Как стать автором
Обновить

Wi-Fi позиционирование «дешево и сердито». О частоте замеров или возможно ли Wi-Fi позиционирование в реальном времени?

Системное администрирование *IT-инфраструктура *Cisco *Сетевые технологии *Беспроводные технологии *
Это третья, пока заключительная статья из серии Wi-Fi позиционирования «дешево и сердито»: когда не используются специализированные клиентские устройства и специализированная инфраструктура, а используются только общедоступные персональные устройства (смартфоны, планшеты, ноутбуки) и обычная инфраструктура Wi-Fi.

В первых двух статьях я делал основной акцент на точности и достоверности позиционирования, не касаясь вопроса частоты замеров. Если Клиент находится в статическом положении, частота замеров не имеет критичного значения, а если Клиент движется, то частота замеров начинает играть существенную роль.

Отправной точкой при расчёте частоты замеров является такая характеристика как характерная скорость движения Клиентов. Для человека это 5км/ч или 1.5 м/с. Для обеспечения позиционирования в реальном времени промежуток времени между двумя замерами не должен превышать удвоенную точность позиционирования, что позволяет строить достаточно точные для практических целей траектории движения.

Точность классического позиционирования по тестам, проведенным в предыдущей статье, составляла порядка пяти метров с достоверностью 90%. В этом случае частота замеров должна быть не менее 6,6с (либо 13,3 секунды для точности 10 метров). Теперь осталось выяснить, какова реальная частота замеров и соответствует ли она заявленной точности позиционирования.

Для тестов используется смартфон на Android 4.4.4 и ноутбук с Windows 7.

Что ж, цель ясна, средства понятны, приступим!

В специализированных системах позиционирования частотой замеров можно управлять на уровне работы драйверов беспроводного адаптера и программного обеспечения, регулируя интервалы передачи информации, тем самым подстраиваясь под характерную скорость клиента и точность позиционирования.

С персональными Wi-Fi устройствами (смартфоны, планшеты, ноутбуки) дело обстоит иначе: мы можем работать только с тем, что определено в стандартах IEEE 802.11-2012, драйверами производителя, настройками операционной системы.

Частота замеров, а что это?


Точки доступа (ТД) используют для позиционирования уровень сигнала (RSSI) Wi-Fi клиента (Клиент). Назову наличие на ТД одного измеренного уровня сигнала Клиента Замером.

Для решения задачи позиционирования необходимо иметь как минимум по одному Замеру с трех точек доступа. Чтобы не было путаницы, буду называть такой набор Сэмплом.

А сложно ли получить Сэмпл?


Точки доступа, Замеры которых формируют Сэмпл в общем случае работают на трех разных каналах, допустим, первый, шестой и 11-й (это связано с работой стандартов IEEE 802.11).

В соответствии со стандартами IEEE 802.11, Wi-Fi адаптер может находиться в одном из трех состояниях:

— передача (Tx)
— приём (Rx)
— мониторинг (CCA — Clear Channel Assessment)

Если ТД не передаёт и не принимает, она находится в режиме мониторинга своего канала (в частности для оценки виртуальной (CCA-CS, Carrier Sense) и физической (CCA-ED, Energy Detect) занятости канала).
Если Клиент находится в зоне уверенного приёма одной точки доступа, то он передаёт и принимает на одном канале. Возвращаясь к тому, из чего формируется Сэмпл, возникает вопрос, каким образом сформируется Сэмпл, если Клиент работает только в одном канале, а Замеры должны быть на трех разных каналах?

image

Современные точки доступа небольшую часть времени тратят на мониторинг смежных каналов, но так как основной задачей точек доступа остаётся обслуживание клиентов, а мониторинг всех каналов происходит последовательно, то время нахождения на смежном канале очень мало. К примеру, в инфраструктуре Cisco точка доступа обходит все каналы за 16 секунд. В этом случае вероятность «поймать» Замер клиента на смежном канале невелика. Поэтому этот способ мы отметаем.

Для мониторинга смежных каналов производители часто применяют дополнительное радио. К таким технологиям относится Cisco FastLocation. Модуль мониторинга перебирает все возможные каналы, но находится на каждом канале заметно дольше. Но опять же, эта роскошь по условиям задачи нам не доступна. Более детально технологии Cisco FastLocation я собираюсь посвятить отдельную статью.

Откуда все-таки тогда берется Сэмпл?!


В беспроводной среде есть огромное количество процессов, которые протекают незаметно для пользователя. Есть три типа пакетов (Data, Control, Management) и как минимум 39 типов фреймов, и есть всего один фрейм (и один режим работы беспроводного клиента), который позволяет решить поставленную задачу.

