Система позиционирования Wi-Fi ( WPS , WiPS или WFPS ) — это система геолокации , которая использует характеристики близлежащих точек доступа Wi-Fi для определения местонахождения устройства. [1]
Он используется там, где спутниковая навигация, такая как GPS, неадекватна из-за различных причин, включая многолучевое распространение и блокировку сигнала в помещении, или где получение спутникового местоположения займет слишком много времени. [2] Такие системы включают в себя вспомогательную GPS, городские службы позиционирования через базы данных точек доступа и внутренние системы позиционирования . [3] Позиционирование Wi-Fi использует преимущества быстрого роста в начале 21-го века беспроводных точек доступа в городских районах. [4]
Наиболее распространенный метод позиционирования с использованием беспроводных точек доступа основан на грубом прокси для силы принятого сигнала ( индикатор силы принятого сигнала , или RSSI ) и методе «снятия отпечатков пальцев». [5] [6] [7] Обычно беспроводная точка доступа идентифицируется по ее SSID и MAC-адресу , и эти данные сравниваются с базой данных предполагаемых местоположений точек доступа, идентифицированных таким образом. Точность зависит от точности базы данных (например, если точка доступа переместилась, ее запись неточна), а точность зависит от количества обнаруженных поблизости точек доступа с (точными) записями в базе данных и точности этих записей. База данных местоположений точек доступа заполняется путем корреляции данных о местоположении мобильных устройств (определенных другими системами, такими как Galileo или GPS) с MAC-адресами точек доступа Wi-Fi. [8] Возможные колебания сигнала, которые могут возникнуть, могут увеличить ошибки и неточности на пути пользователя. Чтобы минимизировать колебания в полученном сигнале, существуют определенные методы, которые можно применять для фильтрации шума.
В случае низкой точности были предложены некоторые методы для объединения трассировок Wi-Fi с другими источниками данных, такими как географическая информация и временные ограничения (т. е. временная география ). [9]
Точная локализация в помещении становится все более важной для устройств на базе Wi-Fi из-за возросшего использования дополненной реальности , социальных сетей , мониторинга здравоохранения, персонального отслеживания, управления запасами и других приложений, учитывающих местоположение в помещении . [10] [11]
В области безопасности беспроводных сетей это важный метод, используемый для обнаружения и картирования несанкционированных точек доступа . [12] [13]
Популярность и низкая цена сетевых интерфейсных карт Wi-Fi являются привлекательным стимулом для использования Wi-Fi в качестве основы для системы локализации, и за последние 15 лет в этой области были проведены значительные исследования. [5] [7] [14]
Проблема определения местоположения устройства в помещении на основе Wi‑Fi заключается в определении положения клиентских устройств относительно точек доступа. Существует множество методов для достижения этой цели, и их можно классифицировать на основе четырех различных критериев, которые они используют: индикация уровня принимаемого сигнала ( RSSI ), дактилоскопия , угол прибытия ( AoA ) и время пролета ( ToF ). [14] [15]
В большинстве случаев первым шагом для определения положения устройства является определение расстояния между целевым клиентским устройством и несколькими точками доступа. При известных расстояниях между целевым устройством и точками доступа алгоритмы трилатерации могут быть использованы для определения относительного положения целевого устройства, [11] используя известное положение точек доступа в качестве опорного. В качестве альтернативы, углы прибывающих сигналов на целевое клиентское устройство могут быть использованы для определения местоположения устройства на основе алгоритмов триангуляции . [14]
Сочетание этих методов может быть использовано для повышения точности системы. [14]
Методы локализации RSSI основаны на измерении грубой относительной силы сигнала на клиентском устройстве из нескольких различных точек доступа, а затем объединении этой информации с моделью распространения для определения расстояния между клиентским устройством и точками доступа. Методы трилатерации (иногда называемые мультилатерацией) могут использоваться для расчета предполагаемого положения клиентского устройства относительно ожидаемого положения точек доступа. [11] [14]
Хотя это один из самых дешевых и простых в реализации методов, его недостатком является то, что он не обеспечивает очень хорошую точность (медиана 2–4 м), поскольку измерения RSSI имеют тенденцию колебаться в зависимости от изменений в окружающей среде или замирания из-за многолучевого распространения . [5]
Cisco использует RSSI для определения местоположения устройств через свои точки доступа. Точки доступа собирают данные о местоположении и обновляют местоположение в облаке Cisco, называемом Cisco DNA Spaces . [16]
Выборка Монте-Карло — это статистический метод, используемый при картографировании Wi-Fi в помещениях для оценки местоположения беспроводных узлов. Процесс включает создание карт мощности беспроводного сигнала с использованием двухэтапного параметрического и управляемого измерениями подхода трассировки лучей. Это учитывает характеристики поглощения и отражения различных препятствий в помещениях. [17]
Затем оценки местоположения вычисляются с использованием байесовской фильтрации на выборках, полученных с помощью выборки Монте-Карло. Было обнаружено, что этот метод обеспечивает хорошие оценки местоположения пользователей с точностью до подкомнаты, используя показания полученной индикации уровня сигнала (RSSI) от одной точки доступа. [18]
Традиционное снятие отпечатков пальцев также основано на RSSI, но оно просто полагается на запись уровня сигнала от нескольких точек доступа в радиусе действия и сохранение этой информации в базе данных вместе с известными координатами клиентского устройства в автономной фазе. Эта информация может быть детерминированной [5] или вероятностной. [7] Во время фазы онлайн-отслеживания текущий вектор RSSI в неизвестном месте сравнивается с теми, которые хранятся в отпечатке пальца, и ближайшее совпадение возвращается как предполагаемое местоположение пользователя. Такие системы могут обеспечивать срединную точность 0,6 м и хвостовую точность 1,3 м. [14] [19]
Его главный недостаток заключается в том, что любые изменения в окружающей среде, такие как добавление или удаление мебели или зданий, могут изменить «отпечаток пальца», который соответствует каждому местоположению, требуя обновления базы данных отпечатков пальцев. Однако интеграция с другими датчиками, такими как камеры, может использоваться для того, чтобы справляться с изменяющейся средой. [20]
С появлением интерфейсов MIMO Wi-Fi, которые используют несколько антенн, стало возможным оценить AoA многолучевых сигналов, принимаемых антенными решетками в точках доступа, и применить триангуляцию для вычисления местоположения клиентских устройств. SpotFi, [14] ArrayTrack [10] и LTEye [21] — это предлагаемые решения, которые используют этот тип техники.
