объектом позиционирования;
• в зависимости от категории точности системы позиционирования (см. табл. 1) должно выполняться условие одновременной прямой видимости в помещении:
Таблица 1
Классификация систем Wi-Fi позиционирования
Категория Точность, м Цели использования
Система высокой точности 1...5 Определение местоположения пострадавших в случае возникновения чрезвычайных ситуаций; контроль доступа на объект и в охраняемые зоны работников и посетителей; обнаружение нарушителей и мест пересечения ими границ охраняемых зон объекта
Система средней точности 5...10 Контроль местонахождения персонала, посетителей, транспорта и дорогостоящего оборудования
Система низкой точности 10...20 Предоставление локационных сервисов и услуг
— не менее трех точек доступа для систем высокой точности (1...5 м);
— не менее двух точек доступа для систем средней точности (5...10 м);
— не менее одной точки доступа для систем низкой точности (10...20 м).
СИНТЕЗ СЕТЕВОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ
Синтез сетевой инфраструктуры заключается в настройке параметров точек доступа и организации связи между позиционируемыми устройствами с сервером позиционирования.
Основными параметрами настройки точек доступа являются: SSID (Service Set IDentifier) — идентификатор сети; радиоканал; метод шифрования.
Идентификатор сети (SSID) представляет собой строку длиной от 1 до 32 байт. Точка доступа передает свой идентификатор с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приемник может выбрать одну из них на основании данных об уровне сигнала.
Настройка каналов точек доступа осуществляется таким образом, чтобы минимизировать взаимное влияние точек, расположенных в пределах одной зоны действия. В беспроводных сетях используются два частотных диапазона — 2,4 и 5 ГГц. В полосе частот 2,4 ГГц для беспроводных сетей доступны 13 каналов шириной 20 или 40 МГц с интервалами 5 МГц между ни-
ми. Для исключения взаимных помех между каналами необходимо, чтобы их несущие отстояли друг от друга на 25 МГц [8].
Настройка метода шифрования осуществляется исходя из принципа обеспечения информационной безопасности. В современных Wi-Fi сетях могут применяться следующие методы шифрования:
— WEP-шифрование (Wired Equivalent Privacy);
— TKIP-шифрование (Temporal Key Integrity Protocol);
— CKIP-шифрование (Cisco Key Integrity Protocol);
— WPA-шифрование (Wi-Fi Protected Access);
— WPA2-шифрование (Wi-Fi Protected Access II).
На основании данных об устойчивости методов шифрования [9] рекомендуется применять метод WPA2 в качестве параметра настройки точек доступа, используемых системой позиционирования.
При настройке системы позиционирования на этом этапе должны учитываться следующие основные требования.
• Часть точек доступа, используемых системой, должна быть предназначена для организации связи устройств позиционирования с сервером. Эти точки должны обеспечивать связь устройств с сервером на всей территории позиционирования.
• Для снижения нагрузки на существующей сетевое оборудование при решении задачи связи устройств с сервером следует отдавать предпочтение дополнительным точкам доступа.
• Каналы точек доступа должны выбираться исходя из принципа минимизации их
взаимного влияния с учетом сформулированных выше рекомендаций.
ПЛАНИРОВАНИЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ НАСТРОЙКИ
Задачей планирования экспериментальной настройки является определение опорных точек для измерения уровней мощности сигнала Wi-Fi. Данные измерений формируют обучающую выборку, на основании которой система позиционирования выносит суждение о местопол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.