Это режим активного сканирования (active scanning), когда Клиент активно (посылая пакеты Probe Request) сканирует все доступные каналы на предмет наличия подходящей беспроводной сети. Probe Request, как фрейм управления (management frame), посылается на максимальной мощности и на самой низкой скорости передачи. Именно этот режим позволяет точкам доступа, работающим на других каналах, получить Замер с Клиента и сформировать Сэмпл.

image

Зачем Клиент посылает эти запросы?



Есть как минимум два режима работы, когда используется сканирование:

1. При выборе клиентом подходящей точки доступа, для подключения к беспроводной сети
2. При выборе клиентом подходящей точки доступа во время перехода с точки на точку (во время роуминга)

Клиенту доступно два механизма сканирования радиосреды:

— пассивное сканирование (passive scanning)
— активное сканирование (active scanning)

В первом случае беспроводной клиент слушает beacon пакеты (посылаемые каждые 102,4мс. по умолчанию), во втором – посылает probe request и дожидается probe response.

Очевидно, что это вопрос выбора между скоростью сканирования и затрачиваемой на это энергией (самый затратный режим работы беспроводного клиента – это передача).

Пассивное сканирование


Допустим, мы производим сканирование в диапазоне 2.4ГГц в России, где разрешено 13-ть каналов. Приёмник беспроводного клиента должен находиться, очевидно, не менее 102.4мс (стандартный интервал между beacon пакетами) в режиме мониторинга на каждом канале. Полный цикл сканирования занимает в районе 1.4с.

Активное сканирование


Клиент посылает запрос в канал (Probe Request). Точки доступа, работающие на этом канале и услышавшие запрос, отвечают на него информацией о имеющихся беспроводных сегментах (SSID).

Запрос может быть направленный (содержащий определенный SSID) — directed probe request, в этом случае ТД должна ответить информацией только об этом SSID (если он на ней есть).

Запрос может быть всенаправленный (Null Probe Request), в этом случае ТД, услышавшая данный пакет, должна предоставить информацию о всех настроенных SSID.

Клиент посылает Probe Request на первом канале и запускает ProbeTimer. Величина ProbeTimer не стандартизована и в зависимости от реализации драйверов сетевого адаптера может отличаться, но в общем случае она составляет 10мс. В течении этого времени беспроводной клиент обрабатывает ответы (Probe Response от ТД). Далее переходит на следующий канал и так по всем каналам. После чего решает, к какой ТД подключиться.

Полный цикл сканирования в этом случае занимает порядка 130мс, что примерно на порядок меньше пассивного сканирования.

Каждый производитель самостоятельно выбирает тип сканирования и условия его применения. Так же в самой операционной системе может быть опции, позволяющие выбрать определенный режим.

Какую частоту сканирования по Probe Request можно ожидать?


С моей точки зрения после подключения к SSID и находясь в зоне уверенного приёма одной точки доступа, Клиент не должен посылать Probe Request вообще.

Производитель Cisco говорит, что интервал передачи может быть в пределах от 10 секунд до 5 минут, в зависимости от типа Клиента, ОС, драйверов, батареи, активности клиента (http://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/wireless/controller/technotes/8-0/CMX_FastLocate_DG/b_CMX-FastLocate-DG.html).

Получается, что теория несколько противоречит практике, поэтому тут необходимы тесты.

Измерение частоты посылки Probe Request


Сначала тестам подвергся ноутбук в статическом положении, подключенный к сети, режим максимального потребления. На одном профиле у меня были отметки «подключаться автоматически» и «подключаться, даже если сеть не ведет вещание своего имени (SSID).

Результат показал, что система примерно раз в минуту посылает на все каналы всенаправленный Probe request независимо ни от чего.

image
image

То есть система, находясь в статическом положении, в зоне уверенного приёма одной ТД, всё равно каждую минуту отправляет на все каналы Probe request (на каждый запрос все точки доступа посылают probe response, что формирует немалый траффик). В режиме Maximum Battery Life ноутбук показал тот же результат.
Так же видно, что каждый раз Клиент посылает не один запрос, а сразу несколько, с совсем небольшим временным промежутком.