Типичное вычисление AoA выполняется с помощью алгоритма MUSIC . Предполагая, что антенная решетка антенн равномерно разнесена на расстояние и сигнал поступает в антенную решетку через пути распространения, сигнал проходит дополнительное расстояние, чтобы достичь второй антенны решетки. [14]
Учитывая, что -й путь распространения приходит под углом относительно нормали антенной решетки точки доступа, есть затухание, испытываемое любой антенной решетки. Затухание одинаково в каждой антенне, за исключением сдвига фазы, который меняется для каждой антенны из-за дополнительного расстояния, пройденного сигналом. Это означает, что сигнал приходит с дополнительной фазой
на второй антенне и
на -й антенне. [14]
Таким образом, следующую комплексную экспоненту можно использовать в качестве упрощенного представления фазовых сдвигов, испытываемых каждой антенной, в зависимости от угла атаки пути распространения: [14]
AoA затем может быть выражена как вектор принятых сигналов из -за -го пути распространения, где - вектор управления и задается как: [14] Существует один вектор управления для каждого пути распространения, и матрица управления (размерности ) тогда определяется как: [14] и вектор принятого сигнала : [14] где - вектор комплексных затуханий вдоль путей . [14] OFDM передает данные по нескольким различным поднесущим, поэтому измеренные принятые сигналы, соответствующие каждой поднесущей, образуют матрицу, выражаемую как: [14] Матрица задается матрицей информации о состоянии канала ( CSI ), которая может быть извлечена из современных беспроводных карт с помощью специальных инструментов, таких как Linux 802.11n CSI Tool. [22]
Здесь применяется алгоритм MUSIC , сначала вычисляя собственные векторы (где — сопряженное транспонирование ) и используя векторы, соответствующие нулевому собственному значению, для вычисления векторов управления и матрицы . [14] Затем из этой матрицы можно вывести AoA и использовать их для оценки положения клиентского устройства посредством триангуляции .
Хотя этот метод обычно точнее других, для его использования может потребоваться специальное оборудование, например, массив из шести-восьми антенн [10] или вращающиеся антенны [21] . SpotFi [14] предлагает использовать алгоритм сверхвысокого разрешения , который использует количество измерений, выполненных каждой из антенн карт Wi-Fi всего с тремя антеннами, а также включает в себя локализацию на основе ToF для повышения точности.
Подход к локализации на основе времени пролета (ToF) использует временные метки, предоставляемые беспроводными интерфейсами, для расчета ToF сигналов, а затем использует эту информацию для оценки расстояния и относительного положения одного клиентского устройства по отношению к точкам доступа. Детализация таких измерений времени составляет порядка наносекунд, а системы, использующие эту технику, сообщали об ошибках локализации порядка 2 м. [14] Типичные приложения для этой технологии — маркировка и определение местоположения активов в зданиях, для которых обычно достаточно точности на уровне комнаты (~3 м). [24]
Измерения времени, проводимые на беспроводных интерфейсах, основаны на том факте, что радиочастотные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света, которая остается практически постоянной в большинстве сред распространения в помещениях. Таким образом, скорость распространения сигнала (и, следовательно, ToF) не так сильно зависит от окружающей среды, как измерения RSSI. [23]
В отличие от традиционных методов эхо-сигнала на основе ToF, таких как те, которые используются в системах РЛС , методы эхо-сигнала Wi-Fi используют обычные кадры данных и подтверждения связи для измерения ToF. [23]
Как и в подходе RSSI, ToF используется только для оценки расстояния между клиентским устройством и точками доступа. Затем можно использовать метод трилатерации для расчета предполагаемого положения устройства относительно точек доступа. [24] Наибольшие проблемы в подходе ToF заключаются в решении проблем синхронизации часов, шума, артефактов выборки и эффектов многолучевого канала. [24] Некоторые методы используют математические подходы для устранения необходимости синхронизации часов. [15]
Совсем недавно стандарт Wi-Fi Round Trip Time предоставил Wi‑Fi точные возможности измерения дальности ToF.
Ссылаясь на особые проблемы конфиденциальности, возникающие из-за WPS, Google предложила единый подход для исключения определенной точки доступа из участия в определении местоположения с помощью WPS, предположительно, путем намеренного отказа каждого владельца точки доступа от исключения каждой точки доступа. [25] Добавление «_nomap» к SSID беспроводной точки доступа исключает ее из базы данных WPS Google. [26] Mozilla использует _nomap как метод отказа от своей службы определения местоположения. [27]
Доступно несколько баз данных местоположений общедоступных точек Wi-Fi (только активные проекты):