Есть ли корреляция между частотой посылки Probe Request и частотой замеров Cisco CMX


Количество Probe Request и количество Сэмплов на Cisco CMX совпала. Причем по логам видно, что раз в минуту приходит несколько Замеров (как показывает и анализатор), но CMX, очевидно, объединяет такие запросы (и правильно делает), так как счетчик каждую минуту увеличивался на один. Выглядело это примерно так:

TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:43:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:43:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:43:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:43:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:43:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:43:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:44:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:44:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:44:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:44:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:44:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:45:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:45:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:45:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:45:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:45:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:46:14 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:46:14 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:46:14 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:46:14 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:46:14 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:47:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:47:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:47:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:47:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:47:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:48:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:48:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:48:12 MSK 2016
TIMESTAMP :Fri Aug 26 10:48:12 MSK 2016

Частота замеров в движении


В движении периодичность изменилась и появилась связь с моментом роуминга. Как показал анализатор, действительно, перед моментом роуминга ноутбук слал Probe Request на все каналы, то есть выполнял процедуру активного сканирования.

image

Тут возникает интересный эффект: чем быстрее двигается человек, тем чаще происходит роуминг. Но, к сожалению, роуминг происходит несколько реже, чем каждые 10 метров (удвоенная точность). Клиент держится «до последнего» за точку доступа и только в последний момент переключается на новую. В результате роуминг происходил не менее, чем каждые 15-20 метров, что примерно в два раза больше требуемого, в результате мы имеем не очень достоверную траекторию движения (см. предыдущую статью).

Далее я проводил тесты со смартфоном на базе Android 4.4.4. У смартфона есть два режима работы: активный и спящий. В спящем режиме есть несколько вариантов работы. Для тестов я использовал самый шумный режим «Never».

image

Результаты оказались следующими.

image

Если смартфон лежал на месте, и я им не пользовался, задержки составляли порядка 500-600 секунд. Даже в период активного серфинга задержки составляли порядка 100 секунд. Более частое обновление получалось за счет просмотра беспроводных сетей (в этот момент посылались запросы.

В движении результаты получились аналогичны ноутбуку, то есть прослеживалась прямая связь между посылкой пакетов и роумингом.

Основные выводы


1. В классическом Wi-Fi позиционировании замеры производятся по пакетам Probe Request

2. На персональных устройствах (ноутбуках, планшетах, смартфонах) частота посылки Probe Request зависит от большого количество факторов: типа устройства, ОС, типа драйверов и их настройки, состоянии батареи, активности клиента и может составлять от 5 секунд до 10 минут. Но!

3. Есть прямая связь между скоростью передвижения клиента (частотой роуминга) и частотой посылки Probe Request. Если клиент находится в статическом положении, то частота замеров небольшая (но она и не нужна большая!). А в случае движения начинают формироваться Probe Request по событию роуминга. Но!

4. Частота посылки Probe Request по событию роуминга недостаточна (больше, чем удвоенная точность позиционирования) и при равномерном движении может составлять 10-15 секунд (а требуется как минимум 5-10 секунд), что приводит к ухудшению точности позиционирования в движении не меньше чем в два раза.

НА что следует обратить внимание


Многие производители стараются оптимизировать работу своих устройств для увеличения времени работы устройства и первым претендентом на оптимизацию является режим «активного сканирования». Это приводит в том числе к тому, что такие устройства как iPhone и Android тоже, стали достаточно редко использовать этот режим работы, но в случае роуминга еще не отошли от использования Probe Request.

На помощь производителям, к сожалению, так же приходит протокол IEEE 802.11k, который вошел в новую версию стандарта 802.11-2012. Этот стандарт берет на себя как раз ту функцию, которую сейчас выполняет активное сканирование при роуминге.

Из-за активной работы производителей в сторону уменьшения энергопотребления и внедрения стандарта 802.11k вряд ли можно ожидать на этом направлении улучшений.

Остаётся вариант использования для замеров пакетов данных (Data frame). В этом случае мы логично приходим к рассмотрению технологии Cisco FastLocaton в следующей статье.

P.S. Ниже небольшое отступление про активные Wi-Fi метки, про которые, если удастся с ними поработать, будет отдельная статья.

В случае применения активных Wi-Fi меток мы можем настроить их работу, как нам необходимо. Программное обеспечение настраивается таким образом, что метка постоянно находится в спящем режиме, просыпается с определенной периодичностью для посылки Probe Request на все каналы, после чего засыпает. С помощью такого режима работы можно добиться необходимой частоты обновления и необходимой продолжительности автономной работы.

Вот пример активной метки, которая просыпается каждые 90 секунд для посылки Probe Request, работает от двух АА-батареек порядка 27 дней.

P.P.S. Небольшое добавление. Поддержка протокола 802.11k может как ухудшить, так и улучшить Wi-Fi позиционирование. Пока ничего более конкретно сказать не могу, так как тема не изучена, постараюсь освятить в дальнейшем.
Теги: wirelesswi-filocationciscowireless lancisco wlc
Хабы: Системное администрирование IT-инфраструктура Cisco Сетевые технологии Беспроводные технологии
Всего голосов 9: ↑9 и ↓0 +9
Комментарии 20
Комментарии Комментарии 20

Похожие публикации

Лучшие публикации за сутки